微網運行模式無縫切換控制技術研究*

胡實，袁旭峰，朱余林，高志鵬，李芷蕭

(貴州大學 電氣工程學院， 貴陽550025)

0 引 言

微網既可獨立運行即孤島運行，也可與大電網并聯運行，具有較高的靈活性，然而隨著微網的不斷推廣與應用，微網接入電網的規模越來越大，對電網的電能質量帶來了很大影響,提高微網孤島/并網兩種運行模式下的可靠性，解決兩種運行模式間的無縫切換問題是充分發揮微網即插即用的優勢，提高微網并網電能質量的關鍵。

文獻[1-2]中提出雙模式控制技術，微網并網運行時采用PQ控制法，孤島運行時采用V/f控制，符合微網運行的需要，但切換難度大，相位差易引起較大的沖擊電流。文獻[3]提出微網并網運行時采用PQ控制，孤島運行時采用下垂控制，但缺少具體的控制過程以及相關的實驗驗證。文獻[4]根據虛擬同步發電機的下垂控制特性，提出微網并網和孤島運行時都采用虛擬同步控制法，但沒有考慮VSG的并網適應性特性。縱觀目前的研究現狀及相關的研究成果[5-13]，基于虛擬同步發電機的無縫切換技術和基于下垂控制的無縫切換技術，兩者都有較好的適應性特性[14-19]，具備更好的實際應用前景，有重大的研究意義。VSG控制具有下垂特性，能夠模擬同步發電機的一次調頻和調壓的特性，更適用于運行模式的無縫切換技術；下垂控制，控制結構簡單，并離網過程中不需要改變控制策略，能夠有效減少控制策略切換帶來的幅頻擾動。

在分析微網系統模型和運行模式的基礎上，對比研究了VSG控制和下垂控制無縫切換技術。其中基于VSG的無縫切換技術，微網并網運行時采用PQ控制，孤島運行時采用VSG控制；基于下垂控制的無縫切換技術，采用的是P-f,Q-V控制。

1 微網的系統模型與運行模式

文中研究的微網由逆變器、電源單元、負荷單元三部分組成，為簡化分析，逆變器為三相電壓源型逆變器(Voltage Source Converter,VSC)，電源單元用直流電源代替蓄電池儲能單元。微網的系統結構如圖1所示。圖1中udc為直流側的輸入電壓；S1～S6是全控型開關器件;Zload為負荷;L1、C、L2為LCL型濾波器的電感和電容;Ea、Eb、Ec為三相電網電壓;iLa、iLb、iLc為濾波電感側的電流;ioa、iob、ioc為負載側電流。

微網通過PCC開關與大電網相連，正常情況下，PCC開關閉合，微網與大電網并聯運行，除了給自帶負荷供電外，微網能將多余的電能反饋給電網；若微網的電能不足以支撐負荷運行時，電網和微網共同承擔負載功率。當系統發生故障或檢修時，PCC開關斷開，微網快速與大電網斷開，單獨給負荷供電，即孤島運行。兩種模式之間的切換，能保證負荷的不間斷供電，提高了供電可靠性。

圖1 微網系統結構圖

2 微網控制器原理

2.1 VSG控制原理

圖1所示為微網系統拓撲結構圖，將微網逆變器模擬成傳統的同步發電機，闡述其控制原理。

由牛頓第二定律，虛擬同步發電機的機械方程可表示為：

(1)

式中J為轉動慣量；ω為同步發電機的機械角速度；Tm、Te、Td分別為同步發電機的機械、電磁和阻尼轉矩；D為阻尼系數；ω0為電網同步角速度。

由電磁轉矩的計算公式：

(2)

式中Pe為發電機輸出的電磁功率；Uod、Uoq分別為發電機輸出電壓Uoabc在旋轉坐標系下的的d、q分量；Iod、Ioq分別為發電機輸出電流Ioabc在旋轉坐標系下的的d、q分量。

由圖1，可得到虛擬同步發電機的電磁方程為：

(3)

式中L為同步發電機的同步電感；iLabc、ioabc分別為流經同步電感的電流和同步發電機的輸出電流；eabc、uoabc分別為同步發電機電勢和同步發電機的機端電壓；R為同步發電機的同步電阻。

在傳統的同步發電機中，都是通過機械轉矩來調節有功輸出，通過勵磁調節其無功輸出，借鑒其調節原理，實現微網的有功和無功調節。

VSG的機械功率由機械功率指令Pref和頻率偏差反饋指令ΔP兩部分組成，即：

(4)

式中Kω為有功調節系數。通過對機械功率的控制，實現輸出功率跟蹤，同時以頻率偏差作為校正信號，調節有功的同時實現了頻率異常時的有功響應。

類似于傳統同步發電機勵磁調節無功輸出的原理，通過VSG的暫態電勢E來調節其無功。E由兩部分組成，即：

(5)

式中E0為VSG的空載電勢；ΔEQ為對應于無功調節的電勢；KQ無功調節系數；Qref為無功指令；Q為VSG的實際輸出無功。

結合以上分析，VSG的控制策略可設計成如圖2所示。

2.2 PQ控制原理

VSG控制具有下垂特性，孤島運行時能很好的調節有功、無功、電壓和頻率，但當并網運行時，微網的頻率和電壓取決于大電網，電網頻率和電壓的波動，會造成變流器有功和無功的偏離，由于VSG的慣性特性，不能很好的適應并網運行；PQ控制能實現恒功率控制，能夠適應并網運行下的波動，并網運行時有較好的調節特性。

文中的控制器底層控制采用的是功率外環和電流內環的雙環解耦控制，將實際功率與功率指令通過PI調節產生的偏差信號作為電流內環的參考信號，實現對功率的無靜差跟蹤。

圖2 VSG控制結構框圖

2.3 下垂控制原理

下垂控制具有即插即用的特點，微網逆變器采用下垂控制，并離網前后不需要改變控制策略，避免了控制策略變換給切換過程帶來擾動。

對于下垂控制，其有兩種不同的表達方程，即：

(1)P-f,Q-V 即通過定有功和無功的方式產生產生系統頻率和電壓的參考值;

(2)f-P,V-Q 即通過定頻和定電壓的方式得到控制功率的下垂方程。

文中采用的是第一種，即P-f、Q-V,其控制器結構如圖2所示。

如圖3所示,下垂控制器的控制方程為：

(6)

式中fref、Uref分別為逆變器的參考頻率和參考電壓值，f0、U0分別為逆變器的額定頻率和額定電壓，Kp、Kq為下垂控制系數，P、Q為逆變器實際輸出的有功和無功功率，P0、Q0為額定頻率和額定電壓下逆變器輸出的有功和無功功率。

具體的控制過程是：逆變器按照給定功率調節自身的功率輸出，通過下垂控制，產生頻率和電壓幅值的參考值,再經過雙閉環控制穩定控制逆變器的輸出。

圖3 下垂控制結構框圖

3 無縫切換技術原理

文中研究了微網的兩種控制方式，孤島運行采用VSG控制，并網運行時采用PQ控制以及并/離網都采用下垂控制兩種控制方式，但都存在并網瞬間由于存電壓和相位差帶來過大沖擊電流而導致切換失敗的問題，需要找到一種能夠無縫切換的控制方法。

實現無縫切換的關鍵問題在于解決并網前后微網電壓幅值、相位和大電網保持同步，可在并網前加入一個預同步控制，使微網跟蹤電網電壓，有效減少并網瞬間產生的電流沖擊，其控制原理如下：

(7)

式中θ和θg分別為VSG的相位和大電網的相位；E和Eg分別為VSG的電勢和電網電勢的幅值;kθ和kE分別為相位和電壓的積分系數。

結合以上分析，預同步控制可設計為如圖4～圖5所示。

圖4 相位同步控制框圖

圖5 幅值同步控制框圖

當微網接收到并網信號后，閉合開關S，啟動預同步控制。當微網的幅值和相位達到并網要求后，斷開開關S，退出預同步控制，閉合并網開關，實現并網操作。

4 仿真驗證與分析

為驗證兩種兩種控制策略的可行性與比較兩種具有下垂控制特性控制策略的效果，利用PSCAD搭建了仿真模型，分別研究了VSG-PQ控制和下垂控制下微網由孤島向并網切換，由并網向孤島切換兩種工作模式切換的效果。其主要的參數如表1所示。

表1 仿真系統關鍵參數

4.1 孤島向并網切換

孤島向并網切換時，需要加入預同步控制，為比較兩種控制側的控制效果，預同步控制都采用相同的控制方法。

(1)VSG-PQ控制。

當微網系統接收到并網命令后，打開同步控制開關S，經過1.2 s后，微網跟蹤上大電網的相位和幅值，斷開開關S，退出同步控制，切換控制策略，由VSG控制轉換為PQ控制，同時閉合PCC開關，微網并網運行。微網的電流、電壓、有功功率變化如圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)所示。

(2)下垂控制。

微網系統接收到并網命令后，打開同步控制開關S，經過1 s,微網的電壓幅值和相位與大電網同步，斷開開關S，退出同步控制，同時閉合PCC開關，微網并網運行。微網的電流、電壓、有功功率變化如圖6(b)、圖6(d)、圖6(f)所示。

由圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)，對于VSG控制，并網運行后微網電壓幾乎沒有波動，微網側電流經過0.05 s的波動后，達到穩定值，并網運行后，微網按照功率指令，輸出500 kW的有功,除了為自帶的負荷提供有功外，將多余的有功反饋給大電網；由圖6(b)、圖6(d) 、圖6(f)，對于下垂控制，1 s并網運行時，微網的輸出電壓幾乎沒有波動，電流經過0.2 s左右的微小震蕩后達到穩定值，并網運行后，逆變器的輸出有功減少為100 kW，微網負載功率由其與大電網共同承擔。

圖6 孤島到并網仿真結果

對孤島到并網的切換過程而言，由于并網時微網的頻率和電壓瞬間強制與大電網同步，會出現跳變的過程，由圖6的仿真結果，VSG-PQ控制相比于下垂控制響應速度更快，并網瞬間波動小，表現出更好的調節特性。

4.2 并網向孤島切換

對于微網而言，為了提高微網負荷的供電可靠性，通常情況下微網都是采用并網運行的方式，當發生故障或者檢修時，微網與大電網斷開，需要盡量減少斷開瞬間帶來的電壓和電流沖擊。

(1)PQ-VSG控制。

當微網接收到離網指令后，切換控制開關，微網由PQ控制轉化為VSG控制，同時斷開PCC開關，孤島運行。由并網到孤島時，微網側的電流、電壓、有功變化如圖7(a)、圖7(c)、圖7(e)所示。

圖7 并網到孤島仿真結果

(2)下垂控制。

當微網接收到離網指令后，斷開PCC開關，微網開始孤島運行。由并網到孤島時，微網側的電流、電壓、有功變化如圖7(b)、圖7(d)、圖7(f)所示。

由圖7(a)、圖7(c)、圖7(e)對于VSG控制，當微網由并網運行到孤島運行時，斷開開關瞬間，微網側電壓有小幅度波動，電流快速、平滑過度到孤島狀態下，然后趨于穩定。微網的有功輸出在并網開關斷開瞬間，有一個小幅度波動，然后恢復輸出對應的負載功率；由圖7(b)、圖7(d)、圖7(f)，對于下垂控制，PCC開關斷開瞬間，微網側電壓有小幅度的增加，電流得變化過程也較為平滑，沒有出現大幅度的升降和三相不平衡的現象。由并網到孤島運行時，微網的負荷功率由共同承擔到由微網獨自供應。

對并網到孤島的切換過程而言，下垂控制不用更換控制策略，對負荷造成的波動更小；由圖7(g)、圖7(h)，下垂控制和VSG控制都具備一次調頻能力，但下垂控制切換過程給負荷側的頻率帶來了較大波動，頻率最大波動達到4%；基于VSG控制的切換過程頻率由50 Hz跌至49.54 Hz，最大波動幅度為0.92%，明顯降低系統頻率的波動。

5 結束語

針對微網的運行模式，研究了基于VSG和基于下垂控制，兩種具有下垂特性的微網并離網無縫切換技術。由仿真結果，基于VSG控制的無縫切換技術，并網采用PQ控制，孤島采用VSG控制，并網過程較下垂控制響應時間更短，電壓電流的波動小，具有理想的調節特性；離網切換時，VSG控制和下垂控制對微網的電壓、電流帶來的波動較小，有功變化較為平滑，但下垂控制時系統頻率的波動較大。綜合考慮兩種控制策略的控制效果，基于VSG的無縫切換控制策略更適用于微網的并離網切換。