微電網并離網切換控制策略

文/馮詩揚 崔雙喜

近年來，隨著化石能源日益枯竭，分布式發電技術日益成熟，將分布式電源、儲能與負荷元件等組成的獨立供電系統以微電網的形式接入配電網，在實現配電網安全穩定運行的同時，提高了電能質量和供電可靠性。所以，微電網的安全穩定控制技術吸引了眾多國內外學者進行深入分析與研究。

一般情形下，微電網有兩種運行方式：離網、并網。當配電網出現故障或電能質量不滿足要求時，將立即斷開微電網與配電網的連接，改由微電網為負荷提供所需功率。在電能質量滿足要求或是修復出現的故障后，重新并網。所以，在切換并離網模式的過程中，存在控制策略的切換，過渡時易產生較大的沖擊，而如何平滑的完成過渡成為微電網安全穩定運行的關鍵。

1 微電網整體控制技術

1.1 主從控制

主從控制是以微電網中某個分布式電源作為主控單元，其他分布式電源作為從控單元。主控單元為微電網系統提供電壓和頻率支撐，借助主控單元的指令，從控單元進行相應無功與有功頻率的輸出。

微電網主從控制一般應用在孤島模式下，當微電網由并網模式向離網模式進行切換，就會與配電網斷開，前者提供的頻率與電壓也會消失，負荷的電壓和頻率就由微電網模塊單元提供，所以微電網模塊需由具備一定范圍的可調容量且具有快速動作能力的分布式電源作為主控單元，為微電網提供電壓和頻率支撐。而從單元則負責提供用戶需要的能量。

1.2 對等控制

對等控制是指所有參與頻率和電壓控制的分布式電源保持地位一致的狀態，各控制器具有平等關系，根據接入點的本地信息進行控制。由于地位相同，所以在功率平衡的前提下，任意一個分布式電源的接入或離開并不影響其他分布式電源的設置。而分布式單元保持著各自獨立，實現輸送功率的平衡。搭建對等控制策略相對簡單，能夠使微電網擺脫對通訊裝置的依賴，實現即插即用。

2 微電網逆變器控制方法

微電網逆變器常用控制方法有：下垂控制、恒壓恒頻率控制、恒功率控制等。控制狀態不同，采用的控制方法也不同。

2.1 恒壓恒頻控制

如果受外界因素影響，逆變器的輸出功率出現變化，不管是逆變器的頻率或電壓，均會出現波動；控制示意圖可見圖1。

圖1

由圖1能夠看出，當系統的無用功率與有用功率P2，Q2向Q1，Q3與P1，P3移動，電壓與頻率由A點向B點或是C點移動，能夠使頻率與電壓不發生變化。

在此模式下，運用V/f控制一般能夠提供獨立運行的微電網系統需要的穩定頻率與電壓，保障隨負荷的波動微電網輸出的無功與有功功率也會有相應變化。

2.2 下垂控制

下垂控制策略主要來源于同步發電機，通過對有功及無功功率之間對頻率的解耦，對逆變器的無功與有功功率進行測算，實現對自身頻率與電壓幅值的調節，從而達到電壓頻率的調節。因此，下垂控制能夠應用到高壓網絡中，而低壓網絡應自身電路具有的感性分量遠超出阻性分量，使得線路阻抗向感性轉變，才能夠在低壓網絡應用下垂控制。下垂控制主要由兩種方式構成；其一為無功-電壓、有功-頻率。其二為有功-電壓、無功-頻率。前者更多在感性高壓系統應用，后者更多在低壓阻性控制系統應用。

2.3 恒功率控制

微電網逆變器如果采用恒功率控制，就需要對配電網的頻率與電壓進行實時采集，然后結合整定值作相關比較。因此種方法的控制效果相對突出，一般在并聯模式的小容量微電網系統應用。其有以下主要特點：如果外界因素干擾到微電網系統的頻率或是電壓，逆變器的輸出功率仍舊能夠圍繞參考值作小幅波動。

3 并離網切換控制

一般情況下，微電網系統在并網模式下，電壓和頻率是與大電網同步的。但是，如果大電網出現故障，導致電壓與頻率的波動較大，無法滿足負荷需求，那么微電網系統應能夠對發生的孤島現象作出檢測，并同步切換至離網模式，由此使得微電網連接的重要負荷能夠正常運行。待大電網故障消除且供電恢復后，切換回并網模式。但是，與大電網的頻率和電壓進行比較，微電網逆變器在離網模式運行是不具有相同的輸出電壓及頻率的，強行并網會對設備、以及人員安全造成威脅。因此，需要采取預同步措施調整頻率與電壓，然后進行并網。

3.1 并網切換至離網

微電網的優點是能夠在并網和離網運行模式之間實現平滑切換，這是微電網得以正常運行的關鍵。在并網模式下，有兩種情形需要向離網模式切換：

（1）大電網需進行維護，那么應采取人工方式進行向離網模式的主動切換。

（2）大電網事故，需控制微電網間的靜態開關進入斷開狀態，進行向離網模式的被動切換。

不管切換是被動或是主動，均需要保障控制系統能夠進行隨時切換，保障系統能夠平穩運行。所以，在進行微電網的模式切換時，對頻率與電壓可能出現的波動，需要采取相應措施以使得模式切換不影響重要負載的正常運行。

如果大電網與微電網進行并網，那么與負荷消耗的頻率相比較，系統輸出的頻率會遠遠超出。如果微電網逆變器由并網模式向離網模式切換，那么輸出電壓幅值會升至給定參考值。由于從并網運行切換到離網運行時下垂控制的逆變器輸出頻率與電壓幅值不會出現較大變化，相位也不存在突變，使得電網能夠由并網模式實現向離網模式的平滑切換，保障系統運行的穩定性。

3.2 離網切換至并網

如果大電網出現故障，需控制微電網間的靜態開關進入斷開狀態，進行向離網模式的切換，由此使得微電網連接的重要負荷能夠正常運行。待大電網故障被消除且供電恢復后，微電網會切換回并網模式。但是，與大電網的頻率和電壓進行比較，微電網逆變器在離網模式運行有著較大的輸出電壓及頻率，如果貿然實施并網，則會產生較大的沖擊電流，危及設備和人員的安全。離網運行時通過負荷的電流為：

并網運行時通過負載的電流為：

從式（1）、（2）得出：

由式（3）能夠看出，如果逆變器的輸出頻率、電壓幅值、相位三者之間不能夠完全一致，那么就使并出現并網沖擊電流：

（1）當UDG=Ug=U，w1=w2=w，φ1≠φ2時，

由于φ1-φ2≠0，則ΔiL≠0，產生沖擊電流。

（2）當w1=w2=w，φ1=φ2=φ，UDG≠Ug時，

由于UDG-Ug≠0，則ΔiL≠0，產生沖擊電流。

（3）當φ1=φ2=φ，UDG=Ug=U，w1≠w2時，

由于w1-w2≠0，則ΔiL≠0，產生沖擊電流。

由此看出，如果逆變器的輸出頻率、電壓幅值、相位三者之間不能夠完全一致，那么就導致并網有沖擊電流產生。所以，在并網前，控制系統需采取手段消除以上因素的影響，實現穩定并網。

4 結語

本文對微電網的并離網切換總體控制策略進行了概括，總結在并網、離網兩種模式下微電網逆變器應采取的運行控制策略。研究及分析由離網向并網切換過程中微電網逆變器的預同步控制問題及并網相離網切換存在的孤島檢測等問題，以實現微電網逆變器運行模式的平滑無縫切換。