風光儲微電網平滑并離網的研究

摘 要：微電網在并離網過程中，由于控制方式發生變化，會造成電流沖擊以及電壓波形畸變;針對這一問題，提出了一種改進控制器的微電網并網控制策略，通過對外環控制器結構進行改進以及并網前的預同步處理，實現微電網并離網切換過程的平滑過度，減少控制模式切換過程中產生的暫態震蕩，提高電能質量，保證微電網中重要負荷的穩定運行。最后通過Matlab對微電網并網與孤島兩種模式間的切換進行仿真，驗證本文所提控制策略的可行性和有效性。

關鍵詞：微電網;主從控制;平滑切換;雙閉環

1 緒論

隨著社會發展，人類社會用電量越來越大，傳統的火力發電已經不能滿足人類的需求，并且火力發電還存在環境污染的問題，人類面對極端氣候的頻率也越來越高[1]。因此以風力發電，光伏發電為主的新能源發電越來越受到人們的重視。由于風力和光伏等新能源發電存在間歇性強，隨機性大的缺點，直接并入電網會對電網造成巨大沖擊，因此為增加并網運行的可靠性和靈活性，分布式電源多以微電網的形式并入電網[2]。

微電網在并離網過程中，內部微源控制模式的變化，會造成電壓畸變和電流沖擊，嚴重影響微電網的電能質量[3]。因此文章以采用主從控制的微電網為基礎，針對并網與孤島模式主電源的控制策略的不同，主要研究微電網平滑切換，提出一種改進外環控制器結構的雙環控制器，并且通過對微電網并網前進行預同步處理，實現微電網并離網的平滑切換。

2 微電網的控制方法

儲能部分為主電源，風力發電部分和光伏發電部分為從電源;當微電網處于并網模式運行時，微電網內所有微源電壓和頻率的穩定由外部配電網支撐，因此微電網中所有的微源都可采用恒功率控制。恒功率控制是通過控制逆變器，使微源輸出的有功和無功功率與參考值一致。在恒功率控制下，微源輸出的有功和無功功率可以不受母線電壓幅值和頻率變化的影響[4～5]。

當微電網處于孤島模式運行時，由于失去了配電網的支撐，主電源采用恒壓恒頻控制，通過控制主電源和微電網連接的逆變器，保持微電網電壓和頻率的穩定，相當于電力系統中的平衡節點[6-7]。

3 微電網的平滑切換

3.1 改進結構的外環控制器

由圖1可知，當微電網處于并網狀態時K1和K2與1端口相連，主電源處于恒功率控制，同時2端口的輸出值與內環控制器的參考值相同。當微電網處于孤島狀態時，K1和K2與2端口相連，主電源處于恒壓恒頻控制;在控制模式轉化的瞬間，由于外環控制器的輸出值相同，電流控制環的參考值不會發生突變。

3.2 預同步過程

處于孤島狀態的微電網和配電網相當于兩個不同的電壓源，電壓幅值和頻率存在差異。微電網并網前，需要對微電網母線電壓進行預處理，保障微電網母線電壓與配電網電壓幅值，相位，頻率一致，否則強行并網會降低電能質量，造成電流沖擊，對用電設備造成損壞。并網預處理分為兩個部分，分別為母線電壓相位預處理和幅值預處理。其中母線電壓幅值預處理的控制策略如圖2所示：

通過檢測微電網母線與配電網的電壓幅值差和電壓相角差，經過PI控制器得到ΔU和Δf，在計算電壓參考值時，加入該補償項。其中θgd和Ugd為配電網的電壓幅值和相角，θmd和Umd為微電網母線的電壓幅值相角。

電壓相位預處理的控制策略如圖3所示：

配電網電壓相角與微電網母線電壓相角之差通過PI控制器生成頻率差，微電網參考頻率減去頻率差生成修正頻率參考值，通過生成角速度積分器得到微電網母線電壓的相角，當配電網電壓相角與微電網母線電壓相角之差小于預設值時，微電網母線電壓相位預同步完成。

4 仿真結果

交流母線的額定電壓為380V，風力發電部分和光伏發電部分的線路電阻均為1mΩ，電感均為6mH。儲能部分的濾波電感為5mH，濾波電容為2000uF。

當t=2s時微電網由并網狀態轉換為孤島狀態，由圖4和圖5可知，在未改進之前，微電網控制模式切換時，母線電壓的幅值由300V沖擊到350V，并且恢復速度緩慢。儲能部分的輸出電流出現嚴重畸變，沖擊電流達到100A;

由圖6和圖7可知，改進后微電網的母線電壓在運行模式切換過程中僅發生輕微震蕩，小于額定電壓的7%，正弦波形平滑無畸變。相比于改進前，儲能部分未出現沖擊電流。離網過程維持0.02s，小于IEEE-STD-1547規定的微電網最大分閘時間0.2s，因此離網過程滿足標準。

由圖8和圖9可知，當t=2.5s微電網并網時，母線電壓平穩無畸變，并網電流的最大超調量小于正常值的10%，響應時間持續0.01s后系統達到穩態，動態性能滿足要求。切換過程中微電網母線電壓未發生畸變，并網電流未產生沖擊，實現了平滑并網的目的。

由圖10可知，離網過程中頻率變化小于0.1Hz，符合GB/T33589-2017《微電網接入電力系統技術規定》中規定的微網連續工作要求的49.5Hz-50.2Hz。

5 總結

微電網平滑并離網是系統安全穩定運行的重要前提，但是傳統的主從控制由于控制模式變化存在沖擊電流和電壓波形畸變等問題。本文對外環控制器的結構進行改進并且采用預同步處理。通過MATLAB仿真說明微電網在離網過程中，微電網頻率變化保持在允許范圍內，沖擊電流得到明顯改善，在并網過程中電壓為平滑正弦波無畸變，滿足GB/T33589-2017《微電網接入電力系統技術規定》。

參考文獻：

[1]馬喆.基于分布式電源的微電網協調控制策略研究[D].蘭州理工大學，2018.

[2]潘鑄城.多種分布式電源的微電網運行控制策略研究[D].東北大學，2015.

[3]卞顯新.基于主從結構的微電網運行模式平滑切換研究[D].安徽理工大學，2019.

[4]Wang Huayang，Yang Zuyuan，Zhao Long and Cui Yuan，"Based on hybrid algorithm of distributed power islanding detection，" 2016 IEEE Advanced Information Management，Communicates，Electronic and Automation Control Conference（IMCEC），Xi'an，2016，pp.1360-1364.

[5]C.Jian，C.Yanbo and Z.Lihua，"Design and research of off-grid wind-solar hybrid power generation systems，" 2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Applications，Hong Kong，2011，pp.1-5.

[6]潘鑄城.多種分布式電源的微電網運行控制策略研究[D].東北大學，2015.

[7]孫藝倬.基于分布式電源的微網分層控制設計與分析[D].電子科技大學，2019.

作者簡介：夏彪（1992-），男，漢族，河北滄州人，碩士，研究方向：電力電子技術。