基于二自由度的光儲微電網運行模式的無縫切換

摘要：提出了一種基于儲能逆變器控制的微電網無縫切換控制策略。根據光儲微電網不同運行模式下的控制目標為儲能逆變器的控制層提供并網點電壓的參考量，利用二自由度控制原理、被控制對象逆模型結合模型電流預測控制使得儲能逆變器控制單元部分傳遞函數“單位化”，消除微電網在不同控制目標下控制結構的差異，最終實現微電網運行模式之間的無縫切換，而且減少了PI控制器的使用，省去了PWM過程。

關鍵詞：儲能逆變器、二自由度、無縫切換

0引言

然而，隨著人們對于供電可靠性、靈活性以及能源利用率要求不斷提高，微電網不再是希望在故障時簡簡單單的讓分布式發電系統停機，而是希望其能夠獨立的為負載供電，這就要求微電網能夠在并網/孤島運行的雙模式間可以平滑切換，避免暫態震蕩對整個微電網系統產生不良影響。

文獻[1]提出了一種基于PI控制器從電源容量與負荷匹配度的控制策略來減小運行模式切換過程中的暫態振蕩。文獻[2]提出通過持續監測配電網端和微電網端之間的電壓、頻率以及相位角之間的變化來實現低壓的無縫對接，進而實現微電網的智能控制。

1 光儲微電網運行模式的無縫切換

光伏儲能系統是通過公共連接點（point of common coupling，PCC）與大電網建立聯系，根據PCC的連接與否來判斷并網和孤島運行兩種模式的切換。正常情況下，PCC點并網開關閉合工作在并網模式下，但若出現大電網嚴重故障情況時，就需要PCC點斷開使光儲微電網工作在孤島模式。因此，為了保證雙方電網的安全穩定運行，就需要在兩種模式切換過程實現無縫對接，平滑切換[3]。

2 基于二自由度控制算法控制層設計

PI控制器由于其控制結構簡單，魯棒性強和易于工程實現而被大量使用[4-5]。。但是微電網慣性小，容易受到環境的影響而對逆變器的動態相應要求很高，傳統的PI控制往往難以滿足高精度和高抗擾性的要求。此時二自由度這種可以獨立調節目標抗擾性和跟隨性的思想應運而生。

本文提出的二自由度控制系統如圖2所示，其中前饋控制器為GFF（s），輸入信號與實際輸出信號間的誤差用E（s）表示。根據二自由度原理圖，可以得出輸入與輸出、輸入與誤差間傳遞函數：

根據式（2）可以看出：增加前饋控制器，利用系統模型和參考信號信息等提高系統跟蹤控制精度和動態響應速度;以誤差E（s）作為反饋控制器的輸入，通過反饋控制器補償跟蹤控制誤差，保證系統的抗干擾性能與魯棒性，同時能夠減小反饋控制在控制帶寬上的限制。根據式（2），令GFF（s）=[P（s）]-1，則：

此時系統輸出量能夠完全追蹤輸入量，消除帶寬限制，可以通過C（s）調節可以最優控制擾動信號D（s）。

3光儲微電網運行模式切換仿真

本節基于Matlab/Smulink搭建如圖3所示的微電網系統仿真模型，對所提出的基于算法的微電網無縫切換策略進行驗證。

假設開關S1_1和S1_2在0.5s時斷開，光儲微電網由并網運行狀態轉為孤島運行狀態。光伏電源和負荷在狀態切換過程中保持不變。系統頻率也因為運行模式切換發生了較大波動。圖4給出光儲微電網運行狀態切換過程中各狀態量變化曲線。從圖4 （a）中可以看出光儲微電網處于并網運行狀態時，儲能系統采取PQ控制策略，此時A_1點的輸出功率為：，。0.5s時，光儲微電網轉換為孤島運行狀態，儲能裝置需要為整個微電網系統提供電壓和頻率支撐，此時A_1點的輸出功率變為：，。從圖4 （b）中可以看出，光儲微電網的系統頻率只在運行狀態切換過程中存在不超過0.2Hz的最大頻率波動量，且在進入孤島穩態運行后，系統的頻率偏差Δf小于0.1Hz，充分滿足了微電網孤島運行狀態對頻率的要求。從圖4 （c）中可以看出，光儲微電網運行狀態切換過程中的微電網交流母線電壓幅值與相位均實現平滑過渡，電壓偏差遠小于7%UN，并且能夠快速跟隨電壓參考值，滿足了微電網孤島運行狀態對電壓的要求。從圖4 （d）可以看出，當微電網由并網運行狀態轉為孤島運行狀態時，儲能系統的輸出電流變化很平穩，沒有出現過流現象。為了進一步驗證基于廣義控制算法的改進孤島下垂控制策略的抗擾動性，假設t=0.8s時，外界光照強度由1000W/m2變為600W/m2。此時光伏電源的輸出功率減小，從圖4 （a）和圖4 （d）中可以看出此時整個光儲微電網的輸出功率不變，儲能系統由原本的吸收功率變為輸出功率來滿足負荷的需求。從圖4 （b）和4 （c）中可以看出，在光照強度發生變化時，微電網的電壓、頻率波動量均處于合理范圍內，微電網整體處于穩定運行狀態。

4.總結

本文主要介紹了一種基于LCL濾波的儲能逆變器控制算法，避免了光儲微電網運行狀態切換過程中產生的電壓、電流沖擊，實現了光儲微電網運行模式的無縫切換。

參考文獻

[1] 鄭競宏，王燕廷，李興旺，王忠軍，王小宇，朱守真.微電網平滑切換控制方法及策略[J].電力系統自動化，2011，35（18）：17-24.????? .

[2]?? 趙興勇，楊濤，王靈梅.基于復合儲能的微電網運行方式切換控制策略[J].高電壓技術，2015，41（07）：2142-2147.

[3]?? Wang Cheng Shan，Li Xia Lin，Guo Li，et al. A Seamless Operation Mode Transition Control Strategy for A Microgrid Based on Master-Slave Control[J].Science China（Technological Sciences），2012，55（6）：1644-1654.

[4]?? 陳杰， 陳新， 馮志陽，et al.微網系統并網/孤島運行模式無縫切換控制策略[J].中國電機工程學報， 2014，34（19）：3089-3097.

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作者簡介：張潤（1984-），男，工程師，主要從事配電網運維管理方面的工作。