微電網并網/獨立模式自動無縫切換控制策略

王靜+李光輝+汪婷婷

摘 要：含有多種分布式電源微電網的出現，解決了大電網諸多弊端日益凸顯和分布式電源接入電網困難的問題。研究了一種含有風光儲多種分布式電源聯合供電的微電網系統并網/獨立模式自動無縫切換的控制策略，并詳細介紹了在以儲能單元作為主網單元時，儲能換流器（PCS）并網到獨立運行模式、獨立到并網運行模式的控制策略。并通過RT_Lab軟件進行仿真驗證，仿真結果證明了微電網并網/獨立模式自動無縫切換控制策略的可靠性和可行性，對微電網示范工程提供了理論依據和借鑒。

關鍵詞：微電網；并網/獨立；自動無縫切換；儲能換流器

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0001-04

隨著電網規模的不斷擴大，超大規模電力系統建設成本高、運行難度大且難以滿足用戶多樣化供電需求等弊端日益凸現，加上國家政策對清潔能源的支持，具有污染少、能源利用效率高、安裝地點靈活等優點的分布式發電越來越受到重視。但由于大電網對分布式電源的單機接入難以控制，一般大電網采取限制和隔離的方式處置分布式電源，為了協調兩者間的矛盾，充分挖掘分布式能源給電網和用戶帶來的價值和效益。因此，含有分布式電源的微電網應運而生。

微電網是由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等匯集而成的具有自我控制、保護和管理的自治小型發配電系統，既可并網運行，也可獨立運行。為了系統安全、可靠供電，兩種運行模式的自動無縫切換技術就顯得尤為重要。本文以含有風光儲聯合發電的微電網作為平臺，來研究并網/獨立模式無縫切換的控制策略，將詳細介紹基于儲能換流器控制的對電網狀態快速、準確識別的技術和微電網同期并網的控制方法，利用RT_Lab仿真軟件建立仿真模型，并對仿真結果進行分析，來驗證通過此種控制策略微電網系統的供電可靠性水平，從而改善電能質量和優化微電網系統結構。

1 微電網并網/獨立模式切換控制策略

含有多種分布式電源的微電網系統內含有風電系統、光伏系統、儲能單元、微型燃氣輪機、負荷和監控裝置等。其中，儲能單元作為微電網的主網單元，在大電網正常情況下，微電網與大電網并網運行，所有分布式電源均運行于P-Q模式；當儲能換流器PCS（Power Converter System）檢測到大電網故障或電能質量不滿足要求時，PCS自身從P-Q模式切換到V-F模式，同時就地控制公共連接點（PCC）處并網開關斷開，實現微電網由并網模式平滑切換到獨立模式運行。當大電網狀態恢復正常后，微電網與大電網經過同期調節過程；當滿足同期條件時，微電網并網運行。微電網并網/獨立模式切換控制原理如圖1所示。

1.1 并網到獨立模式無縫切換控制策略

在微電網由并網模式自動無縫切換到獨立模式的核心控制策略主要包括以下兩方面：①如何快速、準確地識別大電網實時運行狀態；②如何實現儲能換流器從P/Q模式向V/F模式的平滑切換。在由儲能作為微電網主網單元的系統中，由PCS直接采集大電網信息進行狀態識別，根據識別結果，同時通過就地控制信號實現微電網與大電網并網開關的斷開，來完成微電網自動無縫切換。通過分析微電網內電源與負載匹配程度與電壓、頻率等特征狀態的對應關系，采用被動式識別方法；通過分析鎖相環輸出偏差與主動式識別方法的相互關系，采用基于鎖相技術的主動式識別方法。為了克服被動式識別技術存在較大盲區和主動式識別影響變流器輸出電能質量的缺點，可以采取“主動被動混合式”電網狀態準確識別，從而達到并網到獨立模式無縫平滑的切換。

1.1.1 電源-負載不匹配特征信號被動式識別

在主電網斷電的瞬間，有功和無功不匹配的情況下，微電網輸出的電壓和頻率特性可以通過解析的方法計算。將微電網孤網運行時的供電系統看作一個電流源，可得孤網運行時系統頻率特征方程：

由上述推導可得如下結論：根據這種鎖相環可得控制系統任何一個開關周期對應的電壓角度如公示（9）所示。根據這種鎖相環工作原理可知，該鎖相環利用擾動步長實現一種有差鎖相，而利用這種有差鎖相可以增加系統頻率擾動，實現基于鎖相環的頻率擾動主動識別。

由以上分析可知，通過主動式的鎖相技術，在得到控制系統需要的電壓相位同時，在鎖相環環節增加頻率擾動，在輸出特性上，通過每個開關周期均勻增加微小擾動，對電能質量影響較小；在擾動速度上，通過多個開關周期擾動累加，可以提高擾動強度，這種主動式識別方法可以在電源-負載匹配時發揮重要作用。通過被動式的識別方法，根據系統電壓幅值和頻率的特性信號，可以在電源-負載不匹配時發揮重要作用。

為了充分發揮主動式和被動式識別方法各自的優點，我們將采用主動被動混合式的電網狀態識別方法，可以實現電網狀態的快速準確識別功能，具體控制框圖如圖2所示。

1.2 獨立到并網無縫切換控制策略

當大電網狀態恢復正常后，微電網與大電網經過一個同期調節過程，在滿足同期條件時，微電網自動切換至并網運行模式。在以儲能單元作為主網單元的系統里，微電網的同期過程利用PCS實現。PCS通過比較PCC兩端微電網和大電網電壓矢量偏差，調節儲能換流器輸出電壓矢量，進而調節微電網電壓矢量，直至微電網電壓矢量和大電網電壓矢量滿足并網條件時，閉合并網開關實現微電網同期并網。

微電網在同期過程中，系統內其他分布式電源始終以P-Q模式并網運行。由功角特性調節原理可知，微電網母線電壓矢量突變會引起其他分布式電源脫網。此外，微電網微小的同期偏差會引起各分布式電源很大的電流沖擊，導致各分布式電源脫網。因此，基于儲能換流器微電網同期調節技術，是實現微電網平穩同期并網的關鍵所在。

1.2.1 微電網同期并網控制方法

基于PCS主網方式的微電網同期控制采用了微電網母線電壓矢量定向控制，調節原理如圖3所示。PCS根據實時的大電網電壓和微電網電壓信號，通過電壓矢量d軸定向控制技術，不斷調節微電網母線電壓矢量，使得滿足同期條件： .

圖9、圖10分別為微電網PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網恢復供電；經過約2 s的同期調節過程，在第30 s時，PCC處并網開關閉合，實現微電網由獨立模式到并網模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網同期過程系統負荷三相電流變化波形）可知，系統負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網由獨立模式切換至并網模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網內用電設備可靠、安全的供電。

3 結束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網系統，介紹了微電網的基本結構和并網/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網由并網到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網狀態識別方法。在微電網由獨立到并網模式切換時，主要分析了微電網同期并網原理和儲能換流器平穩同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網模型中驗證了并網/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網示范工程和相關研究工作提供經驗、理論指導。

參考文獻

[1]裴瑋，李澎森，李惠宇，等.微網運行控制的關鍵技.術及其測試平臺[J].電力系統自動化，2010（01）.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007（19）.

[3]劉波，郭家寶，袁志強，等.風光儲聯合發電系統調度策略研究[J].華東電力，2010（12）.

[4]高志強，孟良，良賓，等.光儲聯合發電系統控制策略[J].儲能科學與技術，2013（03）.

[5]唐西勝，鄧衛，李寧寧，等.基于儲能的可再生能源微網運行控制技術[J].電力自動化設備，2012（03）.

[6]KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005（01）.

圖9、圖10分別為微電網PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網恢復供電；經過約2 s的同期調節過程，在第30 s時，PCC處并網開關閉合，實現微電網由獨立模式到并網模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網同期過程系統負荷三相電流變化波形）可知，系統負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網由獨立模式切換至并網模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網內用電設備可靠、安全的供電。

3 結束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網系統，介紹了微電網的基本結構和并網/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網由并網到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網狀態識別方法。在微電網由獨立到并網模式切換時，主要分析了微電網同期并網原理和儲能換流器平穩同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網模型中驗證了并網/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網示范工程和相關研究工作提供經驗、理論指導。

參考文獻

[1]裴瑋，李澎森，李惠宇，等.微網運行控制的關鍵技.術及其測試平臺[J].電力系統自動化，2010（01）.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007（19）.

[3]劉波，郭家寶，袁志強，等.風光儲聯合發電系統調度策略研究[J].華東電力，2010（12）.

[4]高志強，孟良，良賓，等.光儲聯合發電系統控制策略[J].儲能科學與技術，2013（03）.

[5]唐西勝，鄧衛，李寧寧，等.基于儲能的可再生能源微網運行控制技術[J].電力自動化設備，2012（03）.

[6]KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005（01）.

圖9、圖10分別為微電網PCC點兩端交流母線的電壓波形和電壓相角變化波形。由波形可見，在第28 s時，大電網恢復供電；經過約2 s的同期調節過程，在第30 s時，PCC處并網開關閉合，實現微電網由獨立模式到并網模式的平滑切換。且在切換過程中，由圖11（微電網同期過程系統負荷三相電流變化波形）可知，系統負荷電流無明顯波動，從而驗證了微電網由獨立模式切換至并網模式控制策略的有效性和可靠性，保證了網內用電設備可靠、安全的供電。

3 結束語

本文提出了一種含有風光儲分布式電源的微電網系統，介紹了微電網的基本結構和并網/獨立兩種運行模式，并對兩種運行模式自動無縫切換的控制策略進行了仿真驗證。其中，在微電網由并網到獨立模式的切換過程中，我們主要分析了以儲能變流器從P/Q模式向V/F模式平滑切換的控制方法、電源-負載不匹配特征信號被動式識別、基于鎖相環的頻率擾動主動式識別和主動被動混合式的電網狀態識別方法。在微電網由獨立到并網模式切換時，主要分析了微電網同期并網原理和儲能換流器平穩同期控制策略，并在RT_Lab搭建的微電網模型中驗證了并網/獨立模式自動無縫切換控制策略的有效性，從而為微電網示范工程和相關研究工作提供經驗、理論指導。

參考文獻

[1]裴瑋，李澎森，李惠宇，等.微網運行控制的關鍵技.術及其測試平臺[J].電力系統自動化，2010（01）.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007（19）.

[3]劉波，郭家寶，袁志強，等.風光儲聯合發電系統調度策略研究[J].華東電力，2010（12）.

[4]高志強，孟良，良賓，等.光儲聯合發電系統控制策略[J].儲能科學與技術，2013（03）.

[5]唐西勝，鄧衛，李寧寧，等.基于儲能的可再生能源微網運行控制技術[J].電力自動化設備，2012（03）.

[6]KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005（01）.