基于權重控制的微電網運行模式平滑切換控制策略

赫亞慶，王維慶，王海云，樊小朝

（新疆大學電氣工程學院可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊 830047）

當今社會能源短缺，在常規能源危機與環境污染雙重壓力下，新能源的分布式發電技術得到了越來越多的關注與應用[1-3]。將微源、操控核心、負載、儲能裝置與具有自愈（故障重構）能力的電力網絡等幾部分組成一個微電網系統進行聯合發電與控制，能夠有效地解決微源分散、隨機變動等特性，并能提升分布式發電技術的作用。

微網有2種運行模式：并網模式與孤島模式。微電源的運行方式不僅可斷定微網在雙模下的運行狀態，也關聯著無縫切換的效用[4-7]。文獻[8-9]提出切換逆變器，并網模式選擇PQ方式、孤島時選擇恒壓恒頻方式，合乎微網運作要求。文獻[10]采用下垂控制，孤島與并網雙模下微源控制方式固定，適宜即插即用的特性。文獻[11]給出微源并網狀態選擇PQ方式，離網狀態選擇下垂控制，探求下垂方式下添加下垂調試常值環，經此環路轉換完成雙模無縫切換的過程。文獻[12-13]給出校正后的下垂方式，離網時采用下垂方式，按微源容量分攤載荷。并網時采用PQ方式，輸出預定容量。逆變器不用在雙模轉換時在電流與電壓控制之間來回換切，預同步控制系統對逆變器并聯時的電壓與電流沖擊振蕩起到了克制作用，提高了體系的實用度與平穩度，能夠完成微電網無縫切換的過程，卻對非首要負荷略有影響。

合適的微電網體系和負荷配置等結構[14]，以及相應的投切方式流程，是微網完成穩定運行以及無縫切換過程中必不可少的條件。分析了下垂控制策略，提出了一種頻率/電壓權重控制的雙模切換控制方略因數的控制方式，最后通過系統整體控制策略與仿真分析了權重控制策略與傳統的下垂控制策略，其結果驗證了所提控制策略更加精準與實用。

1 微電網結構和控制分析

圖1是一種微電網系統結構框架圖，主要由靜態開關（static transfer switch，STS）、儲能裝置、光伏發電裝置和風電設備以及用電負載等構成。STS在關閉狀態時，系統并網運行；在斷開狀態時，則以孤島模式運行。雙模切換過程中，逆變器控制方式也會有所改變。

圖1 微電網結構Fig.1 Structure of micro-grid

此微電網結構中，包含了交流成分也包含了直流成分，負荷可以連接到直流母線上，也可以連接到交流母線上，可以看作交直流混合微網，但是從整個微電網結構可以看出，最終都可以看成交流微電網，直流微網也是經過電力電子器件逆變器連接到交流母線上。

微電源經過逆變器連接到電網，進入并網方式時，通常選用PQ控制方式，PQ控制通常是微源輸出一定的有功功率與無功功率，微電源在此環境下，不論系統內頻率與電壓如何變動，都要確保微電源輸出恒定功率。當微電網進入孤島運行方式時選用下垂控制或權重控制方法。

2 微電網運行模式

2.1 基于下垂控制策略

微電源逆變器下垂控制的關鍵要素類似于傳統電力系統一次調整，傳統下垂控制如圖2所示，傳統下垂控制方程表示如下

式中：f，V表示逆變器輸出頻率與電壓幅值；f0，V0表示額定頻率與額定電壓幅值；P，Q表示輸出的有功功率與無功功率；P0，Q0表示額定有功功率與無功功率；m，n為有功與無功功率下垂系數。

圖2 傳統下垂控制Fig.2 Traditional droop control

改進下垂方式其實質改變改進下垂系數為：

整理可以得到改進下垂控制方程

但孤島時選取下垂方式對微源調節容量需求苛刻，在微電網低滲透率的環境下，難以完成無縫切換任務，對一般負載略有影響；也沒有考慮下垂控制方式對切換方式的滿足性以及切換時沖擊電流與電壓產生的結果。

2.2 基于權重控制策略

電壓/頻率權重控制方式比常規控制方式具有更寬的線性軌跡，消除了許多常規電壓/頻率控制方式只在電壓/頻率瓦解點周圍小區間內有線性軌跡的弊端，為負荷大范圍發生變化時對電網電壓/頻率穩定性進行預測提供了方便。在穩態誤差方面，權重控制能將誤差控制在環寬以內[15]，且控制策略簡單，易于控制器的設計和實現。

權重綜合控制框圖如圖3所示。將控制器連接到體系后，相當于往體系連接一個可調電流，其電流愈大則控制器彌補的無功愈大，反之亦然。通過連入一個閉環反饋體系就可以實現動態跟蹤補償的效果。運算電流時采取了前饋環節，預流入系統電流量i（t）通過計算可得。

式中：i（t-1）為上一刻流出的工作電流；k1（t）、Δi1（t），k2（t）、Δi2（t）分別表示t時刻電壓、頻率式樣中求出的權重系數與電流增量；Δk1（t），Δk2（t）分別表示t時刻電壓、頻率權重模糊調節器的輸出量。

此動態權重模糊控制策略與負荷跟蹤特性，說明權重控制策略可以更好地完成負載的適時監控，無功補償成效出色。模糊控制手段具備超調量極小與調控時間極短，有超佳的動態性與適應性。

圖3 權重綜合控制系統圖Fig.3 Comprehensive control system chart of weight control

3 系統整體控制策略

3.1 逆變器整體綜合控制

逆變器系統整體綜合控制策略框架如圖4所示。據瞬時功率理論原理，逆變器輸出的無功功率與有功功率表達式是

式中：id、iq、ud、uq分別為圖中iabc與uabc的d軸與q軸分量。

圖4 綜合控制策略圖Fig.4 Diagram of integrated control strategy

3.2 電流調節器控制

電流調節器不僅能對電網電壓波動起到抑制效果，而且能使電流及時追蹤給定電壓的變化，加快動態過程，對電路起到過電流保護作用。本文引入電流調節器控制，如圖5所示，來抑制在并網與離網轉換進程中，主電源輸出電流的振蕩并穩定微電網電壓的動態變化。

圖5 電流調節控制圖Fig.5 Current regulation control chart

逆變器在同步旋轉坐標中輸出的瞬時無功與有功功率是

式中：Q，P分別為三相逆變器輸出的無功功率與有功功率；Ud，Uq分別為電網電壓在d，q坐標軸上的等效分量；id，iq分別為逆變器輸出電流在d，q坐標軸上的等效分量。經過瞬時電流內環給定計算，可以求出流入電流調節器中的電流為

3.3 相位預同步控制模塊

相位預同步就是微電網由離網形式返回并網形式前，事先排除微電網饋線與電網當中的位相差，防止在并網時由于相位出現驟變而形成瞬間沖擊。電網電壓與微電網電壓的同步追蹤經過如圖6所示。圖中ω1與β1是電網電壓的角頻率與相位；ω與β是微電網母線電壓的角頻率與相位；Δβ是兩者之間的相位差。當電網電壓與微電網母線電壓的相位角之差Δβ等于0時，就滿足了同步控制效果，可調節vq=0來完成相位同步過程。

圖6 相位同步示意圖Fig.6 Diagram of phase synchronization

對三相微網電壓做按式子（13）同步坐標轉換可以求得Vq，其中Voa、Vob、Voc是微網三相母線電壓。則

經過上述轉換就能得到d、q軸分量與零參考進行PI調節，來防止與同步過程中微網頻率發生劇烈波動，從而影響電能質量。

4 仿真分析

為了驗證微網逆變器權重控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件平臺上搭建控制系統的仿真模型，重點分析電壓與頻率的恢復結果，為減少不必要參數的影響，對仿真實驗模型進行了理想化處理，其中微電網電源的原動機與儲能裝置都由理想直流電壓源替代。負載為對稱的三相負載，仿真參數見表1。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

負載1有功與無功分別為P1=2.0×104W、Q1=0 V·A；負載2的有功與無功為P2=2.5×104W、Q2=1.33×104V·A和可調負載3最大有功與無功為P3=2.0×104W、Q3=1.0×104V·A。

微電網在0～0.3 s與電網并網運行，0.3～0.7 s切換到孤島運行模式，0.7～1.0 s通過預同步控制切換到并網模式。電網是無窮大電源，微電網并網運行時，通常由電網向微電網提供功率補償，當微網由并網進入孤島運行模式時，微電網內存在功率缺額。

由頻率圖7知，在0～0.3 s，微電網并網運行，微網系統的頻率與電壓都由電網支撐保持額定值（圖中的小幅波動與仿真軟件的初始化有關）。0.3～0.7 s，采用下垂控制時，微網進入孤島運行模式，微網內的電壓與頻率不再由電網支撐，儲能裝置的有功與無功功率迅速由P=2.0×104W、Q=0 V·A升到P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，用來支撐微電網頻率與電壓的穩定，同時顯示在并網情況下電網向微網輸送的有功與無功功率是P=2.5×104W、Q=1.33×104V·A，系統在孤島運行時，微網母線頻率維持在49.76～50 Hz，母線頻率在0.65 s后才基本維持穩定。而采用權重控制時，微網母線頻率維持在49.93～50 Hz，母線頻率在0.6 s以后就維持穩定，0.7 s以后系統通過預同步進入并網模式。由此可見加入權重控制比下垂控制策略相應速度快，波動范圍小。

圖8是微電網母線電壓與主電源輸出電流變化曲線。如圖8所示，系統由并網模式切換到孤島運行模式時，在0.3～0.7 s，采用下垂控制時，微電網母線電壓接近真實值，但是主電源輸出電流過渡不平穩，容易產生振蕩；采用權重電壓控制時，微電網母線電壓與主電源輸出電流幾乎與實際值一樣，電壓與電流過渡平穩，不會產生振蕩。0.7～1.0 s通過預同步控制切換到并網模式。

圖7 運行模式相互切換下微電網頻率變化Fig.7 Frequency variation of microgrid under switching mode

圖8 運行模式相互切換下微電網電壓與電流變化Fig.8 Changes of voltage and current in microgrid under switching mode

圖9是微電網儲能裝置輸出有功與無功變化曲線。如圖9所示：在負載功率分配上，下垂控制與本文所采用的權重控制2種控制策略無明顯大的變化。只是權重控制比下垂控制策略響應速度稍微快點，在0.3～0.7 s內，由并網運行切換到孤島運行模式時，由于控制模式的改變，通過增發功率來維持系統電壓與頻率的穩定。本文所提權重控制策略不會影響系統的功率分配。

圖9 運行模式相互切換下微電網中儲能裝置功率輸出變化Fig.9 The change of output power of the energy storage device of micro grid under operation mode switching

5 結論

1）在穩態誤差方面，權重控制能將誤差控制在環寬以內，且控制策略簡單，易于控制器的設計和實現，既不會影響原來的功率分配，也不會影響系統整體性能。

2）加入權重控制策略對電壓與頻率有更好的穩定恢復能力，過渡平穩，不會引起系統振蕩。

3）對微電網雙模切換過程進行了仿真分析，與傳統的下垂控制策略進行對比，其結果驗證了所提控制策略的正確性，為今后建設微網實驗平臺奠定基礎。

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