微網(wǎng)運行模式無縫切換控制技術(shù)研究*

胡實，袁旭峰，朱余林，高志鵬，李芷蕭

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽550025)

0 引 言

微網(wǎng)既可獨立運行即孤島運行，也可與大電網(wǎng)并聯(lián)運行，具有較高的靈活性，然而隨著微網(wǎng)的不斷推廣與應(yīng)用，微網(wǎng)接入電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了很大影響,提高微網(wǎng)孤島/并網(wǎng)兩種運行模式下的可靠性，解決兩種運行模式間的無縫切換問題是充分發(fā)揮微網(wǎng)即插即用的優(yōu)勢，提高微網(wǎng)并網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[1-2]中提出雙模式控制技術(shù)，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時采用PQ控制法，孤島運行時采用V/f控制，符合微網(wǎng)運行的需要，但切換難度大，相位差易引起較大的沖擊電流。文獻(xiàn)[3]提出微網(wǎng)并網(wǎng)運行時采用PQ控制，孤島運行時采用下垂控制，但缺少具體的控制過程以及相關(guān)的實驗驗證。文獻(xiàn)[4]根據(jù)虛擬同步發(fā)電機的下垂控制特性，提出微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行時都采用虛擬同步控制法，但沒有考慮VSG的并網(wǎng)適應(yīng)性特性。縱觀目前的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的研究成果[5-13]，基于虛擬同步發(fā)電機的無縫切換技術(shù)和基于下垂控制的無縫切換技術(shù)，兩者都有較好的適應(yīng)性特性[14-19]，具備更好的實際應(yīng)用前景，有重大的研究意義。VSG控制具有下垂特性，能夠模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻和調(diào)壓的特性，更適用于運行模式的無縫切換技術(shù)；下垂控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，并離網(wǎng)過程中不需要改變控制策略，能夠有效減少控制策略切換帶來的幅頻擾動。

在分析微網(wǎng)系統(tǒng)模型和運行模式的基礎(chǔ)上，對比研究了VSG控制和下垂控制無縫切換技術(shù)。其中基于VSG的無縫切換技術(shù)，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時采用PQ控制，孤島運行時采用VSG控制；基于下垂控制的無縫切換技術(shù)，采用的是P-f,Q-V控制。

1 微網(wǎng)的系統(tǒng)模型與運行模式

文中研究的微網(wǎng)由逆變器、電源單元、負(fù)荷單元三部分組成，為簡化分析，逆變器為三相電壓源型逆變器(Voltage Source Converter,VSC)，電源單元用直流電源代替蓄電池儲能單元。微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中udc為直流側(cè)的輸入電壓；S1～S6是全控型開關(guān)器件;Zload為負(fù)荷;L1、C、L2為LCL型濾波器的電感和電容;Ea、Eb、Ec為三相電網(wǎng)電壓;iLa、iLb、iLc為濾波電感側(cè)的電流;ioa、iob、ioc為負(fù)載側(cè)電流。

微網(wǎng)通過PCC開關(guān)與大電網(wǎng)相連，正常情況下，PCC開關(guān)閉合，微網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運行，除了給自帶負(fù)荷供電外，微網(wǎng)能將多余的電能反饋給電網(wǎng)；若微網(wǎng)的電能不足以支撐負(fù)荷運行時，電網(wǎng)和微網(wǎng)共同承擔(dān)負(fù)載功率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修時，PCC開關(guān)斷開，微網(wǎng)快速與大電網(wǎng)斷開，單獨給負(fù)荷供電，即孤島運行。兩種模式之間的切換，能保證負(fù)荷的不間斷供電，提高了供電可靠性。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 微網(wǎng)控制器原理

2.1 VSG控制原理

圖1所示為微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，將微網(wǎng)逆變器模擬成傳統(tǒng)的同步發(fā)電機，闡述其控制原理。

由牛頓第二定律，虛擬同步發(fā)電機的機械方程可表示為：

(1)

式中J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為同步發(fā)電機的機械角速度；Tm、Te、Td分別為同步發(fā)電機的機械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)；ω0為電網(wǎng)同步角速度。

由電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式：

(2)

式中Pe為發(fā)電機輸出的電磁功率；Uod、Uoq分別為發(fā)電機輸出電壓Uoabc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的的d、q分量；Iod、Ioq分別為發(fā)電機輸出電流Ioabc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的的d、q分量。

由圖1，可得到虛擬同步發(fā)電機的電磁方程為：

(3)

式中L為同步發(fā)電機的同步電感；iLabc、ioabc分別為流經(jīng)同步電感的電流和同步發(fā)電機的輸出電流；eabc、uoabc分別為同步發(fā)電機電勢和同步發(fā)電機的機端電壓；R為同步發(fā)電機的同步電阻。

在傳統(tǒng)的同步發(fā)電機中，都是通過機械轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)有功輸出，通過勵磁調(diào)節(jié)其無功輸出，借鑒其調(diào)節(jié)原理，實現(xiàn)微網(wǎng)的有功和無功調(diào)節(jié)。

VSG的機械功率由機械功率指令Pref和頻率偏差反饋指令ΔP兩部分組成，即：

(4)

式中Kω為有功調(diào)節(jié)系數(shù)。通過對機械功率的控制，實現(xiàn)輸出功率跟蹤，同時以頻率偏差作為校正信號，調(diào)節(jié)有功的同時實現(xiàn)了頻率異常時的有功響應(yīng)。

類似于傳統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)無功輸出的原理，通過VSG的暫態(tài)電勢E來調(diào)節(jié)其無功。E由兩部分組成，即：

(5)

式中E0為VSG的空載電勢；ΔEQ為對應(yīng)于無功調(diào)節(jié)的電勢；KQ無功調(diào)節(jié)系數(shù)；Qref為無功指令；Q為VSG的實際輸出無功。

結(jié)合以上分析，VSG的控制策略可設(shè)計成如圖2所示。

2.2 PQ控制原理

VSG控制具有下垂特性，孤島運行時能很好的調(diào)節(jié)有功、無功、電壓和頻率，但當(dāng)并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)的頻率和電壓取決于大電網(wǎng)，電網(wǎng)頻率和電壓的波動，會造成變流器有功和無功的偏離，由于VSG的慣性特性，不能很好的適應(yīng)并網(wǎng)運行；PQ控制能實現(xiàn)恒功率控制，能夠適應(yīng)并網(wǎng)運行下的波動，并網(wǎng)運行時有較好的調(diào)節(jié)特性。

文中的控制器底層控制采用的是功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)解耦控制，將實際功率與功率指令通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生的偏差信號作為電流內(nèi)環(huán)的參考信號，實現(xiàn)對功率的無靜差跟蹤。

圖2 VSG控制結(jié)構(gòu)框圖

2.3 下垂控制原理

下垂控制具有即插即用的特點，微網(wǎng)逆變器采用下垂控制，并離網(wǎng)前后不需要改變控制策略，避免了控制策略變換給切換過程帶來擾動。

對于下垂控制，其有兩種不同的表達(dá)方程，即：

(1)P-f,Q-V 即通過定有功和無功的方式產(chǎn)生產(chǎn)生系統(tǒng)頻率和電壓的參考值;

(2)f-P,V-Q 即通過定頻和定電壓的方式得到控制功率的下垂方程。

文中采用的是第一種，即P-f、Q-V,其控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖3所示,下垂控制器的控制方程為：

(6)

式中fref、Uref分別為逆變器的參考頻率和參考電壓值，f0、U0分別為逆變器的額定頻率和額定電壓，Kp、Kq為下垂控制系數(shù)，P、Q為逆變器實際輸出的有功和無功功率，P0、Q0為額定頻率和額定電壓下逆變器輸出的有功和無功功率。

具體的控制過程是：逆變器按照給定功率調(diào)節(jié)自身的功率輸出，通過下垂控制，產(chǎn)生頻率和電壓幅值的參考值,再經(jīng)過雙閉環(huán)控制穩(wěn)定控制逆變器的輸出。

圖3 下垂控制結(jié)構(gòu)框圖

3 無縫切換技術(shù)原理

文中研究了微網(wǎng)的兩種控制方式，孤島運行采用VSG控制，并網(wǎng)運行時采用PQ控制以及并/離網(wǎng)都采用下垂控制兩種控制方式，但都存在并網(wǎng)瞬間由于存電壓和相位差帶來過大沖擊電流而導(dǎo)致切換失敗的問題，需要找到一種能夠無縫切換的控制方法。

實現(xiàn)無縫切換的關(guān)鍵問題在于解決并網(wǎng)前后微網(wǎng)電壓幅值、相位和大電網(wǎng)保持同步，可在并網(wǎng)前加入一個預(yù)同步控制，使微網(wǎng)跟蹤電網(wǎng)電壓，有效減少并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的電流沖擊，其控制原理如下：

(7)

式中θ和θg分別為VSG的相位和大電網(wǎng)的相位；E和Eg分別為VSG的電勢和電網(wǎng)電勢的幅值;kθ和kE分別為相位和電壓的積分系數(shù)。

結(jié)合以上分析，預(yù)同步控制可設(shè)計為如圖4～圖5所示。

圖4 相位同步控制框圖

圖5 幅值同步控制框圖

當(dāng)微網(wǎng)接收到并網(wǎng)信號后，閉合開關(guān)S，啟動預(yù)同步控制。當(dāng)微網(wǎng)的幅值和相位達(dá)到并網(wǎng)要求后，斷開開關(guān)S，退出預(yù)同步控制，閉合并網(wǎng)開關(guān)，實現(xiàn)并網(wǎng)操作。

4 仿真驗證與分析

為驗證兩種兩種控制策略的可行性與比較兩種具有下垂控制特性控制策略的效果，利用PSCAD搭建了仿真模型，分別研究了VSG-PQ控制和下垂控制下微網(wǎng)由孤島向并網(wǎng)切換，由并網(wǎng)向孤島切換兩種工作模式切換的效果。其主要的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

4.1 孤島向并網(wǎng)切換

孤島向并網(wǎng)切換時，需要加入預(yù)同步控制，為比較兩種控制側(cè)的控制效果，預(yù)同步控制都采用相同的控制方法。

(1)VSG-PQ控制。

當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)接收到并網(wǎng)命令后，打開同步控制開關(guān)S，經(jīng)過1.2 s后，微網(wǎng)跟蹤上大電網(wǎng)的相位和幅值，斷開開關(guān)S，退出同步控制，切換控制策略，由VSG控制轉(zhuǎn)換為PQ控制，同時閉合PCC開關(guān)，微網(wǎng)并網(wǎng)運行。微網(wǎng)的電流、電壓、有功功率變化如圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)所示。

(2)下垂控制。

微網(wǎng)系統(tǒng)接收到并網(wǎng)命令后，打開同步控制開關(guān)S，經(jīng)過1 s,微網(wǎng)的電壓幅值和相位與大電網(wǎng)同步，斷開開關(guān)S，退出同步控制，同時閉合PCC開關(guān)，微網(wǎng)并網(wǎng)運行。微網(wǎng)的電流、電壓、有功功率變化如圖6(b)、圖6(d)、圖6(f)所示。

由圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)，對于VSG控制，并網(wǎng)運行后微網(wǎng)電壓幾乎沒有波動，微網(wǎng)側(cè)電流經(jīng)過0.05 s的波動后，達(dá)到穩(wěn)定值，并網(wǎng)運行后，微網(wǎng)按照功率指令，輸出500 kW的有功,除了為自帶的負(fù)荷提供有功外，將多余的有功反饋給大電網(wǎng)；由圖6(b)、圖6(d) 、圖6(f)，對于下垂控制，1 s并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)的輸出電壓幾乎沒有波動，電流經(jīng)過0.2 s左右的微小震蕩后達(dá)到穩(wěn)定值，并網(wǎng)運行后，逆變器的輸出有功減少為100 kW，微網(wǎng)負(fù)載功率由其與大電網(wǎng)共同承擔(dān)。

圖6 孤島到并網(wǎng)仿真結(jié)果

對孤島到并網(wǎng)的切換過程而言，由于并網(wǎng)時微網(wǎng)的頻率和電壓瞬間強制與大電網(wǎng)同步，會出現(xiàn)跳變的過程，由圖6的仿真結(jié)果，VSG-PQ控制相比于下垂控制響應(yīng)速度更快，并網(wǎng)瞬間波動小，表現(xiàn)出更好的調(diào)節(jié)特性。

4.2 并網(wǎng)向孤島切換

對于微網(wǎng)而言，為了提高微網(wǎng)負(fù)荷的供電可靠性，通常情況下微網(wǎng)都是采用并網(wǎng)運行的方式，當(dāng)發(fā)生故障或者檢修時，微網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開，需要盡量減少斷開瞬間帶來的電壓和電流沖擊。

(1)PQ-VSG控制。

當(dāng)微網(wǎng)接收到離網(wǎng)指令后，切換控制開關(guān)，微網(wǎng)由PQ控制轉(zhuǎn)化為VSG控制，同時斷開PCC開關(guān)，孤島運行。由并網(wǎng)到孤島時，微網(wǎng)側(cè)的電流、電壓、有功變化如圖7(a)、圖7(c)、圖7(e)所示。

圖7 并網(wǎng)到孤島仿真結(jié)果

(2)下垂控制。

當(dāng)微網(wǎng)接收到離網(wǎng)指令后，斷開PCC開關(guān)，微網(wǎng)開始孤島運行。由并網(wǎng)到孤島時，微網(wǎng)側(cè)的電流、電壓、有功變化如圖7(b)、圖7(d)、圖7(f)所示。

由圖7(a)、圖7(c)、圖7(e)對于VSG控制，當(dāng)微網(wǎng)由并網(wǎng)運行到孤島運行時，斷開開關(guān)瞬間，微網(wǎng)側(cè)電壓有小幅度波動，電流快速、平滑過度到孤島狀態(tài)下，然后趨于穩(wěn)定。微網(wǎng)的有功輸出在并網(wǎng)開關(guān)斷開瞬間，有一個小幅度波動，然后恢復(fù)輸出對應(yīng)的負(fù)載功率；由圖7(b)、圖7(d)、圖7(f)，對于下垂控制，PCC開關(guān)斷開瞬間，微網(wǎng)側(cè)電壓有小幅度的增加，電流得變化過程也較為平滑，沒有出現(xiàn)大幅度的升降和三相不平衡的現(xiàn)象。由并網(wǎng)到孤島運行時，微網(wǎng)的負(fù)荷功率由共同承擔(dān)到由微網(wǎng)獨自供應(yīng)。

對并網(wǎng)到孤島的切換過程而言，下垂控制不用更換控制策略，對負(fù)荷造成的波動更小；由圖7(g)、圖7(h)，下垂控制和VSG控制都具備一次調(diào)頻能力，但下垂控制切換過程給負(fù)荷側(cè)的頻率帶來了較大波動，頻率最大波動達(dá)到4%；基于VSG控制的切換過程頻率由50 Hz跌至49.54 Hz，最大波動幅度為0.92%，明顯降低系統(tǒng)頻率的波動。

5 結(jié)束語

針對微網(wǎng)的運行模式，研究了基于VSG和基于下垂控制，兩種具有下垂特性的微網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換技術(shù)。由仿真結(jié)果，基于VSG控制的無縫切換技術(shù)，并網(wǎng)采用PQ控制，孤島采用VSG控制，并網(wǎng)過程較下垂控制響應(yīng)時間更短，電壓電流的波動小，具有理想的調(diào)節(jié)特性；離網(wǎng)切換時，VSG控制和下垂控制對微網(wǎng)的電壓、電流帶來的波動較小，有功變化較為平滑，但下垂控制時系統(tǒng)頻率的波動較大。綜合考慮兩種控制策略的控制效果，基于VSG的無縫切換控制策略更適用于微網(wǎng)的并離網(wǎng)切換。