光儲微電網并離網平滑切換控制策略研究

劉夢超， 王生鐵， 溫素芳

（內蒙古工業大學 電力學院， 內蒙古 呼和浩特 010080）

0 引言

近年，由太陽能、風能等可再生能源組成的分布式電源得到迅速發展[1]，而微電網能夠實現各分布式電源能量輸出最大化。 微電網有并網和孤島兩種運行模式。其并網時向電網輸電，離網時能夠向周圍負荷自給供電。并網運行時，分布式電源采用PQ 控制， 電網向各分布式電源提供電壓和頻率參考；孤島運行（離網運行）時，在主從控制模式下，主電源采用V/f 或下垂控制，為從電源提供電壓和頻率參考，從電源仍然采用PQ 控制[2]～[5]。在并、離網切換的過程中，應保證交流母線電壓偏差滿足ΔU≤±7%UN（額定電壓），頻率偏差滿足Δf≤0.1%fNHz[6]。

微電網的并、 離網平滑切換是最重要且最難實現[7]。 針對這一問題，文獻[8]采用了主從控制與對等控制相結合的方法， 提出一種下垂系數隨著微網電壓及頻率變化而變化的改進式下垂控制，提高了微電網運行的可靠性。 文獻[9]通過對微電網孤島運行時的電壓相位積分控制， 并網時對電壓的相位、 幅值進行控制， 實現離并網的平滑切換。 文獻[10]提出了一種基于主電源PQ 和V/f 控制輸出狀態同步跟隨的控制方法， 使微電網離網切換至并網運行模式時， 切換前后的輸出狀態相同，從而實現平滑切換，但沒有考慮微電網由并網切換到孤島運行模式時的暫態沖擊問題。

本文設計了光儲微電網蓄電池及光伏并離網控制策略，該策略在并、離網切換中，共用內環，切換外環，同時對外環輸出的電流參考值進行補償，并對預同步控制進行了改進， 使蓄電池PQ 控制中的有功功率參考值跟隨蓄電池的功率輸出，使其在切換前后的狀態相同， 以達到平滑切換的目的，并通過Matlab 軟件對本文所提出的控制策略進行驗證。

1 光儲微電網結構及控制原理

1.1 光儲微電網結構

本文微電網的拓撲結構如圖1 所示。

圖1 光儲微電網拓撲結構Fig.1 Topology of microgrid with PV and energy storage

蓄電池和光伏通過雙級式變換器輸出電壓，經過LC 濾波器濾波， 通過公共連接點 （Point of Common Coupling，PCC）將電能輸入電網，微網端接入關鍵性負荷和非關鍵性負荷。并網運行時，蓄電池和光伏采用PQ 控制。 當檢測到孤島信號，蓄電池切換至V/f 控制， 光伏根據微網運行狀態采用最大功率點跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 或 負 載 功 率 跟 蹤 控 制（Load Power Tracking Control，LPTC）；電網恢復時，接收到并網信號，預同步開始工作，滿足并網條件時，預同步退出工作，蓄電池切換至PQ 控制。

1.2 蓄電池控制原理

蓄電池控制原理如圖2 所示。

圖2 儲能控制原理Fig.2 Schematic diagram of energy storage control

圖中蓄電池前級采用Buck-Boost 電路實現充放電，后級采用PQ 或V/f 控制。 本文將蓄電池荷電狀態（State of Charge，SOC）設置為0.3～0.9。并網運行時， 蓄電池采用PQ 控制， 通過給定值Pref對蓄電池進行恒功率充電。當檢測到孤島信號時，調節Pref值來控制蓄電池充放電功率。 為使微電網側功率達到平衡， 減小流經靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）電流，使其達到允許切換閾值。 此時STS 斷開， 蓄電池切換至V/f 控制。當電網恢復并接收到并網信號時，啟動預同步控制，調節微網側電壓的幅值、相位，當滿足切換條件時，預同步控制退出工作，此時STS 閉合，蓄電池切換至PQ 控制。

1.3 光伏控制原理

光伏控制原理如圖3 所示。

圖3 光伏控制原理Fig.3 Schematic diagram of PV control

光伏前級采用Boost 電路， 后級采用全橋逆變電路。 前級根據微電網運行模式及其能量流動狀況， 選擇MPPT 或LPTC 模式來控制光伏的功率輸出。 并網運行時，光伏采用MPPT 控制模式，后級PQ 控制功率參考值Pref由MPPT 輸出功率給定。 離網運行時，蓄電池SOC＞0.9 且光伏的輸出功率大于負載時，采用LPTC 模式，光伏輸出功率參考值由后級PQ 控制Pref給定。

2 光儲微電網并離網平滑切換控制策略

2.1 蓄電池并離網控制策略

并網運行時，蓄電池前級采用Buck-Boost 雙向DC/DC 變換器充放電，其結構如圖4 所示。

圖4 蓄電池前級變換器控制圖Fig.4 Control diagram of battery front stage converter

直流側電壓Udc與參考值Udref作差， 經過PI調節后得到電流參考值Ibref，與蓄電池輸出電流Ib作差，再通過PI 調節輸出控制信號，經過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）得到驅動信號控制Buck-Boost 電路充放電。

蓄電池后級采用PQ 控制，派克變換中選取d軸與電壓矢量同方向，q 軸電壓分量為0， 此時有功功率只與id有關，無功功率只與iq有關，功率參考值分別與網側電壓dq 分量進行計算，可得電流參考值為

電流內環采用典型內環控制器， 網側電流瞬時值經過派克變換后，得到id，iq與對應的電流參考值做差，再通過PI 控制進行電壓前饋解耦和交叉耦合補償，輸出電壓控制信號usd1和usq1，電流環控制方程為

根據式（1）～（4）可以得到PQ 控制結構，如圖5 所示。

圖5 PQ 控制模式下的控制結構框圖Fig.5 Diagram of control structure in PQ control mode

離網運行時，蓄電池前級控制不變，后級采用V/f 控制，為其它分布式電源提供電壓和頻率的參考。 逆變器輸出的頻率由控制器內部參考正弦信號生成，同理，在派克變換中選取d 軸與電壓矢量同方向， 此時蓄電池網側經LC 濾波器輸出電壓的d，q軸有效值Udref為380 V，Uqref為0 V。

在恒壓控制上， 采用電壓外環電流內環結構，電壓外環控制方程為

電流內環和PQ 控制的電流內環結構相同，不再贅述。蓄電池V/f 控制策略的結構框圖如圖6所示。

圖6 V/F 控制模式下的控制結構框圖Fig.6 Diagram of control structure in V/f control mod

2.2 光伏并離網控制策略

光伏在微電網并離網過程中， 前級Boost 電路采用MPPT 和LPTC 兩種控制模式， 其具體控制結構如圖7 所示。

圖7 光伏前級控制結構圖Fig.7 Control diagram of PV front stage converter

并網運行時， 開關S1接通， 光伏處于MPPT工作模式，后級PQ 控制的Pref由前級MPPT 輸出功率給定。 測量光伏電壓Upv和電流Ipv， 通過MPPT 算法得到最大功率點電壓Uref與Upv作差。經過PI 控制得到的占空比D，通過PWM 調制產生驅動信號來控制Boost 電路； 孤島運行時，蓄電池的SOC＞0.9，且光伏輸出功率大于負載功率時，開關S2接通，光伏處于LPTC 工作模式，參考值Pref由后級PQ 控制給定，測量光伏電壓Upv和電流Ipv，通過LPTC 算法計算出負載功率跟蹤點電壓Uref與UPV做差，經過PI 控制得到的占空比D，通過PWM 調制產生驅動信號來控制Boost 電路。

光伏在微電網并離網過程中，光伏后級采取PQ 控制保持不變，光伏源PQ 控制結構原理與蓄電池PQ 控制相同，不再贅述。

2.3 光儲微電網并離網切換控制策略的改進

微電網并網切換至孤島時， 蓄電池由PQ 控制切換至V/f 控制。 切換前PQ 控制中電流環PI調節器輸出結果已達到穩態；切換至V/f 控制時，PI 調節器輸出須要逐步到達新的穩態，此過程須要一定的時間且會引起相關量在切換過程中的突變。 根據并離網控制器的結構，它們擁有相同的電流環，將兩者的控制結構改進為如圖8 所示。

圖8 運行模式控制策略改進示意圖Fig.8 Diagram of operation mode control strategy improvement

在并離網切換中，只切外環，共用內環。 在并網切換至孤島運行時，V/f 控制器的輸出電壓控制信號為PQ 控制器輸出的電壓控制器Usd1和Usd2，能夠有效的減小切換過程中的暫態沖擊。

在切換過程中須要增加電壓外環，切換后V/f電流參考值i2須要經過電壓環PI 調節器逐步調節，為此引入電流參考補償方程，即：

微電網重新并網時，蓄電池網側變換器輸出已經達到了穩態， 輸出的電流參考值為idref3和iqref3。為了實現平滑切換，PQ 控制器的電流輸出參考值選取為

通過給定Pref值跟隨孤島運行時蓄電池的輸出功率，即可滿足式（9），（10）。并網電流輸出參考值為孤島運行的實際輸出電流， 可以減小切換過程中的暫態沖擊。

蓄電池并離網切換控制器結構如圖9 所示。當Switch 為1 時，微電網并網運行；當Switch 為0時，微電網孤島運行。

圖9 平滑切換結構框圖Fig.9 Structure diagram of smooth switching

2.4 預同步控制

電網故障恢復，微電網接收到并網信號，啟動預同步控制， 使孤島模式運行中微電網電壓的幅值、頻率、相位與電網同步再進行并網。

本文對傳統預同步控制器進行改進， 結構如圖10 所示。

圖10 預同步控制器結構框圖Fig.10 Structure diagram of pre-synchronous controller

檢測裝置檢測電網的電壓信號。 經過派克變換得到d 軸分量ug_d與網側輸出電壓信號作差。經過PI 控制得到偏差信號ΔU 來調節微電網輸出信號udref，從而實現電壓幅值的預同步。 將檢測的電網相角θg與微網側的相角做差， 經過PI 調節器輸出Δθ 來調節微電網端相角θm， 最終輸出相角值θref。 通過控制Δθ 的輸出θ，可以間接改變微電網頻率上升或下降的速率， 避免上升速率過大而對微電網系統造成沖擊， 具有更好的平滑性及可控性。

3 微電網并離網平滑切換控制流程

本文微電網并、離網平滑切換如圖11 所示。

圖11 平滑切換流程圖Fig.11 Flowchart diagram of smooth switching

并網運行時，蓄電池采用PQ 控制，估算蓄電池的荷電狀態（SOC），當SOC＜0.9 時，蓄電池處于恒功率充電，當SOC≥0.9 時，蓄電池以250 W 的功率進行浮充， 光伏在MPPT 控制下最大限度輸出功率。

當檢測到孤島信號時， 微電網中心控制器檢測STS 的電流。 若靜態開關點的電流沒有達到允許切換電流的閾值， 則增大或減小蓄電池的輸出功率，以滿足切換電流的閾值，靜態開關點動作，蓄電池切換至V/f 控制。

孤島運行時：①當蓄電池SOC＜0.3，且光伏的輸出功率小于負載功率，切掉非關鍵性負載，若光伏的輸出功率大于負載功率， 光伏運行在MPPT模式； ②當0.3＜SOC＜0.9， 光伏運行在MPPT 模式；③當SOC＞0.9，且光伏的輸出功率大于負載功率，光伏運行在LPTC 模式，此時光伏的輸出功率等于負載功率。

當檢測到并網信號時， 預同步開始工作，PQ控制器給定的Pref參考值跟隨蓄電池的輸出功率；當微網電壓的幅值、相位滿足切換要求時，預同步退出工作，靜態開關點動作，蓄電池由V/f 控制切換到PQ 控制。

4 仿真結果及分析

在Matlab/Simulink 環境下搭建微電網仿真模型。 參數設置如下：直流母線電壓720 V，交流母線電壓380 V，頻率f 為50 Hz，關鍵性負載為4 kW，非關鍵性負載為4 kW，光伏工作在標稱條件下（溫度為25 ℃，太陽輻射為1 000 W/m2）且功率因數為1。蓄電池網側濾波電感為0.6 mH，濾波電容為170 μF；光伏網側濾波電感為5 mH，濾波電容為17 μF。

4.1 并網切換至孤島運行模式的仿真結果

本文光儲微電網由并網模式切換至孤島模式的結果如圖12 所示。

圖12 并網切換到孤島仿真波形圖Fig.12 Simulation waveforms of microgrid switched from gridconnected to islanded operation mode

由圖12 可知，光伏在MPPT 工作模式下輸出功率為6 kW，0～0.5 s 時， 蓄電池采用PQ 控制并以6 kW 的功率進行恒功率充電。 0.5 s， 蓄電池SOC 達到了0.9， 蓄電池以250 W 的功率進行浮充。 1.8 s 時檢測到孤島信號，蓄電池需要平衡微網端的功率，降低流經STS 電流，蓄電池放電功率為2 kW，此時STS 無電流流過，達到了允許切換的閾值。 1.85 s 時STS 斷開，蓄電池切換至V/f控制，為光伏源提供電壓相位和頻率的參考。

常規切換時電壓偏差ΔU≈±60%UN， 電流偏差ΔI≈±34%IN。 使用了平滑切換控制策略后，電壓偏差ΔU≈±0.3%UN，電流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了并離網切換過程中的暫態電壓、 電流沖擊，滿足切換的要求。

4.2 孤島切換至并網運行模式的仿真結果

光儲微電網孤島切換至并網運行模式仿真結果如圖13 所示。

圖13 儲微電網孤島切換至并網運行模式仿真結果Fig.13 Simulation waveforms of microgrid switched from islanded to grid-connected operation mode

由圖13 可知，0～0.2s， 光伏在MPPT 工作模式下輸出功率為6 kW，負載功率為8 kW，蓄電池輸出功率為2 kW。 0.2 s， 負載由8 kW 下降至4 kW，由于蓄電池SOC＜0.9，光伏運行在MPPT 模式，蓄電池吸收功率為2 kW。 0.75 s，蓄電池SOC達到了0.9，光伏切換至LPTC 模式，輸出功率為4 250 W， 其中250 W 是為了抵消蓄電池的自耗功率。 1.3 s， 負載由4 kW 增至8 kW， 光伏切換至MPPT 模式。 1.65 s，接收到并網信號，啟動預同控制，同時蓄電池PQ 控制的功率參考值Pref跟隨此時刻蓄電池的輸出功率。1.7 s，微電網電壓滿足離網向并網切換的要求，此時預同步退出工作，STS閉合，蓄電池切換至PQ 控制。 1.72 s，蓄電池以6 kW 的功率進行充電， 當蓄電池的荷電態達到了0.9 時，進行浮充電。常規切換時無電壓沖擊，但電流偏差ΔI≈±583%IN， 使用了平滑切換控制策略后，電流偏差ΔI≈±0.2%IN，有效的降低了離并網切換過程中的暫態電流沖擊，滿足切換的要求。

5 結論

本文針對光儲微電網，當電網發生故障時，接收到孤島信號，主電源調節其輸出功率，減小并網靜態開關點的電流，使其達到允許切換的閾值。分析并離網切換過程中的產生暫態沖擊的原因，根據切換前后控制策略的結構， 對控制策略進行了改進，實現前后控制策略的切換中，只切外環，共用電流內環，并引入電流補償。減小并網切換至孤島運行模式的暫態沖擊。 對預同步控制進行了改進， 同時讓蓄電池PQ 控制中的有功功率參考值跟隨蓄電池的功率輸出， 使其在切換前后的狀態相同。給出了光儲微電網并離網切換詳細流程圖，并對此進行仿真實驗，在仿真實驗中，光儲微電網無論是并網切換到離網， 還是離網切換到并網的過程中，都沒有較大的暫態沖擊，驗證了光儲微電網并離網平滑切換控制策略的可行性。