張野，郭力

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津300072)

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基于下垂控制的微網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略研究

張野1，郭力2

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津300072)

摘要：基于下垂控制的微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分布式電源需要根據(jù)本地的有功、無(wú)功負(fù)荷及下垂特性調(diào)整輸出電壓頻率和幅值參考來(lái)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和有功、無(wú)功負(fù)荷的合理分配，但下垂控制會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)電壓相位和幅值不再一致，當(dāng)微網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如不采取一定的控制將導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)較大的功率沖擊，直接影響微網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行。為此，提出一種基于下垂控制的微網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略，利用分布式電源底層電壓控制模式不變的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行到離網(wǎng)運(yùn)行的平滑切換。通過(guò)第二層的電壓頻率恢復(fù)控制和改進(jìn)的相位控制，大大減小微網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行到并網(wǎng)運(yùn)行切換瞬間的功率沖擊。該策略不僅實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)內(nèi)分布式電源的靈活接入，而且使整個(gè)微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能。最后通過(guò)電磁暫態(tài)模擬程序軟件和電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(electricmagnitictransientinDCSystemandpowersystemcomputeraideddesign,EMTDC/PSCAD)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：可再生能源；分布式發(fā)電；下垂控制；無(wú)縫切換；改進(jìn)相位控制

太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源具有無(wú)污染、可再生、分布廣等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為未來(lái)世界能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。可再生能源的接入技術(shù)吸引了國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的關(guān)注。作為可再生能源接入電網(wǎng)的重要形式之一。微網(wǎng)是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50兆瓦、布置在用戶(hù)側(cè)的小型發(fā)電系統(tǒng)。微網(wǎng)一般包括分布式電源，如儲(chǔ)能裝置、能量變換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等[1-2]。微網(wǎng)是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自身控制、管理和保護(hù)的自治系統(tǒng)，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障或微網(wǎng)需要主動(dòng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)應(yīng)迅速斷開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)與外部電網(wǎng)脫離，轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式；當(dāng)外部電網(wǎng)恢復(fù)正常或微網(wǎng)需要主動(dòng)并網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)應(yīng)重新并入外部電網(wǎng)。微網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換是保證微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和供電可靠性的關(guān)鍵[3]。

微網(wǎng)的控制模式?jīng)Q定其無(wú)縫切換控制策略。按離網(wǎng)時(shí)主電源控制方法不同，微網(wǎng)分主從和對(duì)等控制。主從控制是指微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只有單一的電源為整個(gè)微網(wǎng)提供恒定的電壓頻率參考；對(duì)等控制是指微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，有2臺(tái)以上的電源為整個(gè)微網(wǎng)提供電壓頻率參考，常見(jiàn)的控制方法為下垂控制方法。主從控制的微網(wǎng)在進(jìn)行無(wú)縫切換控制時(shí)，需要從離網(wǎng)時(shí)的電壓頻率控制切換到并網(wǎng)時(shí)的P-Q控制，由于控制模式切換和運(yùn)行模式切換不同步，并網(wǎng)瞬間容易出現(xiàn)較大的電流沖擊[4-7]。對(duì)等控制微網(wǎng)在運(yùn)行模式切換過(guò)程中，其底層電壓控制策略不變，不需要控制模式的切換，只需采取一定的預(yù)同步控制就可減小切換過(guò)程的電流沖擊。當(dāng)對(duì)等控制的微網(wǎng)任何一臺(tái)主電源發(fā)生故障，其他主電源可以繼續(xù)為微網(wǎng)供電，可靠性較高。采用下垂控制時(shí)通過(guò)改變各個(gè)主電源的下垂系數(shù)就可以方便實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功負(fù)荷的合理分配。

張野，等：基于下垂控制的微網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略研究綜上所述，隨著基于下垂控制的微網(wǎng)易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換、供電可靠性高和易于實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功負(fù)荷的分配，越來(lái)越吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[8-9]詳細(xì)地介紹了多逆變電源無(wú)互連線(xiàn)的下垂控制方法，并通過(guò)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析給出主要控制參數(shù)的選取方法；文獻(xiàn)[10]將功率微積分項(xiàng)加入到傳統(tǒng)的下垂控制中，在不影響有功、無(wú)功負(fù)荷均分準(zhǔn)確性的前提下，改善了下垂控制的動(dòng)態(tài)效果；文獻(xiàn)[11-12]針對(duì)低壓微電網(wǎng)線(xiàn)路與傳統(tǒng)高壓輸電線(xiàn)路阻抗比的不同而引起的功率耦合問(wèn)題，提出了采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的虛擬功率控制策略，該方法通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正交變換矩陣，實(shí)現(xiàn)了功率的解耦控制，對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn)；文獻(xiàn)[13]提出使用電壓-相位下垂控制實(shí)現(xiàn)預(yù)定比例的負(fù)荷功率分配，它比電壓-頻率控制法提供更好的頻率支撐；文獻(xiàn)[14]提出基于下垂控制的微網(wǎng)無(wú)縫切換控制方法，給出了微網(wǎng)整體下垂控制的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)引入同期控制減小了并網(wǎng)瞬間的功率沖擊，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換；文獻(xiàn)[15]借鑒電力系統(tǒng)的分層控制經(jīng)驗(yàn)，綜合微網(wǎng)電壓頻率控制、離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，提出適宜微網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)。本文所提出的下垂控制方法是在傳統(tǒng)有功-頻率、無(wú)功-電壓幅值下垂控制方法的基礎(chǔ)上增加改進(jìn)相位控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)模式到并網(wǎng)模式的快速平滑切換。

本文首先介紹了微網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成和基于下垂策略的控制結(jié)構(gòu)；第二，詳細(xì)介紹了底層下垂控制的基本原理；第三，提出了微網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)和離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)的無(wú)縫切換控制方法；第四，通過(guò)PSCAD仿真模型驗(yàn)證控制策略的有效性。

1微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成及其控制結(jié)構(gòu)

典型微網(wǎng)系統(tǒng)與分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可看到，微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)各自的能量變換裝置后將再生能源轉(zhuǎn)換成工頻交流電，再通過(guò)饋線(xiàn)連接到統(tǒng)一的微網(wǎng)交流母線(xiàn)處。其中，儲(chǔ)能逆變器采用電壓控制，負(fù)責(zé)為整個(gè)微網(wǎng)提供電壓頻率參考，并通過(guò)下垂控制進(jìn)行有功、無(wú)功出力的合理分配；風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的變換器采用電流控制，實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)機(jī)和光伏電池的最大出力，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用。靜態(tài)開(kāi)關(guān)(statictransferswitch,STS)的閉合與斷開(kāi)分別對(duì)應(yīng)微網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式和離網(wǎng)運(yùn)行模式。微網(wǎng)中的模式切換控制器通過(guò)采樣STS兩側(cè)電壓信號(hào)，并對(duì)STS和儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換。

借鑒大電網(wǎng)傳統(tǒng)的三層調(diào)頻結(jié)構(gòu)，本文將微網(wǎng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也分為3個(gè)層次：第一層控制為各個(gè)儲(chǔ)能逆變器的下垂控制，主要用于響應(yīng)快速的負(fù)荷變化并實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能逆變器間有功、無(wú)功出力的合理分配，控制速度最快；第二層控制為模式切換控制、并網(wǎng)時(shí)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制和離網(wǎng)時(shí)的電壓頻率控制，主要用于響應(yīng)周期較長(zhǎng)的負(fù)荷變化并實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的運(yùn)行模式切換，該層控制由微網(wǎng)模式切換控制器實(shí)現(xiàn)，控制速度比第一層控制略慢；第三層控制為經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要是根據(jù)發(fā)電計(jì)劃、無(wú)功優(yōu)化和負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算各個(gè)儲(chǔ)能逆變器的最優(yōu)有功、無(wú)功出力，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到底層儲(chǔ)能逆變器控制器中，該層控制周期最長(zhǎng)。對(duì)于不同的控制目標(biāo)可以采用不同速率的通信通道，這種分層處理有利于多個(gè)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

2底層下垂控制方法的基本原理

下垂控制是指微網(wǎng)在多逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，人為地使逆變電源的頻率和電壓幅值，按照一定的比例，根據(jù)輸出的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，使各個(gè)逆變電源按照各自的容量分配有功、無(wú)功負(fù)荷。本文以簡(jiǎn)單供電系統(tǒng)為例來(lái)詳細(xì)介紹下垂控制的基本原理。線(xiàn)路傳輸功率與電壓矢量如圖2所示。

假設(shè)功率由A端流向B端。線(xiàn)路傳輸視在功率(公式里的星號(hào)表示復(fù)數(shù)取共軛)

(1)

由于線(xiàn)路阻抗

(2)

式中：R為線(xiàn)路電阻；X為線(xiàn)路電抗。有功功率和無(wú)功功率

(3)

(4)

經(jīng)過(guò)變換近似得

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，當(dāng)線(xiàn)路電抗遠(yuǎn)大于線(xiàn)路電阻時(shí)，電壓相位近似與線(xiàn)路流過(guò)的有功功率成正比，電壓幅值近似與線(xiàn)路流過(guò)的無(wú)功功率成正比。由于相位為頻率對(duì)時(shí)間的積分，因此可以得到傳統(tǒng)下垂控制的基本公式：

(7)

(8)

式中：kP為頻率下垂系數(shù)，kQ為電壓幅值下垂系數(shù)，kP與kQ均為0到1之間的常數(shù)；f0為下垂曲線(xiàn)有功功率頻率初值；P0為與其對(duì)應(yīng)的有功功率參考值；E0為下垂曲線(xiàn)無(wú)功功率電壓幅值初值；Q0為與其對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率參考值。下垂控制均分有無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖3所示。

圖3中，微網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，若儲(chǔ)能逆變器1出口與微網(wǎng)母線(xiàn)處的相位差δ1>δ2，則儲(chǔ)能逆變器1輸出有功功率P1>P2。由下垂曲線(xiàn)可知，此時(shí)儲(chǔ)能逆變器1的參考頻率f1

若儲(chǔ)能逆變器1輸出的無(wú)功功率Q1>Q2，由下垂曲線(xiàn)可知，儲(chǔ)能逆變器1出口的電壓幅值E1

3微網(wǎng)無(wú)縫切換控制

基于下垂策略的儲(chǔ)能逆變器在微網(wǎng)系統(tǒng)模式切換的過(guò)程中可以維持逆變器電壓控制的基本策略不變，易于微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的切換。而離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的切換與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的要求相同，通過(guò)模式切換控制器進(jìn)行統(tǒng)一的電壓幅值、頻率和相位調(diào)整，達(dá)到同期要求后即可通過(guò)控制STS實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作。

3.1并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時(shí)的模式切換控制

基于下垂控制的儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于配電網(wǎng)的頻率恒定為工頻50 Hz，因此只需改變下垂曲線(xiàn)工頻對(duì)應(yīng)的功率初值即可實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)時(shí)的有功功率控制。但是由于微網(wǎng)饋線(xiàn)存在電壓降落，采用Q-E下垂策略時(shí)，如果逆變器輸出電壓參考值不做調(diào)整，則會(huì)引起無(wú)功功率控制出現(xiàn)較大的偏差。具體控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

從圖4可看到，并網(wǎng)時(shí)的儲(chǔ)能逆變器無(wú)功控制為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電壓環(huán)，由逆變器端口電壓幅值反饋和比例-積分(proportion integration, PI)控制組成；中間環(huán)為基于Q-E下垂曲線(xiàn)的計(jì)算環(huán)節(jié)；外環(huán)為無(wú)功功率環(huán)，由逆變器輸出無(wú)功功率和PI控制組成。無(wú)功功率外環(huán)通過(guò)反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出無(wú)功功率的精確控制，消除了饋線(xiàn)壓降的影響。

當(dāng)微網(wǎng)中的儲(chǔ)能逆變器采用下垂控制時(shí)，由于其內(nèi)環(huán)為電壓控制，直接斷開(kāi)微網(wǎng)的STS來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的操作，各逆變器根據(jù)下垂曲線(xiàn)和本地負(fù)荷進(jìn)行微網(wǎng)電壓頻率和幅值的調(diào)整。轉(zhuǎn)到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，無(wú)功外環(huán)不再起作用，把切換前的無(wú)功功率環(huán)PI結(jié)果保存下來(lái)作為Q-E曲線(xiàn)電壓初值的一部分。

3.2離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)的模式切換控制

離網(wǎng)狀態(tài)下，微網(wǎng)并網(wǎng)要求與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的要求相同，都需要STS兩側(cè)電壓幅值、頻率和相位基本保持一致。本文提出利用微網(wǎng)模式切換控制器對(duì)STS兩側(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得到電壓幅值差、頻率差和相位差，并根據(jù)這些差值進(jìn)行微網(wǎng)電壓頻率恢復(fù)控制和改進(jìn)的相位控制，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行到并網(wǎng)運(yùn)行的平滑切換。

電壓頻率恢復(fù)控制是指通過(guò)微網(wǎng)模式切換控制器，利用STS兩側(cè)的電壓幅值差和頻率差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電壓幅值改變量Einc和頻率改變量finc1，與原有下垂曲線(xiàn)電壓幅值參考值E0和頻率參考值f0疊加得到新的參考值，平移下垂曲線(xiàn)，最終使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定在新的運(yùn)行點(diǎn)上。在不改變儲(chǔ)能逆變器輸出有功、無(wú)功功率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)與配電網(wǎng)電壓和頻率的一致。

電壓頻率恢復(fù)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

如圖5所示，電壓頻率恢復(fù)控制后，當(dāng)給定有功和無(wú)功負(fù)荷時(shí)，微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率和電壓幅值與配電網(wǎng)相同。

電壓頻率恢復(fù)控制完成后，開(kāi)始第二階段的改進(jìn)相位控制。改進(jìn)相位控制是指微網(wǎng)模式切換控制器根據(jù)微網(wǎng)與配電網(wǎng)的相位差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到頻率改變量finc2，與第一階段的頻率參考值疊加得到新的參考值。若微網(wǎng)電壓相位滯后于配電網(wǎng)電壓相位，則finc2>0；若微網(wǎng)電壓相位超前于配電網(wǎng)電壓相位，則finc2<0，微網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的相位差都不斷縮小。當(dāng)相位差滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，改進(jìn)的相位控制結(jié)束，頻率增量finc2置為0，finc1和Einc保存為前一時(shí)刻值疊加到原下垂曲線(xiàn)頻率f0和電壓幅值參考值U0上，此時(shí)微網(wǎng)模式切換控制器控制STS閉合完成離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的切換。由于此時(shí)微網(wǎng)的電壓幅值和頻率與配電網(wǎng)一致，也就說(shuō)微網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器輸出的有功、無(wú)功功率與負(fù)荷消耗的有功、無(wú)功功率相等，因此并網(wǎng)瞬間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上的功率沖擊較小，逆變器輸出功率基本不變。

(9)

(10)

式中：fgrid、θgrid、Egrid分別為配電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值，fmicrogrid、θmicrogrid、Emicrogrid分別為微網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值；Einc為電壓恢復(fù)控制得到的下垂曲線(xiàn)電壓初值改變量；kEP2、kEI2、kfP、kfI、kθP、kθI分別為電壓控制環(huán)、頻率控制環(huán)和改進(jìn)相位控制環(huán)PI參數(shù)；finc1為頻率恢復(fù)控制得到的下垂曲線(xiàn)電壓頻率改變量；finc2為改進(jìn)相位控制得到的下垂曲線(xiàn)電壓頻率改變量，只在相位控制時(shí)起作用，當(dāng)STS兩側(cè)電壓相位滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，finc2要置為0。因?yàn)椴⒕W(wǎng)瞬間的功率沖擊與STS兩側(cè)的頻率差、相位差和電壓幅值差成正比，當(dāng)STS兩側(cè)相位差和電壓幅值差足夠小時(shí)，并網(wǎng)瞬間的功率沖擊主要與相位控制時(shí)導(dǎo)致的頻率差成正比，頻率差越大，逆變器輸出功率變化越大，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率沖擊越大。

(11)

式中:Perror為離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)瞬間的有功功率變化量;N為儲(chǔ)能逆變器臺(tái)數(shù)。微網(wǎng)與配電網(wǎng)的頻率差越大，并網(wǎng)瞬間功率沖擊越大。式(11)中，

(12)

微網(wǎng)經(jīng)過(guò)電壓頻率恢復(fù)控制后，其頻率值與配電網(wǎng)電壓頻率額定值基本相同，因此并網(wǎng)瞬間的功率沖擊是由相位控制引起的頻率差導(dǎo)致的，采用本文的改進(jìn)相位控制方法后，這部分頻率偏差可以在并網(wǎng)前置零，減小了并網(wǎng)時(shí)的功率沖擊。由式(11)和式(12)可得，并網(wǎng)瞬間的功率沖擊與離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的條件為

(13)

(14)

式中：ΔEmax、Δfmax、Δθmax為離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)STS兩側(cè)電壓允許的最大電壓幅值差、頻率差和相位差。如圖6所示，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的模式切換控制是通過(guò)電壓頻率恢復(fù)控制和改進(jìn)的相位控制來(lái)獲得相應(yīng)的頻率和電壓幅值初值改變量，再通過(guò)平移后的下垂曲線(xiàn)獲得最終的電壓頻率和幅值參考值。當(dāng)微網(wǎng)與配電網(wǎng)的電壓滿(mǎn)足式(14)所示的條件時(shí)，finc2置零，模式切換控制器控制STS閉合，完成并網(wǎng)操作。

4PSCAD仿真驗(yàn)證

在PSCAD仿真軟件中搭建如圖1所示微網(wǎng)系統(tǒng)模型。由于可再生能源出力在模式切換過(guò)程中基本不變，因此可以將其與負(fù)荷進(jìn)行等效。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7所示微網(wǎng)系統(tǒng)包括2臺(tái)儲(chǔ)能逆變器、逆變器饋線(xiàn)、微網(wǎng)等效負(fù)荷和STS。其中儲(chǔ)能逆變器包括直流母線(xiàn)電容、IGBT逆變橋和LCL型濾波電路，其中阻尼電阻用來(lái)抑制LCL型濾波器的高頻諧振。儲(chǔ)能逆變器采用下垂控制，并能接收模式切換控制器發(fā)出的指令，改變下垂曲線(xiàn)的初值。微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1微網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的模式切換控制。算例開(kāi)始時(shí)逆變器1帶微網(wǎng)負(fù)荷啟動(dòng)；在0.5 s時(shí)，逆變器2投入運(yùn)行，與逆變器1均分有功和無(wú)功功負(fù)荷；在1.6 s時(shí)啟動(dòng)電壓幅值和頻率恢復(fù)控制；在2.2 s時(shí)，啟動(dòng)改進(jìn)的相位控制；在2.7 s時(shí)，并網(wǎng)條件滿(mǎn)足，finc2置為0，模式切換控制器控制STS閉合，完成離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的切換。

如圖8所示，2臺(tái)逆變器穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均分有功和無(wú)功負(fù)荷的效果較好，且離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)瞬間逆變器輸出功率變化很小，改進(jìn)相位控制效果明顯。0.5 s時(shí)逆變器2投入運(yùn)行后，2臺(tái)逆變器開(kāi)始有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷均流；約0.7 s時(shí)兩臺(tái)逆變器輸出電壓頻率和幅值基本相同，有功和無(wú)功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)均流；1 s時(shí)啟動(dòng)電壓頻率恢復(fù)控制后，電壓頻率和幅值接近額定值，其值與額定值存在很小的誤差；2.2 s時(shí)改進(jìn)相位控制啟動(dòng)后，2臺(tái)逆變器頻率值不斷減小，并網(wǎng)前改進(jìn)相位控制引起的頻率變化量清零，并網(wǎng)瞬間逆變器輸出頻率和電壓幅值波動(dòng)都很小；2.7 s時(shí)兩電壓基本重合。由此可見(jiàn)，采用電壓頻率恢復(fù)控制和改進(jìn)相位控制可以大大減小因頻率、電壓幅值和相位不一致而導(dǎo)致的并網(wǎng)瞬間功率沖擊，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑過(guò)渡。

5結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了下垂控制的基本原理及并網(wǎng)和離網(wǎng)時(shí)的下垂控制實(shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，提出基于下垂控制的微網(wǎng)無(wú)縫切換控制，通過(guò)并網(wǎng)無(wú)功功率外環(huán)積分項(xiàng)結(jié)果保存至底層電壓控制，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)的平滑過(guò)渡；再通過(guò)離網(wǎng)時(shí)的電壓頻率恢復(fù)控制和改進(jìn)的相位控制實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)到并網(wǎng)的無(wú)縫切換，避免并網(wǎng)瞬間的功率沖擊，提高了微網(wǎng)的穩(wěn)定性。本文基于分層的思想，將基于下垂控制的微網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次，主要介紹了底層的下垂控制和第二層的模式切換控制。底層的下垂控制由逆變器控制器實(shí)現(xiàn)，第二層的模式切換控制由微網(wǎng)模式切換控制器實(shí)現(xiàn)。PSCAD仿真結(jié)果表明，本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)和離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的無(wú)縫切換，控制邏輯清晰，切換過(guò)程功率沖擊較小，但上層模式切換控制需要增加微網(wǎng)總體的通信成本，微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益有所降低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁才浩，段獻(xiàn)忠.分布式發(fā)電及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(12)：53-56.

LIANG Caihao，DUAN Xianzhong.Distributed Generation and Its Impact on Power System[J]. Automation of Electric Power System，2001,25(12) ：53-56.

[2] 王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問(wèn)題研究[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(20)：1-4.

WANG Chengshan，WANG Shouxiang.Study on Some Key Problems Related to Distributed Generation Systems[J]. Automation of Electric Power System，2008，32(20)：1-4.

[3] 張純，陳民鈾，王振存.微網(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換的控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(20)：1-5.

ZHANG Chun，CHEN Minyou，WANG Zhencun.Study on Control Scheme for Smooth Transition of Micro-grid Operation Modes[J]. Power System Protection and Control，2011，39(20)：1-5.

[4] 唐西勝，鄧衛(wèi)，齊智平.基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：279-284.

TANG Xisheng，DENG Wei，QI Zhiping.Research on Grid-connected/Islanded Seamless Transition of Microgrid Based on Energy Storage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(1)：279-284.

[5] 王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)綜合控制與分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(7)：98-102.

WANG Chengshan，XIAO Zhaoxia，WANG Shouxiang.Synthetical Control and Analysis of Microgrid[J]. Automation of Electric Power System，2008，32(7)：98-102.

[6] 鄭競(jìng)宏，王燕廷，李興旺，等.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(18)：17-23.

ZHENG Jinghong，WANG Yanting，LI Xingwang，et al. Control Methods and Strategies of Microgrid Smooth Swithover[J]. Automation of Electric Power System，2011，35(18)：17-23.

[7] 王曉寰，張純江.分布式發(fā)電系統(tǒng)無(wú)縫切換控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(2)：217-222.

WANG Xiaohuan，ZHANG Chunjiang.Study of Control Strategy for Seamless Transfer of Grid-Connected Distributed Generation System[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(2)：217-222.

[8] GUERRERO J M，LI Junhang，JAVIER U.Control of Distributed Uninterrupted Power Supply System[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(8)：2845-2859.

[9] GUERRERO J M，JOSE M，LUIS DE G，et al. Wireless-Control Strategy for Parallel Operation of Distributed-Generation Inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5)：1461-1470.

[10] GUERRERO J M，LUIS DE G，JOSE M，et al. A Wireless Controller to Enhance Dynamic Performance of Parallel Inverters in Distributed Generation Systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5)：1205-1213.

[11] 周賢正，榮飛，呂志鵬，等.低壓微電網(wǎng)采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的虛擬功率V/f下垂控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(2)：47-51.

ZHOU Xianzheng，RONG Fei，Lü Zhipeng，et al. A Coordinate Rotational Transformation Based Virtual Power V/fDroop Control Method for Low Voltage Microgrid[J]. Automation of Electric Power System，2012，36(2)：47-51.

[12] 闞志忠，張純江，薛海芬，等.微網(wǎng)中三相逆變器無(wú)互連線(xiàn)并聯(lián)新型下垂控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(33)：68-74.

KAN Zhizhong，ZHANG Chunjiang，XUE Haifen，et al. A Novel Droop Control of Three-Phase Inverters in Wireless Parallel Operation in Microgrid[J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(33)：68-74.

[13] 郜登科，姜建國(guó)，張宇華.使用電壓-相位下垂控制的微電網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(5)：29-34.

GAO Dengke，JIANG Jianguo，ZHANG Yuhua.Design of Microgrid Control Strategy Using Voltage Amplitude and Phase Angle Droop Control[J]. Automation of Electric Power System，2012，36(5)：29-34.

[14] LI Yunwei， VIATHGAMUWA M，CHIANG P L.Design Analysis and Real-Time Testing of a Controller for Multibus Microgrid System[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5)：1195-1204.

[15] GUERRERO J M，VASQUEZ J C，JOSE M，et al. Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrid—A General Approach Toward Standardization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1)：158-172.

ResearchonSeamlessTransferControlStrategyforMicro-gridBasedonDroopControl

ZHANGYe1,GUOLi2

(1.ElectricPowerResearchInstitute,CSG,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.KeyLaboratoryofSmartGridofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Keywords：renewableenergy;distributedgeneration;droopcontrol;seamlesstransfer;improvedphasecontrol

Abstract：Whenthemicro-gridbasedondroopcontrolisinoff-gridrunning,outputvoltagefrequencyandamplitudeisadjustedfordistributedgeneration(DG)accordingtolocalactiveload,reactiveloadanditsdroopcharacteristic,whichmayrealizestableoperationofthemicro-gridandreasonabledistributionofactiveandreactiveloads.Butdroopcontrolmaycausenolongerinconsistenceofvoltagephaseandamplitudesattwosidesofthegrid-connectedpointofmicro-grid.Andwhenthemicro-gridtransferstogrid-connectionrunning,largerpowerimpactmaybecausedinaninstantofgrid-connectionifnocontrolisperformedwhichmaydirectlyaffectpowerenergyqualityandstabileoperationofthemicro-grid.Therefore,thispaperproposesakindofseamlesstransfercontrolstrategybasedondroopcontrolforthemicro-gridwhichmakesuseofcharacteristicofvoltagecontrolmodeinthebottomofDGbeingfixedtorealizesmoothswitchofmicro-gridfromgrid-connectionrunningtooff-gridrunning.Bymeansofrecoverycontrolonsecond-levelvoltagefrequencyandimprovedphasecontrol,powerimpactinaninstantoftransferfromoff-gridrunningtogrid-connectionrunningofthemicro-gridisgreatlyreduced.ElectricmagnetictransientinDCsystemandpowersystemcomputeraideddesign(EMTDC/PSCAD)softwareisusedforsimulatingcalculationanditisverifiedvalidityofthiscontrolstrategy.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.004

收稿日期：2015-11-05修回日期：2015-12-25

基金項(xiàng)目：南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司青年創(chuàng)新基金資助。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM727

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)04-0022-07

作者簡(jiǎn)介：

張野(1986)，男，遼寧錦州人。工程師，工學(xué)博士，從事分布式發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究。

郭力(1981)，男，山東濟(jì)寧人。副教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，從事分布式發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究。

(編輯王夏慧)