劉 偉，劉小龍，劉程華，李欣然，盧穎華

考慮儲能倍率特性與動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)切換策略

劉 偉1，劉小龍2，劉程華3，李欣然2，盧穎華2

(1.許昌學(xué)院，河南 許昌 461000；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；3.清華大學(xué)計算機科學(xué)系，北京 100084)

針對非計劃離網(wǎng)切換過程中如何有效切除負荷并協(xié)調(diào)控制主從儲能出力的問題進行研究。首先，提出了考慮儲能倍率特性約束的分步切負荷方法。該方法利用儲能過載特性短時支撐離網(wǎng)后剩余未切除負荷，可克服分步切負荷的缺陷。然后，在切負荷過程中的特定階段，基于虛擬下垂/慣性控制原理動態(tài)調(diào)整從儲能出力，有效降低主控制單元的調(diào)節(jié)壓力。在此基礎(chǔ)上，形成了考慮儲能倍率特性約束與動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)平滑切換控制策略。最后，在Matlab中搭建模型并進行了仿真驗證。結(jié)果表明，所提策略不僅能夠保證切換過程中電壓始終維持在較高水平，還可顯著降低電壓波動幅度，有利于實現(xiàn)切換過程的平滑過渡。

微電網(wǎng)；并網(wǎng)/離網(wǎng)切換；儲能倍率特性；虛擬下垂/慣性控制

0 引言

微電網(wǎng)[1-3]是一個可與大電網(wǎng)并網(wǎng)或脫離大電網(wǎng)運行的小型發(fā)配電系統(tǒng)，當其處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，研究的重點在于經(jīng)濟調(diào)度層面[4-6]。當大電網(wǎng)發(fā)生故障時，微網(wǎng)需從并網(wǎng)模式切換為離網(wǎng)模式[7-9]。其研究的重點為控制層面[10-12]。為了保證并/離網(wǎng)過渡是穩(wěn)定的，國內(nèi)外學(xué)者對并/離網(wǎng)平滑切換控制進行了多方面的研究[13-25]。文獻[13]研究了基于主從控制的并/離網(wǎng)平滑切換方法，提出一種適用于微網(wǎng)系統(tǒng)的新型鎖相環(huán)，可減小切換時的暫態(tài)影響。文獻[14]提出一種基于改進鎖相環(huán)(PLL)的分布式發(fā)電單元平滑切換控制策略，克服了傳統(tǒng)混合電壓電流控制策略的缺陷。文獻[15-16]提出一種微網(wǎng)運行模式平滑切換控制策略，模式切換時無需改變系統(tǒng)運行控制策略，即可實現(xiàn)電壓頻率和功率的平滑過渡。文獻[17]提出一種改進的自調(diào)節(jié)下垂系數(shù)控制，且加入電壓和頻率的誤差反饋，有效減小切換時的功率沖擊，實現(xiàn)了電壓和頻率的二次調(diào)節(jié)。文獻[18]通過PQ控制同步跟隨VF控制器輸出狀態(tài)來實現(xiàn)脫網(wǎng)的平滑性，通過改進預(yù)同步控制器使預(yù)同步控制和VF控制不會發(fā)生沖突，從而減小并網(wǎng)的暫態(tài)沖擊。文獻[19]提出基于鎖相環(huán)的并/離網(wǎng)切換策略，利用虛擬同步發(fā)電機實現(xiàn)微網(wǎng)的準同期并網(wǎng)功能。文獻[20]在逆變器控制層，采用MPC和二自由度算法構(gòu)造廣義控制器，使儲能在單一控制結(jié)構(gòu)下完成并網(wǎng)和離網(wǎng)運行，實現(xiàn)了微網(wǎng)運行模式的平滑過渡。

上述研究涉及到的平滑切換策略一般都是對逆變器控制策略的切換和改進，對切換過程如何有效切除負荷并協(xié)調(diào)各微源出力的研究較少。文獻[21-22]重點研究了電儲能在并/離網(wǎng)無縫切換過程中的控制策略，但是研究對象只限于一個儲能，且沒有考慮離網(wǎng)后如何切除負荷的問題。文獻[23]為保證切換過程的快速性，只粗略地估算了切負荷量，切負荷量過大會導(dǎo)致切除瞬間電能過剩，引起較大過電壓。文獻[24]從微網(wǎng)內(nèi)源荷匹配程度的角度考慮，提出了分步切負荷策略，有效地減小了切換過程中的暫態(tài)振蕩。但是該方法切負荷過程較長，需要較長時間才能恢復(fù)到額定電壓。另外，文中所提策略主要依靠主儲能(主控制)單元進行調(diào)節(jié)，雖然可以實現(xiàn)電壓頻率的快速無差控制，但是該方法過多依賴主儲能單元，使得并/離網(wǎng)過渡中主儲能單元的調(diào)節(jié)壓力較大。

基于以上分析，本文提出考慮儲能倍率特性約束與動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)平滑切換控制策略。策略的創(chuàng)新性在于：(1) 考慮儲能連續(xù)過載能力的約束下分步驟切負荷，利用儲能高倍率放電短時支撐剩余未切除負荷，克服了分步切負荷的缺陷，將維持電壓在較高水平。(2) 基于主從控制模式，在切負荷過程中的特定階段，利用虛擬下垂/慣性控制原理動態(tài)調(diào)整從儲能單元出力，輔助主控制單元調(diào)節(jié)電壓，降低了主控制單元的調(diào)節(jié)壓力，并減小了切換過程中的電壓波動幅度，實現(xiàn)了平滑過渡。

1 ?系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

本文所提策略針對的研究場景為含多組儲能單元的主從控制模式[26]微網(wǎng)系統(tǒng)。對于含有燃氣機等同步發(fā)電機組的系統(tǒng)來說，其慣性較好，離網(wǎng)后短暫的供需不平衡不會引起劇烈的電壓/頻率波動。另外，燃氣機等機組的啟動速度慢，若離網(wǎng)前機組未啟動，則無法在短暫的切換過程中提供有效幫助。故本文在并/離網(wǎng)切換過程中僅考慮儲能系統(tǒng)和負荷的控制策略。

如圖1所示，本文研究的系統(tǒng)包括兩組儲能單元和若干可控負荷。并網(wǎng)運行中，儲能均采用恒PQ控制。離網(wǎng)后需立即切換控制模式并切負荷以維持系統(tǒng)穩(wěn)定。本文在離網(wǎng)后采用主從控制模式，通過并/離網(wǎng)切換控制器將一組儲能單元切換為VF控制作為主控制單元(主儲能)，另一組儲能單元切換為動態(tài)PQ控制作為從控制單元(從儲能)。切換控制模式后，如何有效切除負荷并動態(tài)調(diào)節(jié)從儲能出力為本文研究重點，下文對其進行具體介紹。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 基于儲能倍率特性的分步切負荷方法

2.1 儲能倍率(過載)特性分析

儲能過載能力包括兩部分，一部分為電池本體的倍率特性(倍率指電池的充/放電電流相對于額定電流的倍數(shù))，另一部分為變流器的過載特性。對于交流系統(tǒng)，電池本體需要通過變流器接入系統(tǒng)，而常規(guī)變流器的過載能力遠不及電池本體最高倍率[27-28]，因此本節(jié)分析的重點放在變流器的過載特性上。

變流器的過載能力指標主要針對輸出電流而言。如圖2所示，當過載前負載電流不大于變流器額定輸出電流的91%(此電流被稱為基本負載電流[29])時，可在其運行過程有短時的過載能力。根據(jù)熱等效原理可建立基本方程式(1)，確定變流器過載能力。

圖2 變流器基本負載電流、額定電流和過載電流示意圖

本文在快速切換過程中采用分步切負荷方法，即負荷量逐漸減小。如果過載電流上限具有從大變小的特征則能更好地匹配切負荷過程。由圖2和式(1)可知，過載電流上限為一恒定值，雖然可持續(xù)過載較長時間，但前期就需要切除較大負荷以滿足過載要求。故而本文將式(1)變化為式(2)的形式。根據(jù)式(2)可得到由多個階段構(gòu)成的逐漸變小的連續(xù)過載電流上限值。例如，某公司典型變流器的過載能力指標為：最大可以以1.2 C過載0.4 s。變化后過載能力指標為：最大可以連續(xù)以1.5 C、1.3 C以及1.1 C分別過載0.1 s。變化后的過載特性能更好地匹配分步切負荷過程，降低分步切負荷的約束條件。

2.2 基于儲能倍率特性約束的分步切負荷方法

首先，確定分步切負荷的周期。周期過長會增加儲能過載時長，損壞設(shè)備；切負荷后需要時間穩(wěn)定電壓頻率，周期也不宜過短。因此可綜合考慮過載能力和切負荷后的調(diào)整時間，選取適宜的切負荷周期。

式中：I表示以為周期的累計切負荷次數(shù)；表示第i次切負荷的功率；公式左邊部分表示累計切負荷量；、分別表示初始時刻PQ儲能過載功率和VF儲能過載功率；、分別表示第I次切負荷后PQ儲能過載功率和VF儲能過載功率。

3 動態(tài)PQ控制方法

由于頻率可以通過主儲能進行有效控制，因此，離網(wǎng)后電源有功功率不足導(dǎo)致電壓跌落。在儲能高倍率放電作用下，電壓可以恢復(fù)到較高水平。但是在額定值附近切負荷時較容易產(chǎn)生過/欠電壓的情況?；诖?，本文根據(jù)虛擬下垂/慣性控制原理動態(tài)調(diào)整從儲能有功出力，將恒PQ控制優(yōu)化為動態(tài)PQ控制，輔助主控制單元調(diào)節(jié)電壓。結(jié)合圖4可得，從儲能的動態(tài)PQ控制策略具體描述如下。

圖4 從儲能各階段控制方式

0—1、2—3、4—5階段：電壓正在回調(diào)，依靠主儲能調(diào)節(jié)即可?？刂撇呗匀缡?6)所示。

4 非計劃離網(wǎng)切換策略

根據(jù)以上分析，本文提出考慮儲能倍率特性約束與動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)平滑切換策略，其思路如圖5所示，核心步驟如下。

步驟1：檢測并網(wǎng)點開關(guān)斷開時，主儲能立即由PQ控制切換為VF控制，從儲能由PQ控制切換為動態(tài)PQ控制，由儲能高倍率放電支撐負荷，使電壓回升到較高水平。經(jīng)過時長q進入步驟2。

步驟2：判斷負荷功率是否超過額定發(fā)電功率；若是，進入步驟3，若否，進行步驟5。

步驟3：按優(yōu)先級順序切除負荷，同時，保證負荷切除量滿足式(3)約束，不超出儲能過載能力。

步驟4：在切負荷過程中，根據(jù)第4節(jié)控制策略，動態(tài)調(diào)整從儲能出力，輔助主儲能抑制過/欠電壓，實現(xiàn)平滑過渡。經(jīng)過時長q，進入步驟2。

步驟5：從儲能出力調(diào)至額定值及以下，結(jié)束。

圖5 考慮儲能倍率特性約束和動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)平滑切換策略流程圖

5 仿真分析

仿真背景設(shè)置如下：單臺變流器額定功率設(shè)置為0.5 MW，共3臺0.5 MW的變流器。選擇1臺變流器作為主控制器，主儲能單元(儲能單元1)由0.5 MW/0.5 MWh的鋰電池和0.5 MW的變流器構(gòu)成。從儲能單元(儲能單元2)由兩組并聯(lián)的0.5 MW/0.5 MWh的鋰電池以及0.5 MW的變流器構(gòu)成，輸出功率在并聯(lián)支路中平均分配。負荷總有功功率為2.26 MW，無功功率為0.44 Mvar。初始運行狀態(tài)為并網(wǎng)，儲能單元1、2均采用PQ控制，出力為0。在0.18 s電網(wǎng)發(fā)生故障，當檢測到并網(wǎng)點電壓低于閾值0.7 V時，PCC開關(guān)斷開，同時，儲能單元1切換到VF控制作為主儲能，將儲能單元2切換為動態(tài)PQ控制作為從儲能。設(shè)置切負荷周期為100 ms，在該周期下設(shè)置變流器電流連續(xù)過載上限值分別為1.5 C、1.3 C、1.1 C。通過Matlab搭建模型進行仿真。

仿真分析1：常規(guī)的切負荷策略有兩種。策略1，一次性切除非重要負荷；策略2，分步切除非重要負荷。以上兩種策略從儲能均采用恒PQ控制。

如圖6所示，策略1在0.3 s一次性切除負荷，能夠讓電壓快速恢復(fù)到額定值。但是該方法只能粗略地估計切負荷量，切負荷量過大時會導(dǎo)致切除瞬間電能過剩，主儲能需大幅度減小出力(圖6(b)所示)，該過程會引起較大的過電壓，影響設(shè)備的正常運行。策略2分兩步切負荷，有一定時間調(diào)整切負荷量，0.4 s第二次切除負荷后，電能過剩相對較小，因此主儲能調(diào)節(jié)幅度相對較小，引起的過電壓也相對較小。理論上，切負荷步驟分的越多，最終的過電壓會越小。但是該方法會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓遲遲不能恢復(fù)到額定狀態(tài)，另一方面，切負荷過程太長會導(dǎo)致主儲能過載時間太長，對設(shè)備造成嚴重損壞。本文提出的平滑切換策略能夠很好地解決以上問題。

仿真分析2：對比本文策略與策略2的效果。

策略2中，離網(wǎng)后只有主儲能自動的高倍率放電支撐負荷，從儲能按照額定功率放電。與策略2相比，本文策略同時利用主、從儲能高倍率放電，如圖7所示，能夠在切負荷前就將電壓維持在一個較高的水平。考慮到儲能連續(xù)過載特性，在0.3 s第一次切除負荷(有功功率為0.45 MW，無功功率為0.02 Mvar)，使主、從儲能過載倍率降低。從圖7可知，本文策略第一次切除負荷后電壓便可回到額定值附近，大大縮短了低電壓的持續(xù)時間。策略2則需要第二次切除負荷(有功功率為0.83 MW，無功功率為0.04 Mvar)后才能恢復(fù)到額定電壓。第二次切負荷后存在電能過剩的問題。策略2僅利用主儲能調(diào)節(jié)，因此過電壓較大。本文策略通過動態(tài)PQ控制調(diào)整從儲能出力，輔助主儲能調(diào)節(jié)電壓，大大減小了過電壓幅度。

通過仿真分析1、2可知，策略1：低電壓時間較短，切換過程過電壓最大。策略2：低電壓時間最長，切換過程過電壓較大。本文方法：低電壓時間最短，切換過程過電壓最小。對比可知，本文方法各方面結(jié)果都優(yōu)于策略1、2。

仿真分析3：理論上，如果負荷開關(guān)斷開時間和從儲能響應(yīng)指令時間完全同步，可直接按照切負荷的大小確定從儲能出力指令。然而，實際中開關(guān)斷開時間和儲能響應(yīng)指令時間無法完全同步。下面對比三種控制策略驗證本文策略的有效性。

(1) 本文策略；(2) 策略3，從儲能恒PQ控制，響應(yīng)動作超前切負荷動作40 ms；(3) 策略4，從儲能恒PQ控制，響應(yīng)動作滯后切負荷動作40 ms。

由圖8可知，對于策略3，第2次切負荷還未發(fā)生時從儲能已經(jīng)提前降低出力，而主儲能無法增加相應(yīng)出力，導(dǎo)致供不應(yīng)求，使電壓發(fā)生很大跌落。切負荷后，由于暫態(tài)振蕩，存在較大過電壓。對于策略4，第2次切負荷發(fā)生時從儲能還未降低出力，供大于求，從而引起較大的過電壓。當從儲能開始降低出力時，又會導(dǎo)致電壓跌落。由此可見，切換時間不同步會造成較大擾動。而本文策略通過實時采集電壓信息動態(tài)調(diào)整從儲能出力，可以有效減小切負荷過程中的電壓振蕩。

6 結(jié)論

本文以主從控制模式的微電網(wǎng)為研究背景，針對并/離網(wǎng)切換過程中如何有效切除負荷并協(xié)調(diào)控制主從儲能出力的問題進行研究，提出了考慮儲能倍率特性約束與動態(tài)PQ控制的非計劃離網(wǎng)平滑切換控制策略。主要工作可總結(jié)為以下兩個方面：(1) 提出了考慮儲能倍率特性約束的分步切負荷方法。仿真結(jié)果表明，在考慮儲能連續(xù)過載能力的約束下，分步驟切負荷，能夠利用儲能高倍率放電短時支撐剩余未切除負荷，克服分步切負荷的缺陷，維持電壓在較高水平；(2) 基于虛擬下垂與虛擬慣性控制原理，提出了儲能動態(tài)PQ控制方法。分析表明，所提方法在切負荷過程中的特定階段動態(tài)調(diào)整從儲能出力，能夠輔助主控制單元調(diào)節(jié)電壓，實現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)過程的平滑過渡。

綜合而言，本文所提方法不僅能夠保證并/離網(wǎng)切換過程中電壓始終維持在較高水平，還可顯著降低切換過程中電壓波動幅度，有利于實現(xiàn)切換過程的平滑過渡，保證供電可靠性。

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Unplanned off-grid switching strategy considering BES rate characteristic and dynamic PQ control

LIU Wei1, LIU Xiaolong2, LIU Chenghua3, LI Xinran2, LU Yinghua2

(1. Xuchang College, Xuchang 461000, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University,Changsha 410082, China; 3. Department of Computer Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This paper studies how to effectively cut off the load and achieve coordinated control of the output of master-slave BES in the process of unplanned off-grid switching. First, a step-by-step load shedding method considering the constraints of BES ratio characteristics is proposed. This method uses the BES overload characteristics to support the remaining uncut load after off-grid for a short time. This can overcome the defect of step-by-step load shedding. Then, at a specific stage in the load sh edding process, the slave BES output is dynamically adjusted based on the virtual droop/inertia control principle to effectively reduce the regulation pressure of the main control unit. An unplanned off-grid smooth switching control strategy considering the BES ratio characteristic constraint and dynamic PQ control is formed. Finally, the model is built in Matlab and verified by simulation. The results show that the proposed strategy can not only ensure that the voltage is always maintained at a high level during the switching process, but also significantly reduce the voltage fluctuation. This is conducive to the smooth transition of the switching process.

micro-grid; on-grid/off-grid switching; BES rate characteristic; virtual droop/inertia control

10.19783/j.cnki.pspc.220312

2022-03-11；

2022-05-21

劉 偉(1974—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制；E-mail：dswdliuwei@163.com

劉小龍(1991—)，男，通信作者，博士研究生，研究方向為綜合能源系統(tǒng)調(diào)度與控制；E-mail: 123195668@ qq.com

劉程華(2000—)，男，研究方向為計算機科學(xué)及應(yīng)用。E-mail: liuch18@mails.tsinghua.edu.cn

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2017YFB0903400)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0903400).

(編輯 許 威)