[科普中国]-微电网平滑切换控制

简介

随着传统能源供应的日益紧张以及人们用电需求的不断提高，以分散的小容量分布式发电系统、储能系统、负荷及保护装置集成的微电网系统成为国内外研究的热点 微电网有并网与孤岛2种典型的运行状态。正常情况下，微电网与常规配电网并网运行，当常规电网发生故障或电能质量不满足负荷要求时，微电网能够快速、主动地断开与电网的连接，过渡到孤岛运行状态，以保证微电网区域内重要负荷的持续供电。因此，实现微电网向孤岛运行状态的平滑过渡，可减小过渡过程中的振荡对微电网内部负荷的影响，提高微电网的电能质量和供电可靠性2。

近几年来，随着许多实验性质微电网的运行，在微电网能量管理系统和电力电子接口控制等方而己取得了一定的成果。但对于微电网2种运行模式的平滑稳定切换还没有深入研究。考虑微电网运行模式和系统状况影响，微电源在运行模式切换过程中的控制方法和策略如何保证切换中出现的扰动在可接受范围内，以及切换后仍能维持微电网内部的电压和频率稳定。

微电网结构微电网结构如图1所示。图中，PCC为公共连接点。微电源为三相电压源型逆变器，所带负荷为RLC并联负荷。并网运行时，由电网提供电压和频率的支撑，微电源采用尸/Q控制方式输出给定功率;孤岛运行状态下，逆变器需自身承担起电压和频率的调节作用，单机一般采用V/f控制方式，多机采用vlf P/Q主从控制方式叫或下垂控制方式m，以保证供电的可靠性3。

微电网的运行方式微电网的运行形式主要分为并网运行和孤岛运行。正常情况下微电网与电网相连，实行并网运行形式;当检测到电网发生故障或提供的电能不满足国家标准要求时，微电网会及时与电网断开，实行孤岛运行形式。当微电网处于孤岛运行方式时，微电网内的微电源需要建立稳定的电压和频率，并且使它们的值在允许范围内。微电网的控制策略应当保证4:

(1)微电源的任意接入不对电网运行造成影响;

(2)自主选择运行形式，微电网控制应该做到对电网中的事件快速地做出反应，微电源将自动转到独立运行形式，而不像传统方式由电网统一调度;

(3)能够平滑地与电网并列和脱离;

(4)能够对有功功率和无功功率进行独立控制;

(5)具备校正系统不平衡以及校正电压跌落的能力。

微电网平滑切换控制研究现状微电网并网运行时，大电网对微电网提供电压和频率支撑，微电网和大电网在公共祸合点处进行电能交换;电力系统出现故障时，微电网能够快速、主动地断开与电力系统的连接，平滑切换进入到孤岛运行状态，分布式电源单独向本地负荷供。微电网平滑切换是指微电网在切换过程中电压幅值和频率的暂态振荡过程在允许的波动范围内，根据国际通用标准，要求微电网运行模式切换后各个交流母线电压幅值偏差为±7%，频率偏差小于0.1Hz5.

目前，国内外学者针对微电网平滑切换相关技术开展了大量的研究。控制系统l分，控制以断网前的电力系统相位、幅值为参考信号，控制使再并网前逆变器输出电压的相位、幅值、频率不断跟踪电网电压的变化，从而实现了平滑切换。微电网仿真模型，分析并研究了逆变器控制参数变化时对微电网切换暂态过程的影响，有效减小了暂态振荡。理论分析研究了频率差、电压差以及相角差对微电网模式切换过程影响程度，并进行了仿真验证。微电网在孤岛运行模式下的小信号模型，对微电网切换至孤岛时控制器参数变化、本地负荷变化及线路阻抗变化对孤岛状态小信号稳定性进行了理论分析，并通过仿真进行了验证。采用主从控制和对等控制相结合的整体控制策略，弥补了各自控制策略的缺陷，既可在并网时保证微电网的功能拓展性，又可在孤岛时增强微电网的电压和频率的稳定性，但是并没有对孤岛运行再并网控制和切负荷控制进行研究。改进了下垂控制器，增加了下垂额定点调节环，实现了微电网两种运行模式之间的平滑切换，但是由于下垂控制对分布式电源容量要求较高，该文献没有考虑并网切孤岛过程中功率缺额对微电网运行稳定性的影响。综合考虑了主从控制中主控单元容量有限，提出了基于复合储能为主控单元的微电网控制策略，并引入了预同步控制器，使切换过程中的暂态振荡量明显降低。综上所述，微电网平滑切换研究中还存在运行模式切换过程中振荡较大微电源数目相对较少、较少考虑主控电源容量限制、切负荷带来的暂态震荡较大等不足。本文利用含光储能微电网模型对微电网平滑切换控制技术展开研究3。

基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法由于微电网并网和孤岛2种模式的控制器完全不同，因此要实现逆变器与电网的平滑切换，在控制部分要有逻辑开关实现不同控制器的切换。整个系统结构如图7所示，其中并网控制器为尸/Q控制方式，孤岛控制器为V / f'控制方式，其输入均为某反馈量与其给定值的差值，K1和K2为逻辑开关。

当微电网检测到主网故障由并网转换到孤岛运行状态时，图7中相应由P/Q并网控制切换到vlf孤岛控制。但在实际切换过程中发现:即使负荷功率需求小于逆变器所能提供的最大功率，也常在切换时刻产生较大的暂态振荡，出现如图8中系统PC'C'处电压和频率的暂态振荡曲线(如图8虚线所示)，图中微电网在t =1. 5、时切换。相反，如果不切换控制器，继续用尸/Q控制，尽管此时能量可能不平衡，但暂态振荡不会像切换控制器那么大3。

分析2种控制模式切换过程中产生振荡的原因，发现是由于切换过程中2种控制器的状态不匹配造成的。当尸/Q并网控制器运行时，V/f孤岛控制器也在运行，只是输出结果没有产生作用，切换时由于2种控制器的输出状态不相等而造成控制器的。

3区域平滑切换控制策略概念微电源的容量有限，不能总满足负荷的增长需求，当负荷所需功率与微电源发出功率差额过大时，孤岛状态下微电网的电压频率就会偏离额定运行点，此时微电网切换仅依靠控制方法和参数的切换是无法保证过渡过程的平稳性的，必须采取切负荷的措施来维持微电网的能量平衡2。

将切换时的微电网负荷状况划分为区域A,B,C这3个控制范围，区域A:孤岛后系统电压稳定在额定电压值U=1(标么值)，其边界PA和QA为有功功率、无功功率的最大值PA、和QA、即为微电源输出功率的最大过载范围;区域B:孤岛后系统电压偏离额电压值，但在规定允许范围内，此时负荷功率边界为PB和QB;进入到区域C后，系统电压不能满足规定标准，只有通过切负荷来实现孤岛稳定运行，在切换过程中扰动较大，可能导致系统失稳。