基于储能系统的微网平滑切换控制策略

师郸雅，智泽英，田志杰

（太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024）

基于储能系统的微网平滑切换控制策略

师郸雅，智泽英，田志杰

（太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024）

微电网并网和孤岛运行模式之间的平滑切换是系统安全可靠运行的技术挑战。针对这一问题，研究了一种改进并网/孤岛平滑切换控制策略。首先，建立了并网逆变器的数学模型，分析了并网和孤岛期间的控制策略，并且给出了控制框图。其次针对传统切换存在的问题，通过采用抗饱和积分器、预同步控制以及解耦双同步锁相环对传统切换方法进行改进。最终通过仿真结果验证了研究控制算法的有效性和可行性。

并网逆变器；无缝切换；PQ控制；下垂控制；锁相环

由于能源危机和环境污染等问题日益严重，基于可再生能源的分布式发电系统成为解决上述问题的有效方法。分布式发电单元输出功率通常具有间歇性和随机性等特点，如风电和光伏等，因此将可再生分布式发电单元以微电网的形式接入主网是一种更加有效的措施［1-2］。

微电网通常由分布式发电单元、储能单元、负载以及并网接口变换器组成。微电网既可以工作在并网模式，也可以工作在孤岛模式。在并网模式期间，微电网内部分布式电源输出功率主要用于本地负载消纳，当分布式电源输出功率大于本地负载时，过剩的功率传输给电网；当分布式电源输出功率小于本地负载时，不足的功率由电网提供。在电网故障或者计划孤岛期间，通常情况下储能单元作为主控单元切换到下垂控制或者VF控制保证交流母线电压和频率稳定，使得对重要负载不间断供电。

微电网在正常运行期间，并网模式和孤岛模式通常需要平滑切换，然而传统切换方法将会引起过电流或者过电压现象，不仅会对电网造成冲击，而且会损坏负载，因此微电网并网/孤岛平滑切换是保证系统安全可靠运行的关键技术之一［3-4］。针对这一问题，许多学者进行了大量研究。文献［5-6］提出了一种基于加权控制的三相逆变器并网无缝切换控制策略，通过并网和孤岛模式对电流电压调节器进行加权进而避免对电网电流的冲击。文献［7］提出一种改进的电压环调节器结构，在工作模式切换之前估算调节器的输出，同样可以避免切换过程中引起的电流冲击。文献［8］提出了一种基于PQ控制和VF控制的平滑切换方法，并且对传统预同步控制进行了改进。文献［9］针对主动和被动离网提出了切换控制方法，并且进行了仿真研究。除此之外，文献［10］还提出了基于正序提取器的并网独立双模式切换方法。

本文针对三相并网逆变器的并网/孤岛平滑切换的研究，首先建立了并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，分析了适用于并网和孤岛期间的PQ控制和下垂控制策略的实现过程。为了避免受到电网电压不平衡的影响，本文采用基于双同步旋转坐标系的锁相环，能够快速准确地提取电压正序分量和相位信息［11］，与此同时为了实现预同步控制，将电网电压相位和幅值差值经过PI调节器叠加到传统下垂控制器。除此之外本文还采用了抗饱和比例积分控制器抑制调节器饱和，最后通过Matlab/Simulink仿真软件对本文研究的控制算法进行了仿真研究。

1 并网逆变器控制策略

1.1 系统结构

微电网通常由分布式发电单元、并网接口变换器、储能系统以及负载组成，其典型结构如图1所示。从图1中可以看出，分布式单元接入电网都需要通过并网逆变器实现能量转换，因此并网逆变器有效的控制策略对微电网安全可靠运行起着至关重要的作用。

图1 典型微电网结构Fig.1 The structure of typical microgrid

并网逆变器的结构如图2所示。

1.2 控制方法

微电网可以工作在并网和孤岛模式，在不同的模式中并网逆变器的控制模式是不同的。在并网运行过程中，由于电网电压的钳位作用使得PCC电压幅值和频率基本保持不变，因此可以通过控制电流进而控制逆变器的输出功率，此时逆变器可以被看作为1个可控电流源。当电网出现异常或者计划性孤岛时，微电网可以运行在孤岛模式，由于失去大电网的钳位作用，PCC电压幅值和频率需要储能系统进行支撑进而保证PCC电压在允许运行范围内，此时并网逆变器可以看作为可控电压源［12］。

图2 并网逆变器结构Fig.2 The structure of grid-connected inverter

1.2.1 PQ控制

在并网运行期间，当电网以d轴做矢量定向时，可以得到eq=0，此时有功和无功可以简化为

根据式（1）和式（2）得到电流参考为

式中：idref,iqref分别为d轴和q轴电流参考值；Pref,Qref分别为有功和无功参考值。

图3给出了PQ控制框图，首先根据式（3）和式（4）得到电流参考值，将电流参考值与反馈值相减经过PI调节器获得调制信号，为了避免电网扰动以及耦合项的影响，采用解耦和前馈控制，最终通过正弦脉宽调制策略获得逆变器驱动脉冲。

图3 PQ控制方法结构Fig.3 The structure of PQ control method

1.2.2 下垂控制

在孤岛运行期间，为了保证交流母线电压幅值和频率的稳定，储能系统需要切换到下垂控制对交流侧进行支撑，下垂控制表达式可以表示为

式中：fref,Uref分别为频率和幅值参考值；f,U分别为频率和幅值实际值；kp,kq为下垂系数。

下垂控制是一种三闭环控制策略，其控制框图如图4所示。

图4 下垂控制方法结构Fig.4 The structure of droop control method

首先根据式（5）和式（6）计算电压和频率，根据电压和频率合成三相电压参考值，再经过park变换得到d轴和q轴电压参考值，将电压参考值与实际值相减经过PI调节器能够得到电流内环指令值。将电流参考值与反馈值相减经过PI调节器获得调制信号，同理结合解耦和前馈控制，最终通过SPWM调制策略获得并网逆变器驱动脉冲。

2 平滑切换方法

根据前面分析可知，在并网运行期间，并网逆变器通常工作在电流源模式，而在孤岛期间，工作在电压源模式，因此两种工作模式将会切换。根据图3和图4对比可以看出，PQ控制和下垂控制相同点在于电流内环控制相同，因此在切换过程中需要切换电流内环参考值即可，除此之外在并网期间通常采用锁相环提取电网电压相位，而在孤岛模式期间，电网电压失去，此时相位信息也要进行切换。

在传统切换过程中引起电流和电压尖峰的主要原因在于调节器饱和，没有预同步措施以及传统锁相环提取相位信息准确度不高等因素引起。基于上述因素，本文从3个方面对传统切换控制策略进行改进。

假设微电网长期工作在并网模式，尽管电网电压和下垂控制生成的电压参考值差值较小，但是经过PI调节器同样会导致输出逐渐增加，当时间较长时，调节器将会饱和，为了避免这一问题，本文采用抗饱和积分器，其结构如图5所示［13］。

图5 抗饱和比例积分调节器Fig.5 Anti-windup PI regulator

根据图5可以看出，当y≠y′时，两者之间的差值将会叠加到积分环节进而减弱积分的作用，抑制饱和。

对于预同步控制，本文将电压幅值和相位差值经过PI调节器调节，并将结果补偿到传统下垂控制中进而加快同步过程，其预同步表达式可以表示为

式中：Ugrid,θgrid分别为电网电压和相位。

在电网运行期间常常会遭到各种外界因素影响，最常见的就是短路故障，其中单相接地短路故障发生概率最大。当发生单相短路故障时，电网电压存在负序分量将会导致电压不平衡，此时采用传统锁相环无法有效提取电网电压相位信息［14］。针对这一问题，本文采用双同步旋转坐标系下锁相环［11］，其控制框图如图6所示。

图6 解耦双旋转坐标系下锁相环的结构Fig.6 The structure of decoupled double synchronous rotating coordinate of PLL

这种方法将电网电压正序和负序分量进行解耦提取，对正序分量进行控制进而获得相位信息，不会受到负序分量的影响，准确度更高。

3 仿真研究

为了验证本文研究控制算法的有效性，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了光伏发电系统与超级电容器储能系统的微电网模型，系统结构如图7所示。

图7 微电网仿真结构Fig.7 The simulation structure of microgrid

系统主要参数为：设定电网线电压有效值380 V/50 Hz，光伏系统等效为逆变器，设定直流电压800 V，超级电容300 F，滤波电感5 mH。在电网电压不平衡情况下对PLL进行仿真研究，仿真结果如图8所示。

图8 电网电压不平衡下的PLL仿真结果Fig.8 The simulation results for PLL under unbalanced grid voltage conditions

根据图8可以看出，在0.2 s之前电网电压正常，此时通过本文研究的PLL能够准确提取相位信息和正序分量。在0.2 s时，电网电压发生三相不平衡，可以看出通过解耦双同步PLL仍然能够准确提取相位，同时可以提取正序和负序分量。

下面对传统平滑切换方法和改进平滑切换方法进行仿真研究。传统平滑切换方法的仿真结果如图9所示。

图9 传统切换方法的仿真结果Fig.9 The simulation results of traditional switching method

从图9可以看出，初始条件下光伏发电系统、储能系统以及负载功率分别为5 kW，3 kW和10 kW，为了实现功率平衡，电网输出功率为2 kW。在0.3 s时，由于短路故障引起断路器动作，为了保证系统稳定运行，储能系统由PQ控制切换到下垂控制，在切换瞬间出现尖峰，对电网造成冲击。在0.4 s期间，负载功率由10 kW突变到13 kW；在0.6 s期间，负载由13 kW突变到10 kW，可以看出采用下垂控制能够在负载突变时保证功率平衡。在0.9 s期间，电网故障被清除，微电网开始并网运行，在投入瞬间导致PCC电压出现过冲。因此采用传统方法将会引起电流和电压冲击，由于本系统考虑功率等级较小，当功率等级较大时，电流和电压的冲击将会引起过电压或者过电流保护以及损害设备等危害。

图10给出了改进切换方法的仿真结果，为了更好地进行对比，仿真条件与传统情况一致。可以看出在0.3 s时，由并网向孤岛模式过渡期间，电网电流并没有产生冲击；在0.9 s时，由孤岛向并网模式过渡期间，PCC电压冲击较小。因此采用本文研究的控制方法能够实现并网和孤岛的平滑切换。

图10 改进切换方法的仿真结果Fig.10 The simulation results of improved switching method

4 结论

针对传统并网/孤岛切换存在电流和电压冲击问题，本文研究了一种改进的并网/孤岛切换策略，通过采用抗饱和积分器、预同步控制以及解耦双同步坐标系下锁相环来改进传统切换控制方法，并进行了仿真研究。仿真结果表明，与传统切换方法相比本文研究的控制算法能够有效抑制在并网到孤岛、孤岛到并网切换期间的电流和电压冲击，提高系统可靠性和稳定性。

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修改稿日期：2016-05-15

Smooth Switching Control Strategy of Microgrid Based on Energy Storage System

SHI Danya，ZHI Zeying，TIAN Zhijie
（College of Electronical and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）

The smooth switching method between grid-connection and islanding operation mode is a technological challenge for system safe and reliable operation.In order to deal with the problem，an improved seamless switching strategy was researched.First of all，the mathematical model of grid-connection inverter was built，the control methods of grid-connection and islanding were analyzed，and the diagram of control also was given.Secondly，the anti-windup PI regulator，pre-synchronization control and decoupled double synchronous PLL were applied to improve the traditional switching method.Finally，the effectiveness and feasibility of the researched control method are verified by simulation results.

grid-connected inverter；seamless switching；PQ control；droop control；phase locked loop

TM727

A

10.19457/j.1001-2095.20161113

师郸雅（1991-），女，在读硕士研究生，Email：540987633@qq.com

2015-10-09