微网运行模式无缝切换控制技术研究*

胡实，袁旭峰，朱余林，高志鹏，李芷萧

(贵州大学 电气工程学院， 贵阳550025)

0 引 言

微网既可独立运行即孤岛运行，也可与大电网并联运行，具有较高的灵活性，然而随着微网的不断推广与应用，微网接入电网的规模越来越大，对电网的电能质量带来了很大影响,提高微网孤岛/并网两种运行模式下的可靠性，解决两种运行模式间的无缝切换问题是充分发挥微网即插即用的优势，提高微网并网电能质量的关键。

文献[1-2]中提出双模式控制技术，微网并网运行时采用PQ控制法，孤岛运行时采用V/f控制，符合微网运行的需要，但切换难度大，相位差易引起较大的冲击电流。文献[3]提出微网并网运行时采用PQ控制，孤岛运行时采用下垂控制，但缺少具体的控制过程以及相关的实验验证。文献[4]根据虚拟同步发电机的下垂控制特性，提出微网并网和孤岛运行时都采用虚拟同步控制法，但没有考虑VSG的并网适应性特性。纵观目前的研究现状及相关的研究成果[5-13]，基于虚拟同步发电机的无缝切换技术和基于下垂控制的无缝切换技术，两者都有较好的适应性特性[14-19]，具备更好的实际应用前景，有重大的研究意义。VSG控制具有下垂特性，能够模拟同步发电机的一次调频和调压的特性，更适用于运行模式的无缝切换技术；下垂控制，控制结构简单，并离网过程中不需要改变控制策略，能够有效减少控制策略切换带来的幅频扰动。

在分析微网系统模型和运行模式的基础上，对比研究了VSG控制和下垂控制无缝切换技术。其中基于VSG的无缝切换技术，微网并网运行时采用PQ控制，孤岛运行时采用VSG控制；基于下垂控制的无缝切换技术，采用的是P-f,Q-V控制。

1 微网的系统模型与运行模式

文中研究的微网由逆变器、电源单元、负荷单元三部分组成，为简化分析，逆变器为三相电压源型逆变器(Voltage Source Converter,VSC)，电源单元用直流电源代替蓄电池储能单元。微网的系统结构如图1所示。图1中udc为直流侧的输入电压；S1～S6是全控型开关器件;Zload为负荷;L1、C、L2为LCL型滤波器的电感和电容;Ea、Eb、Ec为三相电网电压;iLa、iLb、iLc为滤波电感侧的电流;ioa、iob、ioc为负载侧电流。

微网通过PCC开关与大电网相连，正常情况下，PCC开关闭合，微网与大电网并联运行，除了给自带负荷供电外，微网能将多余的电能反馈给电网；若微网的电能不足以支撑负荷运行时，电网和微网共同承担负载功率。当系统发生故障或检修时，PCC开关断开，微网快速与大电网断开，单独给负荷供电，即孤岛运行。两种模式之间的切换，能保证负荷的不间断供电，提高了供电可靠性。

图1 微网系统结构图

2 微网控制器原理

2.1 VSG控制原理

图1所示为微网系统拓扑结构图，将微网逆变器模拟成传统的同步发电机，阐述其控制原理。

由牛顿第二定律，虚拟同步发电机的机械方程可表示为：

(1)

式中J为转动惯量；ω为同步发电机的机械角速度；Tm、Te、Td分别为同步发电机的机械、电磁和阻尼转矩；D为阻尼系数；ω0为电网同步角速度。

由电磁转矩的计算公式：

(2)

式中Pe为发电机输出的电磁功率；Uod、Uoq分别为发电机输出电压Uoabc在旋转坐标系下的的d、q分量；Iod、Ioq分别为发电机输出电流Ioabc在旋转坐标系下的的d、q分量。

由图1，可得到虚拟同步发电机的电磁方程为：

(3)

式中L为同步发电机的同步电感；iLabc、ioabc分别为流经同步电感的电流和同步发电机的输出电流；eabc、uoabc分别为同步发电机电势和同步发电机的机端电压；R为同步发电机的同步电阻。

在传统的同步发电机中，都是通过机械转矩来调节有功输出，通过励磁调节其无功输出，借鉴其调节原理，实现微网的有功和无功调节。

VSG的机械功率由机械功率指令Pref和频率偏差反馈指令ΔP两部分组成，即：

(4)

式中Kω为有功调节系数。通过对机械功率的控制，实现输出功率跟踪，同时以频率偏差作为校正信号，调节有功的同时实现了频率异常时的有功响应。

类似于传统同步发电机励磁调节无功输出的原理，通过VSG的暂态电势E来调节其无功。E由两部分组成，即：

(5)

式中E0为VSG的空载电势；ΔEQ为对应于无功调节的电势；KQ无功调节系数；Qref为无功指令；Q为VSG的实际输出无功。

结合以上分析，VSG的控制策略可设计成如图2所示。

2.2 PQ控制原理

VSG控制具有下垂特性，孤岛运行时能很好的调节有功、无功、电压和频率，但当并网运行时，微网的频率和电压取决于大电网，电网频率和电压的波动，会造成变流器有功和无功的偏离，由于VSG的惯性特性，不能很好的适应并网运行；PQ控制能实现恒功率控制，能够适应并网运行下的波动，并网运行时有较好的调节特性。

文中的控制器底层控制采用的是功率外环和电流内环的双环解耦控制，将实际功率与功率指令通过PI调节产生的偏差信号作为电流内环的参考信号，实现对功率的无静差跟踪。

图2 VSG控制结构框图

2.3 下垂控制原理

下垂控制具有即插即用的特点，微网逆变器采用下垂控制，并离网前后不需要改变控制策略，避免了控制策略变换给切换过程带来扰动。

对于下垂控制，其有两种不同的表达方程，即：

(1)P-f,Q-V 即通过定有功和无功的方式产生产生系统频率和电压的参考值;

(2)f-P,V-Q 即通过定频和定电压的方式得到控制功率的下垂方程。

文中采用的是第一种，即P-f、Q-V,其控制器结构如图2所示。

如图3所示,下垂控制器的控制方程为：

(6)

式中fref、Uref分别为逆变器的参考频率和参考电压值，f0、U0分别为逆变器的额定频率和额定电压，Kp、Kq为下垂控制系数，P、Q为逆变器实际输出的有功和无功功率，P0、Q0为额定频率和额定电压下逆变器输出的有功和无功功率。

具体的控制过程是：逆变器按照给定功率调节自身的功率输出，通过下垂控制，产生频率和电压幅值的参考值,再经过双闭环控制稳定控制逆变器的输出。

图3 下垂控制结构框图

3 无缝切换技术原理

文中研究了微网的两种控制方式，孤岛运行采用VSG控制，并网运行时采用PQ控制以及并/离网都采用下垂控制两种控制方式，但都存在并网瞬间由于存电压和相位差带来过大冲击电流而导致切换失败的问题，需要找到一种能够无缝切换的控制方法。

实现无缝切换的关键问题在于解决并网前后微网电压幅值、相位和大电网保持同步，可在并网前加入一个预同步控制，使微网跟踪电网电压，有效减少并网瞬间产生的电流冲击，其控制原理如下：

(7)

式中θ和θg分别为VSG的相位和大电网的相位；E和Eg分别为VSG的电势和电网电势的幅值;kθ和kE分别为相位和电压的积分系数。

结合以上分析，预同步控制可设计为如图4～图5所示。

图4 相位同步控制框图

图5 幅值同步控制框图

当微网接收到并网信号后，闭合开关S，启动预同步控制。当微网的幅值和相位达到并网要求后，断开开关S，退出预同步控制，闭合并网开关，实现并网操作。

4 仿真验证与分析

为验证两种两种控制策略的可行性与比较两种具有下垂控制特性控制策略的效果，利用PSCAD搭建了仿真模型，分别研究了VSG-PQ控制和下垂控制下微网由孤岛向并网切换，由并网向孤岛切换两种工作模式切换的效果。其主要的参数如表1所示。

表1 仿真系统关键参数

4.1 孤岛向并网切换

孤岛向并网切换时，需要加入预同步控制，为比较两种控制侧的控制效果，预同步控制都采用相同的控制方法。

(1)VSG-PQ控制。

当微网系统接收到并网命令后，打开同步控制开关S，经过1.2 s后，微网跟踪上大电网的相位和幅值，断开开关S，退出同步控制，切换控制策略，由VSG控制转换为PQ控制，同时闭合PCC开关，微网并网运行。微网的电流、电压、有功功率变化如图6(a)、图6(c)、图6(e)所示。

(2)下垂控制。

微网系统接收到并网命令后，打开同步控制开关S，经过1 s,微网的电压幅值和相位与大电网同步，断开开关S，退出同步控制，同时闭合PCC开关，微网并网运行。微网的电流、电压、有功功率变化如图6(b)、图6(d)、图6(f)所示。

由图6(a)、图6(c)、图6(e)，对于VSG控制，并网运行后微网电压几乎没有波动，微网侧电流经过0.05 s的波动后，达到稳定值，并网运行后，微网按照功率指令，输出500 kW的有功,除了为自带的负荷提供有功外，将多余的有功反馈给大电网；由图6(b)、图6(d) 、图6(f)，对于下垂控制，1 s并网运行时，微网的输出电压几乎没有波动，电流经过0.2 s左右的微小震荡后达到稳定值，并网运行后，逆变器的输出有功减少为100 kW，微网负载功率由其与大电网共同承担。

图6 孤岛到并网仿真结果

对孤岛到并网的切换过程而言，由于并网时微网的频率和电压瞬间强制与大电网同步，会出现跳变的过程，由图6的仿真结果，VSG-PQ控制相比于下垂控制响应速度更快，并网瞬间波动小，表现出更好的调节特性。

4.2 并网向孤岛切换

对于微网而言，为了提高微网负荷的供电可靠性，通常情况下微网都是采用并网运行的方式，当发生故障或者检修时，微网与大电网断开，需要尽量减少断开瞬间带来的电压和电流冲击。

(1)PQ-VSG控制。

当微网接收到离网指令后，切换控制开关，微网由PQ控制转化为VSG控制，同时断开PCC开关，孤岛运行。由并网到孤岛时，微网侧的电流、电压、有功变化如图7(a)、图7(c)、图7(e)所示。

图7 并网到孤岛仿真结果

(2)下垂控制。

当微网接收到离网指令后，断开PCC开关，微网开始孤岛运行。由并网到孤岛时，微网侧的电流、电压、有功变化如图7(b)、图7(d)、图7(f)所示。

由图7(a)、图7(c)、图7(e)对于VSG控制，当微网由并网运行到孤岛运行时，断开开关瞬间，微网侧电压有小幅度波动，电流快速、平滑过度到孤岛状态下，然后趋于稳定。微网的有功输出在并网开关断开瞬间，有一个小幅度波动，然后恢复输出对应的负载功率；由图7(b)、图7(d)、图7(f)，对于下垂控制，PCC开关断开瞬间，微网侧电压有小幅度的增加，电流得变化过程也较为平滑，没有出现大幅度的升降和三相不平衡的现象。由并网到孤岛运行时，微网的负荷功率由共同承担到由微网独自供应。

对并网到孤岛的切换过程而言，下垂控制不用更换控制策略，对负荷造成的波动更小；由图7(g)、图7(h)，下垂控制和VSG控制都具备一次调频能力，但下垂控制切换过程给负荷侧的频率带来了较大波动，频率最大波动达到4%；基于VSG控制的切换过程频率由50 Hz跌至49.54 Hz，最大波动幅度为0.92%，明显降低系统频率的波动。

5 结束语

针对微网的运行模式，研究了基于VSG和基于下垂控制，两种具有下垂特性的微网并离网无缝切换技术。由仿真结果，基于VSG控制的无缝切换技术，并网采用PQ控制，孤岛采用VSG控制，并网过程较下垂控制响应时间更短，电压电流的波动小，具有理想的调节特性；离网切换时，VSG控制和下垂控制对微网的电压、电流带来的波动较小，有功变化较为平滑，但下垂控制时系统频率的波动较大。综合考虑两种控制策略的控制效果，基于VSG的无缝切换控制策略更适用于微网的并离网切换。