微電網平滑切換控制

微電網平滑切換控制是指微電網由併網運行模式到孤島運行模式的平滑切換，是保證微電網區域內重要負荷持續可靠供電的重要手段。微電網併網運行時，大電網對微電網提供電壓和頻率支撐，微電網和大電網在公共禍合點處進行電能交換；電力系統出現故障時，微電網能夠快速、主動地斷開與電力系統的連線，平滑切換進入到孤島運行狀態，分散式電源單獨向本地負荷供電。微電網平滑切換是指微電網在切換過程中電壓幅值和頻率的暫態振盪過程在允許的波動範圍內，根據國際通用標準，要求微電網運行模式切換後各個交流母線電壓幅值偏差為±7%。

基本介紹

• 中文名：微電網平滑切換控制
• 外文名：Microgrid smooth switch control
• 類型：電網控制技術
• 要求：電壓、頻率在標準範圍內
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著傳統能源供應的日益緊張以及人們用電需求的不斷提高，以分散的小容量分散式發電系統、儲能系統、負荷及保護裝置集成的微電網系統成為國內外研究的熱點 微電網有併網與孤島2種典型的運行狀態。正常情況下，微電網與常規配電網併網運行，當常規電網發生故障或電能質量不滿足負荷要求時，微電網能夠快速、主動地斷開與電網的連線，過渡到孤島運行狀態，以保證微電網區域內重要負荷的持續供電。因此，實現微電網向孤島運行狀態的平滑過渡，可減小過渡過程中的振盪對微電網內部負荷的影響，提高微電網的電能質量和供電可靠性。

近幾年來，隨著許多實驗性質微電網的運行，在微電網能量管理系統和電力電子接口控制等方而己取得了一定的成果。但對於微電網2種運行模式的平滑穩定切換還沒有深入研究。考慮微電網運行模式和系統狀況影響，微電源在運行模式切換過程中的控制方法和策略如何保證切換中出現的擾動在可接受範圍內，以及切換後仍能維持微電網內部的電壓和頻率穩定。

微電網結構

微電網結構如圖1所示。圖中，PCC為公共連線點。微電源為三相電壓源型逆變器，所帶負荷為RLC並聯負荷。併網運行時，由電網提供電壓和頻率的支撐，微電源採用屍/Q控制方式輸出給定功率;孤島運行狀態下，逆變器需自身承擔起電壓和頻率的調節作用，單機一般採用V/f控制方式，多機採用vlf P/Q主從控制方式叫或下垂控制方式m，以保證供電的可靠性。

微電網的運行方式

微電網的運行形式主要分為併網運行和孤島運行。正常情況下微電網與電網相連，實行併網運行形式;當檢測到電網發生故障或提供的電能不滿足國家標準要求時，微電網會及時與電網斷開，實行孤島運行形式。當微電網處於孤島運行方式時，微電網內的微電源需要建立穩定的電壓和頻率，並且使它們的值在允許範圍內。微電網的控制策略應當保證:

(1)微電源的任意接入不對電網運行造成影響;

(2)自主選擇運行形式，微電網控制應該做到對電網中的事件快速地做出反應，微電源將自動轉到獨立運行形式，而不像傳統方式由電網統一調度;

(3)能夠平滑地與電網並列和脫離;

(4)能夠對有功功率和無功功率進行獨立控制;

(5)具備校正系統不平衡以及校正電壓跌落的能力。

微電網平滑切換控制研究現狀

微電網併網運行時，大電網對微電網提供電壓和頻率支撐，微電網和大電網在公共禍合點處進行電能交換;電力系統出現故障時，微電網能夠快速、主動地斷開與電力系統的連線，平滑切換進入到孤島運行狀態，分散式電源單獨向本地負荷供。微電網平滑切換是指微電網在切換過程中電壓幅值和頻率的暫態振盪過程在允許的波動範圍內，根據國際通用標準，要求微電網運行模式切換後各個交流母線電壓幅值偏差為±7%，頻率偏差小於0.1Hz.

目前，國內外學者針對微電網平滑切換相關技術開展了大量的研究。控制系統l分，控制以斷網前的電力系統相位、幅值為參考信號，控制使再併網前逆變器輸出電壓的相位、幅值、頻率不斷跟蹤電網電壓的變化，從而實現了平滑切換。微電網仿真模型，分析並研究了逆變器控制參數變化時對微電網切換暫態過程的影響，有效減小了暫態振盪。理論分析研究了頻率差、電壓差以及相角差對微電網模式切換過程影響程度，並進行了仿真驗證。微電網在孤島運行模式下的小信號模型，對微電網切換至孤島時控制器參數變化、本地負荷變化及線路阻抗變化對孤島狀態小信號穩定性進行了理論分析，並通過仿真進行了驗證。採用主從控制和對等控制相結合的整體控制策略，彌補了各自控制策略的缺陷，既可在併網時保證微電網的功能拓展性，又可在孤島時增強微電網的電壓和頻率的穩定性，但是並沒有對孤島運行再併網控制和切負荷控制進行研究。改進了下垂控制器，增加了下垂額定點調節環，實現了微電網兩種運行模式之間的平滑切換，但是由於下垂控制對分散式電源容量要求較高，該文獻沒有考慮併網切孤島過程中功率缺額對微電網運行穩定性的影響。綜合考慮了主從控制中主控單元容量有限，提出了基於複合儲能為主控單元的微電網控制策略，並引入了預同步控制器，使切換過程中的暫態振盪量明顯降低。綜上所述，微電網平滑切換研究中還存在運行模式切換過程中振盪較大微電源數目相對較少、較少考慮主控電源容量限制、切負荷帶來的暫態震盪較大等不足。本文利用含光儲能微電網模型對微電網平滑切換控制技術展開研究。

基於控制器狀態跟隨的平滑切換控制方法

由於微電網併網和孤島2種模式的控制器完全不同，因此要實現逆變器與電網的平滑切換，在控制部分要有邏輯開關實現不同控制器的切換。整個系統結構如圖7所示，其中併網控制器為屍/Q控制方式，孤島控制器為V / f'控制方式，其輸入均為某反饋量與其給定值的差值，K1和K2為邏輯開關。

當微電網檢測到主網故障由併網轉換到孤島運行狀態時，圖7中相應由P/Q併網控制切換到vlf孤島控制。但在實際切換過程中發現:即使負荷功率需求小於逆變器所能提供的最大功率，也常在切換時刻產生較大的暫態振盪，出現如圖8中系統PC'C'處電壓和頻率的暫態振盪曲線(如圖8虛線所示)，圖中微電網在t =1. 5、時切換。相反，如果不切換控制器，繼續用屍/Q控制，儘管此時能量可能不平衡，但暫態振盪不會像切換控制器那么大。

分析2種控制模式切換過程中產生振盪的原因，發現是由於切換過程中2種控制器的狀態不匹配造成的。當屍/Q併網控制器運行時，V/f孤島控制器也在運行，只是輸出結果沒有產生作用，切換時由於2種控制器的輸出狀態不相等而造成控制器的。

3區域平滑切換控制策略概念

微電源的容量有限，不能總滿足負荷的增長需求，當負荷所需功率與微電源發出功率差額過大時，孤島狀態下微電網的電壓頻率就會偏離額定運行點，此時微電網切換僅依靠控制方法和參數的切換是無法保證過渡過程的平穩性的，必須採取切負荷的措施來維持微電網的能量平衡。

將切換時的微電網負荷狀況劃分為區域A,B,C這3個控制範圍，區域A:孤島後系統電壓穩定在額定電壓值U=1(標么值)，其邊界PA和QA為有功功率、無功功率的最大值P_A、和Q_A、即為微電源輸出功率的最大過載範圍;區域B:孤島後系統電壓偏離額電壓值，但在規定允許範圍內，此時負荷功率邊界為P_B和Q_B;進入到區域C後，系統電壓不能滿足規定標準，只有通過切負荷來實現孤島穩定運行，在切換過程中擾動較大，可能導致系統失穩。