作者：田英
随着传统能源的快速消耗及环境污染的日趋严峻，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。微电网以并网与孤岛两种运行方式之间的转换发挥了其技术性、经济性、灵活性优势。在运行方式切换过程中能否平滑过渡，是微电网能否保证系统安全稳定运行以及负荷供电可靠性的关键所在。
微电网具有两种工作模式，即并网模式和独立模式。正常情况下，微电网工作于并网模式时，大电网向微电网系统提供电压和频率参考，微电网变流器工作于PQ控制模式，微电网根据调度指令，向电网输送所需功率；当电网故障时，微电网快速由并网模式转换为独立运行模式，此时微电网系统可工作于V/f控制模式或下垂控制模式，用以维持自身电压和频率的稳定，实现系统的稳定运行；当电网恢复正常时，微电网系统又可以由独立运行模式转入并网运行，控制非常灵活。
微电网并离网模式的平滑切换，是指在切换过程中，保证微电网的电压和频率保持在允许的波动区间内。按国际通用微网运行标准规定，应保证在微电网并离网切换后，交流母线电压、频率偏差满足
（额定电压），
。
为了减轻微电网运行模式切换过程中听引起的系统振荡，应在各微电源变流器层面上选择恰当的控制策略，以实现微电网的平滑切换。为此，本文以光储微电网系统中的变流器为研究对象，对变流器的PQ控制及V/f控制进行设计，同时也对两种控制模式间的平滑切换进行了分析，最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中对所提方法进行了建模仿真，并验证了基于该模型仿真所提出的针对微电网变流器的控制策略的有效性。
1含光储微电网系统结构
含光储中压微电网是将分布式光伏、负荷、储能元件及监控保护装置等有机融合，形成了一个单一可控单元。中压微电网接人配电网电压等级一般为10 kV，位置靠近负荷侧，容量相对较小；通过静态开关在公共连接点(PCC)与上级电网相连，可实现并网与孤岛运行模式的平滑转换。微电网通过就近向用户供电，减少了输电线路损耗，增强了抵御来自上级电网故障影响的能力。当上级电网发生故障或电能质量不能满足要求时，微电网切换到孤岛模式下运行，保证自身安全稳定运行 。
典型的含光储中压微电网拓扑结构如图1所示光伏就地接入负荷附近，并通过联络线路与储能电池共同接至微电网公共母线，微电网公共母线通过静态开关在公共连接点(PCC)与配电网进行连接。
当微电网系统并网运行时，光伏和储能变流器均工作在PQ控制模式，其中光伏以最大功率出力，储能电池用于平滑光伏输出功率的波动；当大电网发生故障或停电事故时系统可切换至离网运行状态，光伏变流器以PQ控制模式运行，为系统内负荷供电，储能变流器以V/f控制模式运行，以稳定系统的电压和频率，充分体现了微电网结构与运行的灵活性和复杂性。
2微电源变流器并网与孤岛控制器结构
2.1 PQ控制器结构
在并网运行模式中，变流器一般采用PQ控制模式，PQ控制器结构如图2所示。
由图2可知，控制结构为双环结构，内环为电流控制，外环为功率控制；外环功率控制器通过控制变流器输出有功功率和无功功率跟踪有功、无功指令值，实现系统的并网功率控制；内环电流控制器则通过对有功电流和无功电流的反馈控制，实现电流的无差控制。
2.2 V/f控制器结构
在离网运行模式下，为了保证系统电压和频率的稳定控制，可采用V/f控制方法和下垂控制方法。本文采用V/f控制方法作为离网运行时的控制策略，其控制结构如图3所示。
在V/f控制方法中，系统采用双闭环结构，内环为电感电流控制，外环为电容电压控制，控制系统在dq坐标系下进行；为了实现电压的稳定控制，d轴参考电压通常设定为1 pu，q轴电压参考值为0，将采样到的三相瞬时值电压ea，eb，ec经过abc/dq变换后得到ed，eq，并与给定的参考信号进行对比，通过对误差进行PI控制，实现电压的稳定控制。同时，外环控制器输出作为内环电流控制器的参考信号
与
，通过内环电流反馈控制，实现对电流的无差控制。频率的控制通过锁相环控制实现。
3微电网系统逆变器无缝切换控制策略研究
3.1并网运行到离网运行切换
当微电网由于主网故障由并网转换到孤岛运行时，系统控制由PQ控制模式转换至V/f控制模式，由于两种控制器的状态不匹配，会使系统大幅振荡，当系统运行在PQ模式时，V/f控制器也处于运行状态，只是其输出没有作用到控制系统，当控制系统由PQ控制转换为V/f控制时，两者的输出状态不一致，导致系统产生振荡。为了减小切换过程的振荡，本文采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，如图4所示。将V/f控制器输出与PQ控制器的输出设计为一个负反馈作为V／f控制器的输入，使得切换前V/f控制器时刻跟随PQ控制器的输出，以保证由并网模式切换到离网模式时两者输出状态一致，从而减小系统由PQ控制转换为V/f控制时的振荡。
微电网系统由并网运行模式向孤岛运行模式切换包含两种情况：①出于系统需要的计划性孤岛，为主动切换；②主网发生故障引起的PCC开关跳闸，为被动切换。对于主动切换，微电网能量管理系统可以选择有利时机以满足孤岛电能的供需平衡。被动切换属于突发事件，微电网能量管理系统事先并无相关信息,PCC开关跳开以后能量管理系统应迅速向各微电源发出控制模式切换指令，并采用相应的措施维持系统的稳定在主网发生故障时，需要进行孤岛检测，快速完成模式切换并与电网脱离。本文孤岛检测算法采用频率一无功正反馈方案，孤岛检测框图如图5 所示。
由图5可知，系统主要包括带通滤波器、比例增益模块和限幅模块，输出作为系统无功扰动指令。其中，带通滤波器主要用于滤除噪声干扰和直 流偏移；比例增益模块使并网时的扰动很小，能够保持系统的稳定，而在孤岛时可使系统失稳从而检测出孤岛发生：限幅模块则用于限制扰动幅值，防止系统过流或功率因数过低。
3.2离网运行到并网运行切换
当电网恢复正常后，微电网可由离网运行模式转换为并网运行模式，系统控制由V/f控制模式转换为PQ控制模式。当接到并网指令后，微电网快速调节输出电压的幅值、频率和相位，当微电网并网点电压的幅值、频率和相位与电网的幅值、频率和相位之差在允许容限内时，发出合闸指令，此时系统的并网冲击电流很小，从而实现了微电网由离网运行到并网运行时平滑切换。
4仿真分析
4.1 PQ控制仿真
为了验证变流器的PQ控制策略，设计有功无功指令：
响应如图6所示。
4.2V/f控制仿真
在离网运行时，系统工作于V/f控制模式，其控制稳态结果如图7所示。
由图7可知，离网运行时，采用V/f控制实现系统的恒压恒频控制。
4.3孤岛检测
为了验证本文提出的孤岛检测方法，在PSCAD中进行仿真验证，考虑最严峻情况，测试时负载采用并联RLC负载，谐振频率为50 Hz，有功功率和无功功率相匹配。图8为不具有频率一无功正反馈时的系统响应，在0.5 s时，电网因故障而掉电，但是由于并联RLC负载谐振频率为50 Hz，且功率相互匹配，系统电压和频率波动很小，处于正常波动范围内，系统不能检测孤岛发生，不能及时将微电网切除，微电网控制模式不能及时切换。
图9为具有频率一无功正反馈时的系统响应，在0.5 s时，电网因故障而掉电，频率产生较小波动，在频率一无功正反馈环节作用下，迅速破坏功率平衡状态，引起了频率的变化，当频率超出正常波动范围时，可检测出孤岛的发生，从而快速断开微电网与大电网连接，并完成控制模式的快速切换。
4.4并离网切换仿真
为了验证所提平滑方案的正确性，进行了不同运行模式间的切换仿真，图10为系统从启动并网-离网运行-并网运行的整个切换响应过程。在Os时，微电网启动并网，有功给定为1 pu，无功给定为0。
由图10可知，系统工作在单位功率因数下，实现了系统的并网控制；在0.5 s时，电网因故障而掉电，通过孤岛检测，经过0.12 s后，可快速检测到孤岛发生，微电网断开与电网连接，并由PQ控制模式转换为V/f控制模式，实现了微电网孤岛时的恒频恒压控制；在1s时，电网恢复正常，微电网检测到电网正常后，在1.1 s时发出并网指令，微电网系统在接受到并网指令后，快速调节其并网电压的幅值、频率和相位，使其与电网电压幅值、频率和相位相等，同时调节并网指令，使其等于孤岛运行时的输出功率，当满足并网要求后，发
出合闸指令，完成微电网由离网到并网的平滑，换，系统在由离网向并网切换时，电压和频率波动很小，实现了平滑切换的目的。
5结论
本文设计了微电网系统中变流器的PQ控制.V/f控制及两者间的平滑切换策略。并网模式下，系统采用PQ控制，跟踪调度有功、无功功率指令：离网时，采用V/f控制，维持系统电压和频率的稳定；为了实现并网、离网模式的平滑切换，当系统并网运行时，离网控制器实时跟踪PQ控制器输出，以减少并网到离网切换的波动；当由离网转并网运行时，调节微电网电压幅值、频率和相位，使其跟踪电网电压，从而减少并网冲击电流，实现平滑切换。最后，在PSCAD/EMTDC仿真软件中，进行了仿真验证，证明了所设计系统的正确性。
6摘要：
微电网系统并网与孤岛运行方式的平滑切换，是实现微电网经济、技术优势的关键，也是保证系统安全稳定运行、PSCAD/EM荷供电质量的重要手段。文章介绍了微电网系统中微电源变流器的控制方法与控制器结构，基于PscAD／EMTDC仿真软件建立了含光储微电网模型，研究了微电网系统中变流器的PQ控制、v／f控制及两者间的平滑切换控制策略，对微电网的并离网转换、孤岛检测进行了仿真分析。仿真结果证明，所提出的微电网变流器控制策略有效实现了微电网的平滑切换一
