微网系统并网_孤岛运行模式无缝切换控制策略
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微网馈线
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文章编号：0258-8013 (2014) 19-3089-09
微网系统并网/孤岛运行模式无缝切换控制策略
陈杰 1，陈新 1，冯志阳 2，龚春英 பைடு நூலகம்，严仰光 1
(1．江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省 南京市 210016； 2．江苏中天科技股份有限公司，江苏省 南通市 226009)
0 引言
随着能源危机与环境污染问题的日益加剧，以 及传统大电网脆弱性的不断暴露，世界各国纷纷将 目光投向了更加环保、高效、可靠的分布式发电技 术[1-3]。 微网是近年来在分布式发电基础上提出的一 种更加先进、 灵活的新型供电方式， 是一种将光伏、 风电等分布式电源(distributed generator，DG)、储 能装置、电力电子设备、本地负荷以及监控保护装 置融合而成的小型智能发配电系统，既可以与外部 大电网并列运行，也可以孤岛运行，单独的为本地 负荷供电，具有更高的供电安全性和可靠性[4-6]。 目前，微网系统较为常见的控制策略有下垂控 制(也称对等控制)[7-12]和主从控制[13-20]。 其中， 下垂 控制采用了同步发电机并联控制的思想，其有效控 制的前提是线路阻抗呈感性。但对微网而言，线路 阻抗主要呈阻性，采用下垂特性较难取得满意的控 制效果， 易造成系统不稳[8-9]。 虽然有学者提出了一 些改进方法[10-12]，还尚处于初期的理论研究和论证
电网 STS I/V … … 储能 变流器 光伏 逆变器 风电 逆变器 用电 负荷
图1 Fig. 1
基于主从控制的微网系统结构图
System structure of MG with master-slave control
1.2
储能变流器控制策略 采用主从控制策略时，储能变流器有两种稳态
工作模式， 分别为并网运行时的 P/Q 模式和孤岛运 行时的 u/f 模式。图 2 给出了储能变流器的控制框 图，由电压外环和电流内环组成。
(1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu Zhongtian Technology Co., Ltd., Nantong 226009, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: For microgrid (MG) system with master-slave control strategy, seamless transfer between grid-connected and islanding operation remains a technical barrier, which needs to be solved urgently. In this paper, the structure and operation principle of the MG was firstly investigated. According to the dynamic behavior exhibited in the mode transfer process, an improved proportional-integral (PI) controller for voltage-loop was proposed. By using energy conservation theorem, the output value of the new PI controller can be calculated and preset for next operational mode before mode transfer. Thus, the vibration and overshot problem of local AC bus could be well reduced, even eliminated. Also, a novel phase-locked loop (PLL) for MG application was presented. The phase angle of AC bus can be maintained smoothly and successively during different kinds of mode transfer condition, which makes the seamless transfer between grid-tied and islanding operation possible. Then, optimized parameters of the controller were derived for main converter with mathematical model and engineering experience. Both simulation and experimental platform were established, simulation and experimental results verify the effectiveness and superiority of the proposed strategies. KEY WORDS: microgrid (MG); master-slave control; grid-tied operation; islanding operation; seamless transfer 摘要：对于采用主从控制策略的微网系统，如何实现并网/ 孤岛工作模式之间的无缝切换是一项亟待克服的技术难点。 首先介绍微网系统的基本结构和工作模式， 结合微网系统并
网/孤岛工作模式切换时的工作特征，提出一种改进的电压 环调节器结构。 即根据能量守恒原则， 在工作模式切换前预 先估算并设置调节器的输出需求， 可较好地解决切换过程中 微网母线电压的震荡和电流冲击等问题。 其次， 提出一种适 合微网的软件锁相方法， 保证各种切换条件下微网母线电压 相位的连续性和平顺性， 为不同工作模式间的无缝切换奠定 基础，并对储能变流器的控制参数进行了优化设计。最后， 建立微网系统的仿真模型和完善的实验验证平台， 仿真和实 验结果共同验证了所提控制策略和锁相方法的有效性和优 越性。 关键词：微网；主从控制；并网运行；孤岛运行；无缝切换
A Control Strategy of Seamless Transfer Between Grid-connected and Islanding Operation for Microgrid
CHEN Jie1, CHEN Xin1, FENG Zhiyang2, GONG Chunying1, YAN Yangguang1
仿真分析，并在此基础上建立一套完善的微电网实 验验证平台，仿真和实验结果共同验证了文中提出 的控制策略和锁相方法的有效性和优越性。
1 微网结构与控制方法
1.1 系统结构 图 1 给出了微网系统的一种结构框图，主要由 静态开关(static transfer switch，STS)、储能变流器 和若干从逆变器 ( 光伏或 / 和风电 ) 以及用电负载等 构成。STS 闭合时，系统并网运行；反之，则以孤 岛模式运行。不同运行模式下储能变流器控制策略 也不同。
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程
学
报
第 34 卷
阶段。再有，光伏、风电等商用并网逆变器均采用 常规 P/Q 控制， 不便于在采用下垂控制的微网系统 中直接集成。因此，当前的微网示范工程仍以主从 控制为主。采用主从控制时，需指定一台容量较大 的可控电源作为组网电源，如柴油机、微燃机、储 能变流器等。其中储能变流器控制灵活、有功/无功 调节方便，是研究和关注重点。在并网时，储能变 流器与各 DG 类似，以 P/Q 模式运行，直接控制入 网电流；而孤岛运行时，则以 u/f 模式运行，为其 他若干 DG 提供电压和频率基准。虽然采用主从控 制时各 DG 可直接采用现有的商用并网逆变器，但 如何控制微网系统在并网/孤岛两种工作模式之间 实现快速无缝切换，保证重要负荷的不间断供电， 是主从控制方法仍然存在一个技术难点，尽管已有 学者开始关注该问题[13-14,16]。 文献[13]提出了一种平滑切换控制策略，一定 程度上抑制了切换过程中的动态电流冲击。但实验 结果显示，在切换过程的几十 ms 内，微网的母线 电压仍出现了较大幅度的跌落或过冲，达到了网内 其它 DG 的孤岛保护条件，易导致系统崩溃。文 献 [14] 依靠储能装置实现了微网在并网 / 孤岛两种 工作模式间的硬切换，储能变流器的控制策略仍有 一定的改进空间。文献[15]讨论了主从控制时微网 工作模式之间的安全转换，重点分析了一种基于双 二 次 广 义 积 分 环 节 的 锁 相 环 (dual second order generalized integrator PLL，DSOGI-PLL)。文献[16] 采用综合控制策略对并网/孤岛运行模式的过渡进 行控制，仿真结果表明可以实现运行模式的平滑切 换。文献[17]提出的平滑切换控制策略要求提前 5 s 发现电网故障，实现难度较大。文献[18-19]将微网 主控逆变器和网侧静态开关合称为智能联网终端， 而实际控制仍然与采用主从控制的微网完全相同， 且使用了 2 个 DSOGI-PLL，实现过于复杂。纵观 现有研究成果， 采用主从控制时的并网/孤岛模式平 滑切换技术仍存在不足，有待进一步优化提升。 为此，本文在分析主从控制微网系统基本结构 和控制方法的基础上，根据能量守恒原则，提出一 种改进型的电压环调节器，可在模式切换前预先估 算并设置调节器的输出状态，避免切换过程中调节 器和母线电压出现大幅持续的震荡和超调；随后， 提出一种简单实用的微网软件锁相方法，在各种模 式切换条件下均可保证母线电压相位的平滑、连 续，为微网工作模式的无缝切换提供一种行之有效 的解决方案。最后，利用 Matlab/Simulink 软件进行
第 34 卷 第 19 期 2014 年 7 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.19 Jul.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3089 中图分类号：TM 76
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.19.007
基金项目： 国家 863 高技术基金项目(SS2014AA052002)； 国家自然 科学基金项目(51307084)；江苏省自然科学基金项目(BK20130792)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (SS2014AA052002); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51307084); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK 20130792) .
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文章编号：0258-8013 (2014) 19-3089-09
微网系统并网/孤岛运行模式无缝切换控制策略
陈杰 1，陈新 1，冯志阳 2，龚春英 பைடு நூலகம்，严仰光 1
(1．江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省 南京市 210016； 2．江苏中天科技股份有限公司，江苏省 南通市 226009)
0 引言
随着能源危机与环境污染问题的日益加剧，以 及传统大电网脆弱性的不断暴露，世界各国纷纷将 目光投向了更加环保、高效、可靠的分布式发电技 术[1-3]。 微网是近年来在分布式发电基础上提出的一 种更加先进、 灵活的新型供电方式， 是一种将光伏、 风电等分布式电源(distributed generator，DG)、储 能装置、电力电子设备、本地负荷以及监控保护装 置融合而成的小型智能发配电系统，既可以与外部 大电网并列运行，也可以孤岛运行，单独的为本地 负荷供电，具有更高的供电安全性和可靠性[4-6]。 目前，微网系统较为常见的控制策略有下垂控 制(也称对等控制)[7-12]和主从控制[13-20]。 其中， 下垂 控制采用了同步发电机并联控制的思想，其有效控 制的前提是线路阻抗呈感性。但对微网而言，线路 阻抗主要呈阻性，采用下垂特性较难取得满意的控 制效果， 易造成系统不稳[8-9]。 虽然有学者提出了一 些改进方法[10-12]，还尚处于初期的理论研究和论证
电网 STS I/V … … 储能 变流器 光伏 逆变器 风电 逆变器 用电 负荷
图1 Fig. 1
基于主从控制的微网系统结构图
System structure of MG with master-slave control
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储能变流器控制策略 采用主从控制策略时，储能变流器有两种稳态
工作模式， 分别为并网运行时的 P/Q 模式和孤岛运 行时的 u/f 模式。图 2 给出了储能变流器的控制框 图，由电压外环和电流内环组成。
(1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China; 2. Jiangsu Zhongtian Technology Co., Ltd., Nantong 226009, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: For microgrid (MG) system with master-slave control strategy, seamless transfer between grid-connected and islanding operation remains a technical barrier, which needs to be solved urgently. In this paper, the structure and operation principle of the MG was firstly investigated. According to the dynamic behavior exhibited in the mode transfer process, an improved proportional-integral (PI) controller for voltage-loop was proposed. By using energy conservation theorem, the output value of the new PI controller can be calculated and preset for next operational mode before mode transfer. Thus, the vibration and overshot problem of local AC bus could be well reduced, even eliminated. Also, a novel phase-locked loop (PLL) for MG application was presented. The phase angle of AC bus can be maintained smoothly and successively during different kinds of mode transfer condition, which makes the seamless transfer between grid-tied and islanding operation possible. Then, optimized parameters of the controller were derived for main converter with mathematical model and engineering experience. Both simulation and experimental platform were established, simulation and experimental results verify the effectiveness and superiority of the proposed strategies. KEY WORDS: microgrid (MG); master-slave control; grid-tied operation; islanding operation; seamless transfer 摘要：对于采用主从控制策略的微网系统，如何实现并网/ 孤岛工作模式之间的无缝切换是一项亟待克服的技术难点。 首先介绍微网系统的基本结构和工作模式， 结合微网系统并
网/孤岛工作模式切换时的工作特征，提出一种改进的电压 环调节器结构。 即根据能量守恒原则， 在工作模式切换前预 先估算并设置调节器的输出需求， 可较好地解决切换过程中 微网母线电压的震荡和电流冲击等问题。 其次， 提出一种适 合微网的软件锁相方法， 保证各种切换条件下微网母线电压 相位的连续性和平顺性， 为不同工作模式间的无缝切换奠定 基础，并对储能变流器的控制参数进行了优化设计。最后， 建立微网系统的仿真模型和完善的实验验证平台， 仿真和实 验结果共同验证了所提控制策略和锁相方法的有效性和优 越性。 关键词：微网；主从控制；并网运行；孤岛运行；无缝切换
A Control Strategy of Seamless Transfer Between Grid-connected and Islanding Operation for Microgrid
CHEN Jie1, CHEN Xin1, FENG Zhiyang2, GONG Chunying1, YAN Yangguang1
仿真分析，并在此基础上建立一套完善的微电网实 验验证平台，仿真和实验结果共同验证了文中提出 的控制策略和锁相方法的有效性和优越性。
1 微网结构与控制方法
1.1 系统结构 图 1 给出了微网系统的一种结构框图，主要由 静态开关(static transfer switch，STS)、储能变流器 和若干从逆变器 ( 光伏或 / 和风电 ) 以及用电负载等 构成。STS 闭合时，系统并网运行；反之，则以孤 岛模式运行。不同运行模式下储能变流器控制策略 也不同。
3090
中
国
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报
第 34 卷
阶段。再有，光伏、风电等商用并网逆变器均采用 常规 P/Q 控制， 不便于在采用下垂控制的微网系统 中直接集成。因此，当前的微网示范工程仍以主从 控制为主。采用主从控制时，需指定一台容量较大 的可控电源作为组网电源，如柴油机、微燃机、储 能变流器等。其中储能变流器控制灵活、有功/无功 调节方便，是研究和关注重点。在并网时，储能变 流器与各 DG 类似，以 P/Q 模式运行，直接控制入 网电流；而孤岛运行时，则以 u/f 模式运行，为其 他若干 DG 提供电压和频率基准。虽然采用主从控 制时各 DG 可直接采用现有的商用并网逆变器，但 如何控制微网系统在并网/孤岛两种工作模式之间 实现快速无缝切换，保证重要负荷的不间断供电， 是主从控制方法仍然存在一个技术难点，尽管已有 学者开始关注该问题[13-14,16]。 文献[13]提出了一种平滑切换控制策略，一定 程度上抑制了切换过程中的动态电流冲击。但实验 结果显示，在切换过程的几十 ms 内，微网的母线 电压仍出现了较大幅度的跌落或过冲，达到了网内 其它 DG 的孤岛保护条件，易导致系统崩溃。文 献 [14] 依靠储能装置实现了微网在并网 / 孤岛两种 工作模式间的硬切换，储能变流器的控制策略仍有 一定的改进空间。文献[15]讨论了主从控制时微网 工作模式之间的安全转换，重点分析了一种基于双 二 次 广 义 积 分 环 节 的 锁 相 环 (dual second order generalized integrator PLL，DSOGI-PLL)。文献[16] 采用综合控制策略对并网/孤岛运行模式的过渡进 行控制，仿真结果表明可以实现运行模式的平滑切 换。文献[17]提出的平滑切换控制策略要求提前 5 s 发现电网故障，实现难度较大。文献[18-19]将微网 主控逆变器和网侧静态开关合称为智能联网终端， 而实际控制仍然与采用主从控制的微网完全相同， 且使用了 2 个 DSOGI-PLL，实现过于复杂。纵观 现有研究成果， 采用主从控制时的并网/孤岛模式平 滑切换技术仍存在不足，有待进一步优化提升。 为此，本文在分析主从控制微网系统基本结构 和控制方法的基础上，根据能量守恒原则，提出一 种改进型的电压环调节器，可在模式切换前预先估 算并设置调节器的输出状态，避免切换过程中调节 器和母线电压出现大幅持续的震荡和超调；随后， 提出一种简单实用的微网软件锁相方法，在各种模 式切换条件下均可保证母线电压相位的平滑、连 续，为微网工作模式的无缝切换提供一种行之有效 的解决方案。最后，利用 Matlab/Simulink 软件进行
第 34 卷 第 19 期 2014 年 7 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.19 Jul.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3089 中图分类号：TM 76
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.19.007
基金项目： 国家 863 高技术基金项目(SS2014AA052002)； 国家自然 科学基金项目(51307084)；江苏省自然科学基金项目(BK20130792)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (SS2014AA052002); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51307084); Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK 20130792) .