白园飞，程启明，吴 凯，王鹤霖，赵晋斌

（上海电力学院 电力与自动化工程学院，上海 200090）

0 引言

微电网既可与主网联网运行，又可与主网断开独立运行。通常微电网与主网并网运行，以互为补充，但当主网故障而导致微电网脱网，或在偏远的特殊场合无主网存在时，微电网只能独立运行［1-2］。微电网系统可分为直流和交流2种，其中直流微电网只需1个逆变器，成本和损耗较小，经济性较高，但仅适用于容量较小、可再生能源比较紧密的负荷地区。因此，目前大多采用交流微电网。

交流微电网独立运行时，需要由其内部微电源为微电网系统提供稳定的电压u和频率f，其将自动吸收微电网内发电和负荷的不平衡功率，以维持电压和频率的稳定。如果为系统提供稳定电压和频率的微电源只有1个，通常采用U/f控制，当多个微电源共同为系统提供稳定电压和频率时，则各压频控制单元采用具有下垂特性的电压与频率控制，即下垂控制（Droop 控制）［3-4］。

微电网一般都采用微型燃气轮机和（或）储能系统等作为主电源维持系统的电压和频率。但当微型燃气轮机因故障无法运行或独立微电网内负荷低谷期时，可以停用微型燃气轮机，此时由储能系统充当主电源，维持系统的电压和频率。微电网内主电源从微型燃气轮机转化为储能系统，或从储能系统转为微型燃气轮机时，系统会出现短时停电。针对主变流器并网模式和孤岛模式的无缝切换，文献［5-6］提出逆变器在并网时采用电流控制模式，在独立运行时采用电压控制模式，从而在切换时实现无缝切换；文献［7-8］提出逆变器在并网时采用PQ控制模式，离网运行时采用U/f模式，从而在切换时实现无缝切换。然而这些文献中所提出的方法均为在大电网时微电网内主电源在双模式之间的无缝切换，它们与本文将研究的独立微电网系统中双主电源的无缝切换不同。这些文献中为大电网情况下，当微电网与主网并列运行时，系统的电压和频率由大电网提供；而本文中由于为独立交流微电网的情况，没有主网为其提供稳定的电压和频率，需要选用合适的微电源，采用合适的控制方法来为系统提供稳定的电压和频率。由于微型燃气轮机惯性大，本文采用微型燃气轮机作为主电源，对其逆变器采用Droop控制，以维持整个微电网内部电压和频率的稳定。本文的无缝切换涉及的是微型燃气轮机和储能系统的无缝切换，储能系统采用的2种控制方式是当储能系统作辅助电源时采用PQ控制，而当储能系统作主电源时采用Droop控制。Droop控制模式不同于U/f控制模式，采用U/f控制模式时，微电源应具有较大的容量，需配置大容量的储能装置；另外，一旦采用U/f控制的微电源因故障失去，在孤网运行情况下微电网会失稳，这种控制可靠性不高。Droop控制模式是利用本地测量的电网状态变量作为控制参数，实现冗余，系统的可靠运行不依赖于通信。当某微电源因故障退出运行时，其余的电源仍能够不受影响地继续运行，系统可靠性高，实现“即插即用”。在正常运行范围内，由于负荷或者可再生能源波动，将会引起系统频率、电压波动，采用基于Droop控制的微电源可以有效抑制上述波动，提高用户电能质量［9-12］。因此，当储能系统作为主电源时，本文采用Droop控制。

为了实现一定的经济效益，实际的微电网系统中微型燃气机不再是单台大容量机组，而是选择多台相对小容量的机组［13-14］。本文选用2台微型燃气轮机，当微型燃气轮机作为主电源时，对其逆变器采用Droop控制，以维持微电网内部的电压和频率稳定，然而微型燃气轮机动态响应速度较慢，有十秒到几十秒的延时，因此，它们必须与储能系统进行配合，以保证微电网在各种运行状态下可靠供电，此时储能系统充当辅助电源；当微型燃气轮机因故障无法运行或独立微电网内负荷低谷期时，可停用微型燃气轮机，此时储能系统应充当主电源，以维持独立微电网内电压和频率的稳定。因此，储能系统采用 PQ控制和 Droop控制2种控制方法［15-20］。

由上面分析可知，独立微电网中微型燃气轮机和储能系统的协调控制非常重要。本文针对含有储能系统和微型燃气轮机的交流微电网孤立系统，提出了储能系统和微型燃气轮机的协调控制策略，使微型燃气轮机为主电源时，储能系统辅助进行功率控制，以及独立交流微电网系统中微型燃气轮机和储能系统的无缝切换、储能系统2种控制方式的无缝切换，并用PSCAD/EMTDC仿真软件对本文所提方法进行了验证。

1 独立交流微电网系统的结构及各微电源的控制

本文的独立交流微电网系统由2台微型燃气轮机、储能单元、光伏发电单元等微电源，负荷1—4，传输电缆等组成。其结构见图1。图中，每个微电源经过各自的逆变器接入到400 V交流微电网上。

图1 交流微电网系统的结构Fig.1 Structure of AC microgrid system

图中各微电源的控制方法如下。

a.光伏发电单元。光伏发电应实现最大功率点跟踪（MPPT），由于其发出的功率波动大，因此，光伏的并网逆变器采用PQ控制。由于光伏发电已比较成熟，本文不再阐述。

图2 微型燃气轮机发电系统的结构Fig.2 Structure of microturbine system

b.微型燃气轮机。微型燃气轮机发电系统的结构如图2所示。它是由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器、滤波器和负荷等组成，其中微型燃气轮机包含压缩器、能量回收器、燃烧室以及带1个负荷的动力透平机。从离心式压气机出来的高压空气先在回热器内由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，直接带动高速发电机（转速在50000～120000 r/min之间）发电，高频交流电流经过整流器和逆变器，即AC/DC/AC变换转化为工频交流电输送到交流电网。本文中微型燃气轮机采用Droop控制后，再经过电容电压外环控制和电感电流内环控制，从而达到精确地维持系统的电压和频率的目的。

c.储能系统。蓄电池的储能系统不仅能起到能量缓冲的作用，还能提供短时供电、缓冲微电网中负荷波动、改善微电网电能质量。目前微电网系统中大多采用免维护的铅酸蓄电池储能系统，储能系统的结构如图3所示。

图3 储能系统的结构Fig.3 Structure of energy storage system

图3中，DC/DC部分为直流斩波器，它采用Buck-Boost升降压电路。蓄电池通过Buck-Boost电路进行充放电，实现蓄电池与电网之间功率的双向流动；DC/AC部分为并网逆变器，本文中储能逆变器通过恒功率控制（即PQ控制）和Droop控制2种控制模式进行无缝切换。

a.当微型燃气轮机工作时，储能逆变器采用PQ控制，由微型燃气轮机提供电压u和频率f支持，储能系统辅助微型燃气轮机进行独立微电网控制，通过其自动进行充放电操作，对光伏、风电等输出功率波动的对象进行平滑，并抑制电压闪变和波动等。

PQ控制的结构框图如图4所示，图中采用双环控制。当逆变器输出的功率P、Q与参考功率Pref、Qref不相等时，它们的误差信号不为0，采用比例积分（PI）调节器进行功率调节，直至误差信号为0，控制器达到稳态，即逆变器输出的功率调整至参考功率。

图4 PQ控制的结构框图Fig.4 Structural diagram of PQ control

b.当微型燃气轮机退出运行时，储能逆变器采用Droop控制，以维持独立微电网内的电压和频率稳定。Droop控制的结构框图如图5所示。首先，根据下垂特性方程，设计下垂控制器，得到参考电压uodref、uoqref，再设计滤波电容电压环和电感电流环的双环控制器，从而得到逆变器门极控制信号。电压控制器的主要目的是稳定逆变器输出端口电压，为了使负载电压稳态误差为0，采用PI控制；而电流控制器的主要目的是提高系统的动态响应速度，因此采用比例（P）控制。

图5 Droop控制的结构框图Fig.5 Structural diagram of Droop control

2 微型燃气轮机与储能系统的协调控制

2.1 微型燃气轮机和储能系统的协调控制

图6为微型燃气轮机和储能系统的协调控制结构。图中，交流独立微电网中的微电源为2台微型燃气轮机、储能单元和光伏发电，微型燃气轮机通过同步并网开关实现与交流微电网系统的同期并列；解列开关用于实现微型燃气轮机与储能系统之间的无缝切换。上层协调控制单元分别与微型燃气轮机的逆变器主控单元、储能的并网逆变器主控单元通信，向微型燃气轮机下达并网运行指令和功率分配指令，并实现微型燃气轮机与储能系统之间的协调控制。

图6 协调控制系统的结构框图Fig.6 Structural diagram of coordinated control system

微型燃气轮机作为主电源时，储能系统的逆变器采用图4的PQ控制；而当微型燃气轮机退出运行时，储能系统由辅助电源变为主电源时，其逆变器由PQ控制变为图5的Droop控制。

2.2 无缝切换的条件

在储能系统接收到独立控制指令或微型燃气轮机接收到并网指令时，它们的输出电压的幅值与相位可能与独立微电网内的电压有一定偏差。如果对它们的输出电压，尤其是相位不加以控制，则它们并入微电网后会对微电网产生很大的电流冲击。

图7为切换过程等效相量图。流向电网的电流ig可表示为：

其中，ug为微电网内的电压，uo为需要并网的逆变器输出电压，φ1）；Zg为独立微电网侧的等效阻抗；ig为流向微电网的电流。

图7 切换过程的等效相量图Fig.7 Equivalent phasor diagram of switching process

当Ug与Uo的电压相位相等、大小相差单位电压的 1/1000 时，有：

当Ug与Uo的电压大小相等、相位相差整周期2π的 1/1000 时，有：

由此可见，电压的相位差引起的冲击远大于电压的幅值差引起的冲击。要达到无缝切换，电压的幅值与相位要严格控制为与微电网的电压相同，特别是相位要一致。本文的解决方法是：用锁相环来使输出电压不断跟踪微电网电压的频率和相位，并且对于储能系统，由于在2种模式中滤波电容的电压外环和滤波电感的电流内环保持不变，因而能确保微电网系统在2种模式切换过程中的平滑和快速。

2.3 微型燃气轮机和储能的切换顺序

a.当微型燃气轮机因检修或停运退出系统时，在微型燃气轮机的解列开关断开的时间和储能系统2种模式的切换时间上会存在时间差，微型燃气轮机的解列开关的断开时间长，因此在储能系统转换为主电源后，储能系统仍然会和微型燃气轮机相连。为了避免在切换过程中的电压偏差，当储能逆变器的控制模式为Droop控制方式时，其参考电压由微型燃气轮机的电压幅值和相位决定。微型燃气轮机在退出运行前，其输入到独立微电网内的有功功率越大，微型燃气轮机与交流微电网的母线断开后对微电网的影响越大，对储能系统的冲击也就越大，因此储能系统的逆变器运行模式切换时，首先应减小切换前流过并网开关的电流，将其减小至某一设定值。

b.当储能系统作主电源时，它需稳定微电网内的电压幅值与频率。此时，若微型燃气轮机重新启动，微型燃气轮机控制单元检测微电网的电压、频率和相角，据此调整其自身的输出电压、频率和相角，当满足并网条件时，并网开关合并。

c.当上层协调控制单元检测到微型燃气轮机的并网开关合上后，上层协调控制单元向储能逆变器发出模式切换命令，切换后微电网内的电压和频率由微型燃气轮机决定。在切换过程中，应使储能逆变器的输出功率在2种模式切换前后保持不变，待2种模式的切换完成后，再逐渐减少储能系统的输出功率，将负荷从储能系统平滑地转移给微型燃气轮机。

3 系统仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了图1所示独立微电网仿真模型。仿真中有关参数取值为：光伏的额定功率为100 kW，2台微型燃气轮机的单机额定功率为100 kW，电池储能系统的额定容量为 100 kV·A，总负荷为100 kW。

3.1 微型燃气轮机作主电源且负荷变动时的仿真

微型燃气轮机作主电源时，0 s时微电网内负荷为60 kW，3 s时系统负荷变为100 kW。图8为该情况下相关变量的仿真曲线。其中，图8（a）为额定频率fN=50 Hz时微电网频率f的曲线，在0.3 s时由于有功功率的上升且系统维持电压采用有差调节的Droop控制，使得频率略微下降，但在允许的范围内变化；图8（b）为3 s前后微电网系统的三相电压曲线 ua、ub、uc，当负荷发生变化时，它们基本无波动，电压完全符合系统要求；图8（c）为微型燃气轮机的有功功率PMT输出曲线，在3 s时其输出功率由40 kW变为80 kW；图8（d）为储能系统的有功功率PBT输出曲线，其输出功率的设定值为15 kW。由图可见，微型燃气轮机能快速调整其输出的有功功率，以满足负荷的需求，负荷变动对独立交流微电网内的频率和电压影响都很小，微电网系统能维持其电压和频率，因此，本系统的稳定性好。

图8 微型燃气轮机作主电源且负荷变动时的仿真曲线Fig.8 Simulative curves when microturbine is main source and load changes

3.2 储能系统在2种模式切换时的仿真

储能系统在2种模式切换时微电网系统的负荷为90 kW，在整个仿真过程中，光伏承担13 kW功率。在1 s时微型燃气轮机退出运行，储能系统由辅助电源变为主电源，储能系统由PQ控制变为Droop控制；在3 s时当微型燃气轮机启动后并且其电压频率和相角满足并网条件时，将其并入微电网内，储能系统由主电源变为辅助电源，储能系统由Droop控制变为PQ控制。

图9为这种情况下相关变量的仿真曲线。其中，图9（a）为额定频率fN=50 Hz时微电网系统的频率曲线；图9（b）为微电网系统的在1 s左右的三相电压曲线；图9（c）为微型燃气轮机再并入微电网，储能系统2种模式切换过程的三相电压曲线，由图9（b）、（c）可见，在切换前后微电网系统的频率和电压波动很小，实现了无缝切换；图9（d）为储能变流器的交直轴电流分量id、iq，三相电流经过坐标变换为交直轴的直流分量可以更直观地观察到整个切换过程；图9（e）为微型燃气轮机输出的有功功率，其在1 s前作为主电源，维持系统的电压和频率，输出功率为62 kW，1 s时退出运行，输出功率也就变为0，3 s时又并入微电网，输出功率为62 kW；图9（f）为储能系统的有功功率输出曲线，储能系统在切换前采用PQ控制，其输出的功率为额定值15 kW，在1 s时进行2种模式切换中，其输出功率迅速变为67 kW，来承担系统的负荷，即当其切换为Droop控制后，能维持系统的电压和频率稳定，在3 s时其由主电源变为辅助电源，由Droop控制变为PQ控制，输出功率变为15 kW。由此可见，当微型燃气轮机退出运行后及其再并网后，储能系统能迅速地进行2种模式切换，实现了对系统的影响时间尽量短，以及对电压和频率的无缝切换。

总之，由仿真曲线可见，本文中所搭建的独立交流微电网能够稳定运行，并且可以维持系统电压和频率的稳定，也能实现微型燃气轮机与储能系统之间无缝切换，达到预期目标。

图9 储能系统2种模式切换时的仿真曲线Fig.9 Simulative curves of switching between two energy storage system modes

4 结论

本文搭建了独立交流微电网模型，提出了微型燃气轮机和储能系统的协调控制方案，并且在PSCAD/EMTDC仿真软件上实现了微型燃气轮机和储能系统的控制，以及储能系统2种控制模式的无缝切换。仿真结果表明在负荷变化和微型燃气轮机故障2种情况下微电网系统的频率和电压均非常稳定，因此本文的协调控制方案具有一定的参考价值。