张野，郭力

(1. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080；2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)



基于下垂控制的微网无缝切换控制策略研究

张野1，郭力2

(1. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080；2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)

摘要：基于下垂控制的微网离网运行时，分布式电源需要根据本地的有功、无功负荷及下垂特性调整输出电压频率和幅值参考来实现微网的稳定运行和有功、无功负荷的合理分配，但下垂控制会导致微网并网点两侧电压相位和幅值不再一致，当微网由离网运行转换到并网运行时，如不采取一定的控制将导致并网瞬间出现较大的功率冲击，直接影响微网的电能质量和稳定运行。为此，提出一种基于下垂控制的微网无缝切换控制策略，利用分布式电源底层电压控制模式不变的特点，实现微网由并网运行到离网运行的平滑切换。通过第二层的电压频率恢复控制和改进的相位控制，大大减小微网由离网运行到并网运行切换瞬间的功率冲击。该策略不仅实现了微网内分布式电源的灵活接入，而且使整个微网实现了即插即用的功能。最后通过电磁暂态模拟程序软件和电力系统计算机辅助设计(electricmagnitictransientinDCSystemandpowersystemcomputeraideddesign,EMTDC/PSCAD)进行仿真计算，验证控制策略的有效性。

关键词：可再生能源；分布式发电；下垂控制；无缝切换；改进相位控制

太阳能、风能等可再生能源具有无污染、可再生、分布广等优点，逐渐成为未来世界能源结构的重要组成部分。可再生能源的接入技术吸引了国内外各研究机构越来越多的关注。作为可再生能源接入电网的重要形式之一。微网是指发电功率在数千瓦至50兆瓦、布置在用户侧的小型发电系统。微网一般包括分布式电源，如储能装置、能量变换装置、负荷、监控和保护装置等[1-2]。微网是一个能实现自身控制、管理和保护的自治系统，既可以并网运行，也可以离网运行。当外部电网发生故障或微网需要主动离网运行时，微网应迅速断开并网开关与外部电网脱离，转入离网运行模式；当外部电网恢复正常或微网需要主动并网时，微网应重新并入外部电网。微网运行模式的无缝切换是保证微网稳定运行和供电可靠性的关键[3]。

微网的控制模式决定其无缝切换控制策略。按离网时主电源控制方法不同，微网分主从和对等控制。主从控制是指微网离网运行时，只有单一的电源为整个微网提供恒定的电压频率参考；对等控制是指微网离网运行时，有2台以上的电源为整个微网提供电压频率参考，常见的控制方法为下垂控制方法。主从控制的微网在进行无缝切换控制时，需要从离网时的电压频率控制切换到并网时的P-Q控制，由于控制模式切换和运行模式切换不同步，并网瞬间容易出现较大的电流冲击[4-7]。对等控制微网在运行模式切换过程中，其底层电压控制策略不变，不需要控制模式的切换，只需采取一定的预同步控制就可减小切换过程的电流冲击。当对等控制的微网任何一台主电源发生故障，其他主电源可以继续为微网供电，可靠性较高。采用下垂控制时通过改变各个主电源的下垂系数就可以方便实现有功、无功负荷的合理分配。

张野，等：基于下垂控制的微网无缝切换控制策略研究综上所述，随着基于下垂控制的微网易于实现运行模式的无缝切换、供电可靠性高和易于实现有功、无功负荷的分配，越来越吸引了国内外学术界的广泛关注。文献[8-9]详细地介绍了多逆变电源无互连线的下垂控制方法，并通过小扰动稳定性分析给出主要控制参数的选取方法；文献[10]将功率微积分项加入到传统的下垂控制中，在不影响有功、无功负荷均分准确性的前提下，改善了下垂控制的动态效果；文献[11-12]针对低压微电网线路与传统高压输电线路阻抗比的不同而引起的功率耦合问题，提出了采用坐标旋转的虚拟功率控制策略，该方法通过坐标旋转正交变换矩阵，实现了功率的解耦控制，对传统方法进行了改进；文献[13]提出使用电压-相位下垂控制实现预定比例的负荷功率分配，它比电压-频率控制法提供更好的频率支撑；文献[14]提出基于下垂控制的微网无缝切换控制方法，给出了微网整体下垂控制的设计原则，通过引入同期控制减小了并网瞬间的功率冲击，实现微网运行模式的平滑切换；文献[15]借鉴电力系统的分层控制经验，综合微网电压频率控制、离网运行和并网运行的特点，提出适宜微网的分层控制结构。本文所提出的下垂控制方法是在传统有功-频率、无功-电压幅值下垂控制方法的基础上增加改进相位控制环节，实现微网离网模式到并网模式的快速平滑切换。

本文首先介绍了微网系统的构成和基于下垂策略的控制结构；第二，详细介绍了底层下垂控制的基本原理；第三，提出了微网并网转离网和离网转并网时的无缝切换控制方法；第四，通过PSCAD仿真模型验证控制策略的有效性。

1微网系统构成及其控制结构

典型微网系统与分层控制结构如图1所示。

从图1可看到，微网中的风力发电系统、光伏发电系统、储能系统经过各自的能量变换装置后将再生能源转换成工频交流电，再通过馈线连接到统一的微网交流母线处。其中，储能逆变器采用电压控制，负责为整个微网提供电压频率参考，并通过下垂控制进行有功、无功出力的合理分配；风力发电和光伏发电系统的变换器采用电流控制，实时跟踪风机和光伏电池的最大出力，实现可再生能源的高效利用。静态开关(statictransferswitch,STS)的闭合与断开分别对应微网的并网运行模式和离网运行模式。微网中的模式切换控制器通过采样STS两侧电压信号，并对STS和储能逆变器进行控制以实现微网运行模式的无缝切换。

借鉴大电网传统的三层调频结构，本文将微网系统的控制结构也分为3个层次：第一层控制为各个储能逆变器的下垂控制，主要用于响应快速的负荷变化并实现各储能逆变器间有功、无功出力的合理分配，控制速度最快；第二层控制为模式切换控制、并网时的联络线功率控制和离网时的电压频率控制，主要用于响应周期较长的负荷变化并实现微网的运行模式切换，该层控制由微网模式切换控制器实现，控制速度比第一层控制略慢；第三层控制为经济调度控制，由上位机实现，主要是根据发电计划、无功优化和负荷预测结果，计算各个储能逆变器的最优有功、无功出力，通过通信网络下发到底层储能逆变器控制器中，该层控制周期最长。对于不同的控制目标可以采用不同速率的通信通道，这种分层处理有利于多个控制目标的实现和微网经济效益的提高。

2底层下垂控制方法的基本原理

下垂控制是指微网在多逆变电源并联运行时，通过模拟传统同步发电机的运行特性，人为地使逆变电源的频率和电压幅值，按照一定的比例，根据输出的有功功率和无功功率进行调整，使各个逆变电源按照各自的容量分配有功、无功负荷。本文以简单供电系统为例来详细介绍下垂控制的基本原理。线路传输功率与电压矢量如图2所示。

假设功率由A端流向B端。线路传输视在功率(公式里的星号表示复数取共轭)

(1)

由于线路阻抗

(2)

式中：R为线路电阻；X为线路电抗。有功功率和无功功率

(3)

(4)

经过变换近似得

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，当线路电抗远大于线路电阻时，电压相位近似与线路流过的有功功率成正比，电压幅值近似与线路流过的无功功率成正比。由于相位为频率对时间的积分，因此可以得到传统下垂控制的基本公式：

(7)

(8)

式中：kP为频率下垂系数，kQ为电压幅值下垂系数，kP与kQ均为0到1之间的常数；f0为下垂曲线有功功率频率初值；P0为与其对应的有功功率参考值；E0为下垂曲线无功功率电压幅值初值；Q0为与其对应的无功功率参考值。下垂控制均分有无功功率的动态过程如图3所示。

图3中，微网中负荷发生变化时，若储能逆变器1出口与微网母线处的相位差δ1>δ2，则储能逆变器1输出有功功率P1>P2。由下垂曲线可知，此时储能逆变器1的参考频率f1

若储能逆变器1输出的无功功率Q1>Q2，由下垂曲线可知，储能逆变器1出口的电压幅值E1

3微网无缝切换控制

基于下垂策略的储能逆变器在微网系统模式切换的过程中可以维持逆变器电压控制的基本策略不变，易于微网实现并网转离网的切换。而离网转并网的切换与传统同步发电机投入并联的要求相同，通过模式切换控制器进行统一的电压幅值、频率和相位调整，达到同期要求后即可通过控制STS实现并网操作。

3.1并网转离网时的模式切换控制

基于下垂控制的储能逆变器并网运行时，由于配电网的频率恒定为工频50 Hz，因此只需改变下垂曲线工频对应的功率初值即可实现逆变器并网时的有功功率控制。但是由于微网馈线存在电压降落，采用Q-E下垂策略时，如果逆变器输出电压参考值不做调整，则会引起无功功率控制出现较大的偏差。具体控制结构如图4所示。

从图4可看到，并网时的储能逆变器无功控制为三层结构，内环为电压环，由逆变器端口电压幅值反馈和比例-积分(proportion integration, PI)控制组成；中间环为基于Q-E下垂曲线的计算环节；外环为无功功率环，由逆变器输出无功功率和PI控制组成。无功功率外环通过反馈调节实现逆变器输出无功功率的精确控制，消除了馈线压降的影响。

当微网中的储能逆变器采用下垂控制时，由于其内环为电压控制，直接断开微网的STS来实现并网转离网的操作，各逆变器根据下垂曲线和本地负荷进行微网电压频率和幅值的调整。转到离网运行时，无功外环不再起作用，把切换前的无功功率环PI结果保存下来作为Q-E曲线电压初值的一部分。

3.2离网转并网时的模式切换控制

离网状态下，微网并网要求与传统同步发电机投入并联的要求相同，都需要STS两侧电压幅值、频率和相位基本保持一致。本文提出利用微网模式切换控制器对STS两侧的电压信号进行测量，计算得到电压幅值差、频率差和相位差，并根据这些差值进行微网电压频率恢复控制和改进的相位控制，以实现微网离网运行到并网运行的平滑切换。

电压频率恢复控制是指通过微网模式切换控制器，利用STS两侧的电压幅值差和频率差进行PI调节，得到电压幅值改变量Einc和频率改变量finc1，与原有下垂曲线电压幅值参考值E0和频率参考值f0叠加得到新的参考值，平移下垂曲线，最终使整个系统稳定在新的运行点上。在不改变储能逆变器输出有功、无功功率的基础上实现了微网与配电网电压和频率的一致。

电压频率恢复控制结构如图5所示。

如图5所示，电压频率恢复控制后，当给定有功和无功负荷时，微网离网运行时的频率和电压幅值与配电网相同。

电压频率恢复控制完成后，开始第二阶段的改进相位控制。改进相位控制是指微网模式切换控制器根据微网与配电网的相位差进行PI调节，得到频率改变量finc2，与第一阶段的频率参考值叠加得到新的参考值。若微网电压相位滞后于配电网电压相位，则finc2>0；若微网电压相位超前于配电网电压相位，则finc2<0，微网与配电网之间的相位差都不断缩小。当相位差满足并网条件时，改进的相位控制结束，频率增量finc2置为0，finc1和Einc保存为前一时刻值叠加到原下垂曲线频率f0和电压幅值参考值U0上，此时微网模式切换控制器控制STS闭合完成离网转并网的切换。由于此时微网的电压幅值和频率与配电网一致，也就说微网储能逆变器输出的有功、无功功率与负荷消耗的有功、无功功率相等，因此并网瞬间联络线上的功率冲击较小，逆变器输出功率基本不变。

(9)

(10)

式中：fgrid、θgrid、Egrid分别为配电网电压的频率、相位和幅值，fmicrogrid、θmicrogrid、Emicrogrid分别为微网电压的频率、相位和幅值；Einc为电压恢复控制得到的下垂曲线电压初值改变量；kEP2、kEI2、kfP、kfI、kθP、kθI分别为电压控制环、频率控制环和改进相位控制环PI参数；finc1为频率恢复控制得到的下垂曲线电压频率改变量；finc2为改进相位控制得到的下垂曲线电压频率改变量，只在相位控制时起作用，当STS两侧电压相位满足并网条件时，finc2要置为0。因为并网瞬间的功率冲击与STS两侧的频率差、相位差和电压幅值差成正比，当STS两侧相位差和电压幅值差足够小时，并网瞬间的功率冲击主要与相位控制时导致的频率差成正比，频率差越大，逆变器输出功率变化越大，并网联络线功率冲击越大。

(11)

式中:Perror为离网转并网瞬间的有功功率变化量;N为储能逆变器台数。微网与配电网的频率差越大，并网瞬间功率冲击越大。式(11)中，

(12)

微网经过电压频率恢复控制后，其频率值与配电网电压频率额定值基本相同，因此并网瞬间的功率冲击是由相位控制引起的频率差导致的，采用本文的改进相位控制方法后，这部分频率偏差可以在并网前置零，减小了并网时的功率冲击。由式(11)和式(12)可得，并网瞬间的功率冲击与离网转并网的条件为

(13)

(14)

式中：ΔEmax、Δfmax、Δθmax为离网转并网时STS两侧电压允许的最大电压幅值差、频率差和相位差。如图6所示，离网转并网的模式切换控制是通过电压频率恢复控制和改进的相位控制来获得相应的频率和电压幅值初值改变量，再通过平移后的下垂曲线获得最终的电压频率和幅值参考值。当微网与配电网的电压满足式(14)所示的条件时，finc2置零，模式切换控制器控制STS闭合，完成并网操作。

4PSCAD仿真验证

在PSCAD仿真软件中搭建如图1所示微网系统模型。由于可再生能源出力在模式切换过程中基本不变，因此可以将其与负荷进行等效。仿真系统结构如图7所示。

图7所示微网系统包括2台储能逆变器、逆变器馈线、微网等效负荷和STS。其中储能逆变器包括直流母线电容、IGBT逆变桥和LCL型滤波电路，其中阻尼电阻用来抑制LCL型滤波器的高频谐振。储能逆变器采用下垂控制，并能接收模式切换控制器发出的指令，改变下垂曲线的初值。微网系统数据见表1。

表1微网系统参数

离网转并网的模式切换控制。算例开始时逆变器1带微网负荷启动；在0.5 s时，逆变器2投入运行，与逆变器1均分有功和无功功负荷；在1.6 s时启动电压幅值和频率恢复控制；在2.2 s时，启动改进的相位控制；在2.7 s时，并网条件满足，finc2置为0，模式切换控制器控制STS闭合，完成离网转并网的切换。

如图8所示，2台逆变器稳态和动态均分有功和无功负荷的效果较好，且离网转并网瞬间逆变器输出功率变化很小，改进相位控制效果明显。0.5 s时逆变器2投入运行后，2台逆变器开始有功负荷和无功负荷均流；约0.7 s时两台逆变器输出电压频率和幅值基本相同，有功和无功负荷实现均流；1 s时启动电压频率恢复控制后，电压频率和幅值接近额定值，其值与额定值存在很小的误差；2.2 s时改进相位控制启动后，2台逆变器频率值不断减小，并网前改进相位控制引起的频率变化量清零，并网瞬间逆变器输出频率和电压幅值波动都很小；2.7 s时两电压基本重合。由此可见，采用电压频率恢复控制和改进相位控制可以大大减小因频率、电压幅值和相位不一致而导致的并网瞬间功率冲击，实现微网离网到并网的平滑过渡。

5结束语

本文详细介绍了下垂控制的基本原理及并网和离网时的下垂控制实现方法。在此基础上，提出基于下垂控制的微网无缝切换控制，通过并网无功功率外环积分项结果保存至底层电压控制，实现微网并网到离网的平滑过渡；再通过离网时的电压频率恢复控制和改进的相位控制实现微网离网到并网的无缝切换，避免并网瞬间的功率冲击，提高了微网的稳定性。本文基于分层的思想，将基于下垂控制的微网控制结构分为三个层次，主要介绍了底层的下垂控制和第二层的模式切换控制。底层的下垂控制由逆变器控制器实现，第二层的模式切换控制由微网模式切换控制器实现。PSCAD仿真结果表明，本文所提方法可以实现微网并网转离网和离网转并网的无缝切换，控制逻辑清晰，切换过程功率冲击较小，但上层模式切换控制需要增加微网总体的通信成本，微网的经济效益有所降低。

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ResearchonSeamlessTransferControlStrategyforMicro-gridBasedonDroopControl

ZHANGYe1,GUOLi2

(1.ElectricPowerResearchInstitute,CSG,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.KeyLaboratoryofSmartGridofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Keywords：renewableenergy;distributedgeneration;droopcontrol;seamlesstransfer;improvedphasecontrol

Abstract：Whenthemicro-gridbasedondroopcontrolisinoff-gridrunning,outputvoltagefrequencyandamplitudeisadjustedfordistributedgeneration(DG)accordingtolocalactiveload,reactiveloadanditsdroopcharacteristic,whichmayrealizestableoperationofthemicro-gridandreasonabledistributionofactiveandreactiveloads.Butdroopcontrolmaycausenolongerinconsistenceofvoltagephaseandamplitudesattwosidesofthegrid-connectedpointofmicro-grid.Andwhenthemicro-gridtransferstogrid-connectionrunning,largerpowerimpactmaybecausedinaninstantofgrid-connectionifnocontrolisperformedwhichmaydirectlyaffectpowerenergyqualityandstabileoperationofthemicro-grid.Therefore,thispaperproposesakindofseamlesstransfercontrolstrategybasedondroopcontrolforthemicro-gridwhichmakesuseofcharacteristicofvoltagecontrolmodeinthebottomofDGbeingfixedtorealizesmoothswitchofmicro-gridfromgrid-connectionrunningtooff-gridrunning.Bymeansofrecoverycontrolonsecond-levelvoltagefrequencyandimprovedphasecontrol,powerimpactinaninstantoftransferfromoff-gridrunningtogrid-connectionrunningofthemicro-gridisgreatlyreduced.ElectricmagnetictransientinDCsystemandpowersystemcomputeraideddesign(EMTDC/PSCAD)softwareisusedforsimulatingcalculationanditisverifiedvalidityofthiscontrolstrategy.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.004

收稿日期：2015-11-05修回日期：2015-12-25

基金项目：南方电网科学研究院有限责任公司青年创新基金资助。

中图分类号：TM727

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)04-0022-07

作者简介：

张野(1986)，男，辽宁锦州人。工程师，工学博士，从事分布式发电及微网技术领域的研究。

郭力(1981)，男，山东济宁人。副教授，工学博士，硕士生导师，从事分布式发电及微网技术领域的研究。

(编辑王夏慧)