考虑非计划孤岛的分布式电源无缝切换控制策略
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
东北电力大学电气工程学院的研究人员钟诚、魏来、严干贵、贾祺，在2017年第9期《电工技术学报》上撰文指出，为提高本地负载的供电安全,分布式发电(DG)并网逆变器需要工作在并网和离网两种状态,且能无缝切换。提出一种综合的DG无缝控制策略。
针对非计划孤岛DG从并网切换离网状态存在失控区域,易引起本地负载电压和频率越限问题,提出采用P-σ、Q-v解耦的非线性控制,实现失控期间的直接电压限幅;提出结合锁频环和去除积分前向通道的锁相环,在不影响锁相环动态特性基础上,实现失控区域的频率限幅。
另外,在该控制结构基础上提出一种虚拟并网的预同步方法,避免并网开关闭合时内外环失配,改善并网过渡过程。基于RT-LAB的硬件在环仿真验证了该策略的有效性。
为应对一次能源短缺和环境污染问题，分布式发电(Distributed Generation，DG)逐渐兴起并得到广泛关注。近年来，为提高DG对电网的适应性和本地重要负荷的供电安全，“双模式逆变器”和“无缝切换”概念被提出，即要求DG能够同时工作在并网模式和孤岛(离网) 状态，且能在两种状态之间平滑过渡。
目前，大部分的无缝切换控制策略是基于模式切换思想。在并网状态时DG工作在恒功率控制模式，而离网时工作在恒电压控制模式，并/离网状态切换时需转换控制模式。
文献［2，3］中提出状态切换时，将并网状态下的电流控制器输出值传递给离网电压控制器作为积分初值，避免控制量突变而产生畸变; 文献［4，5］通过修改锁相环来平滑模式切换过程; 文献［6］采用无锁相环结构，改善微电网从孤岛切换到并网的同步过程; 文献［7］采用虚拟同步机控制 (Virtual Synchronous Generator，VSC)和PQ控制环并行运行方式，在状态切换时刻选择相对应控制器的输出量来控制逆变器; 文献［8］提出基于电压、电流加权的平滑控制方法，来抑制切换时的控制量突变 ; 文献［9］在模式切换过程中插入abc坐标系控制模式，改善电网电压不对称故障时的切换过程。
上述方法都需要准确的孤岛时刻来进行控制模式转换或引入过渡控制。但当电网发生非计划孤岛时，受孤岛检测时间、开关动作时间等影响，很难确切地获取孤岛发生时刻［10，11］。
一些学者致力于提出控制模式自动切换的无缝切换控制策略。文献［10，11］提出dq坐标系下的电容电压间接控制策略，通过控制电容电压来间接控制并网电流，当发生非计划孤岛时，通过限幅器来避免电压越限; 文献［12］也采用间接控制，不同之处是该文献直接控制负载电压，且增加电容电流内环来改善控制稳定; 文献［13］提出一种统一控制策略，并网时，电压外环自动饱和失效，DG工作在电流控制模式，而孤岛发生电压外环退出饱和，DG工作在电压控制模式。
另外，一些学者提出DG的单模式控制策略，在并网/离网状态采用相同的控制策略。文献［14，15］采用非线性下垂控制，减小切换过程中电压/频率波动; 文献［7，1618］采用基于虚拟同步机思想的控制策略。
但是，该类方法的并网功率外环通常是开环控制，对单个DG系统而言，较难保证其并网功率和离网电压恒定，更适合多个DG 微电网场景。
综上所述，为改善单个DG在非计划孤岛下时的切换过程，本文提出基于P-σ、Qv解耦的间接电流控制策略及相应的改进锁相环方法。相比于文献［9，10］中的间接控制方法，本文方法可直接限制非计划孤岛切换过程中的电压幅值和频率。另外，在该控制策略基础上提出一种虚拟并网的预同步方法，简化了控制结构和改善了DG并网过渡过程。
图4 锁相环方法
结论
本文围绕单DG系统的无缝切换进行研究，主要贡献为：
1)受孤岛检测延时影响，DG系统在并网切换离网状态存在失控区域而导致 PCC节点电压越限。本文提出采用Pf、Qv控制结构，直接限制失控期间的电压变化幅值; 提出结合去除积分前向通道的PLL和锁频环，在不影响PLL动态特性前提下，限制失控期间的频率变化幅值。
2)为改善DG离网切换并网过程的并网电流暂态调整过程，本文在Pf、Qv控制结构基础上的提出虚拟并网的预同步方法，避免并网瞬间的内外环失配现象，且无需增加额外的预同步控制器。