基于混合旋转参考框架的控制方法，实现并网模式与独立运行模式之间的无缝切换

双模式切换下微电网同步控制策略研究，提出混合旋转坐标系同步方法解决暂态电流、耦合和非线性问题，通过PI双闭环降低计算负担并满足ROCOF要求，仿真与HIL测试验证有效性。

　　

迪帕克·格赫洛特（Deepak Gehlot）| 肖比克·穆克吉（Shoubhik Mukherjee）| A.S. 克里希纳普里亚（A.S. Krishnapriya）| 穆克什·K·帕塔克（Mukesh Kr. Pathak）

电气与电力电子实验室，BHEL公司研发部，海得拉巴，特伦甘纳邦，印度

摘要

为了确保关键资源获得可靠且持续的电力供应，微电网在孤岛模式和并网模式之间无缝切换至关重要。这些微电网主要由分布式能源资源（DERs）组成，这些资源通过电力电子转换器进行集成，根据运行条件可以作为并网形成（GFM）单元或并网跟随（GFL）单元运行。虽然这种双控制方法具有显著优势，但每次模式切换都会产生瞬态干扰和电流冲击，同时还会引发稳定性问题。现有的大多数切换方法基于PLL、降压（droop）或自适应方法，这些方法涉及多个紧密连接的控制环路，增加了计算负担，并在电压和频率调节之间产生了交叉耦合，从而导致模式切换时的瞬时电流冲击。

为了克服这些挑战，本研究提出了三项主要贡献：首先，提出了一种基于旋转参考框架的同步策略，该策略在并网到孤岛切换时计算负担最小，能够有效解决瞬态、交叉耦合和非线性问题；其次，提出了一种同步控制器调优方法，确保频率变化率（ROCOF）阈值低于1 Hz/sec，从而减少电流瞬态；第三，实现了一种混合控制框架，以最小化并网重连时的频率偏差。为了验证所开发的控制方法，使用了MATLAB进行了全面仿真，并进行了硬件在环（HIL）测试。

引言

分布式发电（DG）通过电力电子转换器的集成程度不断提高，正在将电力网络从集中式和单向式转变为分散式和双向式。这促使人们针对不同的运行条件（包括故障情况）开展大量研究，以改进DERs的利用效率及其电力质量以及系统的稳定性。在这方面，集成有电池储能系统（BESS）的微电网越来越受到青睐，因为它们能够提高系统的韧性、可靠性和运行灵活性。此外，这些微电网还有助于实现可持续发展目标，降低排放并提高能源效率。

微电网运行中的一个关键挑战是在并网模式和孤岛模式之间实现无缝切换。当微电网与主电网连接时，电力电子转换器处于并网跟随（GFL）模式。然而，在从并网模式切换到独立孤岛模式的过程中，一个或多个转换器需要将其运行模式切换为并网形成（GFM），以维持和调节微电网内的电压水平和频率。每次模式切换都可能由于控制方案的重新配置而给控制系统引入显著瞬态，进而可能降低电力质量，更重要的是影响系统稳定性。

一般来说，现有的同步研究可以分为五大类：基于PLL的方案、降压/虚拟阻抗和VSG启发式控制器、自适应和分层方法、基于信号处理/估计的方法以及优化驱动或多层控制框架。每种方法都有其优势，但在高ROCOF条件、非线性系统动态和弱电网环境下也存在一些共同的限制。

传统的同步方案[[1], [2], [3], [16]]利用了集成有频率、电压和相位环路的PLL[[10], [11], [12], [27]]。其他扩展方法包括基于PI的主动/被动同步[26]、改进的二阶广义积分器（eSOGI）、FLL[[22], [23], [24]]和双环布置[36]。基于PLL的方法及其衍生技术因其实现简单且与现有转换器控制架构兼容而得到广泛应用。然而，这些方法存在环路耦合、动态响应迟缓、对瞬态扰动敏感以及在高ROCOF下的问题。大多数技术依赖于参考角度的阶跃切换，在重新连接到弱电网时会导致相位跳变和大的瞬态电流。

另一种方法基于电压-频率降压特性、虚拟惯性或虚拟阻抗成形进行同步[4,15,35]。这些方法试图模仿同步发电机的行为，从而实现比例共享和平稳的切换。然而，在弱电网环境下，基于降压的同步和VSG启发的同步[9,17]仍存在困难，因为虚拟阻抗难以调节，而PLL依赖性可能重新引入不稳定。事实上，多项研究报道了较大的频率下降和较慢的稳定时间，以及对负载变化的敏感性。通用降压[13,18,21,28]和角度-降压控制器[20]提供了更大的灵活性，但仍无法满足严格的ROCOF要求。最近的研究探索了自适应辅助控制器、分层微电网协调[38]和分布式平均比例-积分（DAPI）[39]同步。这类方法通过通信辅助的共识机制协调多个DERs。虽然这类方案具有更好的可扩展性和韧性，但仍受通信延迟、重载时收敛速度慢以及同步控制器设计不够详细等限制。在高干扰水平下，分布式共识环路[25]可能变得不稳定，特别是在多母线或网状微电网拓扑中。一些研究通过使用PSWD[6]、滑动Goertzel滤波器[14]、最优卡尔曼PLL[19]或θ-传递方案[40]等信号处理工具来提高同步精度。尽管这些方法可以提高抗噪声能力或检测速度，但它们在面对谐波失真、参数敏感性和突然的θ切换时仍不够稳健，导致重新连接时产生大的瞬态电流。

较新的研究使用机器学习分类器、最优同步参考框架估计或元启发式算法[34,37]来调整同步参数。多层级联控制器通过分散控制目标进一步提高了鲁棒性。然而，这些方法计算复杂度高、通信负担重且依赖于算法调优，因此在实时应用中仍存在局限性。

如表1所示，尽管有这些贡献，但仍存在一些研究空白：i) 大多数研究仅关注涉及单个DER的切换分析，忽略了高ROCOF对多个转换器之间相互作用的影响，可能导致功率角摆动和潜在的不稳定性；ii) 交叉耦合和非线性动态问题尚未得到满意解决，从而限制了实际稳定性；iii) 切换过程中的瞬态电流仍然很高，限制了其对敏感负载的应用；iv) 虽然混合方案具有鲁棒性，但成本更高且实施难度较大；v) 缺乏关于同步控制器设计和调优的系统指南；vi) 尚未开展关于同步控制器稳定性的研究。综上所述，需要一个能够有效平衡鲁棒性、简单性和适应动态运行条件下无缝切换能力的同步框架。

本文实现了一种基于旋转参考框架的简化混合同步策略，计算负担最小。采用该策略后，减少了瞬态过电流、控制中的非线性以及同步变量之间的交叉耦合。即使在高ROCOF下也能保持稳定，确保模式切换期间的稳定可靠运行。所开发的方法可以应用于微电网中的多个转换器，使其具有可扩展性（包括多个DERs）。

本文的其余部分结构如下：第二节描述了研究系统及其控制方式；第三节介绍了并网到孤岛及反向切换的方案；第四节概述了同步控制器的调优方法；第五节展示了仿真和硬件在环测试结果；第六节总结了主要发现并总结了研究。

系统描述

系统描述

本研究仅分析了两个转换器的情况；然而，所提出的方法不限于转换器的数量，可以扩展到更大的系统。集中式控制策略适用于具有多个转换器的微电网，只需低带宽通信即可实现协调。

研究中的微电网简化单线图如图1所示。该系统包括两个500 kVA的转换器，它们连接到电池和直流光伏系统。

同步控制

表2总结了IEEE Std. 1547-2018规定的并网和断开事件期间频率、电压和相位角偏差的限值。

尽管IEEE 1547-2018规定的限值适用于基于同步发电机的系统，但对于基于转换器的系统来说并不适用，因为这些系统的惯性较低、过载能力有限且动态响应较快。在电压幅度与电网相同的500-kW逆变器系统中，即使是较小的相位差也会……

微电网同步的混合PLL方法

讨论了一种混合PLL框架，其中只有当电网和微电网电压向量之间的瞬时相位差低于20°时才激活同相同步环路（PSL）（在这个范围内，sin输出与角度大致成正比关系；如果限值更高，则可能导致频率瞬态跳变；如果限值更低，则进入误差窗口所需的时间更长）。这避免了传统方法的问题……

同步控制特征值分析

本节通过分析控制器特征值和小信号建模来验证所提出的同步控制的稳定性。

所提出系统的状态空间模型使用一阶微分方程构建，如（8）和（9）所示，其中包含输入、输出和状态变量，状态变量是一组描述系统瞬态动态条件的最小独立量。结合系统输入后……

所提出控制器的硬件在环（HIL）测试

使用Opal-RT OP5700进行了硬件在环（HIL）仿真，以验证所提出的控制方案。RT-LAB模型包括电池、基于降压的GFM转换器、光伏（PV）转换器、R–L负载和电网，所有组件的时间步长为2.5 μs。控制器在TMS320F28379处理器上实现，中断率为250 μs。

同步算法在电网和微电网条件不匹配的情况下于51.28秒启动。

结论

本研究提出了一种简化的同步控制方法，旨在实现并网和微电网操作之间的平滑切换，同时解决了ROCOF、交叉耦合和非线性问题。通过采用混合旋转参考框架和两个PI控制环路，系统有效减少了瞬态和计算开销，即使在负载变化较大时也能保持稳定性能。HIL测试验证了系统的有效性。

CRediT作者贡献声明

迪帕克·格赫洛特（Deepak Gehlot）：撰写——原始草案、方法论、调查、概念化。 肖比克·穆克吉（Shoubhik Mukherjee）：调查。 A.S. 克里希纳普里亚（A.S. Krishnapriya）：方法论、概念化。 穆克什·K·帕塔克（Mukesh Kr. Pathak）：撰写——审阅与编辑、概念化。