基于相位差分的微电网同步并网切换的研究

王祥如，徐晓冰，孙 伟

（1.阜阳职业技术学院 工程科技学院 安徽 阜阳 236012；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009）

基于相位差分的微电网同步并网切换的研究

王祥如1，徐晓冰2，孙 伟2

（1.阜阳职业技术学院 工程科技学院 安徽 阜阳 236012；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院 合肥 230009）

提出一种基于相位差分算法的同步并网控制策略，通过相位差的计算来预测微电网是否达到并网的要求，使微电网实现快速、平滑并网。仿真结果验证了该方案的有效性。

相位差分算法；预同步控制方法；平滑并网

在微电网与大电网同步并网过程中，协调控制各分布式电源以及实现平滑的并网控制等关键技术亟需解决。

国内外的一些学者在关于微电网的控制方式及同步并网策略做了研究，文献[1]构建了含电压源型逆变器（VS）接口和同步发电机组（SG）接口的微电网模型，通过改进SG接口输出所需机械功率及励磁电压驱动电机运行，实现功率输出自我调整，并设计静态开关实现了微电网与大电网的无缝转接。文献[2]采用了无联络线的下垂控制方式，可实现微电网从联网模式到孤岛模式的平滑转换，并配置电力系统稳定器以提高稳定性。但是文中都没有准确地测量两侧电网的数据，使得出现并网延时。

本文主要针对含多种分布式电源的微电网并网平滑切换展开研究，采用相位差分算法进行同步并网预测控制，并运行Matlab Smulnk仿真，结果验证了该算法预测并网的有效性。

1 微电网结构及控制方法

典型的微电网包含柴油发电机组、光伏、风电等分布式电源以及一些本地负荷[3]。该系统采用的协调控制策略是改进的对等控制，柴油机采用无差控制，维持微电网的频率和电压稳定，光伏阵列和风力发电机均采用PQ控制，并配有最大功率点跟踪模块。同步控制器用于控制微电网是否与大电网并网。当满足并网条件，则转换开关闭合，实现并网。构建的同步控制器模型结构如图1所示，检测的大电网和微电网两侧三相电压经过滤波、信号调节之后，通过锁相环求出幅值、频率和相位，检测两边差值是否达到并网条件，若达到标准，则给断路器发送触发信号，微电网与大电网并网运行；若不符合并网条件，确定补偿给柴油机的电压和角频率，并重新检测大电网和微电网侧三相电压，其中比较器中准同步检定要求按照表1中参数限制。

图1 同步控制器模型结构

表1 准同步参数限制

2 同步信号检测及预处理

由于电力电子器件的广泛应用、可再生能源接入电网的随机性、间歇性以及大量的非线性负荷的接入，电力系统中信号的成分日益复杂，电网中出现高次谐波、三相电压不对称等现象，严重时会影响到信号测量的准确性，有必要对被测电网信号进行滤波，对称三相电压相序调整等预处理。

2.1 电压滤波及参数选择

在大电网和微电网侧三相电压进入同步器之前分别添加了LC滤波器[4]，电感L可按公式（1）选取：

式中：Uak为直流母线电压（V），Em为交流电压幅值（V），Ts为开关周期（s），Δimax为滤波电感电流的最大纹波脉动量。

电容可根据基波频率和载波频率设计：

式中：fn为基波频率，f0为滤波器谐振频率，fs为载波频率。

2.2 虚拟对称三相电压的相序调节

由于负载的不对称以及分布式电源的存在，会出现三相电压的不对称。因此采用信号调节器，利用正序相量创造出和原始三相电压相同幅值的虚拟三相对称电压，利用此虚拟三相对称电压就可以准确计算出原始电压的幅值与相位[5]。

图2 三相不对称电压与虚拟对称电压比较图

如图2（a）是三相电压不对称情况，其中正序相量V1由式（3）计算得出：

式中a=1∠120°=ej(2/3)π。

根据V1的幅值和相位，并按照式（4）创造出如b图中的对称的虚拟三相电压代替原三相电压：

图3显示了含多种谐波的三相电压、经信号调节器之后的波形及既滤波又经过信号调节后的波形对比图。

图3 波形对比

由图中可看出，经过改进的滤波器和信号调节器之后的波形(图3最上边图)比仅仅通过信号调节后的波形更平滑，有利于维持系统稳定和平滑并网。

3 基于相位差的预同步控制方法

对同步信号进行预处理后，为了微电网同步并网达到准同期并网要求，还需要测量两侧电网电压的幅值差、相位差和频率差。由于微电网与大电网之间的断路器闭合有一定时间延迟，所以估计差值时还需要考虑断路器闭合延迟时间。

3.1 三相电压幅值差、频率差和相位差计算

应用坐标变换的方法先将大电网和微电网两侧三相电压变换到d、q坐标轴参考系，然后计算出三相电压的幅值，并分别计算它们相对于参考轴的相位，根据矢量关系可得两侧三相电压的相位差[5]。三相电压到d-q两相变化如式（5）所示，

其中变换矩阵

式（5）中，ud和uq轴以角速度wr旋转，所以在旋转的ud和静止的uq之间的角度按照公式（7）定义

由于仅需要测量大电网和微电网两侧三相电压幅值差和相位差，因此可以利用式（7）用额定参考角速度（50 Hz时100π[rad/s]）计算(θr)，并且执行变换，再利用虚拟锁相环提供50 Hz额定频率。原始信号的幅值和相位可以通过（8）式和（9）式来计算，计算出三相电压和旋转参考坐标系之间的幅值差和相位差。

设电力系统的三相电压为(VA,VB,VC)，同步发电机的三相电压为(Va,Vb,Vc)。通过park变换，可以求出和，电压差(Vdiff[V])可以按如下计算：

VA和Va的相位差θs(rad)可以如下测出

两电压之间的转差频率Fs可如下计算

3.2 基于电压差分法的预测

图4是基于电压误差的差分信号估计，求得斜率，以相位差为例来说明其计算方法。将发送给断路器闭合信号的瞬间（设为k时刻）到断路器实际闭合的瞬间相位差信号变化近似为一条直线，其斜率等于k时刻与前一采样时刻k-1时刻之间差值变化的斜率。

图4 随时间变化的相位变化

计算公式如（13）

4 微电网同步并网切换仿真实验

在Matlab Smulnk仿真平台上构建微电网仿真模型。包括柴油机、光伏发电系统、风力发电系统、断路器、同步控制器等。该模型中包含的同步控制器模块的内部结构如图5所示。同步控制器模块在并网预同步过程中，通过LC滤波器和信号调节器对大电网和微电网三相电压信号处理后，再通过坐标变换，求出微电网和大电网的电压幅值差、相位差和频率差。然后进行准同期标准检定，若达到同步并网标准，则闭合断路器，微电网开始与大电网并网运行，若达不到并网标准，则将大电网与微电网的幅值差和频率差以补偿信号的形式发送给柴油机，柴油机调节频率和电压，协调控制微电网运行状态，使其尽快达到并网标准。

图5 同步控制器模块的内部结构

差分法仿真实验的初始参数设置。电网：母线电压为380 V；光伏发电系统：工作在最大功率点处，额定容量为10 kVA；风力发电机保持恒功率运行；柴油机：额定容量为50 kVA；负荷1：有功功率为20 kW；负荷2：有功功率为10 kW，无功为1 kVar；可控负荷1：功率为5 kW；可控负荷2：功率为3 kVar。

由柴油机、光伏电池和负荷组成的微电网系统通过断路器、变压器与22.9 kV，50 Hz的无穷大电网相连，采用相位差分估算法对相位差进行预测，并就对与大电网同步切换情况进行仿真分析。

微电网开始处于孤岛运行状态，此时微电网内各设备状态为柴油发电机接入，光伏发电接入，风力发电接入，负荷1，负荷2接入，可控负荷1，2接入；在A点处，切除可控负荷1；在B点处，切除可控负荷2；在C点处，微电网与大电网达到并网条件，转为并网运行，断路器闭合时间延迟设为30 ms。

图6和7为采用相位差分法时的微电网侧频率和母线电压V的变化情况，其中，Fg为大电网频率，Fmg为微电网频率。当负荷变化时，微电网频率和电压随负荷相应变化，在0～C阶段微电网频率和电压经过不断的调整和预测，最终在C点达到并网条件，微电网与大电网同步并网运行。

图6 微电网与大电网频率

图7 微电网与大电网电压

由仿真结果可以看出相位差分法能较准确预测相位差的变化，实现微电网由孤岛向大电网并网的平滑切换。

5 结论

本文针对含有多种分布式电源的微电网系统，提出了一种基于相位差分法估计相位差的平滑并网控制策略，实现了微电网快速、平滑并网。

[1]高晓芝，李林川，张 蕾.含电压源型逆变器和同步电机接口的微网控制[J].电力系统保护与控制，2012，40（23）：145-150.

[2]张 丽，徐玉琴，王增平，等.包含同步发电机及电压源逆变器接口的微网控制策略[J].电网技术，2011，35（3）：170-176.

[3]Cho C,Kim S K,Jeon J H,et al.New deas for a soft synchronzerappled to CHP cogeneraton[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2011,26(1)：11-21.

[4]秦 臻，张海燕，徐 强，等.微电网中电压型逆变器滤波器研究[J].电力学报，2015，30（3）：243-246.

[5]李福东，吴 敏.微网孤岛模式下负荷分配的改进控制策略[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：18-25.

Research on synchronous grid-connecting of micro grid based on phase difference

WANG Xiang-ru1,XU Xiao-bing2,SUN Wei2
（1.School of Engineering,Fuyang Vocational and Technical College，Fuyang Anhui236012,China；2.School of Electrical Engineering and Automation,Hefei Universty of Technology，Hefei Anhui230009，China）

This paper presents a grid-connecting control strategy based on phase difference algorithm,which judges whether the micro grid meet the requirement of grid-connecting by calculating the phase difference.It can realize the smooth and quick grid-connecting.The simulation result verified the effectiveness of the scheme.

phase difference algorithm;synchronous control method;smooth grid-connecting

PM7

：A

：1004-4329（2016）04-023-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-023-04

2016-09-07

国家自然科学基金（51307041）资助。

王祥如（1966- ），女，学士，实验师，研究方向：工业电气自动化、电力拖动自动控制。