微电网并网同步控制策略研究

何大海，王茗萱，王建南，许 铎

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网营口老边区供电公司，辽宁 营口 115000；3.国网吉林供电公司，吉林 吉林 132000；4.国网长春供电公司，吉林 吉林 130000)

微电网并网同步控制策略研究

何大海1，王茗萱2，王建南3，许 铎4

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网营口老边区供电公司，辽宁 营口 115000；3.国网吉林供电公司，吉林 吉林 132000；4.国网长春供电公司，吉林 吉林 130000)

微电网运行方式分为孤岛运行和并网运行两种，当电网故障时微电网会自动的切换到孤岛运行方式，当电网运行恢复正常后，微电网需要重新并入电网中，并网过程需要尽量减小对电网的冲击。给出传统的微电网下垂控制器的设计方法，并在传统控制器基础上增加了能实现二次调频调压的同步控制器，能够实现微电网平滑快速并入电网的目的。最后通过仿真分析，验证本控制器的正确性和可靠性。

微电网；孤岛运行；并网；同步控制；二次调整

由于我国资源中心和负荷中心相距较远，长距离的高压输电不仅会产生很大的线路损耗，而且基础设施投入巨大，维护成本很高；美加大停电和我国南方冰雪天气导致的大规模停电都凸显出现有电网的可靠性不高，电能质量较低等问题，在电力系统发生故障时，重要的负荷会因为失去电力而产生难以估量的损失；同时用户与电力公司能量的双向流动性也是未来智能电网发展的需求。目前我国电力系统不允许电动汽车等负荷向电网输出功率，不能满足未来电网发展的要求。为了解决上述电网存在的问题，微电网的概念在近年来被提出。

微电网系统存在孤岛与并网两种典型的运行状态。正常情况下微电网与常规配电网并网运行，当常规电网发生故障或电能质量不符合要求时，微电网能够迅速主动地断开与电网的连接并切换到孤岛运行状态，以保证微电网区域内重要负荷的持续供电。当常规电网恢复正常时需要微电网重新并入电网中，在微电网并网过程中，电压幅值、频率、相角之间存在的差异，若强行并网将对电网带来冲击，影响电能质量，甚至造成保护的误动作，所以在微电网系统并网过程中需要采取合适的同步策略使得微电网对系统的影响最小。本文在传统准同期并网控制策略基础上提出一种改进的控制策略，能够实现微电网系统的快速准确的并网。本文在传统微电网下垂控制原理的基础上设计了一种改进的微网同步控制器，并通过在Matlab/Simulink上搭建仿真模型，对本文设计方案进行了仿真验证。

1 原理与设计

图1 微电网结构

1.1 微电网的结构

本文所研究的微电网系统拓扑结构如图1所示。图中PCC为公共节点处，源为电压源型逆变器，由三相PWM换流器和LCL型滤波器构成，控制器为基于静止坐标系的比例谐振控制器(PR)结构的电压电流双环控制构成，并通过采用广义积分器实现零静态误差，所带负荷为RLC并联负荷。当微电网系统并网运行时，由大电网提供电压和频率的支持，微电源采用PQ控制方式输出指定的功率；当微电网系统处于孤岛运行状态时采用P-f、Q-U下垂控制方式。

1.2 微电网并网条件

在微电网系统孤岛运行状态中，控制系统能够发出指令对微电源进行调节进而实现对系统频率和电压的调节，因此在微电网系统中也可以实现类似传统电网中的准同期并列操作。由于没有励磁调节器、旋转机械装置和调速系统，微电源具有惯性小、动态响应速度快的优点，但同时微电网系统对同步精度要求较高，必须对微电网的电压频率和相角进行调整。

图2 准同期并网向量图

表1 IEEE Std 1547-2003准同期参数限制

图3 电压电流双环控制器

并网前电网侧电压：

ug=Ugsin(ωgt+ψg)，

(1)

微电网侧电压：

um=Umsin(ωmt+ψm)，

(2)

其中：ωg为大电网角频率；ψg为大电网相角；ωm为微电网角频率；ψm为微电网相角，大电网与微电ug=Ugsin(ωgt+ψg)网相角差为Δφ。

并网瞬间电压向量,如图2所示。

(3)

因此，微电网并网的理想情况如下：

(1)电压幅值相等：Ug=Um；

(2)电压角频率相等：ωg=ωm；

(3)电网相角差为0。

理想情况很难达到，因此IEEE Std 1547-2003给出的准同期参数限制如表1。

1.3 电压电流双环控制器

准同期并网控制是在传统的微电网控制系统基础上加以改进，从而实现准同期并网功能。微电网控制系统包括功率控制，电压电流双环控制，下垂控制。三相系统经过派克变换后可转化成俩个独立系统，其原理如图3所示。

为了分析系统的闭环特性，用梅森公式结合图4求出图中传递函数为

(4)

其中：Vref为参考电压；io为输出电流；L为滤波电感值；C为滤波电容值。电压控制器、电流控制器的传递函数与PWM的脉冲调制延迟如下：

(5)

(6)

(7)

1.4 下垂控制器设计

并联电压源型逆变器系统中，电压环的参考电压Vref由下垂控制器合成。下垂控制过程中，相角和电压幅值分别有有功功率P和无功功率Q控制，因此要控制PQ的大小。下垂控制原理如下：

φ=φ*-GP(s)(P-P*)，

(8)

E=E*-GQ(s)(Q-Q*)，

(9)

(10)

式中：P*、Q*为有功与无功参考值，通常为0；GP、GQ为补偿函数，设置如下：

(11)

GQ(s)=kpQ，

(12)

其中：kiP、kpQ为系统的下垂系数；kpP为系统的虚拟惯性系数，系统闭环结构如图4所示。

图4 闭环结构图

图5 下垂控制器

下垂控制流程框图，如图5所示。传统的功率计算是在两相旋转坐标系下实现的，其原理如下：

(13)

(14)

本文中的功率计算模块为直接在αβ静止坐标系下求出P和Q，其关系式如下：

p=vcα·ioα+vcβ·ioβ，

(15)

q=vcβ·ioα-vcα·ioβ，

(16)

其中：vcαβ为电容电压；ioαβ为滤波电流。通过低通滤波器即可得到P和Q：

(17)

(18)

其中：ωc为低通滤波器的截止频率。通过以上分析可知参考电压为

vref=Esin(φ).

(19)

为验证本文设计的控制器有效运行，在Matlab/Simulink中搭建模型进行了验证，在0.1 s时突然增加20 kW有功，10 kvar无功时仿真结果图，如图6所示。

图6 公共母线电压波形图7 公共母线电流波形图8 电源1和电源2的有功波形图9 电源1和电源2的无功波形

图10 DSOGI-FLL

图6为微电网电压波形，由图6可知本控制器能实现对微电源的控制，使其发出标准电压，并且当负载突然变化时能迅速做出调节维持电压稳定。图7为负载侧电流波形，当0.1 s时负载接入系统产生电流。图8以及图9为微电网系统有功和无功变化波形，当负载增加时，下垂控制系统能快速对微电源进行调节实现功率均分，维持系统稳定。

1.5 二阶广义积分锁频环设计

本文在对PCC两侧的电网信息提取时使用了二阶广义积分锁频环(DSOFI-FLL)，DSOFI-FLL能够在电网含有非线性和不平衡负载时较为准确快速的估计出电网信息，减小误差保证控制的准确，保证微电网同步过程中的稳定性。DSOFI-FLL结构，如图10所示。

SOGI-QSG的传递函数为

(20)

(21)

由公式(20)、公式(21)可知，带通滤波器和低通滤波器均与k的值有关。因此可以通过设置k的值来改变滤波性能，k值越小滤波性能越好，但响应会变慢，本文中k取1.414，三相电压信号ug如图11所示。经本文设计的DSOGI-FLL处理后，能够正确提取出电压的正、负序分量，其结果如图12所示。

图11 三相电压ug波形图12 SOGI-FLL后得到正负序分量波形

图13 同步控制器

1.6 同步控制单元设计

检测单元能够检测微网与电网的电压幅值、频率以及相位信息，并利用DSOGI-FLL提取出静止坐标系下的电压正负序分量，再通过低速通信传递给下一级的控制单元。电压幅值及频率相角控制单元能够接受检测单元传递的信息，对信息进行计算得到PCC两侧电压幅值差、相位差、频率差，通过通信系统向微电网下垂控制单元传送二次调整信息，对微电源进行控制，实现对微电网电压和频率的控制。合闸控制单元会实时跟踪微电网与电网之间的同步状态，当电压幅值差、频率差、相位差接近零时，即满足并网条件时控制PCC公共开关实现微电网的同步并网。

2 仿真验证

本文中微电网首先运行至孤岛状态，其电压幅值为295 V，频率为50 Hz，电网电压为311 V，频率为49.7 Hz，在0.5 s时开始进行同步调整，仿真结果如图14所示。

由图14中微观放大图可知，当调节2 s-3 s后微网电压波形与电网电压波形基本重合一致，通过图15和图16可进一步得知，经过震荡衰减后在2.5 s后微电网频率稳定在49.7 Hz，由图17和图18可知2.5 s后相角差基本为0，用于调整相角的复合计算项经过震荡后衰减为0，因此本课题所设计控制器可以在微电网并网前对其进行二次调整，使其能够实现快速平滑的并网。

3 结 论

本文针对微电网并网同步问题展开研究，研究并设计出改进的微电网控制器，从实验结果可得本控制器能够实现基本控制器的功能即对微电网进行一次调节使得微电源能够发出标准电压，在此基础上本文增加的同步控制器可以在一次调节基础上实现二次调节，使得微电网电压、频率及相角与电网电压、频率及相角基本一致，与传统并网方式相比本文在微电网并网过程中能够更加快速的实现并网，且能够使得微电网对电网冲击最小。

[1] 黄伟，孙郝辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009，33(9)：15-18.

[2] C.Cho，J.H.Jeon，J.Y.Kim，et al.Active synchronizing control of a micro-grid[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，12(26)：3707-3719.

[3] 王宝诚，伞国成，郭小强，等.分布式发电系统电网同步锁相技术[J].中国电机工程学报，2013，33(1)：50-55.

[4] J.He，L.Yun .Hybrid voltage and current control approach for DG-grid interfacing converters with LCL filters[J].Trans.on Ind.Electron，2013，60(5)：1797-1809.

[5] 郜登科，姜建国，张宇华.使用电压-相角下垂控制的微电网控制策略设计[J].电力系统自动化，2012，36(19)：29-34.

[6] 邱麟，许烈，郑泽东，等.微电网运行模式平滑切换的控制策略[J].电工技术学报，2014，29(2)：172-176.

[7] 郑竟宏，王燕延，李兴旺，等.微电网平滑切换控制方法及策略[J].电力系统自动化，2011，35(18)：17-24.

[8] R.M.S.Filho，P.F.Seixas，P.C.Cortizo，et al.Comparison of three single-phase PLL algorithms for UPS applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(8)：2923-2932.

[9] 陈新，姬秋华，刘飞.基于微网主从结构的平滑切换控制策略[J].电工技术学报，2014，29(2)：163-170.

[10] G.M.S.Azevedo，F.Bradaschia，M.C.Cavalcanti，et al.Safe transient operation of microgrids based on master slave configuration[C].Proceeding of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，Phoenix，USA，2011：2191-2195.

[11] 马天舒，冯芳.基于复合储能的微电网运行的切换控制策略[J].东北电力大学学报，2016，36(3)：11-15.

StudyonControlStrategyforSynchronousGrid-ConnectionofMicro-Grid

HeDahai1，WangMingxuan2，WangJiannan3，XuDuo4

(1.Electric Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid Yingkou Laobian District Electric Power Supply Branch，Yingkou Liaoning 15000；3.State Grid Jilin Electric Power Supply Company，Jilin Jilin 132000；4.State Grid Changchun Electric Power Supply Company，Jilin Jilin 130000)

Micro-grid operation mode is divided into island operation and grid operation，When the grid goes in trouble，the micro-grid will automatically switch to the island operation mode，when the grid operation goes back to normal，the micro-grid will re-incorporated into the grid and this process needs to minimize the impact for the grid.In this paper，the traditional micro-grid droop controller design method will be given and a synchronization controller will be added on the traditional micro-grid controller which can can achieve the secondary adjustment function in order to make the Micro-grid re-incorporated into the grid faster and smoother.At last the correctness and reliability of the controller are verified through the simulation analysis.

Micro-grid；Island operation；Re-incorporated；Synchronous control；Secondary adjustment

2017-03-09

何大海(1991-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：微电网控制.

电子邮箱：420586480@qq.com(何大海)；577880558@qq.com(王茗萱)；504062445@qq.com(王建南)；xuduotim@126.com(许铎)

1005-2992(2017)06-0021-07

TM715

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