何大海，王茗萱，王建南，許 鐸

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)營口老邊區(qū)供電公司，遼寧 營口 115000；3.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132000；4.國網(wǎng)長春供電公司，吉林 吉林 130000)

微電網(wǎng)并網(wǎng)同步控制策略研究

何大海1，王茗萱2，王建南3，許 鐸4

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)營口老邊區(qū)供電公司，遼寧 營口 115000；3.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132000；4.國網(wǎng)長春供電公司，吉林 吉林 130000)

微電網(wǎng)運行方式分為孤島運行和并網(wǎng)運行兩種，當電網(wǎng)故障時微電網(wǎng)會自動的切換到孤島運行方式，當電網(wǎng)運行恢復(fù)正常后，微電網(wǎng)需要重新并入電網(wǎng)中，并網(wǎng)過程需要盡量減小對電網(wǎng)的沖擊。給出傳統(tǒng)的微電網(wǎng)下垂控制器的設(shè)計方法，并在傳統(tǒng)控制器基礎(chǔ)上增加了能實現(xiàn)二次調(diào)頻調(diào)壓的同步控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)平滑快速并入電網(wǎng)的目的。最后通過仿真分析，驗證本控制器的正確性和可靠性。

微電網(wǎng)；孤島運行；并網(wǎng)；同步控制；二次調(diào)整

由于我國資源中心和負荷中心相距較遠，長距離的高壓輸電不僅會產(chǎn)生很大的線路損耗，而且基礎(chǔ)設(shè)施投入巨大，維護成本很高；美加大停電和我國南方冰雪天氣導(dǎo)致的大規(guī)模停電都凸顯出現(xiàn)有電網(wǎng)的可靠性不高，電能質(zhì)量較低等問題，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，重要的負荷會因為失去電力而產(chǎn)生難以估量的損失；同時用戶與電力公司能量的雙向流動性也是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的需求。目前我國電力系統(tǒng)不允許電動汽車等負荷向電網(wǎng)輸出功率，不能滿足未來電網(wǎng)發(fā)展的要求。為了解決上述電網(wǎng)存在的問題，微電網(wǎng)的概念在近年來被提出。

微電網(wǎng)系統(tǒng)存在孤島與并網(wǎng)兩種典型的運行狀態(tài)。正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，當常規(guī)電網(wǎng)發(fā)生故障或電能質(zhì)量不符合要求時，微電網(wǎng)能夠迅速主動地斷開與電網(wǎng)的連接并切換到孤島運行狀態(tài)，以保證微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)重要負荷的持續(xù)供電。當常規(guī)電網(wǎng)恢復(fù)正常時需要微電網(wǎng)重新并入電網(wǎng)中，在微電網(wǎng)并網(wǎng)過程中，電壓幅值、頻率、相角之間存在的差異，若強行并網(wǎng)將對電網(wǎng)帶來沖擊，影響電能質(zhì)量，甚至造成保護的誤動作，所以在微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)過程中需要采取合適的同步策略使得微電網(wǎng)對系統(tǒng)的影響最小。本文在傳統(tǒng)準同期并網(wǎng)控制策略基礎(chǔ)上提出一種改進的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的快速準確的并網(wǎng)。本文在傳統(tǒng)微電網(wǎng)下垂控制原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種改進的微網(wǎng)同步控制器，并通過在Matlab/Simulink上搭建仿真模型，對本文設(shè)計方案進行了仿真驗證。

1 原理與設(shè)計

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

本文所研究的微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中PCC為公共節(jié)點處，源為電壓源型逆變器，由三相PWM換流器和LCL型濾波器構(gòu)成，控制器為基于靜止坐標系的比例諧振控制器(PR)結(jié)構(gòu)的電壓電流雙環(huán)控制構(gòu)成，并通過采用廣義積分器實現(xiàn)零靜態(tài)誤差，所帶負荷為RLC并聯(lián)負荷。當微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，由大電網(wǎng)提供電壓和頻率的支持，微電源采用PQ控制方式輸出指定的功率；當微電網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時采用P-f、Q-U下垂控制方式。

1.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)條件

在微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行狀態(tài)中，控制系統(tǒng)能夠發(fā)出指令對微電源進行調(diào)節(jié)進而實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)，因此在微電網(wǎng)系統(tǒng)中也可以實現(xiàn)類似傳統(tǒng)電網(wǎng)中的準同期并列操作。由于沒有勵磁調(diào)節(jié)器、旋轉(zhuǎn)機械裝置和調(diào)速系統(tǒng)，微電源具有慣性小、動態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點，但同時微電網(wǎng)系統(tǒng)對同步精度要求較高，必須對微電網(wǎng)的電壓頻率和相角進行調(diào)整。

圖2 準同期并網(wǎng)向量圖

表1 IEEE Std 1547-2003準同期參數(shù)限制

圖3 電壓電流雙環(huán)控制器

并網(wǎng)前電網(wǎng)側(cè)電壓：

ug=Ugsin(ωgt+ψg)，

(1)

微電網(wǎng)側(cè)電壓：

um=Umsin(ωmt+ψm)，

(2)

其中：ωg為大電網(wǎng)角頻率；ψg為大電網(wǎng)相角；ωm為微電網(wǎng)角頻率；ψm為微電網(wǎng)相角，大電網(wǎng)與微電ug=Ugsin(ωgt+ψg)網(wǎng)相角差為Δφ。

并網(wǎng)瞬間電壓向量,如圖2所示。

(3)

因此，微電網(wǎng)并網(wǎng)的理想情況如下：

(1)電壓幅值相等：Ug=Um；

(2)電壓角頻率相等：ωg=ωm；

(3)電網(wǎng)相角差為0。

理想情況很難達到，因此IEEE Std 1547-2003給出的準同期參數(shù)限制如表1。

1.3 電壓電流雙環(huán)控制器

準同期并網(wǎng)控制是在傳統(tǒng)的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以改進，從而實現(xiàn)準同期并網(wǎng)功能。微電網(wǎng)控制系統(tǒng)包括功率控制，電壓電流雙環(huán)控制，下垂控制。三相系統(tǒng)經(jīng)過派克變換后可轉(zhuǎn)化成倆個獨立系統(tǒng)，其原理如圖3所示。

為了分析系統(tǒng)的閉環(huán)特性，用梅森公式結(jié)合圖4求出圖中傳遞函數(shù)為

(4)

其中：Vref為參考電壓；io為輸出電流；L為濾波電感值；C為濾波電容值。電壓控制器、電流控制器的傳遞函數(shù)與PWM的脈沖調(diào)制延遲如下：

(5)

(6)

(7)

1.4 下垂控制器設(shè)計

并聯(lián)電壓源型逆變器系統(tǒng)中，電壓環(huán)的參考電壓Vref由下垂控制器合成。下垂控制過程中，相角和電壓幅值分別有有功功率P和無功功率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*為有功與無功參考值，通常為0；GP、GQ為補償函數(shù)，設(shè)置如下：

(11)

GQ(s)=kpQ，

(12)

其中：kiP、kpQ為系統(tǒng)的下垂系數(shù)；kpP為系統(tǒng)的虛擬慣性系數(shù)，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖5 下垂控制器

下垂控制流程框圖，如圖5所示。傳統(tǒng)的功率計算是在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下實現(xiàn)的，其原理如下：

(13)

(14)

本文中的功率計算模塊為直接在αβ靜止坐標系下求出P和Q，其關(guān)系式如下：

p=vcα·ioα+vcβ·ioβ，

(15)

q=vcβ·ioα-vcα·ioβ，

(16)

其中：vcαβ為電容電壓；ioαβ為濾波電流。通過低通濾波器即可得到P和Q：

(17)

(18)

其中：ωc為低通濾波器的截止頻率。通過以上分析可知參考電壓為

vref=Esin(φ).

(19)

為驗證本文設(shè)計的控制器有效運行，在Matlab/Simulink中搭建模型進行了驗證，在0.1 s時突然增加20 kW有功，10 kvar無功時仿真結(jié)果圖，如圖6所示。

圖6 公共母線電壓波形圖7 公共母線電流波形圖8 電源1和電源2的有功波形圖9 電源1和電源2的無功波形

圖10 DSOGI-FLL

圖6為微電網(wǎng)電壓波形，由圖6可知本控制器能實現(xiàn)對微電源的控制，使其發(fā)出標準電壓，并且當負載突然變化時能迅速做出調(diào)節(jié)維持電壓穩(wěn)定。圖7為負載側(cè)電流波形，當0.1 s時負載接入系統(tǒng)產(chǎn)生電流。圖8以及圖9為微電網(wǎng)系統(tǒng)有功和無功變化波形，當負載增加時，下垂控制系統(tǒng)能快速對微電源進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)功率均分，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

1.5 二階廣義積分鎖頻環(huán)設(shè)計

本文在對PCC兩側(cè)的電網(wǎng)信息提取時使用了二階廣義積分鎖頻環(huán)(DSOFI-FLL)，DSOFI-FLL能夠在電網(wǎng)含有非線性和不平衡負載時較為準確快速的估計出電網(wǎng)信息，減小誤差保證控制的準確，保證微電網(wǎng)同步過程中的穩(wěn)定性。DSOFI-FLL結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

SOGI-QSG的傳遞函數(shù)為

(20)

(21)

由公式(20)、公式(21)可知，帶通濾波器和低通濾波器均與k的值有關(guān)。因此可以通過設(shè)置k的值來改變?yōu)V波性能，k值越小濾波性能越好，但響應(yīng)會變慢，本文中k取1.414，三相電壓信號ug如圖11所示。經(jīng)本文設(shè)計的DSOGI-FLL處理后，能夠正確提取出電壓的正、負序分量，其結(jié)果如圖12所示。

圖11 三相電壓ug波形圖12 SOGI-FLL后得到正負序分量波形

圖13 同步控制器

1.6 同步控制單元設(shè)計

檢測單元能夠檢測微網(wǎng)與電網(wǎng)的電壓幅值、頻率以及相位信息，并利用DSOGI-FLL提取出靜止坐標系下的電壓正負序分量，再通過低速通信傳遞給下一級的控制單元。電壓幅值及頻率相角控制單元能夠接受檢測單元傳遞的信息，對信息進行計算得到PCC兩側(cè)電壓幅值差、相位差、頻率差，通過通信系統(tǒng)向微電網(wǎng)下垂控制單元傳送二次調(diào)整信息，對微電源進行控制，實現(xiàn)對微電網(wǎng)電壓和頻率的控制。合閘控制單元會實時跟蹤微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的同步狀態(tài)，當電壓幅值差、頻率差、相位差接近零時，即滿足并網(wǎng)條件時控制PCC公共開關(guān)實現(xiàn)微電網(wǎng)的同步并網(wǎng)。

2 仿真驗證

本文中微電網(wǎng)首先運行至孤島狀態(tài)，其電壓幅值為295 V，頻率為50 Hz，電網(wǎng)電壓為311 V，頻率為49.7 Hz，在0.5 s時開始進行同步調(diào)整，仿真結(jié)果如圖14所示。

由圖14中微觀放大圖可知，當調(diào)節(jié)2 s-3 s后微網(wǎng)電壓波形與電網(wǎng)電壓波形基本重合一致，通過圖15和圖16可進一步得知，經(jīng)過震蕩衰減后在2.5 s后微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在49.7 Hz，由圖17和圖18可知2.5 s后相角差基本為0，用于調(diào)整相角的復(fù)合計算項經(jīng)過震蕩后衰減為0，因此本課題所設(shè)計控制器可以在微電網(wǎng)并網(wǎng)前對其進行二次調(diào)整，使其能夠?qū)崿F(xiàn)快速平滑的并網(wǎng)。

3 結(jié) 論

本文針對微電網(wǎng)并網(wǎng)同步問題展開研究，研究并設(shè)計出改進的微電網(wǎng)控制器，從實驗結(jié)果可得本控制器能夠?qū)崿F(xiàn)基本控制器的功能即對微電網(wǎng)進行一次調(diào)節(jié)使得微電源能夠發(fā)出標準電壓，在此基礎(chǔ)上本文增加的同步控制器可以在一次調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上實現(xiàn)二次調(diào)節(jié)，使得微電網(wǎng)電壓、頻率及相角與電網(wǎng)電壓、頻率及相角基本一致，與傳統(tǒng)并網(wǎng)方式相比本文在微電網(wǎng)并網(wǎng)過程中能夠更加快速的實現(xiàn)并網(wǎng)，且能夠使得微電網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊最小。

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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，在讀碩士研究生，主要研究方向：微電網(wǎng)控制.

電子郵箱：420586480@qq.com(何大海)；577880558@qq.com(王茗萱)；504062445@qq.com(王建南)；xuduotim@126.com(許鐸)

1005-2992(2017)06-0021-07

TM715

A