基于相位差分的微電網同步并網切換的研究

王祥如，徐曉冰，孫 偉

（1.阜陽職業(yè)技術學院 工程科技學院 安徽 阜陽 236012；2.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院 合肥 230009）

基于相位差分的微電網同步并網切換的研究

王祥如1，徐曉冰2，孫 偉2

（1.阜陽職業(yè)技術學院 工程科技學院 安徽 阜陽 236012；2.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院 合肥 230009）

提出一種基于相位差分算法的同步并網控制策略，通過相位差的計算來預測微電網是否達到并網的要求，使微電網實現快速、平滑并網。仿真結果驗證了該方案的有效性。

相位差分算法；預同步控制方法；平滑并網

在微電網與大電網同步并網過程中，協調控制各分布式電源以及實現平滑的并網控制等關鍵技術亟需解決。

國內外的一些學者在關于微電網的控制方式及同步并網策略做了研究，文獻[1]構建了含電壓源型逆變器（VS）接口和同步發(fā)電機組（SG）接口的微電網模型，通過改進SG接口輸出所需機械功率及勵磁電壓驅動電機運行，實現功率輸出自我調整，并設計靜態(tài)開關實現了微電網與大電網的無縫轉接。文獻[2]采用了無聯絡線的下垂控制方式，可實現微電網從聯網模式到孤島模式的平滑轉換，并配置電力系統穩(wěn)定器以提高穩(wěn)定性。但是文中都沒有準確地測量兩側電網的數據，使得出現并網延時。

本文主要針對含多種分布式電源的微電網并網平滑切換展開研究，采用相位差分算法進行同步并網預測控制，并運行Matlab Smulnk仿真，結果驗證了該算法預測并網的有效性。

1 微電網結構及控制方法

典型的微電網包含柴油發(fā)電機組、光伏、風電等分布式電源以及一些本地負荷[3]。該系統采用的協調控制策略是改進的對等控制，柴油機采用無差控制，維持微電網的頻率和電壓穩(wěn)定，光伏陣列和風力發(fā)電機均采用PQ控制，并配有最大功率點跟蹤模塊。同步控制器用于控制微電網是否與大電網并網。當滿足并網條件，則轉換開關閉合，實現并網。構建的同步控制器模型結構如圖1所示，檢測的大電網和微電網兩側三相電壓經過濾波、信號調節(jié)之后，通過鎖相環(huán)求出幅值、頻率和相位，檢測兩邊差值是否達到并網條件，若達到標準，則給斷路器發(fā)送觸發(fā)信號，微電網與大電網并網運行；若不符合并網條件，確定補償給柴油機的電壓和角頻率，并重新檢測大電網和微電網側三相電壓，其中比較器中準同步檢定要求按照表1中參數限制。

圖1 同步控制器模型結構

表1 準同步參數限制

2 同步信號檢測及預處理

由于電力電子器件的廣泛應用、可再生能源接入電網的隨機性、間歇性以及大量的非線性負荷的接入，電力系統中信號的成分日益復雜，電網中出現高次諧波、三相電壓不對稱等現象，嚴重時會影響到信號測量的準確性，有必要對被測電網信號進行濾波，對稱三相電壓相序調整等預處理。

2.1 電壓濾波及參數選擇

在大電網和微電網側三相電壓進入同步器之前分別添加了LC濾波器[4]，電感L可按公式（1）選取：

式中：Uak為直流母線電壓（V），Em為交流電壓幅值（V），Ts為開關周期（s），Δimax為濾波電感電流的最大紋波脈動量。

電容可根據基波頻率和載波頻率設計：

式中：fn為基波頻率，f0為濾波器諧振頻率，fs為載波頻率。

2.2 虛擬對稱三相電壓的相序調節(jié)

由于負載的不對稱以及分布式電源的存在，會出現三相電壓的不對稱。因此采用信號調節(jié)器，利用正序相量創(chuàng)造出和原始三相電壓相同幅值的虛擬三相對稱電壓，利用此虛擬三相對稱電壓就可以準確計算出原始電壓的幅值與相位[5]。

圖2 三相不對稱電壓與虛擬對稱電壓比較圖

如圖2（a）是三相電壓不對稱情況，其中正序相量V1由式（3）計算得出：

式中a=1∠120°=ej(2/3)π。

根據V1的幅值和相位，并按照式（4）創(chuàng)造出如b圖中的對稱的虛擬三相電壓代替原三相電壓：

圖3顯示了含多種諧波的三相電壓、經信號調節(jié)器之后的波形及既濾波又經過信號調節(jié)后的波形對比圖。

圖3 波形對比

由圖中可看出，經過改進的濾波器和信號調節(jié)器之后的波形(圖3最上邊圖)比僅僅通過信號調節(jié)后的波形更平滑，有利于維持系統穩(wěn)定和平滑并網。

3 基于相位差的預同步控制方法

對同步信號進行預處理后，為了微電網同步并網達到準同期并網要求，還需要測量兩側電網電壓的幅值差、相位差和頻率差。由于微電網與大電網之間的斷路器閉合有一定時間延遲，所以估計差值時還需要考慮斷路器閉合延遲時間。

3.1 三相電壓幅值差、頻率差和相位差計算

應用坐標變換的方法先將大電網和微電網兩側三相電壓變換到d、q坐標軸參考系，然后計算出三相電壓的幅值，并分別計算它們相對于參考軸的相位，根據矢量關系可得兩側三相電壓的相位差[5]。三相電壓到d-q兩相變化如式（5）所示，

其中變換矩陣

式（5）中，ud和uq軸以角速度wr旋轉，所以在旋轉的ud和靜止的uq之間的角度按照公式（7）定義

由于僅需要測量大電網和微電網兩側三相電壓幅值差和相位差，因此可以利用式（7）用額定參考角速度（50 Hz時100π[rad/s]）計算(θr)，并且執(zhí)行變換，再利用虛擬鎖相環(huán)提供50 Hz額定頻率。原始信號的幅值和相位可以通過（8）式和（9）式來計算，計算出三相電壓和旋轉參考坐標系之間的幅值差和相位差。

設電力系統的三相電壓為(VA,VB,VC)，同步發(fā)電機的三相電壓為(Va,Vb,Vc)。通過park變換，可以求出和，電壓差(Vdiff[V])可以按如下計算：

VA和Va的相位差θs(rad)可以如下測出

兩電壓之間的轉差頻率Fs可如下計算

3.2 基于電壓差分法的預測

圖4是基于電壓誤差的差分信號估計，求得斜率，以相位差為例來說明其計算方法。將發(fā)送給斷路器閉合信號的瞬間（設為k時刻）到斷路器實際閉合的瞬間相位差信號變化近似為一條直線，其斜率等于k時刻與前一采樣時刻k-1時刻之間差值變化的斜率。

圖4 隨時間變化的相位變化

計算公式如（13）

4 微電網同步并網切換仿真實驗

在Matlab Smulnk仿真平臺上構建微電網仿真模型。包括柴油機、光伏發(fā)電系統、風力發(fā)電系統、斷路器、同步控制器等。該模型中包含的同步控制器模塊的內部結構如圖5所示。同步控制器模塊在并網預同步過程中，通過LC濾波器和信號調節(jié)器對大電網和微電網三相電壓信號處理后，再通過坐標變換，求出微電網和大電網的電壓幅值差、相位差和頻率差。然后進行準同期標準檢定，若達到同步并網標準，則閉合斷路器，微電網開始與大電網并網運行，若達不到并網標準，則將大電網與微電網的幅值差和頻率差以補償信號的形式發(fā)送給柴油機，柴油機調節(jié)頻率和電壓，協調控制微電網運行狀態(tài)，使其盡快達到并網標準。

圖5 同步控制器模塊的內部結構

差分法仿真實驗的初始參數設置。電網：母線電壓為380 V；光伏發(fā)電系統：工作在最大功率點處，額定容量為10 kVA；風力發(fā)電機保持恒功率運行；柴油機：額定容量為50 kVA；負荷1：有功功率為20 kW；負荷2：有功功率為10 kW，無功為1 kVar；可控負荷1：功率為5 kW；可控負荷2：功率為3 kVar。

由柴油機、光伏電池和負荷組成的微電網系統通過斷路器、變壓器與22.9 kV，50 Hz的無窮大電網相連，采用相位差分估算法對相位差進行預測，并就對與大電網同步切換情況進行仿真分析。

微電網開始處于孤島運行狀態(tài)，此時微電網內各設備狀態(tài)為柴油發(fā)電機接入，光伏發(fā)電接入，風力發(fā)電接入，負荷1，負荷2接入，可控負荷1，2接入；在A點處，切除可控負荷1；在B點處，切除可控負荷2；在C點處，微電網與大電網達到并網條件，轉為并網運行，斷路器閉合時間延遲設為30 ms。

圖6和7為采用相位差分法時的微電網側頻率和母線電壓V的變化情況，其中，Fg為大電網頻率，Fmg為微電網頻率。當負荷變化時，微電網頻率和電壓隨負荷相應變化，在0～C階段微電網頻率和電壓經過不斷的調整和預測，最終在C點達到并網條件，微電網與大電網同步并網運行。

圖6 微電網與大電網頻率

圖7 微電網與大電網電壓

由仿真結果可以看出相位差分法能較準確預測相位差的變化，實現微電網由孤島向大電網并網的平滑切換。

5 結論

本文針對含有多種分布式電源的微電網系統，提出了一種基于相位差分法估計相位差的平滑并網控制策略，實現了微電網快速、平滑并網。

[1]高曉芝，李林川，張 蕾.含電壓源型逆變器和同步電機接口的微網控制[J].電力系統保護與控制，2012，40（23）：145-150.

[2]張 麗，徐玉琴，王增平，等.包含同步發(fā)電機及電壓源逆變器接口的微網控制策略[J].電網技術，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，張海燕，徐 強，等.微電網中電壓型逆變器濾波器研究[J].電力學報，2015，30（3）：243-246.

[5]李福東，吳 敏.微網孤島模式下負荷分配的改進控制策略[J].中國電機工程學報，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

國家自然科學基金（51307041）資助。

王祥如（1966- ），女，學士，實驗師，研究方向：工業(yè)電氣自動化、電力拖動自動控制。