一种适用于微电网的分层同步控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可再生能源发电微电网领域，特别地涉及一种适用于微电网的分层同 步控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，以太阳能和风能为代表的可再生能源快速发展，带动了基于电力电子装 置的分布式系统大规模并网，而并网系统的可靠、稳定运行以及髙质量的电能输出，是电网 安全运行的有力保障。微电网是将区域内的分布式系统集中管理，可以运行在并网或孤岛 模式、降低间歇性分布式系统给配电网带来的不利影响，最大限度地利用可再生能源，提高 供电可靠性和电能质量。将分布式系统组建成微电网的形式接入配电网，是利用可再生能 源的有效方式之一。
[0003] 微电网可认为是由内部众多相互独立的DG(DistributedGeneration)单元，组 建的区域电网形式，由逆变器控制输出有功及无功功率。微电网在并网运行时，可由配电 网为其提供电压和频率支撑。孤岛运行时由于缺乏配电网提供的电压支撑，因此必需由逆 变器建立稳定可靠的电压和频率，以保证微电网的正常运行。在并网逆变器的上层调度控 制方面，微电网控制策略和控制模式主要有恒功率控制（PQ控制）策略、下垂控制（Droop Control)策略和恒压/恒频控制（V/F控制）策略及其组合或改进策略。电力电子装置感 知所在连接点的电压、电流信息，接受上层调度的设定指令，按照指令向电网输送功率并保 持公共连接点电压稳定，以提高微电网运行灵活性。
[0004] 目前，微电网控制的核心问题之一，是降低微电网运行模式切换冲击和实现平滑 过渡，解决这个问题的关键是降低因网架不对称带来的模式切换前后功率不匹配问题和严 格控制交换功率的规模（如Droop控制由孤岛转联网的适应性问题）。采用下垂控制策略 (DroopControl)的电压源型逆变器（VSIs)并联组成的微电网，可在孤岛及并网模式下参 与电网频率与电压幅值的控制，因此已广泛受到国内外研宄者的重视。当微电网由孤岛转 为并网模式时，闭合并网开关前，应首先将微电网PCC点的电压与电网侧电压进行频率、电 压幅值及相位同步。因微电网等效输出阻抗及线路阻抗较小，对外呈电压源特性，控制的精 度将直接影响微电网工作模式切换过程的稳定性。传统同步策略采用基于旋转坐标系的锁 相环（SFR-PLL)对网侧差异进行检测，其结果易受谐波影响，而控制环路的稳态误差亦会 对同步精度产生影响。随着微电网智能化程度的提高，分层控制技术已经成为微电网发展 趋势。
[0005] 基于上述问题，本发明提出了一种适用于微电网的分层同步控制方法，针对其在 工作模式转换过程中与电网进行同步的问题，提出了一种基于傅里叶变换的双扰动同步控 制策略，该策略在微电网二层控制中添加频率校正，相位与电压幅值扰动控制，对并网开关 两侧的电压差进行傅里叶变换，并采用扰动观察法，使其两侧电压基波分量达到同步，抑制 由闭合并网开关对微电网造成的电流冲击。该策略克服了易受谐波影响的缺点，且具有较 高同步精度。
【发明内容】
[0006] 针对微电网在模式转换过程中需与电网进行同步的问题，提出了一种基于傅里叶 变换的双扰动同步控制策略，该策略在微电网二层控制中添加频率校正，相位与电压幅值 扰动控制环节，对并网开关两侧的电压差进行傅里叶变换，并采用扰动观察法，使其两侧电 压基波分量达到同步，抑制由闭合并网开关对微电网造成的电流冲击，实现模式转换过程 的无缝切换。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0008] 一种适用于微电网的分层同步控制方法，所述微电网具有层级结构，所述层级结 构包括进行功率设置用于控制有功功率及无功功率的主控层、用于微电网运行及模式切换 控制的二级控制环路、以及用于VSIs的电压、电流环、有功/无功功率的下垂控制的三级控 制层，其包括以下步骤：
[0009] 步骤1、所述微电网运行在孤岛或并网模式时，利用二级控制环路中的SFR-PLL对 微电网PCC点频率及电压幅值进行检测，获取PCC点实际频率值Ug及电压幅值Eg，并利用 二级控制环路中的PI控制器实现微电网PCC点频率及电压幅值对电网的无差跟踪；
[0010] 步骤2、当所述微电网由孤岛向并网模式转换时，先通过所述PI控制器产生一同 步控制环输出频率增量A?s，对微电网侧频率进行调节，实现微电网侧频率与电网侧频率 无静差：
【主权项】
1. 一种适用于微电网的分层同步控制方法，所述微电网具有层级结构，所述层级结构 包括进行功率设置用于控制有功功率及无功功率的主控层、用于微电网运行及模式切换控 制的二级控制环路、W及用于VSIs的电压、电流环、有功/无功功率的下垂控制的S级控制 层，其特征在于，其包括W下步骤： 步骤1、所述微电网运行在孤岛或并网模式时，利用二级控制环路中的SFR-PLL对微电 网PCC点频率及电压幅值进行检测，获取PCC点实际频率值《 g及电压幅值E g，并利用二级 控制环路中的PI控制器实现微电网PCC点频率及电压幅值对电网的无差跟踪； 步骤2、当所述微电网由孤岛向并网模式转换时，先通过所述PI控制器产生一同步控 制环输出频率增量A ?,，对微电网侧频率进行调节，实现微电网侧频率与电网侧频率无静 差：
其中，济Etuf分别为逆变器输出频率和电压幅值给定值，与Et分别为逆变器 空载时输出频率和电压幅值参考值，Gu(s)与而(S)分别为频率与电压幅值控制传递函数， "target与E target分别为微电网PCC点频率及电压幅值目标值； 再通过在二级控制环路中加入相位修正量A 0及电压幅值修正量A E，减少甚至消除 并网前并网开关两侧基波电压的相位及电压幅值差，实现转换过程的无缝切换：
步骤3、通过二级控制环路对电压进行采样，将微电网侧及电网侧的采样电压进行傅里 叶分析； 步骤4、通过扰动观察法对A 0和AE分别进行最小值捜索，W调整二级控制环路中的 A 0和A E，使微电网PCC点相位及电压幅值与电网同步。
2. 根据权利要求1所述的适用于微电网的分层同步控制方法，其特征在于，所述步骤3 包括W下步骤： 步骤31、对微电网侧和电网侧进行电压采样：
其中，Vgrid为电网侧相电压，Vmg为微电网PCC点相电压，《。与E。分别为电网输出的频 率和电压幅值； 该电网侧相电压和微电网PCC点相电压之间存在误差电压，所述误差电压的傅里叶变 换为：
步骤32、此时存在A 0和A E两个变量，分别建立当AE = 〇W及A 0 =0时的误差 _e_j口 函数，并将欧拉公式SHW= 代入式(4)中，进行积分运算，得到式巧）； 2j
式（5)中，S (W-W。）和5 (W + W。）分别为与0-W。和0 + 0湘关的复合；角函数； 步骤33、由欧拉公式eW=cos^^) + jsin户代入式巧）中，得到误差电压与A 0、AE之 间的函数关系，如式（6)所示：
3. 根据权利要求2所述的适用于微电网的分层同步控制方法，其特征在于，所述步骤4 中： 采用扰动观察法对A 0进行最小值捜索的方法是；分别设定一A 0和AE参考值，代 入式（4)中求得误差电压值，然后保持A E参考值不变，将A 0参考值W-定的步长递增 或递减，直至误差电压值小于一阔值，此时，该小于阔值的误差电压值对应的A 0的值即 为A 0的最小值； 采用扰动观察法对A E进行最小值捜索的方法是；分别设定一A 0和A E参考值，代 入式（4)中求得误差电压值，然后保持A 0参考值不变，将A E参考值W-定的步长递增 或递减，直至误差电压值小于一阔值，此时，该小于阔值的误差电压值对应的A E的值即为 A E的最小值。
4. 根据权利要求3所述的适用于微电网的分层同步控制方法，其特征在于，所述采用 扰动观察法对A 0进行最小值捜索的方法包括W下步骤： 步骤41、初始化参数，初始化A 0 =A 0a、AE=AE。，代入公式（4)中使得当前计 算值Etut=MAX，并设定前一步计算值Eh,t=0,其中A 0。为相位修正量参考值，AE。为电 压幅值修正量参考值； 步骤42、保持A E。不变，将A 0一定的步长递增或递减，并执行步骤43; 步骤43、对并网开关两侧电压进行采样，使二者相减得到E。。比]，并对该E。。比]转换 成傅里叶形式的函数DFT{Eht比]}; 步骤44、更新当前计算值E。^，使得Etut= DFT巧ca比]}; 步骤45、判断步骤44中更新后的当前计算值Etut是否小于阔值，如果是，则A 0的最 小值捜索结束，执行步骤47 ;反之当步骤44中更新后的当前计算值大于阔值时，执行步 骤46 ; 步骤46、将步骤44中更新后的当前计算值与前一步计算值E 行比较，如果 Eeut<Eh,t，则说明该步长调整A 0的方向正确，继续沿相同的方向执行步骤42-45;反之，如
果Eew〉Eh,t，则说明该步长调整A 0的方向错误，沿与该步长相反的方向执行步骤42-45， 同时，更新前一步计算值Eh,t，使其等于该步长下更新后的当前计算值E。^，所述方向为递 增或递减的方向； 步骤47、记录小于阔值时的更新后的当前计算值Etut对应的A 0的值，此时的A 0的 值即为最小值。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于微电网的分层同步控制方法，微电网采用基于傅里叶变换的双扰动同步控制策略进行同步并网。微电网运行在孤岛或并网模式时，利用SFR-PLL对微电网公共连接点频率及电压幅值进行检测，并利用恢复控制环路中的PI控制器实现微电网PCC点频率及电压幅值对目标频率及电压幅值的无差跟踪。当微电网由孤岛向并网模式转换时，在微电网二层控制中添加频率校正，相位与电压幅值扰动控制，对并网开关两侧的电压差进行傅里叶变换，并采用扰动观察法，使其两侧电压的相位及电压幅值达到同步，抑制由闭合并网开关对微电网造成的电流冲击，实现模式转换过程的无缝切换，增强过渡过程的平稳性，为大规模可再生能源系统并网提供借鉴。
【IPC分类】H02J3-38
【公开号】CN104600749
【申请号】CN201510064609
【发明人】张继元, 舒杰, 王浩, 吴志锋, 吴昌宏, 张伟
【申请人】中国科学院广州能源研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月6日