基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其主要技术特点是：将微电网并网控制器与并网点断路器连接在一起；通过测频单元采集主电网侧和微电网侧频率，计算同期并网时两侧的频率差值以及周波的频率；通过数据采集单元采集获得微电网侧的三相电压电流值和主电网侧相电压电流值，并进行微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量处理；计算微电网和主电网侧的电压差值、相位差值、频率差值，进行并网合闸处理。本发明采用频率跟踪技术调整采样周期进行数据采集，能够准确测量微电网侧电压并准确无误判断并网、脱网条件，具有实用性强、可靠性和准确性高等特点，满足了用户对电能质量和供电安全要求。
【专利说明】基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电网【技术领域】，尤其是一种基于频率跟踪技术的微电网并网控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，世界各国日益关注分布式发电 技术。分布式发电技术的不断创新，分布式电源类型发展为主要包括微燃机、太阳能光伏电 池、风力发电机、蓄电池、飞轮等。作为分布式发电的重要组成形式，微电网通常由分布式电 源、储能装置、能量变换器、相关负荷、监控系统、保护系统、电力传输设备等汇集而成的小 型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。
[0003] 微电网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网和小型电网 的联合运行系统，也可以独立地为当地负荷提供电力需求。在主电网正常状态下，微电网需 要长期稳定运行；在大电网故障时，微电网必须快速脱离主电网，进入并保持于孤岛运行， 待大电网故障排除后重新自动并网运行；当微电网出现故障点时，同样需要快速切除微电 网。由于微电网中的一些分布式电源，如风力发电和太阳能发电，受外界气候条件影响很 大，频率时常波动导致采样的误差，因此，如何稳定、可靠地实施微电网并网是目前迫切需 要解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、稳定可靠的基于频 率跟踪技术的微电网并网控制方法。
[0005] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、将具有基于频率跟踪技术的微电网并网控制器与并网点断路器连接在一 起；
[0008] 步骤2、微电网并网控制器通过测频单元采集主电网侧和微电网侧频率，计算同期 并网时两侧的频率差值以及周波的频率；
[0009] 步骤3、微电网并网控制器通过数据采集单元采集获得微电网侧的三相电压电流 值和主电网侧相电压电流值，并进行微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的 测量处理，数据采集获取逻辑流程图如图4 ;
[0010] 步骤4、微电网并网控制器计算微电网和主电网侧的电压差值、相位差值、频率差 值，在同时满足频率差不大于同期频率差值F H〇MX、电压差不大于同期电压差动作值UHQmax、同 期角不大于同期角度差动作值Ang HQ_^^条件下，接到并网合闸命令，进行并网合闸处理， 逻辑框图如图5。
[0011] 而且，所述步骤1微电网并网控制器与并网点断路器方式为：该微电网并网控制 器通过开入单元与并网点断路器相连接采集遥信量信息，通过开出单元与并网点断路器相 连接输出遥控命令，通过测频单元连接在主电网侧和微电网侧用于测量主电网侧和微电网 侧频率，通过数据数据采集单元与主电网侧和微电网侧相连接用于采集主电网侧和微电网 的遥测信号量，通过通信单元与微电网控制器相连接进行交互控制功能。
[0012] 而且，所述步骤3进行微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量 处理的方法为：采用高速高密度同步采样、频率自动跟踪以及改进的FFT算法。
[0013] 而且，所述采用高速高密度同步采样、频率自动跟踪以及改进的FFT算法的具体 方法为：当电网频率恒定为50Hz、采用一个周波32点采样；当频率发生变化时，交流量的 采样值采用一次拉格朗日插值算法进行实时修正，获得新的采样序列，再运用FFT算法，从 而完成微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量和处理。
[0014] 而且，所述步骤4进行并网合闸处理时，对频率差、电压差定值、同期角定值及时 间定值进行单独整定，其整定原则为：同期电压差动作值U HQmax取5V?10V，同期角度差动作 值AngHQmax取5°?10°，同期频率差动作值F H〇MX取1Hz?2Hz，动作时限Τηρ取2s?3s。
[0015] 本发明的优点和积极效果是：
[0016] 1、本发明采用频率跟踪技术调整采样周期进行数据采集，克服了微电网中的一些 分布式电源受外界气候条件影响很大、频率时常波动导致采样误差问题，能够准确测量微 电网侧电压并准确无误判断并网、脱网条件，具有实用性强、可靠性和准确性高等特点，满 足了用户对电能质量和供电安全要求。
[0017] 2、本发明使用微电网并网控制器对微电网并网点遥信、遥测、遥控数据进行有效 监控，实现对微电网的综合监测和保护功能，具有数据采集、电能抄收、孤岛保护、故障切 除、异常信息报警、开合闸控制、并网控制、电能质量监测等综合性功能，保证了电网系统的 正常运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明使用的微电网并网控制器的电路方框图；
[0019] 图2是测频单元电路原理图；
[0020] 图3是测频单元的信号转变示意图；
[0021] 图4是本发明的采样序列获取逻辑流程图；
[0022] 图5是本发明的同期并网、脱网处理逻辑框图。
【具体实施方式】
[0023] 以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
[0024] 一种基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤1 :将具有基于频率跟踪技术的微电网并网控制器与并网点断路器连接在一 起。
[0026] 本控制方法是将具有基于频率跟踪技术的微电网并网控制器接入到微电网中实 现微电网并网控制功能。该微电网并网控制器通过开入单元与并网点断路器相连接采集遥 信量信息，通过数据数据采集单元与主电网侧和微电网侧相连接用于采集主电网侧和微电 网的遥测信号量，通过具备频率跟踪技术的测频单元连接在主电网侧和微电网侧用于测量 主电网侧和微电网侧频率，通过开出单元与并网点断路器相连接输出遥控命令，对并网点 断路器分合闸功能进行控制，通过通信单元与微电网控制器相连接进行交互控制功能。
[0027] 如图1所示，微电网并网控制器包括CPU单元、电源单元、外部存储器、通信单元、 测频单元、数据采集单元、开入单元、开出单元、人机界面单元和JTAG仿真接口单元，CPU单 元分别与电源单元、外部存储器、通信单元、测频单元、数据采集单元、开入单元、开出单元、 人机界面单元和JTAG仿真接口单元相连接。在本实施例中，CPU单元使用LPC2214微控制 器，该微控制器是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器， 并带有256KB嵌入的高速Flash存储器主频可达60MHz，外扩4Mb外部RAM运行程序，并外 扩512Kb的EEPR0M存储电路（外部存储器）用于存储数据、事件记录等。所述的通信单元 使用RS232或RS485模块并可与上位机进行通信。所述的人机界面单元包含液晶显示、LED 告警灯显示和按键输入。JTAG仿真接口单元作为一个仿真接口用于与外部计算机相连接实 现软件调试及升级功能。开入单元包括六路遥信量输入单元，用于采集并网点断路器位置 信号、开关储能告警信号以及分布式电源逆变器告警信号等，+12V电平输入经RC网络抗干 扰滤波后，由光耦隔离变换输入到CPU单元，CPU单元每经过一个时间间隔扫描I/O信号采 集得到。开出单元包括四路遥控输出单元，每路遥控二副空接点输出，可设置成二路常开接 点、二路常闭接点或一路常开、一路常闭接点，主要动作输出合闸、输出跳闸以及告警输出， 用于断路器、电动刀闸的合、跳控制。四路遥控对应开合闸控制、故障切除功能，其中一路用 作同期并网控制。
[0028] 步骤2 :微电网并网控制器通过测频单元采集主电网侧和微电网侧频率，计算同 期并网时两侧的频率差值以及周波的频率f。
[0029] 微电网并网控制器的测频单元用于测量主电网侧和微电网侧频率，主电网侧频率 的采集缺省情况以A相电压为基准，考虑到微电网三相不平衡问题的可能性，需要测量微 电网三相电压频率，采集所得数据用于同期并网时计算两侧的频率差值。如图2所示，测频 单元包括过零比较运放器LM258和光耦HCPL-070L，微电网三相和主电网A相经过PT二次 侧的电压交流信号，输入U13过零比较运放器LM258,输出低电平0V、高电平+12V电压，再 经过U15光耦HCPL-070L隔离，转换为单极性0?+3. 3V的模拟量，输入ARM捕获管脚，其 中R37为5. 1ΚΩ用作限流，R40为10ΚΩ用作拉高信号CAP1。如图3所示，测频单元转变 输出的信号接到CPU单元的捕获器1输入端CAP1. 0、CAP1. 1、CAP1. 2、CAP1. 3, Timerl定时 器作捕获器的时基T1，捕获器可以捕获两个脉冲间隔的时间（用Timerl计数器的变化量 ΛΤ表示），系统时钟频率fPM，这样可以计算出周波的周期和频率f，计算公式为：
[0030] f = fPCLK/ Δ Τ (1)
[0031] 步骤3 :微电网并网控制器通过数据采集单元采集获得微电网侧的三相电压电流 值和主电网侧相电压电流值，并完成微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的 测量和处理。
[0032] 微电网并网控制器的数据采集单元包含采集预处理和A/D转换模块，采集八路遥 测信号量，包含电网侧A相电压、电流，微电网侧的三相电压、电流。遥测量可通过终端内的 高精度电流和电压互感器将强交流电信号（5A/100V)不失真地转变为内部弱电信号，经滤 波处理后进入A/D芯片进行模数转换，经转换后的数字信号经CUP单元（ARM)计算，获得微 电网侧的三相电压电流值和主电网侧相电压电流值。本遥测信号量处理采用了高速高密度 同步采样、频率自动跟踪技术还有改进的FFT算法，所以精度得到充分保证，能够完成微电 网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量和处理。
[0033] 在交流采样系统中，由于采用FFT算法，通常是一个周波采样32点、64点或128点 的电量值，然后对这些数据进行处理。如果电网频率恒定，则采样间隔T S = T/N(T为周期，N 为采样点），而微电网的频率通常有一定的波动情况下，固定采样间隔下采样点数不固定， 所以要调整计算方法。本次遥测按照电网频率恒定为50Hz、采用一个周波32点采样，则采 样间隔为：
[0034] Ts = 0. 02s/32 = 625 μ s (2)
[0035] 在625 μ s采样间隔内，经过A/D芯片采样获得的32点采样序列为x (k) (k = 0, 1，2,…，31)。当频率发生变化时，交流量的采样值采用拉格朗日算法进行实时修正，获得 新的采样序列，可以保证交流量计算的精度。
[0036] Lagrange插值采用函数逼近的方法，通过构建多项式求得插值点。当构建多项式 次数越高时，则插值误差越小。在实际应用中，考虑到运算量方便和插值误差的允许范围， 我们通常采用一次Lagrange插值算法（线性插值），即可获得满意效果。设在f s = 50Hz 的固定采样频率下得到的采样序列为x(k) = x(kTs) (k = 0, 1，2,…，31)，通过测频单元算 法已测得微电网电压信号的频率为f，相应的采样周期为Τ'，其理想的采样序列应为
[0037] y(k) = x(kT，）= x[kfs/(fTs))] (3)
[0038] 由于kfV(fTs) -般不是整数，因此可以在其相邻的两点进行线性插值。设a = kfs/f，并设b是小于a的最大整数，将y(k)在u(b)和u(b+l)间进行线性插值，这样得到新 的采样序列y(k) (k = 0, 1，2, "·，31)，再运用FFT算法，最终算出主电网侧A相电压电流， 算出微电网侧从基波到高次谐波分量的三相电压电流，处理获得有功、无功等。
[0039] 步骤4 :微电网并网控制器计算微电网和主电网侧的电压差值、相位差值、频率差 值，在同时满足频率差不大于同期频率差值FH〇MX、电压差不大于同期电压差动作值U HQmax、同 期角不大于同期角度差动作值AngHQ_^^条件下，接到并网合闸命令，进行并网合闸处理。
[0040] 在本步骤中，为了减少微电网并网对电网造成的冲击，要求配置同期并网功能。同 期时，要求分布式电源发电侧和配电网侧的频率差和电压差满足一定要求。根据数据采样 及运算结果，测得微电网三相电压电流和主电网侧A相的幅值、相位角、频率值，计算微电 网和主电网侧的电压差值、相位差值、频率差值。在同时满足频率差不大于F H〇MX、电压差不 大于定值UHQmax、同期角不大于定值AngHanax的条件下，接到并网合闸命令，进行并网合闸处 理。同期并网及脱网动作逻辑如图5所示，频率差、电压差定值、同期角定值及时间定值可 单独整定，整定原则：同期电压差动作值U HQmax可取（5?10)V，同期角度差动作值 取（5?10)，同期频率差动作值FHanax可取（1?2)Hz，动作时限Τηρ可取2?3S。
[0041] 需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包 括并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案 得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1. 一种基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、将具有基于频率跟踪技术的微电网并网控制器与并网点断路器连接在一起； 步骤2、微电网并网控制器通过测频单元采集主电网侧和微电网侧频率，计算同期并网 时两侧的频率差值以及周波的频率； 步骤3、微电网并网控制器通过数据采集单元采集获得微电网侧的三相电压电流值和 主电网侧相电压电流值，并进行微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量 处理； 步骤4、微电网并网控制器计算微电网和主电网侧的电压差值、相位差值、频率差值，在 同时满足频率差不大于同期频率差值FHQMAX、电压差不大于同期电压差动作值UHQMAX、同期角 不大于同期角度差动作值Ang H_^^条件下，接到并网合闸命令，进行并网合闸处理。
2. 根据权利要求1所述的基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其特征在于：所 述步骤1微电网并网控制器与并网点断路器方式为：该微电网并网控制器通过开入单元 与并网点断路器相连接采集遥信量信息，通过开出单元与并网点断路器相连接输出遥控命 令，通过测频单元连接在主电网侧和微电网侧用于测量主电网侧和微电网侧频率，通过数 据数据采集单元与主电网侧和微电网侧相连接用于采集主电网侧和微电网的遥测信号量， 通过通信单元与微电网控制器相连接进行交互控制功能。
3. 根据权利要求1所述的基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其特征在于：所 述步骤3进行微电网侧有功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量处理的方法为：采 用高速高密度同步采样、频率自动跟踪以及改进的FFT算法。
4. 根据权利要求3所述的基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其特征在于：所 述采用高速高密度同步采样、频率自动跟踪以及改进的FFT算法的具体方法为：当电网频 率恒定为50Hz、采用一个周波32点采样；当频率发生变化时，交流量的采样值采用一次拉 格朗日插值算法进行实时修正，获得新的采样序列，再运用FFT算法，从而完成微电网侧有 功、无功和电能从基波到高次谐波分量的测量和处理。
5. 根据权利要求1所述的基于频率跟踪技术的微电网并网控制方法，其特征在于：所 述步骤4进行并网合闸处理时，对频率差、电压差定值、同期角定值及时间定值进行单独整 定，其整定原则为：同期电压差动作值U HQMAX取5V?10V，同期角度差动作值八1^11_)(取5°? 10°，同期频率差动作值F_ x取1Hz?2Hz，动作时限Tnp取2s?3s。
【文档编号】H02J3/38GK104158214SQ201410391910
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】张磐, 庄剑, 杜红卫 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司