微電網(wǎng)存在并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，由于微電網(wǎng)中起支撐作用的電壓源型逆變器（VSI）按照下垂特性工作，微電網(wǎng)電壓會(huì)與大電網(wǎng)電壓產(chǎn)生偏離，重并網(wǎng)過(guò)程中兩者間的同步問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式無(wú)縫切換的關(guān)鍵。本文借鑒三相軟件鎖相環(huán)（SPLL）的思想，提出一種基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)預(yù)同步控制策略，通過(guò)此控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓與大電網(wǎng)電壓的同步，從而避免了并網(wǎng)過(guò)程的沖擊電流，終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)由孤島模式到并網(wǎng)模式的無(wú)縫切換。論文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

　　1. 引言

　　微電網(wǎng)是由負(fù)載和多個(gè)單體微電源組成的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，三相逆變器是其中主要的接口單元，基于下垂（droop）控制策略的微電網(wǎng)逆變器，輸出呈現(xiàn)電壓源的特性，能夠?yàn)楣聧u運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，且易于實(shí)現(xiàn)微電源和負(fù)荷的即插即用以及微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換，因此在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛的研究和應(yīng)用[1]。

　　微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，由于下垂控制作用，其電壓會(huì)與大電網(wǎng)電壓產(chǎn)生偏離，直接重合閘并網(wǎng)可能引起巨大的沖擊電流，造成設(shè)備損壞，所以微電網(wǎng)并網(wǎng)前，必須考慮采取一定的預(yù)同步控制措施，保證微電網(wǎng)電壓與大電網(wǎng)電壓的同步[2].文獻(xiàn)[3]建立了微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)刻的數(shù)學(xué)模型，分析得出并網(wǎng)時(shí)刻微電網(wǎng)和大電網(wǎng)兩者電壓的相位差是導(dǎo)致并網(wǎng)電流沖擊的主要原因。文獻(xiàn)[4]提出一種基于兩相靜止坐標(biāo)系的并網(wǎng)預(yù)同步控制方法，但不能直接適用于基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的微電網(wǎng)下垂控制策略。

　　本文立足于d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，提出了一種基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)預(yù)同步控制策略。通過(guò)此控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓對(duì)大電網(wǎng)電壓的相位追蹤與同步，保證了微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式到并網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換。本文在分析下垂控制策略原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了并網(wǎng)預(yù)同步控制的實(shí)現(xiàn)方法，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此種預(yù)同步控制策略能與下垂控制中基于d-q 坐標(biāo)系的瞬時(shí)功率理論良好的結(jié)合，并且具有良好的快速性和穩(wěn)定性。

　　本文立足于d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，提出了一種基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)預(yù)同步控制策略。通過(guò)此控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓對(duì)大電網(wǎng)電壓的相位追蹤與同步，保證了微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式到并網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換。本文在分析下垂控制策略原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了并網(wǎng)預(yù)同步控制的實(shí)現(xiàn)方法，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此種預(yù)同步控制策略能與下垂控制中基于d-q 坐標(biāo)系的瞬時(shí)功率理論良好的結(jié)合，并且具有良好的快速性和穩(wěn)定性。

　　2. 下垂控制策略原理分析

　　圖1 為微電網(wǎng)中2 臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的簡(jiǎn)化原理圖。設(shè)逆變器1 的輸出阻抗Zo1∠φo1 與連線阻抗Zc1∠φc1 之和為Z1∠φZ(yǔ)1,逆變器2 的輸出阻抗Zo2∠φo2與連線阻抗Zc2∠φc2 之和為Z2∠φZ(yǔ)2。每臺(tái)逆變器的輸出電壓為Vn∠φn,輸出電流為Ion（n=1,2）。微電網(wǎng)母線電壓為V∠0.IH 為兩臺(tái)逆變器之間的環(huán)流[5]。

　　由上述兩式分析可得：逆變器n 輸出的有功功率Pn 主要取決于電壓相角φn；無(wú)功功率Qn 主要取決于逆變器輸出電壓的幅值Vn。因此就可以通過(guò)控制電壓相位φn 調(diào)節(jié)有功功率Pn，控制電壓幅值Vn 調(diào)節(jié)無(wú)功功率Qn，由于相位φn 不易檢測(cè)，通常用角頻率ωn 代替，即下垂特性：

　　式中，Pn*為逆變器n 輸出的額定有功功率，Qn*為逆變器n 輸出的額定無(wú)功功率；m,n 為逆變器的下垂系數(shù)。

　　3. 并網(wǎng)預(yù)同步控制策略

　　本文提出的基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)預(yù)同步控制策略結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

　　并網(wǎng)預(yù)同步控制單元如虛線框中所示：首先通過(guò)三相軟件鎖相環(huán) （SPLL）技術(shù)獲得電網(wǎng)電壓相位θg,角頻率ωg,幅值Eg,此處所得電網(wǎng)電壓信息還可以在系統(tǒng)其它功能算法中獲得應(yīng)用。

　　三相軟件鎖相環(huán)是一個(gè)能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)頻率與相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理如圖3 所示，三相電網(wǎng)電壓νga,νgb,νgc 先后經(jīng)過(guò)CLACK 變換和PARK變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓νgd 和νgq,其中PAKE 變換使用的參考相位為鎖相環(huán)的輸出相位θg,然后將PARK 變換的q 軸分量νgq 與零參考做PI 調(diào)節(jié)，PI 調(diào)節(jié)器的輸出角頻率與固有角頻率ωff（一般取為電網(wǎng)電壓額定角頻率100π）相加得到輸出角頻率ωg,再經(jīng)過(guò)一個(gè)積分環(huán)節(jié)后即可得到終的輸出相位θg,經(jīng)過(guò)如上所述的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，終得到鎖相環(huán)輸出相位角θg 與輸入信號(hào)的完全同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的鎖相。

　　在上述電網(wǎng)電壓鎖相的基礎(chǔ)上，微電網(wǎng)電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的同步追蹤過(guò)程如圖4 所示。圖中θg 和ωg 為大電網(wǎng)電壓的相位和角頻率，θ 和ω 為微電網(wǎng)母線電壓的相位和角頻率，Δθ 為兩者之間的相位差，d-q 坐標(biāo)系以電網(wǎng)電壓角頻率ωg 旋轉(zhuǎn)。同步追蹤過(guò)程就是通過(guò)調(diào)整微電網(wǎng)母線電壓的角頻率，使微電網(wǎng)母線電壓和大電網(wǎng)電壓之間的相位差Δθ 不斷趨向于零。當(dāng)兩者完全實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，應(yīng)該有Δθ 等于零，此時(shí)微電網(wǎng)母線電壓在q 軸分量上的投影為零，因此可以通過(guò)控制νq=0來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的同步。

　　νq 可以通過(guò)對(duì)三相微電網(wǎng)電壓按照式（9）做同步坐標(biāo)變換得到，其中νoa、νob、νoc 為微電網(wǎng)的三相母線電壓，θg 為上述三相電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)的輸出相位。

　　將上述變換得到的q 軸分量νq 與零參考進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，PI 調(diào)節(jié)器的輸出ωsync 即為同步補(bǔ)償角頻率，將此同步補(bǔ)償角頻率與下垂控制的生成的角頻率按照式（10）疊加，作為三相逆變器輸出電壓的參考角頻率。

　　此外為防止預(yù)同步過(guò)程中微電網(wǎng)頻率發(fā)生劇烈波動(dòng)，影響電能質(zhì)量，應(yīng)對(duì)PI 調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅。

　　4. 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證上文所提并網(wǎng)預(yù)同步控制策略的有效性，用MATLAB/Simulink 搭建了微電網(wǎng)仿真模型，模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖5 為仿真結(jié)果。圖5（a） 為預(yù)同步過(guò)程中微電網(wǎng)電壓和大電網(wǎng)電壓的波形圖，可以看出兩者之間的相位差不斷減小，并終實(shí)現(xiàn)同步。圖5（b）為并網(wǎng)前后，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)處的電流波形，可以看出，在并網(wǎng)預(yù)同步控制的作用下，合閘時(shí)刻不存在沖擊電流。

　　此外，搭建了以TMS320F2812 為控制器的50kVA三相微電網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖6 所示。圖6（a）為三相電網(wǎng)電壓及其鎖相環(huán)輸出相位波形，可以看出鎖相環(huán)輸出相位在0 到2π 之間變化，并且能準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位。圖6 （b）為微電網(wǎng)電壓和大電網(wǎng)電壓的相位波形，可以看出追蹤同步過(guò)程中兩者之間的差值不斷縮小并終趨近于0。圖6 （c）為微電網(wǎng)和大電網(wǎng)兩者的A 相電壓波形，由圖可見(jiàn)預(yù)同步過(guò)程中兩者相位差不斷縮小，并終實(shí)現(xiàn)同步。

　　5. 結(jié)論

　　為避免微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，由于微電網(wǎng)電壓和大電網(wǎng)電壓的不同步導(dǎo)致的并網(wǎng)電流沖擊，本文提出的一種基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)預(yù)同步控制策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的同步補(bǔ)償角頻率，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓與大網(wǎng)電壓的相位同步，保證了微電網(wǎng)由孤島模式到并網(wǎng)模式的無(wú)縫切換，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　張中鋒（1988-），男，山東臨沂人，碩士，研究方向?yàn)楣β?a href="http://hbjingang.com" target="_blank">電子變換技術(shù)。

　　通訊地址：南京市御道街29號(hào)南京航空航天大學(xué)智能樓203室。