摘 要：微電網存在并網和孤島兩種運行模式。當微電網孤島運行時，由于微電網中起支撐作用的電壓源型逆變器(VSI)按照下垂特性工作，微電網電壓會與大電網電壓產生偏離，重并網過程中兩者間的同步問題是實現微電網運行模式無縫切換的關鍵。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并網預同步控制策略，通過此控制策略實現微電網電壓與大電網電壓的同步，從而避免了并網過程的沖擊電流，最終實現微電網系統(tǒng)由孤島模式到并網模式的無縫切換。論文最后通過仿真和實驗驗證了控制策略的有效性。
關鍵詞 微電網，下垂控制，無縫切換，預同步控制
1.引言
微電網是由負載和多個單體微電源組成的供電網絡系統(tǒng)，三相逆變器是其中主要的接口單元，基于下垂(droop)控制策略的微電網逆變器，輸出呈現電壓源的特性，能夠為孤島運行模式下的微電網提供電壓和頻率支撐，且易于實現微電源和負荷的即插即用以及微電網運行模式的無縫切換，因此在國內外獲得了廣泛的研究和應用[1]。
微電網孤島運行時，由于下垂控制作用，其電壓會與大電網電壓產生偏離，直接重合閘并網可能引起巨大的沖擊電流，造成設備損壞，所以微電網并網前，必須考慮采取一定的預同步控制措施，保證微電網電壓與大電網電壓的同步[2]。文獻[3]建立了微電網運行模式切換時刻的數學模型，分析得出并網時刻微電網和大電網兩者電壓的相位差是導致并網電流沖擊的主要原因。文獻[4]提出一種基于兩相靜止坐標系的并網預同步控制方法，但不能直接適用于基于旋轉坐標系的微電網下垂控制策略。
本文立足于d-q 旋轉坐標系，提出了一種基于下垂控制的微電網并網預同步控制策略。通過此控制策略實現微電網電壓對大電網電壓的相位追蹤與同步，保證了微電網由孤島運行模式到并網運行模式的無縫切換。本文在分析下垂控制策略原理的基礎上，詳細介紹了并網預同步控制的實現方法，理論分析和實驗結果表明此種預同步控制策略能與下垂控制中基于d-q 坐標系的瞬時功率理論良好的結合，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 為微電網中2 臺逆變器并聯運行的簡化原理圖。設逆變器1 的輸出阻抗Zo1∠φo1 與連線阻抗Zc1∠φc1 之和為Z1∠φZ1，逆變器2 的輸出阻抗Zo2∠φo2與連線阻抗Zc2∠φc2 之和為Z2∠φZ2。每臺逆變器的輸出電壓為Vn∠φn，輸出電流為Ion(n=1,2)。微電網母線電壓為V∠0。IH 為兩臺逆變器之間的環(huán)流[5]。
本文提出的基于下垂控制的微電網并網預同步控制策略結構如圖2 所示。
在上述電網電壓鎖相的基礎上，微電網電壓對電網電壓的同步追蹤過程如圖4 所示。圖中θg 和ωg 為大電網電壓的相位和角頻率，θ 和ω 為微電網母線電壓的相位和角頻率，Δθ 為兩者之間的相位差，d-q 坐標系以電網電壓角頻率ωg 旋轉。同步追蹤過程就是通過調整微電網母線電壓的角頻率，使微電網母線電壓和大電網電壓之間的相位差Δθ 不斷趨向于零。當兩者完全實現同步時，應該有Δθ 等于零，此時微電網母線電壓在q 軸分量上的投影為零，因此可以通過控制νq=0來實現兩者的同步。
4.仿真及實驗結果
為驗證上文所提并網預同步控制策略的有效性，用MATLAB/Simulink 搭建了微電網仿真模型，模型結構如圖2 所示。圖5 為仿真結果。圖5(a) 為預同步過程中微電網電壓和大電網電壓的波形圖，可以看出兩者之間的相位差不斷減小，并最終實現同步。圖5(b)為并網前后，并網開關處的電流波形，可以看出，在并網預同步控制的作用下，合閘時刻不存在沖擊電流。
5.結論
為避免微電網并網時，由于微電網電壓和大電網電壓的不同步導致的并網電流沖擊，本文提出的一種基于下垂控制的微電網并網預同步控制策略，通過動態(tài)調節(jié)逆變器輸出電壓的同步補償角頻率，實現微電網電壓與大網電壓的相位同步，保證了微電網由孤島模式到并網模式的無縫切換，提高了微電網系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。最后，通過仿真和實驗驗證了控制策略的可行性。
參考文獻
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[5] 關雅娟，鄔偉揚，郭小強.微電網中三相逆變器孤島運行控制技術[J].中國電機工程學報，2011,31(33):52–60.
作者簡介：
張中鋒(1988-)，男，山東臨沂人，碩士，研究方向
為功率電子變換技術。
