第２５卷第４期　２０１０年１２月　电力科学与技术学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＶｏＬ　２５　Ｎｏ．４　

Ｄｅｃ．２０１０　

功率源型分布式电源同步并网控制器的设计　任先文　，牟晓春　，毕大强　，杨巍巍　（１．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林１３２０１２；２．清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京１０００８４）　摘　要：针对微网独立运行模式下，功率源型分布式电源从断开到重新并人独立运行的微网系统时，并网点两侧　存在电压幅值、频率与相位差，再并网瞬间易对微网系统造成很大的冲击而影响整个系统的稳定，甚至造成整个微　网系统不能正常运行这一问题，提出并设计同步并网控制器，对分布式电源的输出电压进行控制，使其达到ＩＥＥＥ　１５４７规定的并网标准，减少分布式电源再并网时对系统的冲击．通过仿真分析，验证了所设计的同步并网控制器的　有效性．　关　键　词：分布式电源；微网；并网标准；同步并网控制器；双环控制　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３．９１４０（２０１０）０４—００５８—０５　

Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒ０ｎｉｚａｔｉ０ｎ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ－ｂａｓｅｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　

ＲＥＮ　Ｘｉａｎ－ｗｅｎ　，ＭＯＵ　Ｘｉａｏ—ｃｈｕｎ　，ＢＩ　Ｄａ－ｑｉａｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｗｅｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｄｅｐｔｅｒｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ　ｐｏｗｅｒ—ｂａｓｅｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ　ｆｒｏｍ　ｉｔｓ　ｄｉｓ—　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｏｎ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅａｓｉｌｙ　ｃａｕｓｅ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｅｖｅｎ　ｐａｒａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈ　ｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌｓ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｎ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ，ａｔｔａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　１５４７　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｆｒｏｍ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃ—　ｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｓｖｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ；ｇｒｉ＇ｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ；　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎ—　

ｔｒｏｌｌｅｒ；ｄｏｕｂｌｅ－ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

为协调大电网与分布式电源（ＤＧ）问的矛盾，充　分挖掘ＤＧ潜能，为电网和用户带来更多的价值和　效益，美国电气可靠性技术解决方案联合会　（ＣＲＥＴＳ）研究了ＤＧ对低压电网的冲击，为增强电　

收稿日期：２０１０—０９—１４　基金项目：电力系统国家重点实验室开放基金（ＳＫＬＤ０８Ｚ０４）　通讯作者：牟晓春（１９８３一），男，硕士研究生，主要从事微电网综合控制的研究；Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｉｎｍｉａｏｙａｎ＠１６３．ｃｏｒｎ　第２５卷第４期　任先文，等：功率源型分布式电源同步并网控制器的设计　５９　力系统的可靠性，提出了微网概念［１　］．　微网是指由ＤＧ、储能装置、能量变换装置、相　关负荷和监控系统、保护装置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，既可以与外部电网并网运行，也可以独立运　行　．　微网基本运行依赖于各个ＤＧ．微网内的ＤＧ分　为主控型和功率源型２类．主控型微源必须要维持　微网的基本运行，通常是稳定型能源，如微型燃气轮　机、燃料电池及带有储能的可再生能源等．功率源型　微源与目前的ＤＧ基本类似，只发出恒定的有功或　是执行最大功率跟踪，不参与网络调节．由于微网具　有联网与独立运行２种模式，主控的ＤＧ在这２种　模式下的功能和任务不同．在联网运行时执行支撑　本地电压、调节馈线上潮流等．而独立运行时的控制　功能包括确保负荷能各自快速分担、保证微网重新　并入电网、进行电压和频率调节、保障用户电能质量　等．因此，主控的ＤＧ必须在独立运行和联网运行时　采用不同的控制方法，并在运行模式发生变化时切　换．功率源型ＤＧ通常只发出恒定的有功或执行最　大功率跟踪，不需要切换控制模式，通常采用电流控　制方法Ｌ６］．　当功率源型ＤＧ因故障或其他原因退出独立运　行的微网系统进行检修，检修完成后某一时刻再并　人独立运行的微网系统时，由于ＤＧ与并网点两侧　存在电压差，再并网的瞬间，易产生很大的冲击，影　响其他ＤＧ的正常工作，引起重要负荷电压和功率　的较大波动，造成微网系统不稳定，严重时甚至会使　整个系统瘫痪．　针对上述问题，笔者提出ＤＧ同步并网控制器　的设计方法，经过调节使并网点两侧的电压质量达　到了ＩＥＥＥ　１５４７规定的并网标准，有效减少ＤＧ再　并网时对微网系统的冲击，且不会对其他ＤＧ造成　影响，也不会对重要负荷产生危害．在独立运行模式　下通过Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真比较，验证所设　计的同步并网控制器能够使功率型ＤＧ平滑快速地　并入微网，并满足系统的稳定、可靠运行．　１　ＤＧ并网的条件　目前，ＤＧ并网系统的划分前提为①与电网的　互联关系；②与电网的功率交换方式；③ＤＧ设置的　地点．微源并网过程要解决的问题是如何运行ＤＧ，　并且将其能够很好地整合到区域电网中．根据　ＩＥＥＥ　１５４７的标准，设计并网系统时需要注意３个　问题［　哪］．　１）电压管理．　当配电网支路变化时，电力系统必须要有将电　压保持在一定水平的能力．对于配电网的正常运行　来说，电压管理和电压的稳定性是重要的因素．ＤＧ　并人电网运行一定不能影响电网中原有的电压水　平．最为理想的情况就是ＤＧ只发出功率，或不发出　功率，这样就不会参与到公共连接点处（ＰＣＣ）的电　压调节．　２）同步运行．　实现同步运行，则要求ＤＧ的输出与区域电网　有相同的电压幅值、相位和频率，同步并网就是对此　进行检测并控制在可接受的范围内．ＩＥＥＥ　１５４７标　准要求在任何公共节点上，只有当全部同步条件满　足时，才允许ＤＧ并入电网中，此时在并网过程中，　电压波动就会保持在额定电压值之内．ＩＥＥＥ　１５４７　规定，不同容量的ＤＧ，并网同步参数不相同，如表１　所示．　

表１　ＤＧ与区域电网互联的同步参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＤＧ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｇｒｉｄ　

３）谐波．　当ＤＧ向区域电网供电时，在并网节点向电网　注入的谐波电流不能超过表２所示的要求．　

表２　ＤＧ与电网互联的谐波参数　Ｔａｂｌｅ　２　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＤＧ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｇｒｉｄ　

谐波次数（奇次）　百分比　Ｈ＜１１　１１≤Ｈ＜１７　１７≤Ｈ＜２３　ＴＨＤ　６Ｏ　电　力　科　学　与　技　术　学　报　２０１０年１２月　２　同步并网控制器的设计　综合考虑ＤＧ同步并网的条件，提出对功率源　型ＤＧ输出电压的幅值、频率和相位进行控制，以保　证ＤＧ并入微网系统时达到同步运行的标准，从而　减少对微网的冲击，维持整个系统的稳定．　等效的功率源型分布式发电单元如图１所示．　利用传感器分别采集并网点两侧电压的幅值、频率　和相位，利用ＰＩ控制器进行控制，以稳定输出电压　的精度．利用电压电流双环控制［ｇ－１　具有的响应快　的优点，最终使并网点两侧的电压在很短的时间内　达到同步并网的条件，实现平滑、快速并网的目的．　

图１　等效的分布式发电单元示意图　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　

图１中　为等效的直流源；Ｌｎ为滤波电感；　为滤波电容；Ｒ　为滤波电阻；Ｚ　为线路阻抗；Ｚｊ为　恒阻抗负载；　，ｊｉ分别为逆变桥输出的电压和电　流；　。　为逆变器输出的电压即电容电压　Ｉ为流向　线路中的电流；Ｉ　ｉ为流向滤波电容中的电流；Ｖ　，Ｖ　分别为开关点两侧的电压．　功率源型ＤＧ假设为直流源或经整流后的直流　源，经空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）的逆变器逆变　为三相交流电，ＬＣ低通滤波器用于滤除高次谐波．　ＤＧ故障检修完成后，首先经过同步并网控制器的　控制，并网后ＤＧ转为功率控制，使得其输出的功率　为恒定值．同步并网控制器的设计如图２所示．　

’正　

１　ａｂｄ　电压曩　双环　ｄｑｏ　

图２　同步并网控制器的结构框图　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｉａｇｒａｍ　

双环控制的结构如图３所示．在图３中，以电感　电流瞬时反馈控制作为内环，以电容电压瞬时反馈　控制作为外环，逆变器的输出电压与微网系统的参　考电压信号相比较，所得的误差信号经过瞬时电压　环ＰＩ控制器后的输出作为电流内环的参考给定．逆　变桥输出滤波电感电流与电流给定参考信号比较，　得到的误差信号经过瞬时电流环ＰＩ控制器作为逆　变桥输出电压的给定．滤波电感电流内环的引入使　滤波电感电流成为可控的电流源．这样，从控制器输　出给定到电感电流之间可以看成一个近似的比例环　节，提高系统的稳定性．同时，滤波电感电流内环对　包含在环内的扰动，如输入电压的波动、死区时间、　电感参数的变化等影响能起到及时的调节作用，改　善同步并网控制器的控制性能．　

图３　电压电流双闭环控制结构框图　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｖｏｌｔａｇｅ—ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｉａｇｒａｍ