CN104600749B - 一种适用于微电网的分层同步控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种适用于微电网的分层同步控制方法

技术领域

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

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。

微电网可认为是由内部众多相互独立的DG(Distributed Generation)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。

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(Droop Control)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究者的重视。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。

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

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。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

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：

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ω_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△ω_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：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}^{*}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\ω}}^{*}+{\mathrm{\Δ\ω}}_s=G_{\mathrm{\ω}}\left(s\right)({\mathrm{\ω}}_{t\arg \mathrm{et}}-{\mathrm{\ω}}_g)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_s\\ {E^{*}}_{\mathrm{ref}}=E^{*}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg \mathrm{et}}-E_g)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ω^* _ref和E^* _ref分别为逆变器输出频率和电压幅值给定值，ω^*与E^*分别为逆变器空载输出频率和电压幅值参考值，G_ω(s)与G_E(s)分别为频率与电压幅值控制传递函数，ω_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△θ及电压幅值修正量△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：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}^{*}}_{\mathrm{ref}}=G_{\mathrm{\ω}}\left(s\right)({\mathrm{\ω}}_{t\arg \mathrm{et}}+\mathrm{\Δ\ω}-{\mathrm{\ω}}_g)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_s\\ \mathrm{\Δ\θ}=\∫\mathrm{\Δ\ωdt}\\ {E^{*}}_{\mathrm{ref}}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg \mathrm{et}}+\mathrm{\ΔE}-E_g)\end{array}\right.---\left(2\right)$

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△θ和△E分别进行最小值搜索，以调整二级控制环路中的△θ和△E，使微电网PCC点相位及电压幅值与电网同步。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤31、对微电网侧和电网侧进行电压采样：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{grid}}=E_0\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\\ V_{\mathrm{MG}}=(E_0+\mathrm{\ΔE})\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，V_grid为电网侧相电压，V_MG为微电网PCC点相电压，ω₀与E₀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：

$F{\left(\mathrm{\ω}\right)}_{\mathrm{err}}=E_0\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{e}^{-\mathrm{j\ωt}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\mathrm{dt}-(E_0+\mathrm{\ΔE})\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{e}^{-\mathrm{j\ωt}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\Δ\θ})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

步骤32、此时存在△θ和△E两个变量，分别建立当△E＝0以及△θ＝0时的误差函数，并将欧拉公式代入式(4)中，进行积分运算，得到式(5)：

$\left\{\begin{array}{cc}F{\left(\mathrm{\ω}\right)}_{\mathrm{err}}=2\mathrm{\π}{E}_0[\frac{1-e^{\mathrm{j\Δ\θ}}}{2j}\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-\frac{1-e^{-\mathrm{j\Δ\θ}}}{2j}\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_0)]& (\mathrm{\ΔE}=0)\\ F{\left(\mathrm{\ω}\right)}_{\mathrm{err}}=\frac{\mathrm{\ΔE}}{2j}[2\mathrm{\π\δ}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-2\mathrm{\π\δ}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_0)]& (\mathrm{\Δ\θ}=0)\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，δ(ω-ω₀)和δ(ω+ω₀)分别为与ω-ω₀和ω+ω₀相关的复合三角函数；

步骤33、由欧拉公式代入式(5)中，得到误差电压与△θ、△E之间的函数关系，如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{cc}{\left|F{\left(\mathrm{\ω}\right)}_{\mathrm{err}}\right|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}=f\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\mathrm{\π}{E}_0\sqrt{{\sin }^2\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{[\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-1]}^2}& (\mathrm{\ΔE}=0)\\ F{\left(\mathrm{\ω}\right)}_{\mathrm{err}}=f\left(\mathrm{\ΔE}\right)=\frac{\mathrm{\ΔE}}{2j}[2\mathrm{\π\δ}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-2\mathrm{\π\δ}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_0)]& (\mathrm{\Δ\θ}=0)\end{array}\right.---\left(6\right).$

所述步骤4中：

采用扰动观察法对△θ进行最小值搜索的方法是：分别设定一△θ和△E参考值，代入式(4)中求得误差电压值，然后保持△E参考值不变，将△θ参考值以一定的步长递增或递减，直至误差电压值小于一阈值，此时，该小于阈值的误差电压值对应的△θ的值即为△θ的最小值；

采用扰动观察法对△E进行最小值搜索的方法是：分别设定一△θ和△E参考值，代入式(4)中求得误差电压值，然后保持△θ参考值不变，将△E参考值以一定的步长递增或递减，直至误差电压值小于一阈值，此时，该小于阈值的误差电压值对应的△E的值即为△E的最小值。

所述采用扰动观察法对△θ进行最小值搜索的方法具体包括以下步骤：

步骤41、初始化参数，初始化△θ＝△θ₀、△E＝△E₀，代入公式(4)中使得当前计算值E_cur＝MAX，并设定前一步计算值E_last＝0，其中△θ₀为相位修正量参考值，△E₀为电压幅值修正量参考值；

步骤42、保持△E₀不变，将△θ₀以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_err[k]，并对该E_err[k]转换成傅里叶形式的函数DFT{E_Err[k]}；

步骤44、更新当前计算值E_cur，使得E_cur＝DFT{E_Err[k]}；

步骤45、判断步骤44中更新后的当前计算值E_cur是否小于阈值，如果是，则△θ的最小值搜索结束，执行步骤47；反之当步骤44中更新后的当前计算值E_cur大于阈值时，执行步骤46；

步骤46、将步骤44中更新后的当前计算值E_cur与前一步计算值E_last进行比较，如果E_cur<E_last，则说明该步长调整△θ的方向正确，继续沿相同的方向执行步骤42-45；反之，如果E_cur>E_last，则说明该步长调整△θ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E_last，使其等于该步长下更新后的当前计算值E_cur，所述方向为递增或递减的方向；

步骤47、记录小于阈值时的更新后的当前计算值E_cur对应的△θ的值，此时的△θ的值即为最小值。

本发明的有益效果是，微电网在孤岛或并网稳定运行时，利用控制环路中的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，实现微电网内部功率的平衡；当微电网由孤岛向并网模式转换，先将微电网PCC点电压与电网电压进行同步，利用增量△ω_s对微电网侧频率进行调节，实现其与电网侧频率无静差，通过在微电网二层控制环路中加入修正量△θ及△E，减少甚至消除并网前存在于并网开关两侧的基波电压的相位及电压幅值差，减小了微电网并网时对大电网照成的冲击，实现转换过程的无缝切换，为大规模可再生能源系统并网提供借鉴。

附图说明

图1为本发明实施例的微电网框架结构示意图；

图2为本发明实施例的双扰动同步控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

微电网中分布式能源如太阳能、风能通过逆变器转换成符合供电质量的交流电，可工作在孤岛模式为本地负载供电，也可通过PCC接入大电网运行。同时为了提高供电可靠性，使用燃气轮机、燃料电池作为后备，并加入储能系统如蓄电池、飞轮储能等，以保证微电网运行的稳定性和电能质量要求。

微电网逆变器采用DSP控制，收集本地数据，如输入电压、电流、功率，逆变输出电压、电流以及有功、无功功率；具有通信、保护、电磁兼容等功能，同时接受上层调度指令，如并网、孤岛运行指令，按照给定值输出有功及无功功率。

微电网具有层级结构，请参照图1所示，微电网的主控层(Primary Control)进行功率设置，控制有功及无功功率。其主要功能是根据电网调度系统的指令，利用比例积分控制器调节微电网PCC点的电压幅值及相位，实现微电网向电网注入功率，无静差跟踪功率指令的功能。

微电网的二层控制(Secondery Control)环路主要负责微电网运行及模式切换控制，包括系统频率与电压幅值恢复控制及电网同步控制，该层的主要功能如下：1)当微电网稳定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，即利用该无差调节特性对由下垂控制器产生的频率及电压幅值偏差进行补偿，使其恢复至正常范围，进而改善其电能质量问题；2)当微电网由孤岛向并网模式切换时，由微电网二层控制中的频率同步控制环路对微电网PCC点电压的频率进行同步，达到控制微电网向电网并网平滑过渡的目地。

三层控制层(Tertiary Control)包括VSIs的电压外环、电流内环、有功/无功功率下垂控制环及用于改善线路阻抗比或实现逆变器热插拔功能的虚拟阻抗环路。该层的主要功能是利用VSIs模拟电网中各发电机组并联运行时功率分配与各机组之间输出频率与端电压的静态下垂特性，即在线路阻抗为感性的情况下，机组输出有功功率增加导致系统频率下降；机组输出无功功率增加导致系统端电压下降，如式(7)所示。通过对该特性的模拟实现微电网内部间VSIs输出功率均分。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}^{*}-G_p\left(s\right)(P-P^{*})\\ E=E^{*}-G_q\left(s\right)(Q-Q^{*})\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，ω与E——VSIs输出的频率和电压幅值；ω^*与E^*——空载输出频率和电压幅值参考值，该参考值由二层控制环路中的系统频率与电压幅值控制器计算得到；G_p(s)与G_q(s)——有功及无功功率下垂控制传递函数；P与Q——VSIs输出有功及无功功率；P^*与Q^*——有功及无功功率参考值。

当微电网由孤岛向并网模式转换，需首先将微电网PCC点电压与电网电压进行同步，否则在闭合并网开关瞬间，其两侧电压基波相位及电压幅值存在的差异，会对微电网带来冲击，严重时会使VSIs过载。传统同步控制策略是利用基于二阶广义积分器的锁频环(SOGI-FLL)检测并网开关两侧的频率，并利用PI控制器产生的增量对微电网侧频率进行调节，实现其与电网侧频率无静差，并通过拍频方式达到同步的目地。二层控制环路中频率及电压幅值调节环路如式(8)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&omega;}}^{*}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\&omega;}}^{*}+{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_s=G_{\mathrm{\&omega;}}\left(s\right)({\mathrm{\&omega;}}_{t\arg \mathrm{et}}-{\mathrm{\&omega;}}_g)+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_s\\ {E^{*}}_{\mathrm{ref}}=E^{*}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg \mathrm{et}}-E_g)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，G_ω(s)与G_E(s)——频率与电压幅值控制传递函数；ω_target与E_target——微电网PCC点频率及电压幅值目标值，当微电网工作模式发生变化时，该值由模式切换并网开关进行转换；ω_g与E_g——微电网PCC点实际频率与电压幅值；△ω_s——同步控制环输出值；ω^* _ref与E^* _ref——逆变器输出频率和电压幅值给定值；

由于微电网对外呈电压源特性，其输出阻抗及线路阻抗均较小。因此，在闭合并网开关后，由控制环路稳态误差或采样误差引起的并网开关两侧同相基波电压间的相位及电压幅值差，会给微电网带来较大电流冲击。通过在微电网二层控制环路中加入修正量△θ及△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，改进后的二层控制环路如式(9)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&omega;}}^{*}}_{\mathrm{ref}}=G_{\mathrm{\&omega;}}\left(s\right)({\mathrm{\&omega;}}_{t\arg \mathrm{et}}+\mathrm{\&Delta;\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_g)+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_s\\ \mathrm{\&Delta;\&theta;}=\&Integral;\mathrm{\&Delta;\&omega;dt}\\ {E^{*}}_{\mathrm{ref}}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg \mathrm{et}}+\mathrm{\&Delta;E}-E_g)\end{array}\right.---\left(9\right)$

微电网的二层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，假设电网A相电压与微电网PCC点A相电压如式(10)所示，两者存在电压幅值差△E和相位差△θ，即：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{grid}}=E\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)\\ V_{\mathrm{MG}}=(E+\mathrm{\&Delta;E})\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&Delta;\&theta;})\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，V_grid为电网侧A相电压，V_MG为微电网PCC点A相电压，ω₀与E₀分别为电网输出的频率和电压幅值。

A相误差电压的傅立叶变换为如式(11)所示：

$F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{\mathrm{err}}=E\underset{-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\&Integral;}}{e}^{-\mathrm{j\&omega;t}}\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)\mathrm{dt}-(E+\mathrm{\&Delta;E})\underset{-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\&Integral;}}{e}^{-\mathrm{j\&omega;t}}\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&Delta;\&theta;})\mathrm{dt}---\left(11\right)$

此时有两个变量，分别设置当△E＝0，△θ＝0时的误差函数，并将欧拉公式代入式(11)，进行积分运算，得到式(12)：

$\left\{\begin{array}{cc}F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{\mathrm{err}}=2\mathrm{\&pi;}{E}_0[\frac{1-e^{\mathrm{j\&Delta;\&theta;}}}{2j}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-\frac{1-e^{-\mathrm{j\&Delta;\&theta;}}}{2j}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)]& (\mathrm{\&Delta;E}=0)\\ F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{\mathrm{err}}=\frac{\mathrm{\&Delta;E}}{2j}[2\mathrm{\&pi;\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-2\mathrm{\&pi;\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)]& (\mathrm{\&Delta;\&theta;}=0)\end{array}\right.---\left(12\right)$

由欧拉公式：代入式(12)，可得到误差电压与电压幅值差△E、相位差△θ之间的函数关系，如式(13)所示：

$\left\{\begin{array}{cc}{\left|F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{\mathrm{err}}\right|}_{\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_0}=f\left(\mathrm{\&Delta;\&theta;}\right)=\mathrm{\&pi;}{E}_0\sqrt{{\sin }^2\left(\mathrm{\&Delta;\&theta;}\right)+{[\cos \left(\mathrm{\&Delta;\&theta;}\right)-1]}^2}& (\mathrm{\&Delta;E}=0)\\ F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{\mathrm{err}}=f\left(\mathrm{\&Delta;E}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;E}}{2j}[2\mathrm{\&pi;\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-2\mathrm{\&pi;\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)]& (\mathrm{\&Delta;\&theta;}=0)\end{array}\right.---\left(13\right)$

由函数的单调性可知，当E₀为任意正实数且时，f(△θ)单调递增函数，当时，f(△θ)为单调递减函数；当△θ＝0时f(△θ)取得最小值。当且时函数f(△E)为单调递增函数，当时，函数f(△E)为单调递减函数，在△E＝0时函数取得最小值。综上，两个变量△E、△θ相互影响，当均取得最小值时，误差电压达到最小值。因此论证了使用扰动观察法达到系统最小误差的可行性。

通过上面的分析，当微电网收到调度指令，与电网进行同步时，采用双扰动观察法调整PCC点的电压幅值与频率。具体控制策略是：首先，由微电网二层控制中的频率控制进行同步，利用SOGI-FLL对并网开关两端的电压进行频率检测，并利用PI控制器的输出调整微电网输出频率，使微电网频率无静差跟踪电网频率。调节过程结束后，微电网PCC点电压频率与电网频率相同，但两者仍存在相位及电压幅值间的差异。为使微电网PCC点电压相位及电压幅值与电网同步，针对微电网二层控制中的△E与△θ控制环，分别采用扰动法进行最小值搜索，寻找函数的最小值。

双扰动同步控制策略流程图如图2所示，初始化设置变量Stage为1，进行相位差的最小值搜索；第二阶段设置变量Stage为2，进行电压幅值差的最小值搜索。具体搜索步骤如下：

第1步：初始化参数，设置搜索步数上限N，计数值Count＝0；

第2步：初始化当前计算值E_cur为一个足够大的数MAX及前一步计算值E_last＝0；

第3步：对并网开关两侧电压进行采样，并相减得到E_err[k]，并计算转换成傅里叶形式的函数E_Err[m]＝DFT{E_Err[k]}；

第4步：更新E_cur的值，使E_cur＝E_Err[m]；

第5步：判断E_cur是否小于阈值，如果是，则最小值搜索结束；判断算法步数计数器Count是否超过设定的最大值N，如果是，则最小点搜索失败，算法结束。

第6步：将当前计算结果E_cur与E_last进行比较，如果E_cur<E_last，说明上一步长调整△θ或者△E的方向是正确的。因此，本步长继续沿上一步调整方向前进一步，否则如果E_cur>E_last，则当前步长调整方向为反向调整步长，结束调整后，更新E_last的值，令E_last＝E_cur；

第7步：延时，并返回第3步。直至达到步数上限N或△θ、△E搜索到最小值，整个过程结束。

需要说明的是：1、△θ和△E的搜索方法相同，且二者顺序无限制先后；2、阈值为一接近零的参考值，可根据对同步控制的精度设置；3、设置步数上限N的目的是防止在电网一直处于波动时进行该扰动观察法时出现死循环。

经过双扰动同步控制，调整过后的ω^*与E^*作为频率及电压幅值的参考值，使微电网PCC点电压与电网电压达到一致。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

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、以及用于电压源型逆变器的电压、电流环、有功/无功功率的下垂控制的三级控制层，其特征在于，其包括以下步骤：

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ω_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△ω_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：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&omega;}}^{*}}_{ref}={\mathrm{\&omega;}}^{*}+{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_s=G_{\mathrm{\&omega;}}\left(s\right)({\mathrm{\&omega;}}_{t\arg et}-{\mathrm{\&omega;}}_g)+{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_s\\ {E^{*}}_{ref}=E^{*}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg et}-E_g)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ω^* _ref和E^* _ref分别为逆变器输出频率和电压幅值给定值，ω^*与E^*分别为逆变器空载时输出频率和电压幅值参考值，G_ω(s)与G_E(s)分别为频率与电压幅值控制传递函数，ω_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△θ及电压幅值修正量△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：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\&omega;}}^{*}}_{ref}=G_{\mathrm{\&omega;}}\left(s\right)({\mathrm{\&omega;}}_{t\arg et}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_g)+{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_s\\ \mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=\&Integral;\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}dt\\ {E^{*}}_{ref}=G_E\left(s\right)(E_{t\arg et}+\mathrm{\&Delta;}E-E_g)\end{array}\right.---\left(2\right)$

由△θ＝∫△ωdt可知，△ω为频率修正量；

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△θ和△E分别进行最小值搜索，以调整二级控制环路中的△θ和△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包括以下步骤：

步骤31、对微电网侧和电网侧进行电压采样：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{grid}=E_{0}sin\left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)\\ V_{MG}=(E_0+\mathrm{\&Delta;}E)sin({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，V_grid为电网侧相电压，V_MG为微电网PCC点相电压，ω₀与E₀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：

$F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{err}=E_0\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}{e}^{-j\mathrm{\&omega;}t}sin\left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)dt-(E_0+\mathrm{\&Delta;}E)\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}{e}^{-j\mathrm{\&omega;}t}sin({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})dt---\left(4\right)$

步骤32、此时存在△θ和△E两个变量，分别建立当△E＝0以及△θ＝0时的误差函数，并将欧拉公式代入式(4)中，进行积分运算，得到式(5)：

$\left\{\begin{array}{cc}F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{err}=2{\mathrm{\&pi;E}}_0\&lsqb;\frac{1-e^{j\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}}}{2j}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-\frac{1-e^{-j\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}}}{2j}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)\&rsqb;& (\mathrm{\&Delta;}E=0)\\ F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{err}=\frac{\mathrm{\&Delta;}E}{2j}\&lsqb;2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)\&rsqb;& (\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=0)\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，δ(ω-ω₀)和δ(ω+ω₀)分别为与ω-ω₀和ω+ω₀相关的复合三角函数；

步骤33、由欧拉公式代入式(5)中，得到误差电压与△θ、△E之间的函数关系，如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{cc}|F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{err}{|}_{\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_0}=f\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)={\mathrm{\&pi;E}}_0\sqrt{{\sin }^2\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)+{\&lsqb;\cos \left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)-1\&rsqb;}^2}& (\mathrm{\&Delta;}E=0)\\ F{\left(\mathrm{\&omega;}\right)}_{err}=f\left(\mathrm{\&Delta;}E\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}E}{2j}\&lsqb;2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)-2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}+{\mathrm{\&omega;}}_0)\&rsqb;& (\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=0)\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据欧拉公式可得，

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△θ进行最小值搜索的方法是：分别设定一△θ和△E参考值，代入式(4)中求得误差电压值，然后保持△E参考值不变，将△θ参考值以一定的步长递增或递减，直至误差电压值小于一阈值，此时，该小于阈值的误差电压值对应的△θ的值即为△θ的最小值；

采用扰动观察法对△E进行最小值搜索的方法是：分别设定一△θ和△E参考值，代入式(4)中求得误差电压值，然后保持△θ参考值不变，将△E参考值以一定的步长递增或递减，直至误差电压值小于一阈值，此时，该小于阈值的误差电压值对应的△E的值即为△E的最小值。