基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其主要技術特點是：將微電網并網控制器與并網點斷路器連接在一起；通過測頻單元采集主電網側和微電網側頻率，計算同期并網時兩側的頻率差值以及周波的頻率；通過數據采集單元采集獲得微電網側的三相電壓電流值和主電網側相電壓電流值，并進行微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量處理；計算微電網和主電網側的電壓差值、相位差值、頻率差值，進行并網合閘處理。本發明采用頻率跟蹤技術調整采樣周期進行數據采集，能夠準確測量微電網側電壓并準確無誤判斷并網、脫網條件，具有實用性強、可靠性和準確性高等特點，滿足了用戶對電能質量和供電安全要求。
【專利說明】基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于微電網【技術領域】，尤其是一種基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方 法。

【背景技術】
[0002] 隨著常規能源的逐漸衰竭和環境污染的日益加重，世界各國日益關注分布式發電 技術。分布式發電技術的不斷創新，分布式電源類型發展為主要包括微燃機、太陽能光伏電 池、風力發電機、蓄電池、飛輪等。作為分布式發電的重要組成形式，微電網通常由分布式電 源、儲能裝置、能量變換器、相關負荷、監控系統、保護系統、電力傳輸設備等匯集而成的小 型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統。
[0003] 微電網既可以通過配電網與大型電力網并聯運行，形成一個大型電網和小型電網 的聯合運行系統，也可以獨立地為當地負荷提供電力需求。在主電網正常狀態下，微電網需 要長期穩定運行；在大電網故障時，微電網必須快速脫離主電網，進入并保持于孤島運行， 待大電網故障排除后重新自動并網運行；當微電網出現故障點時，同樣需要快速切除微電 網。由于微電網中的一些分布式電源，如風力發電和太陽能發電，受外界氣候條件影響很 大，頻率時常波動導致采樣的誤差，因此，如何穩定、可靠地實施微電網并網是目前迫切需 要解決的問題。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、穩定可靠的基于頻 率跟蹤技術的微電網并網控制方法。
[0005] 本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：
[0006] 一種基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、將具有基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制器與并網點斷路器連接在一 起；
[0008] 步驟2、微電網并網控制器通過測頻單元采集主電網側和微電網側頻率，計算同期 并網時兩側的頻率差值以及周波的頻率；
[0009] 步驟3、微電網并網控制器通過數據采集單元采集獲得微電網側的三相電壓電流 值和主電網側相電壓電流值，并進行微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的 測量處理，數據采集獲取邏輯流程圖如圖4 ;
[0010] 步驟4、微電網并網控制器計算微電網和主電網側的電壓差值、相位差值、頻率差 值，在同時滿足頻率差不大于同期頻率差值F H〇MX、電壓差不大于同期電壓差動作值UHQmax、同 期角不大于同期角度差動作值Ang HQ_^^條件下，接到并網合閘命令，進行并網合閘處理， 邏輯框圖如圖5。
[0011] 而且，所述步驟1微電網并網控制器與并網點斷路器方式為：該微電網并網控制 器通過開入單元與并網點斷路器相連接采集遙信量信息，通過開出單元與并網點斷路器相 連接輸出遙控命令，通過測頻單元連接在主電網側和微電網側用于測量主電網側和微電網 側頻率，通過數據數據采集單元與主電網側和微電網側相連接用于采集主電網側和微電網 的遙測信號量，通過通信單元與微電網控制器相連接進行交互控制功能。
[0012] 而且，所述步驟3進行微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量 處理的方法為：采用高速高密度同步采樣、頻率自動跟蹤以及改進的FFT算法。
[0013] 而且，所述采用高速高密度同步采樣、頻率自動跟蹤以及改進的FFT算法的具體 方法為：當電網頻率恒定為50Hz、采用一個周波32點采樣；當頻率發生變化時，交流量的 采樣值采用一次拉格朗日插值算法進行實時修正，獲得新的采樣序列，再運用FFT算法，從 而完成微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量和處理。
[0014] 而且，所述步驟4進行并網合閘處理時，對頻率差、電壓差定值、同期角定值及時 間定值進行單獨整定，其整定原則為：同期電壓差動作值U HQmax取5V?10V，同期角度差動作 值AngHQmax取5°?10°，同期頻率差動作值F H〇MX取1Hz?2Hz，動作時限Τηρ取2s?3s。
[0015] 本發明的優點和積極效果是：
[0016] 1、本發明采用頻率跟蹤技術調整采樣周期進行數據采集，克服了微電網中的一些 分布式電源受外界氣候條件影響很大、頻率時常波動導致采樣誤差問題，能夠準確測量微 電網側電壓并準確無誤判斷并網、脫網條件，具有實用性強、可靠性和準確性高等特點，滿 足了用戶對電能質量和供電安全要求。
[0017] 2、本發明使用微電網并網控制器對微電網并網點遙信、遙測、遙控數據進行有效 監控，實現對微電網的綜合監測和保護功能，具有數據采集、電能抄收、孤島保護、故障切 除、異常信息報警、開合閘控制、并網控制、電能質量監測等綜合性功能，保證了電網系統的 正常運行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明使用的微電網并網控制器的電路方框圖；
[0019] 圖2是測頻單元電路原理圖；
[0020] 圖3是測頻單元的信號轉變示意圖；
[0021] 圖4是本發明的采樣序列獲取邏輯流程圖；
[0022] 圖5是本發明的同期并網、脫網處理邏輯框圖。

【具體實施方式】
[0023] 以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述：
[0024] 一種基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟1 :將具有基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制器與并網點斷路器連接在一 起。
[0026] 本控制方法是將具有基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制器接入到微電網中實 現微電網并網控制功能。該微電網并網控制器通過開入單元與并網點斷路器相連接采集遙 信量信息，通過數據數據采集單元與主電網側和微電網側相連接用于采集主電網側和微電 網的遙測信號量，通過具備頻率跟蹤技術的測頻單元連接在主電網側和微電網側用于測量 主電網側和微電網側頻率，通過開出單元與并網點斷路器相連接輸出遙控命令，對并網點 斷路器分合閘功能進行控制，通過通信單元與微電網控制器相連接進行交互控制功能。
[0027] 如圖1所示，微電網并網控制器包括CPU單元、電源單元、外部存儲器、通信單元、 測頻單元、數據采集單元、開入單元、開出單元、人機界面單元和JTAG仿真接口單元，CPU單 元分別與電源單元、外部存儲器、通信單元、測頻單元、數據采集單元、開入單元、開出單元、 人機界面單元和JTAG仿真接口單元相連接。在本實施例中，CPU單元使用LPC2214微控制 器，該微控制器是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器， 并帶有256KB嵌入的高速Flash存儲器主頻可達60MHz，外擴4Mb外部RAM運行程序，并外 擴512Kb的EEPR0M存儲電路（外部存儲器）用于存儲數據、事件記錄等。所述的通信單元 使用RS232或RS485模塊并可與上位機進行通信。所述的人機界面單元包含液晶顯示、LED 告警燈顯示和按鍵輸入。JTAG仿真接口單元作為一個仿真接口用于與外部計算機相連接實 現軟件調試及升級功能。開入單元包括六路遙信量輸入單元，用于采集并網點斷路器位置 信號、開關儲能告警信號以及分布式電源逆變器告警信號等，+12V電平輸入經RC網絡抗干 擾濾波后，由光耦隔離變換輸入到CPU單元，CPU單元每經過一個時間間隔掃描I/O信號采 集得到。開出單元包括四路遙控輸出單元，每路遙控二副空接點輸出，可設置成二路常開接 點、二路常閉接點或一路常開、一路常閉接點，主要動作輸出合閘、輸出跳閘以及告警輸出， 用于斷路器、電動刀閘的合、跳控制。四路遙控對應開合閘控制、故障切除功能，其中一路用 作同期并網控制。
[0028] 步驟2 :微電網并網控制器通過測頻單元采集主電網側和微電網側頻率，計算同 期并網時兩側的頻率差值以及周波的頻率f。
[0029] 微電網并網控制器的測頻單元用于測量主電網側和微電網側頻率，主電網側頻率 的采集缺省情況以A相電壓為基準，考慮到微電網三相不平衡問題的可能性，需要測量微 電網三相電壓頻率，采集所得數據用于同期并網時計算兩側的頻率差值。如圖2所示，測頻 單元包括過零比較運放器LM258和光耦HCPL-070L，微電網三相和主電網A相經過PT二次 側的電壓交流信號，輸入U13過零比較運放器LM258,輸出低電平0V、高電平+12V電壓，再 經過U15光耦HCPL-070L隔離，轉換為單極性0?+3. 3V的模擬量，輸入ARM捕獲管腳，其 中R37為5. 1ΚΩ用作限流，R40為10ΚΩ用作拉高信號CAP1。如圖3所示，測頻單元轉變 輸出的信號接到CPU單元的捕獲器1輸入端CAP1. 0、CAP1. 1、CAP1. 2、CAP1. 3, Timerl定時 器作捕獲器的時基T1，捕獲器可以捕獲兩個脈沖間隔的時間（用Timerl計數器的變化量 ΛΤ表示），系統時鐘頻率fPM，這樣可以計算出周波的周期和頻率f，計算公式為：
[0030] f = fPCLK/ Δ Τ (1)
[0031] 步驟3 :微電網并網控制器通過數據采集單元采集獲得微電網側的三相電壓電流 值和主電網側相電壓電流值，并完成微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的 測量和處理。
[0032] 微電網并網控制器的數據采集單元包含采集預處理和A/D轉換模塊，采集八路遙 測信號量，包含電網側A相電壓、電流，微電網側的三相電壓、電流。遙測量可通過終端內的 高精度電流和電壓互感器將強交流電信號（5A/100V)不失真地轉變為內部弱電信號，經濾 波處理后進入A/D芯片進行模數轉換，經轉換后的數字信號經CUP單元（ARM)計算，獲得微 電網側的三相電壓電流值和主電網側相電壓電流值。本遙測信號量處理采用了高速高密度 同步采樣、頻率自動跟蹤技術還有改進的FFT算法，所以精度得到充分保證，能夠完成微電 網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量和處理。
[0033] 在交流采樣系統中，由于采用FFT算法，通常是一個周波采樣32點、64點或128點 的電量值，然后對這些數據進行處理。如果電網頻率恒定，則采樣間隔T S = T/N(T為周期，N 為采樣點），而微電網的頻率通常有一定的波動情況下，固定采樣間隔下采樣點數不固定， 所以要調整計算方法。本次遙測按照電網頻率恒定為50Hz、采用一個周波32點采樣，則采 樣間隔為：
[0034] Ts = 0. 02s/32 = 625 μ s (2)
[0035] 在625 μ s采樣間隔內，經過A/D芯片采樣獲得的32點采樣序列為x (k) (k = 0, 1，2,…，31)。當頻率發生變化時，交流量的采樣值采用拉格朗日算法進行實時修正，獲得 新的采樣序列，可以保證交流量計算的精度。
[0036] Lagrange插值采用函數逼近的方法，通過構建多項式求得插值點。當構建多項式 次數越高時，則插值誤差越小。在實際應用中，考慮到運算量方便和插值誤差的允許范圍， 我們通常采用一次Lagrange插值算法（線性插值），即可獲得滿意效果。設在f s = 50Hz 的固定采樣頻率下得到的采樣序列為x(k) = x(kTs) (k = 0, 1，2,…，31)，通過測頻單元算 法已測得微電網電壓信號的頻率為f，相應的采樣周期為Τ'，其理想的采樣序列應為
[0037] y(k) = x(kT，）= x[kfs/(fTs))] (3)
[0038] 由于kfV(fTs) -般不是整數，因此可以在其相鄰的兩點進行線性插值。設a = kfs/f，并設b是小于a的最大整數，將y(k)在u(b)和u(b+l)間進行線性插值，這樣得到新 的采樣序列y(k) (k = 0, 1，2, "·，31)，再運用FFT算法，最終算出主電網側A相電壓電流， 算出微電網側從基波到高次諧波分量的三相電壓電流，處理獲得有功、無功等。
[0039] 步驟4 :微電網并網控制器計算微電網和主電網側的電壓差值、相位差值、頻率差 值，在同時滿足頻率差不大于同期頻率差值FH〇MX、電壓差不大于同期電壓差動作值U HQmax、同 期角不大于同期角度差動作值AngHQ_^^條件下，接到并網合閘命令，進行并網合閘處理。
[0040] 在本步驟中，為了減少微電網并網對電網造成的沖擊，要求配置同期并網功能。同 期時，要求分布式電源發電側和配電網側的頻率差和電壓差滿足一定要求。根據數據采樣 及運算結果，測得微電網三相電壓電流和主電網側A相的幅值、相位角、頻率值，計算微電 網和主電網側的電壓差值、相位差值、頻率差值。在同時滿足頻率差不大于F H〇MX、電壓差不 大于定值UHQmax、同期角不大于定值AngHanax的條件下，接到并網合閘命令，進行并網合閘處 理。同期并網及脫網動作邏輯如圖5所示，頻率差、電壓差定值、同期角定值及時間定值可 單獨整定，整定原則：同期電壓差動作值U HQmax可取（5?10)V，同期角度差動作值 取（5?10)，同期頻率差動作值FHanax可取（1?2)Hz，動作時限Τηρ可取2?3S。
[0041] 需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案 得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
【權利要求】
1. 一種基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、將具有基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制器與并網點斷路器連接在一起； 步驟2、微電網并網控制器通過測頻單元采集主電網側和微電網側頻率，計算同期并網 時兩側的頻率差值以及周波的頻率； 步驟3、微電網并網控制器通過數據采集單元采集獲得微電網側的三相電壓電流值和 主電網側相電壓電流值，并進行微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量 處理； 步驟4、微電網并網控制器計算微電網和主電網側的電壓差值、相位差值、頻率差值，在 同時滿足頻率差不大于同期頻率差值FHQMAX、電壓差不大于同期電壓差動作值UHQMAX、同期角 不大于同期角度差動作值Ang H_^^條件下，接到并網合閘命令，進行并網合閘處理。
2. 根據權利要求1所述的基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其特征在于：所 述步驟1微電網并網控制器與并網點斷路器方式為：該微電網并網控制器通過開入單元 與并網點斷路器相連接采集遙信量信息，通過開出單元與并網點斷路器相連接輸出遙控命 令，通過測頻單元連接在主電網側和微電網側用于測量主電網側和微電網側頻率，通過數 據數據采集單元與主電網側和微電網側相連接用于采集主電網側和微電網的遙測信號量， 通過通信單元與微電網控制器相連接進行交互控制功能。
3. 根據權利要求1所述的基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其特征在于：所 述步驟3進行微電網側有功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量處理的方法為：采 用高速高密度同步采樣、頻率自動跟蹤以及改進的FFT算法。
4. 根據權利要求3所述的基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其特征在于：所 述采用高速高密度同步采樣、頻率自動跟蹤以及改進的FFT算法的具體方法為：當電網頻 率恒定為50Hz、采用一個周波32點采樣；當頻率發生變化時，交流量的采樣值采用一次拉 格朗日插值算法進行實時修正，獲得新的采樣序列，再運用FFT算法，從而完成微電網側有 功、無功和電能從基波到高次諧波分量的測量和處理。
5. 根據權利要求1所述的基于頻率跟蹤技術的微電網并網控制方法，其特征在于：所 述步驟4進行并網合閘處理時，對頻率差、電壓差定值、同期角定值及時間定值進行單獨整 定，其整定原則為：同期電壓差動作值U HQMAX取5V?10V，同期角度差動作值八1^11_)(取5°? 10°，同期頻率差動作值F_ x取1Hz?2Hz，動作時限Tnp取2s?3s。
【文檔編號】H02J3/38GK104158214SQ201410391910
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】張磐, 莊劍, 杜紅衛 申請人:國家電網公司, 國網天津市電力公司