CN102185341B - 基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式发电技术领域，涉及一种基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法：当从独立运行模式切换至并网运行模式时，控制方式从电压电流双环控制切换至电流闭环控制，记忆切换前电压环输出结果，作为切换后电流环参考输入；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值；当从并网运行模式切换至独立运行模式时，控制方式从电流闭环控制切换至电压电流双环控制，记忆切换前电流环参考输入指令，作为切换后电压环输出结果的初始值；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值。采用本发明提出的控制方法能够保证双向逆变器各输出量不会突变，且微网系统过渡过程更加平滑。

Description

基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电供能微网系统技术领域，涉及一种微网的主电源双模式运行控制方。

背景技术

近年来在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式电源(Distributed Generator，简称DG)如光伏、风电、微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池及飞轮储能等获得了越来越多的关注和应用。将分布式电源以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电系统效益的最有效途径。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，既可以与大电网并网运行，也可以独立带负荷运行。微网在可以工作在并网模式下，除了保证本地负载正常工作外，还可以把多余的电能输送给电网，实现可再生能源的高效利用。当电网正常时，微网无缝切换到独立运行模式，保证对重要负荷的不间断供电。蓄电池储能双向逆变器是微网中的重要组成部分，当微网从并网运行模式切换至独立运行模式时，储能单元可以作为系统主电源，维持微网的电压和频率稳定，保证微网的运行模式无缝切换。微网运行运行模式切换过程中为保证微网内重要负荷的不间断供电，需要采用无缝切换控制策略，并减小模式切换过程中的电压电流冲击。

目前国内外学者提出的无缝切换控制策略主要有两种：

1)并网运行时采用直接电流控制(即恒功率控制)，控制目标为跟踪给定目标电流(即给定功率)；独立运行时采用恒压、恒频控制，控制目标为交流侧负荷电压幅值和频率恒定。双向逆变器通过改变其控制结构来实现运行模式的切换；

2)双向逆变器在并网运行和独立运行时均采用下垂控制，运行模式切换时不需要改变其控制结构。

第一种控制策略中双向逆变器分别在并网运行和独立运行时的控制方式比较成熟，但逆变器控制方式及控制器结构的改变将在很大程度上会影响系统运行的稳定性，导致运行模式切换过程中容易出现过电压和过电流问题使双向逆变器保护动作，从而影响对微网内重要负荷供电的持续性，对于该类控制策略的分析也只限于应用离线电磁暂态仿真软件(如PSCAD/EMTDC)进行仿真分析。基于下垂控制的无缝切换控制在逆变器运行模式切换时逆变器控制结构不需要改变，因此理论上能够实现无缝切换。该类无缝切换控制策略已在几个典型的微网实验室得到验证，其中主要有Wisconsin实验室微网、CEC/CERTS微网实验室及NTUA实验室微网。但下垂控制对系统线路参数、下垂曲线设定点及下垂率比较敏感，且下垂控制在逆变器独立运行情况下具有电压和频率偏差特性，即逆变器输出电压和频率将由负荷来决定，相对于并网运行时的系统电压和频率可能会出现偏差。

本发明考虑结合上述两种无缝切换控制策略的优点，即双向逆变器既采用传统且成熟的控制方式，且控制结构不用或只作出很小程度的改变，设计了适用于双向逆变器并网和独立双模式运行及可实现运行模式主动切换时的控制器。本发明提出的适用于蓄电池储能双向逆变器的控制器，可实现以蓄电池储能系统为主电源的微网并网运行及独立运行的主动双模式无缝切换。

发明内容

微网内主电源双向逆变器运行模式和控制方式切换前后逆变器出口电压幅值和相位的突变极易造成切换过程中出现过压或过流等问题，从而导致无缝切换失败。为保证双向逆变器运行模式切换时微网系统的平滑过渡，本发明提供了一种适用于双向逆变器并网和独立双模式运行及可实现运行模式无缝切换的控制方法。本发明的技术方案如下：

一种基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法，该方法基于同步旋转dq坐标系，取逆时针旋转为正方向，且q轴超前d轴90°，主电源控制器通道分为d轴通道和q轴通道，主电源控制器中加入电流dq轴分量解耦项以实现dq通道完全解耦控制；采用空间矢量脉宽调制方式控制逆变器开关器件的通断，该方法为：

1)当主电源双向逆变器工作于独立运行模式时，采用电压外环、电流内环双环控制结构，控制逆变器输出交流母线电压幅值和频率恒定，当主电源双向逆变器工作于并网运行模式时，则封锁电压环输出，只采用电流闭环，控制目标为输出功率跟踪给定指令；

2)当主电源双向逆变器从独立运行模式切换至并网运行模式时，主电源控制器接收到切换控制命令后，控制方式从电压电流双环控制切换至电流闭环控制：主电源控制器记忆切换前电压环输出结果，作为切换后电流环参考输入；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值；

3)当主电源双向逆变器从并网运行模式切换至独立运行模式时，主电源控制器接收到切换控制命令后，控制方式从电流闭环控制切换至电压电流双环控制：记忆切换前电流环参考输入指令，作为切换后电压环输出结果的初始值；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值。

作为优选实施方式，当主电源双向逆变器工作在并网运行模式时，主电源控制器采用电网电压矢量定向，即电网电压矢量为d轴参考方向，进行坐标变换和进行空间矢量调制时所需的参考角度通过对电网电压矢量锁相得到；当双向逆变器工作在独立运行模式时，采用以314.15rad/s的恒定角速度逆时针旋转空间矢量定向，进行坐标变换和进行空间矢量调制时所需参考角度通过对该恒定角速度进行积分得到；当主电源双向逆变器从独立运行模式切换至并网运行模式时，需首先检测电网电压相角和幅值，然后不断调整逆变器输出电压的相角和幅值，保证并网开关两侧电压幅值和相角、频率都相同；当双向逆变器从独立运行主动切换至并网运行时，控制器的d轴参考及参考角度的获取切换至以电网电压矢量为参考。

采用本发明的控制方法，既能够稳定工作在并网运行模式，也能够工作在独立运行模式，同时还可以在电网故障下实现微网从并网运行模式转入独立运行模式或者从独立运行模式转入并网运行模式的无缝切换，减小或消除切换过程中容易出现的过电压和过电流问题，能够保证双向逆变器各输出量不会突变，且微网系统过渡过程更加平滑，保证对微网内重要负荷的不间断供电。

附图说明

图1基于主从控制策略的微网系统结构图。

图2主电源三相并网逆变器主电路结构。

图3蓄电池储能双向逆变器型的运行模式和控制目标。

图4控制器的参考坐标系。

图5蓄电池储能双向逆变器用控制器控制结构。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。

基于主从控制策略的微网系统如图1所示，微网内分布式电源(包含主电源和从电源)通过三相逆变器接入微网内的交流母线。微网通过静态开关(STS)接入电网，当开关合上时，微网并网运行，微网内负荷可由分布式电源及电网同时供电，若分布式电源出力大于负荷，还可向电网送电；当开关断开时，微网转入独立运行模式，微网内负荷由微网内分布式电源独立供电。图2所示为主电源三相并网逆变器主电路结构，主功率模块采用三相逆变桥结构，其输出经LCL滤波器并入微网交流母线。主电源控制器具有电网故障检测、静态开关切换控制和主电源逆变器控制等功能。在微网并网运行和独立运行时，主电源控制器分别采用恒功率控制和恒压/恒频控制，从电源则始终采用恒功率控制。双向逆变器的运行模式和控制目标如图3所示。双向逆变器控制器设计时必须选取合适坐标系，本发明中选取如图4所示坐标系，abc为三相静止坐标系，αβ为两相静止坐标系，dq为两相同步坐标系(其中规定d轴超前q轴90°)，且旋转方向以逆时针为正方向。

双向逆变器用控制器控制结构如图5所示。当双向逆变器开始工作于并网运行模式时，图5结构中电压外环不起作用(即电压环PI控制器输出结果为零)，d、q轴补偿电流参考I_{d_}com、I_{q_}com取零，电流环PI结果补偿U_{dr_}com、U_{qr_}com取零，直接下达定电流环输入参考指令，即d、q轴电流参考指令i_dref、i_qref，i_dref、i_qref分别与对应的反馈值i_d、i_q进行比较后的误差经过PI调节器输出u_dr、u_qr，再与各自的解耦项ωLi_d、ωLi_q及电网电压前馈补偿项U_d、U_q相运算后得到dq轴参考电压e_d和e_q，最后进行空间矢量(SVPWM)调制，产生驱动信号实现对变流器的控制。d轴以电网电压矢量定向，获取电网电压相角θ作为控制器参考角度，所有涉及到坐标变换时需要角度参考的都采用该角度。

双向逆变器工作于独立运行模式时，如图5所示，控制器采用电压、电流双闭环控制结构。给定电压环输入即d、q轴电压参考指令u_dref、u_qref，d、q轴补偿电流参考I_{d_}com、I_{q_}com取零，电流环PI结果补偿U_{dr_}com、U_{qr_}com取零。电压环控制中u_dref、u_qref分别为有功电压和无功电压参考，u_dref、u_qref分别与对应的反馈值u_d、u_q进行比较后的误差经过PI调节器输出内环电流参考指令i_dref、i_qref；电流环控制中i_dref、i_qref分别与对应的反馈值i_d、i_q进行比较后的误差经过PI调节器输出u_dr、u_qr，再与各自的解耦项ωLi_d、ωLi_q及电网电压前馈补偿项U_d、U_q相运算后得到dq轴参考电压e_d和e_q，最后进行空间矢量(SVPWM)调制，产生驱动信号实现对变流器的控制。d轴以50Hz恒定频率旋转矢量定向，获取该矢量相角θ作为控制器参考角度，控制目标即期望负荷侧电压矢量能够快速跟踪d轴矢量，即通过控制能够使负荷侧电压矢量始终处于d轴上。

当微网从并网运行模式切换至独立运行模式时，应尽量减小切换前流过静态开关的电流，并将其减小至某一设定值，此处称为允许切换电流阀值。具体逻辑为：主电源控制器检测到电网电压故障后，检测流过静态开关的电流峰值或有效值。如果流过静态开关的电流大于允许切换电流阀值，主电源控制器以当前电流参考值与并网电流的偏差值作为主电源逆变器输出电流参考指令，在静态开关关断前尽快降低微网与电网之间联络线上电流；当主电源控制器检测到并网电流小于允许切换电流阀值后，下达静态开关关断指令，同时主电源控制器按照上文中所述方法进行控制模式切换，由恒功率控制模式切换至恒压/恒频控制模式。在微网运行模式切换过程中，从电源始终运行在恒功率控制模式下。

双向逆变器从并网运行模式无缝切换至独立运行模式时，首先d轴从以电网电压矢量方向为参考切换至以50Hz恒定频率旋转矢量为参考，且切换后矢量的初始相位为切换前电网电压矢量相角θ₀，即坐标变换参考角度θ调整为θ＝ωt+θ₀，其中t从0开始进行积分，ω＝314.15rad/s为同步旋转角速度，θ₀即为切换前对电网电压锁相得到的角度，即作为独立运行控制时矢量角度的初始相角，采用上述控制技术即能保证双向逆变器各输出量不会突变，且微网系统过渡过程更加平滑。同时控制结构在电流环基础上加入电压外环，且给定电压环输入即d、q轴电压参考指令u_dref、u_qref，且加入d、q轴补偿电流参考I_{d_}com、I_{q_}com，这两补偿项即为切换前逆变器并网运行时电流环输入即d、q轴电流参考，同时电流环PI输出加入补偿项U_{dr_}com、U_{qr_}com，这两补偿项即为切换前逆变器并网运行时电流环PI输出结果。

当双向逆变器从独立运行模式无缝切换到并网运行模式时，需首先检测电网电压相角和幅值，然后不断调整逆变器输出电压的相角和幅值，保证并网开关两侧电压幅值和相角、频率都相同。当上述并网条件满足时，双向逆变器控制即可从电压控制切换至并网电流控制。控制结构上封锁电压环输出，切换前电压环控制输出结果记为d、q轴补偿电流参考I_{d_}com、I_{q_}com，将其作为切换后控制器中电流环输入d、q轴电流参考，同时电流环PI控制器输出加入补偿项U_{dr_}com、U_{qr_}com，这两补偿项为切换前逆变器独立运行时电流环PI输出结果，当完成运行模式无缝切换后，可以在初始参考电流即I_{d_}com、I_{q_}com基础上在线调整电流参考指令，实现并网运行时逆变器输出电流(或功率)的跟踪控制。同时对电压和电流进行坐标变换时所需参考角度及进行SVPWM调制时所需参考角度θ则直接切换至对电网电压锁相得到，采用上述控制技术能够保证双向逆变器各输出量不会突变，且微网系统过渡过程更加平滑。

Claims (3)

1.一种基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法，该方法基于同步旋转dq坐标系，取逆时针旋转为正方向，且q轴超前d轴90°，主电源控制器通道分为d轴通道和q轴通道，主电源控制器中加入电流dq轴分量解耦项以实现dq通道完全解耦控制；采用空间矢量脉宽调制方式控制逆变器开关器件的通断，其特征在于，

1）当主电源双向逆变器工作于独立运行模式时，采用电压外环、电流内环双环控制结构，控制逆变器输出交流母线电压幅值和频率恒定，当主电源双向逆变器工作于并网运行模式时，则封锁电压环输出，只采用电流闭环，控制目标为输出功率跟踪给定指令；

2）当主电源双向逆变器从独立运行模式切换至并网运行模式时，主电源控制器接收到切换控制命令后，控制方式从电压电流双环控制切换至电流闭环控制：主电源控制器记忆切换前电压环输出结果，作为切换后电流环参考输入；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值；

3）当主电源双向逆变器从并网运行模式切换至独立运行模式时，主电源控制器接收到切换控制命令后，控制方式从电流闭环控制切换至电压电流双环控制：记忆切换前电流环参考输入指令，作为切换后电压环输出结果的初始值；记忆切换前电流环输出结果，作为切换后电流环输出结果的初始值；

4）当主电源双向逆变器工作在并网运行模式时，主电源控制器采用电网电压矢量定向，即电网电压矢量为d轴参考方向，进行坐标变换和进行空间矢量调制时所需的参考角度通过对电网电压矢量锁相得到；当双向逆变器工作在独立运行模式时，采用以314.15rad/s的恒定角速度逆时针旋转空间矢量定向，进行坐标变换和进行空间矢量调制时所需参考角度通过对该恒定角速度进行积分得到。

2.根据权利要求1所述的基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法，其特征在于，当主电源双向逆变器从独立运行模式切换至并网运行模式时，需首先检测电网电压相角和幅值，然后不断调整逆变器输出电压的相角和幅值，保证并网开关两侧电压幅值和相角、频率都相同。

3.根据权利要求1所述的基于主从控制策略微网的主电源双模式运行控制方法，其特征在于，当双向逆变器从独立运行主动切换至并网运行时，控制器的d轴参考及参考角度的获取切换至以电网电压矢量为参考。

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