CN102832698A - 适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术。在微网的主从控制结构中，微网主控逆变器在并网运行时，追踪电网相位；孤岛运行时，需自主维持系统频率不变。为保证微网模式切换过程中电压相位和频率不会发生突变，本发明提出一种新型软件锁相技术。并网转孤岛时，锁定电网相位，脱网之后输出相位逐渐由电网相位过渡到微网相位，不会出现相位跳变；孤岛转并网时，首先求得电网与微网的相位差，然后对其进行PI调节，其输出作为频率补偿信号与孤岛模式下的频率进行叠加，作为微网主控逆变器输出电压的频率参考，通过改变其频率，使微网主控逆变器的相位缓慢地接近电网相位，当两者相位差小于设定值θ0时，进行并网操作。
Description
技术领域
本发明涉及适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术，属于功率变换技术中的微网逆变器控制技术。
背景技术
微电网技术为大规模分布式电源应用提供了一种有效方法，是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电和储能技术的综合。微电网存在两种典型的运行模式：并网模式和孤岛模式。在微网主从控制结构中，主控逆变器在并网运行时，追踪公共电网相位，采用恒功率控制(PQ控制)；孤岛运行时，主控逆变器自主生成频率，采取恒电压恒频率控制(V/f控制)，为微网系统提供电压幅值和频率支撑。而从逆变器在并网和孤岛模式下，均采取PQ控制，只需控制自身输出功率的大小。
公共电网与微网系统在公共连接点(PCC)处相连，通过控制此处的开关，可实现微网并网与孤岛模式的切换。微网由并网向孤岛模式切换时，锁相角由公共电网相位变为孤岛模式下恒定频率运行对应的相位，为避免切换过程中频率和相位的跳变，需要一个中间过程，使之平滑过渡；而微网由孤岛向并网模式切换时，由于系统在孤岛模式下没有追踪电网相位，必然会和电网存在相位差，为了减小并网瞬间对公共电网的冲击，重新并网前需要控制微网重新追踪电网相位，进而实现微网孤岛到并网模式的平滑切换。
本发明提出的适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术，适用于微网不同运行模式的平滑切换。当并网向孤岛模式切换时，微网锁相环以切换瞬间的公共电网相位为初始相位角，对微网锁相角进行累加从而得到微网逆变器孤岛运行时的锁相角，因此微网由并网模式到孤岛模式可平滑过渡；当孤岛向并网模式切换时，孤岛运行模式下的主控逆变器收到微网中央控制器发出的并网信号后，首先启动预同步程序，通过对微网主控逆变器工作频率的修正，实现对公共电网的相位追踪，待预同步完成后，闭合并网开关，实现微网由孤岛模式到并网模式的平滑切换。
发明内容
本发明旨在提出适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术，用以解决微网两种运行模式切换时的平滑过渡问题。
该新型软件锁相技术主要由两部分组成：
(1)并网转孤岛模式切换时，微网自主频率生成技术。在断网瞬间，对电网电压相位和频率进行锁定，脱网之后，输出相位沿着断网瞬间的电网相位以频率f继续增加，从而得到微网主控逆变器孤岛运行时的锁相角，不会出现相位跳变。
(2)孤岛转并网模式切换时，预同步频率补偿技术。重新并网前，首先需要进行预同步。将电网相位与微网相位做差，对其进行PI调节，调节器输出作为频率补偿信号与孤岛模式下的频率进行叠加，作为微网主控逆变器输出电压的频率参考，通过改变微网主控逆变器的电压频率，使主控逆变器的相位缓慢地接近电网相位。
本发明的具体技术方案的有益效果如下：
(1)本发明在系统从并网到孤岛模式的动态切换过程中，对脱网相位和频率进行锁定，使微网的电压不会发生任何闪变，即对微网中其他微源来讲，无法感知外部电网的变化，可实现微网系统并网转孤岛模式的无缝切换。
(2)本发明在微网系统重新并网运行前，首先进行并网预同步，通过改变微网主控逆变器的电压频率，使主控逆变器的相位缓慢地接近电网相位，从而实现微网系统孤岛转并网模式的平滑过渡。
(3)本发明中的并/离网控制逻辑，保证在满足并网标准要求时才执行并网动作，提高了并网过程的安全性，此外算法的判断逻辑简单可靠，易于软件实现。
附图说明
图1为微网主控逆变器总体控制结构框图。
图2为电网瞬时相位检测原理图。
图3为微网自主频率生成结构框图。
图4为预同步频率补偿算法结构框图。
图5为并/离网控制逻辑流程图。
图6为本发明的MATLAB仿真结果图。
图7为本发明的并网转孤岛实验结果图。
图8为本发明的孤岛转并网实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
微网主控逆变器总体控制结构框图如图1所示，主电路主要符号名称：(1)Vin——输入直流电压。(2)Cin——输入直流侧电容。(3)La，Lb，Lc——三相滤波电感。(4)Ca，Cb，Cc——三相滤波电容。微网主控逆变器输出端接在微网馈线上，微网通过公共连接点(PCC)与公共电网连接。并网运行时，微网主控逆变器采用单电流环控制，逆变器输出电压追踪电网电压相位；孤岛运行时，微网主控逆变器变为电压外环电流内环的双环控制策略，此时主控逆变器以额定频率运行。
当系统并网运行时，为了给微网主控逆变器提供一个与电网完全同步的相位基准，需要对电网的相位信息进行实时检测。图2给出了电网瞬时相位检测子程序的结构框图。通过实时检测电网的三相电压，并对其进行park变换，可得到电压q轴分量。在闭环调节的作用下，q轴分量恒等于零。PI调节器的输出即为电网的角频率ωg，对其进行积分便可得到电网的瞬时相位θg。
当电网发生故障或者计划孤岛时，应保证系统从并网到孤岛的动态切换过程中，微网的电压不会发生任何闪变，即对微网中其他微源来讲，无法感知外部电网的变化。因此，为了实现从并网到孤岛无缝切换的目的，本专利提出了一种微网自主频率生成算法，如图3所示。当系统并网运行，即并/离网动作信号DF等于0时，通道选择开关S向下闭合，选通由图2产生的电网相位θg，输出相位θref等于电网相位θg；相反，当DF等于1，选择开关S向上闭合，输出相位θref等于θinv。而且，由于累加计算使用了上一执行周期的相位角，故在脱网之后，输出相位会沿着断网瞬间的电网相位以频率f继续增加，不会出现相位跳变。
当电网恢复正常后，微网需要重新由孤岛模式返回到并网模式运行。由于系统在孤岛运行时没有追踪电网相位，因此在电网恢复正常后必然会和电网存在一定的相位差。在并网运行前，必须要控制微网重新追踪电网相位，即所谓的相位预同步。图4给出了相位预同步频率补偿算法的结构框图，电网和微网之间的相位差经过PI调节后作为频率补偿信号送到图3。通过改变微网主控逆变器的电压频率，使主控逆变器的相位缓慢地接近电网相位。当两者相位差小于设定值θ0，预同步过程结束。
为了保证微网在并网之前已经完成相位的预同步，避免系统在并网瞬间因为存在相位差而出现电流冲击，需要为微网系统从孤岛到并网运行的平滑过渡提供合理的逻辑控制，图5给出了详细的控制逻辑流程图，图中Set信号为微网中央控制器发出的并/离网控制逻辑，Set＝1为并网使能信号，Set＝0为离网使能信号。DF是并/离网动作信号，DF＝0代表并网运行，DF＝1代表孤岛运行。只有当Set＝1，并且电网与微网系统的相位差小于设定值θ0时，DF信号才等于0，即进行并网动作。
为了验证本专利所提新型软件锁相环的可行性以及性能，利用Matlab/Simulink搭建微网主控逆变器模型，进行仿真验证。图6给出仿真结果，图中Set信号为微网中央控制器发出的并/离网控制逻辑，DF是并/离网动作信号，相位分别为电网相位与微网相位。从图中可以看出，当Set＝1即并网使能后，进行相位预同步，微网主控逆变器输出电压相位缓慢追踪电网相位，并最终实现同步，此时将DF置0，即进行并网动作；而当Set＝0即接收到中央控制器发出的离网信号后，微网主控逆变器输出电压相位与电网电压相位逐步分离，没有出现相位跳变。仿真结果验证了本发明提出的适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术的有效性。
为了进一步验证本专利所提新型软件锁相环的性能，基于F28335搭建实验平台。实验参数：开关器件选用SPM IGBT模块，输入电压200VDC，输出电压80VAC，开关频率18kHz，滤波电感和电容分别为3mH和10μF，负载电阻23Ω。图7给出并网转孤岛模式切换时的波形。图中，CH4为DF并网动作信号(DF＝0并网，DF＝1孤岛)、CH3为微网主控逆变器输出电压锁相角波形、CH1为主控逆变器输出电压波形、CH2为主控逆变器输出电流波形。从图中可以看出，在并网转孤岛模式切换时，锁相角波形平滑过渡，没有出现跳变；微网主控逆变器输出电压及输出电流波形没有出现畸变，实现了无缝切换。图8所示为孤岛转并网模式切换时的波形。图中，CH4为DF并网动作信号、CH3为公共电网相位、CH2为微网相位、CH1为微网主控逆变器输出电压波形。从图中可以看出，在并网之前，首先进行了相位预同步，微网相位逐步追踪电网相位，当二者实现同步时，将并网动作信号置低，进行孤岛转并网模式的切换；在切换过程中，微网主控逆变器输出电压波形没有畸变，实现了平滑过渡。因此，实验结果同样验证了本发明提出的适用于微网主从控制的一种新型软件锁相技术的有效性。
Claims (2)
1.并网转孤岛模式切换时，微网自主频率生成技术。
(1)当微网系统并网运行时，通过三相软件锁相环(SPLL)，获得公共电网电压的瞬时频率和相位信息；
(2)在断网瞬间，将步骤(1)中获得的电网电压相位和频率进行锁定，脱网之后，输出相位沿着断网瞬间的电网相位以频率f继续增加，不会出现相位跳变；
(3)将步骤(2)中锁定得到的电网相位作为初始相位，逐渐过渡到孤岛模式下的微网相位，孤岛模式下自主维持系统频率不变。
2.孤岛转并网模式切换时，预同步频率补偿技术。
(1)重新并网运行前，首先进行并网预同步，将公共电网相位与权利要求1中微网自主生成的相位做差，对其进行PI调节，调节器输出作为频率补偿信号与孤岛模式下的微网主控逆变器的频率进行叠加，作为微网主控逆变器输出电压的频率参考，通过改变微网主控逆变器的电压频率，使主控逆变器的相位缓慢地接近电网相位；
(2)在上述追踪与同步的过程中，加入并/离网控制逻辑，保证微网在并网之前已经完成相位的预同步，当微网中央控制器发出并网信号并且公共电网与微网系统的相位差小于设定值θ0时，发出并网开关闭合控制信号，完成并网，同时并网预同步控制退出运行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ZHONGTIAN PHOTOVOLTAIC TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20130411 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ji Qiuhua Inventor after: Chen Xin Inventor after: Chen Jie Inventor after: Wang Bincheng Inventor after: Xue Jiping Inventor after: Xue Qunshan Inventor before: Ji Qiuhua Inventor before: Chen Xin Inventor before: Chen Jie Inventor before: Wang Bincheng |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: JI QIUHUA CHEN XIN CHEN JIE WANG YUNCHENG TO: JI QIUHUA CHEN XIN CHEN JIE WANG YUNCHENG XUE JIPING XUE QUNSHAN |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130411 Address after: Yudaojie Baixia District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 29 210016 Applicant after: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Applicant after: Zhongtian Photovoltaic Technology Co., Ltd. Address before: Yudaojie Baixia District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 29 210016 Applicant before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121219 |