CN103001247B - 一种离网型微电网黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离网型微电网黑启动方法，根据系统的实时状态，控制储能自同步电压源换流器运行于不同模式，通过多台储能自同步电压源换流器在不同运行模式之间的平滑切换，实现离网型微电网的黑启动，提高多台储能自同步电压源换流器组网供电的可靠性。该控制方法可以实现多台储能自同步电压源换流器组网的微电网的黑启动，保证系统的安全、稳定运行。

Description

一种离网型微电网黑启动方法

技术领域

本发明涉及微电网的运行与控制，具体涉及一种基于多台储能自同步电压源换流器共同组网的离网型微电网黑启动方法。

背景技术

微电网是由分布式电源、储能单元、负荷以及控制保护装置组成的集合，是一个能够自我控制、保护和管理的自治系统。根据微电网与大电网的连接关系，微电网分为联网型微电网和离网型微电网，对于联网型微电网的黑启动过程，由于存在大电网的电压和频率支撑，微电网各分布式电源、储能单元及负荷可直接并网运行，进而完成联网型微电网的黑启动；对于离网型微电网的黑启动过程，由于其不存在系统的电压和频率支撑，即不存在基准信号，需要微电网内部的分布式电源通过灵活控制、协调运行进而实现整个独立型微电网的黑启动。因此，离网型微电网的黑启动是实现微电网灵活可靠运行的关键技术。

微电网运行于独立模式时，要求系统内部有一个电源为系统提供参考电压和频率信号，充当微电网的参考电源，此电源即为微电网的组网单元。目前，国内外能够实现独立型微电网黑启动的技术分以下几种：

（1）以柴油发电机或燃气轮机等常规电源作为组网单元；以常规电源作为主网单元，微电网黑启动时首先启动常规电源，建立系统的电压和频率基准值，然后实现其他分布式电源并网运行，此类组网方式对化石燃料资源的依赖程度大，容易造成环境污染，而且独立运行时为保持微电网的稳定运行，风电和光伏等间歇性新能源所占的比例不能太大或必须停运，影响了微电网节能环保的作用。

（2）以单台储能单元作为组网单元；目前储能换流器独立运行控制技术较成熟，某些小容量微电网采用单台储能换流器作为系统的主网单元，微电网黑启动时首先储能单元以V-F模式运行，其他分布式电源则以该电压和频率为基准依次并网运行。虽然储能换流器运行灵活、响应快，但目前采用该技术的微电网规模只能做到数百千瓦。

（3）多台Droop储能换流器作为组网单元；目前针对大容量离网型微电网的容量需求，提出了多台Droop储能换流器共同组网的组网模式。换流器的Droop控制分为电流源型Droop控制、电压源型Droop控制两种。采用电流源型Droop控制的换流器较易在PQ控制模式和Droop控制模式之间切换，但是由于频率提取精度的限制，采用电流源型Droop控制的换流器控制精度较差，容易导致换流器的功率输出与系统实际需求偏差较大，系统运行无法达到预期的稳定状态。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多台储能自同步电压源换流器共同组网的离网型微电网黑启动方法，根据系统的实时状态，控制储能自同步电压源换流器运行于不同模式，通过多台储能自同步电压源换流器在不同运行模式之间的平滑切换，实现离网型微电网的黑启动，提高多台储能自同步电压源换流器组网供电的可靠性。该控制方法可以实现多台储能自同步电压源换流器组网的微电网的黑启动，保证系统的安全、稳定运行。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种离网型微电网黑启动方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：启动第一台储能自同步电压源换流器V-F模式，并由V-F模式切换到Droop模式；

步骤2：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式，并由电压源自同步模式切换到Droop模式；

步骤3：重复执行步骤2，以使后续的储能自同步电压源换流器接入系统运行，实现离网型微电网黑启动。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：启动第一台储能自同步电压源换流器V-F模式；第一台储能自同步电压源换流器V-F模式下，输入为电压和频率参考值，采用电压外环模式和电流内环模式控制；

所述电压外环模式控制过程如下：

采用电压矢量d轴定向控制，根据（a，b，c）三相静止坐标系到（d，q）二相同步旋转坐标系的变换公式，令θ＝0，可得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\left|\stackrel{\→}{e}\right|=\frac{3}{2}{v}_m\\ u_q=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：为电网三相电压合成矢量，v_m为电网三相电压峰值；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{2}{3}(i_a-\frac{1}{2}{i}_b-\frac{1}{2}{i}_c)\\ i_q=-\frac{2}{3}(-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_b+\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i_a为A相电流瞬时值，i_b为B相电流瞬时值，i_c为C相电流瞬时值；

由式（1）和（2）可得电压外环控制模式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dref}}=(K_p+\frac{K_i}{s})(V_{\mathrm{ref}}-u_d)\\ i_{\mathrm{qref}}=(K_p+\frac{K_i}{s})(0-u_q)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_dref为网侧电流d轴分量参考值，i_qref为网侧电流q轴分量参考值，K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，V_ref为储能自同步电压源换流器逆变电压幅值参考值。

所述电流内环模式控制过程如下：

电流内环采用d-q解耦控制，电流内环引进网侧电压前馈控制和无静差PI控制，电流内环控制模式为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_p+\frac{K_i}{s})(i_{\mathrm{dref}}-i_d)-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+u_d\\ v_q=(K_p+\frac{K_i}{s})(i_{\mathrm{qref}}-i_q)+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+u_q\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：v_d为调制电压d轴分量，v_q为调制电压q轴分量，ω为储能自同步电压源换流器控制系统角频率，L为储能自同步电压源换流器系统等效电感。

步骤1-2：第一台储能自同步电压源换流器由V-F模式切换到Droop模式；储能自同步电压源换流器根据自身实时的有功功率和无功功率自动调节自身的V和F参考值，通过控制V和F信号来源切换实现由V-F工作模式向Droop工作模式的平滑切换。

所述步骤1-2中，实时采集自同步电压源换流器输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算换流器输出的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，采用Droop模式控制，计算换流器输出电压相量的参考频率f_ref和参考幅值V_ref：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ref}}=f^{*}-m(P^{*}-P)\\ V_{\mathrm{ref}}=V^{*}-n(Q^{*}-Q)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，f^*和V^*分别为微电网系统额定电压的参考频率和参考幅值，m为有功/频率Droop控制的下垂系数，n为无功/电压Droop控制的下垂系数，P^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考频率f^*下输出的有功功率参考值，Q^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考幅值V^*下输出的无功功率参考值，P和Q分别为储能自同步电压源换流器输出的有功功率和无功功率；

其中，m和n计算方式如下：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{f_{\min }-f^{*}}{P_{\max }-P^{*}}\\ n=\frac{V_{\min }-V^{*}}{Q_{\max }-Q^{*}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，f_min为微电网系统允许的最低运行频率，V_min为微电网系统允许的最低运行电压，P_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大有功功率，Q_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大无功功率。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式；第二台储能自同步电压源换流器根据第一台储能自同步电压源换流器输出的电压幅值、频率和相位，通过电压矢量频率同期调节、电压矢量相位同期调节和电压矢量幅值同期调节，实现第二台储能换流器以电压源模式与第一台储能自同步电压源换流器实现自同步；

步骤2-2：第二台储能自同步电压源换流器由电压源自同步模式切换到Droop模式；储能自同步电压源换流器通过控制V和F信号来源切换实现换流器由电压源自同步模式到Droop工作模式平滑切换。

所述电压矢量频率同期调节中，储能自同步电压源换流器通过电网锁相环输出信号控制第二台储能自同步电压源换流器调制频率，进而完成电压源自同步模式的电压矢量频率同期调节。

所述电压矢量相位同期调节中，通过电网电压相位与微第二台储能自同步电压源换流器输出电压相位比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，表示为

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_e+(K_p+\frac{K_i}{s})({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_u)---\left(7\right)$

其中：θ为第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，θ_e为电网电压相角，θ_u为第二台储能自同步电压源换流器输出电压相角。

所述电压矢量幅值同期调节中，通过电网电压幅值与第二台储能自同步电压源输出电压幅值比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器V-F运行模式下的电压外环参考值：

$V_{\mathrm{ref}}^{\′}=(K_p+\frac{K_i}{s})(e_d-u_d)---\left(8\right)$

式中：V′_ref为第二台储能自同步电压源换流器V-F运行模式下的电压外环参考值，e_d为电网电压d轴分量，u_d为第二台储能自同步电压源换流器输出电压d轴分量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明可应用于大容量离网型微电网，实现离网型微电网的黑启动，避免目前微电网黑启动需要常规电源作为辅助电源的弊端，提高微电网组网的灵活性；

2.本发明可应用于多能互补共交流母线型离网型微电网，如风光水储、风光柴储、风光储等多源互补离网型微电网，可以实现储能换流器与同步发电机之间的自动协调运行，提高独立微电网的供电可靠性和控制的灵活性；

3.本发明可用于实现微电网中的电能全部由风电和光伏等新能源提供，由储能实现主网实现微电网稳定运行，微电网中可以无需柴油发电机等同步发电机，提高了微电网的节能环保效益；

4.本发明可有效降低多台储能换流器陆续接入系统带来的冲击，避免由于接入冲击导致的风电、光伏等电源脱网问题；

5.本发明可实现多台储能换流器对等充当离网型微电网的组网单元，克服大容量离网型微电网储能换流器采用主从控制时，依赖通信技术，冗余性和可靠性较低的缺点，有效推广了大容量离网型微电网的应用。

附图说明

图1是本发明实施例中多台储能自同步电压源换流器并联组网的微电网结构图；

图2是本发明实施例中储能自同步电压源换流器V-F模式控制图；

图3是本发明实施例中储能自同步电压源换流器Droop模式控制图；

图4是本发明实施例中储能自同步电压源换流器电压源自同步模式控制图；

图5是本发明实施例中储能自同步电压源换流器归一化控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，提供一种离网型微电网黑启动方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：启动第一台储能自同步电压源换流器V-F模式，并由V-F模式切换到Droop模式；

步骤2：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式，并由电压源自同步模式切换到Droop模式；

步骤3：重复执行步骤2，以使后续的储能自同步电压源换流器接入系统运行，实现离网型微电网黑启动。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：启动第一台储能自同步电压源换流器V-F模式；如图2，第一台储能自同步电压源换流器V-F模式下，输入为电压和频率参考值，采用电压外环模式和电流内环模式控制；

所述电压外环模式控制过程如下：

采用电压矢量d轴定向控制，根据（a，b，c）三相静止坐标系到（d，q）二相同步旋转坐标系的变换公式，令θ＝0，可得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\left|\stackrel{\→}{e}\right|=\frac{3}{2}{v}_m\\ u_q=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：为电网三相电压合成矢量，v_m为电网三相电压峰值；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{2}{3}(i_a-\frac{1}{2}{i}_b-\frac{1}{2}{i}_c)\\ i_q=-\frac{2}{3}(-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_b+\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i_a为A相电流瞬时值，i_b为B相电流瞬时值，i_c为C相电流瞬时值；

由式（1）和（2）可得电压外环控制模式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dref}}=(K_p+\frac{K_i}{s})(V_{\mathrm{ref}}-u_d)\\ i_{\mathrm{qref}}=(K_p+\frac{K_i}{s})(0-u_q)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_dref为网侧电流d轴分量参考值，i_qref为网侧电流q轴分量参考值，K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，V_ref为储能自同步电压源换流器逆变电压幅值参考值。

所述电流内环模式控制过程如下：

电流内环采用d-q解耦控制，电流内环引进网侧电压前馈控制和无静差PI控制，电流内环控制模式为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d=(K_p+\frac{K_i}{s})(i_{\mathrm{dref}}-i_d)-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+u_d\\ v_q=(K_p+\frac{K_i}{s})(i_{\mathrm{qref}}-i_q)+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+u_q\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：v_d为调制电压d轴分量，v_q为调制电压q轴分量，ω为储能自同步电压源换流器控制系统角频率，L为储能自同步电压源换流器系统等效电感。

步骤1-2：第一台储能自同步电压源换流器由V-F模式切换到Droop模式；如图3，储能自同步电压源换流器根据自身实时的有功功率和无功功率自动调节自身的V和F参考值，通过控制V和F信号来源切换实现由V-F工作模式向Droop工作模式的平滑切换。

所述步骤1-2中，实时采集自同步电压源换流器输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算换流器输出的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，采用Droop模式控制，计算换流器输出电压相量的参考频率f_ref和参考幅值V_ref：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ref}}=f^{*}-m(P^{*}-P)\\ V_{\mathrm{ref}}=V^{*}-n(Q^{*}-Q)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，f^*和V^*分别为微电网系统额定电压的参考频率和参考幅值，m为有功/频率Droop控制的下垂系数，n为无功/电压Droop控制的下垂系数，P^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考频率f^*下输出的有功功率参考值，Q^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考幅值V^*下输出的无功功率参考值，P和Q分别为储能自同步电压源换流器输出的有功功率和无功功率；

其中，m和n计算方式如下：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{f_{\min }-f^{*}}{P_{\max }-P^{*}}\\ n=\frac{V_{\min }-V^{*}}{Q_{\max }-Q^{*}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，f_min为微电网系统允许的最低运行频率，V_min为微电网系统允许的最低运行电压，P_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大有功功率，Q_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大无功功率。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式；如图4，第二台储能自同步电压源换流器根据第一台储能自同步电压源换流器输出的电压幅值、频率和相位，通过电压矢量频率同期调节、电压矢量相位同期调节和电压矢量幅值同期调节，实现第二台储能换流器以电压源模式与第一台储能自同步电压源换流器实现自同步；

步骤2-2：第二台储能自同步电压源换流器由电压源自同步模式切换到Droop模式；储能自同步电压源换流器通过控制V和F信号来源切换实现换流器由电压源自同步模式到Droop工作模式平滑切换。

所述电压矢量频率同期调节中，储能自同步电压源换流器通过电网锁相环输出信号控制第二台储能自同步电压源换流器调制频率，进而完成电压源自同步模式的电压矢量频率同期调节。

所述电压矢量相位同期调节中，通过电网电压相位与微第二台储能自同步电压源换流器输出电压相位比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，表示为

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_e+(K_p+\frac{K_i}{s})({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_u)---\left(7\right)$

其中：θ为第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，θ_e为电网电压相角，θ_u为第二台储能自同步电压源换流器输出电压相角。

所述电压矢量幅值同期调节中，通过电网电压幅值与第二台储能自同步电压源输出电压幅值比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器V-F运行模式下的电压外环参考值：

$V_{\mathrm{ref}}^{\′}=(K_p+\frac{K_i}{s})(e_d-u_d)---\left(8\right)$

式中：V′_ref为第二台储能自同步电压源换流器V-F运行模式下的电压外环参考值，e_d为电网电压d轴分量，u_d为第二台储能自同步电压源换流器输出电压d轴分量。

储能自同步电压源换流器的V-F模式、Droop模式和电压源自同步模式归一化控制如图5。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种离网型微电网黑启动方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

步骤1：启动第一台储能自同步电压源换流器V‐F模式，并由V‐F模式切换到Droop模式； 

步骤2：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式，并由电压源自同步模式切换到Droop模式； 

步骤3：重复执行步骤2，以使后续的储能自同步电压源换流器接入系统运行，实现离网型微电网黑启动； 

所述步骤1包括以下步骤： 

步骤1‐1：启动第一台储能自同步电压源换流器V‐F模式；第一台储能自同步电压源换流器V‐F模式下，输入为电压和频率参考值，采用电压外环模式和电流内环模式控制； 

步骤1‐2：第一台储能自同步电压源换流器由V‐F模式切换到Droop模式；储能自同步电压源换流器根据自身实时的有功功率和无功功率自动调节自身的V和F参考值，通过控制V和F信号来源切换实现由V‐F工作模式向Droop工作模式的平滑切换； 

所述电压外环模式控制过程如下： 

采用电压矢量d轴定向控制，根据(a，b，c)三相静止坐标系到(d，q)二相同步旋转坐标系的变换公式，令θ＝0，可得 

其中：为电网三相电压合成矢量，υ_m为电网三相电压峰值； 

其中，i_a为A相电流瞬时值，i_b为B相电流瞬时值，i_c为C相电流瞬时值； 

由式(1)和(2)可得电压外环控制模式为： 

其中，i_dref为网侧电流d轴分量参考值，i_qref为网侧电流q轴分量参考值，K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，V_ref为储能自同步电压源换流器逆变电压幅值参考值； 

所述电流内环模式控制过程如下： 

电流内环采用d‐q解耦控制，电流内环引进网侧电压前馈控制和无静差PI控制，电流内 环控制模式为： 

式中：υ_d为调制电压d轴分量，υ_q为调制电压q轴分量，ω为储能自同步电压源换流器控制系统角频率，L为储能自同步电压源换流器系统等效电感； 

所述步骤1‐2中，实时采集自同步电压源换流器输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算换流器输出的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，采用Droop模式控制，计算换流器输出电压相量的参考频率f_ref和参考幅值V_ref： 

其中，f^*和V^*分别为微电网系统额定电压的参考频率和参考幅值，m为有功/频率Droop控制的下垂系数，n为无功/电压Droop控制的下垂系数，P^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考频率f^*下输出的有功功率参考值，Q^*为储能自同步电压源换流器在微电网系统额定电压的参考幅值V^*下输出的无功功率参考值，P和Q分别为储能自同步电压源换流器输出的有功功率和无功功率； 

其中，m和n计算方式如下： 

其中，f_min为微电网系统允许的最低运行频率，V_min为微电网系统允许的最低运行电压，P_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大有功功率，Q_max为储能自同步电压源换流器可输出的最大无功功率； 

所述步骤2包括以下步骤： 

步骤2‐1：启动第二台储能自同步电压源换流器电压源自同步模式；第二台储能自同步电压源换流器根据第一台储能自同步电压源换流器输出的电压幅值、频率和相位，通过电压矢量频率同期调节、电压矢量相位同期调节和电压矢量幅值同期调节，实现第二台储能换流器以电压源模式与第一台储能自同步电压源换流器实现自同步； 

步骤2‐2：第二台储能自同步电压源换流器由电压源自同步模式切换到Droop模式；储能自同步电压源换流器通过控制V和F信号来源切换实现换流器由电压源自同步模式到Droop 工作模式平滑切换； 

所述电压矢量频率同期调节中，储能自同步电压源换流器通过电网锁相环输出信号控制第二台储能自同步电压源换流器调制频率，进而完成电压源自同步模式的电压矢量频率同期调节； 

所述电压矢量相位同期调节中，通过电网电压相位与第二台储能自同步电压源换流器输出电压相位比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，表示为 

其中：θ为第二台储能自同步电压源换流器的调制相角，θ_e为电网电压相角，θ_u为第二台储能自同步电压源换流器输出电压相角； 

所述电压矢量幅值同期调节中，通过电网电压幅值与第二台储能自同步电压源输出电压幅值比较调节，获取第二台储能自同步电压源换流器V‐F运行模式下的电压外环参考值： 

式中：V′_ref为第二台储能自同步电压源换流器V‐F运行模式下的电压外环参考值，e_d为电网电压d轴分量，u_d为第二台储能自同步电压源换流器输出电压d轴分量。