CN103401259A - 一种储能系统无缝切换控制方法 - Google Patents

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本发明涉及电网调度及管理技术领域，具体涉及一种储能系统无缝切换控制方法，通过采用可重置PI控制器来替代现有的普通PI控制器，结合PQ、VF模式同步运行的控制策略，即储能系统工作时，PQ控制模块和VF控制模块均在运行，但只有其中一个运行模式下的控制模块的控制结果才输入到下一环节的控制中，而没有输入到下一环节的另一个控制模块的输出结果被屏蔽，并不产生控制效果。由此实现了储能系统离/并网无缝切换，在用户不停电的情况下实现无缝切换，提高了电能质量。

Description

一种储能系统无缝切换控制方法
技术领域
本发明涉及电网调度及管理技术领域，具体涉及一种储能系统无缝切换控制方法。
背景技术
随着智能电网技术不断深入人心，分布式电源技术、微电网技术、风光储联合发电系统得到了快速的发展，也因此成为配网的重要补充和组成部分，在用户终端发挥着重要作用，不仅能提高供电质量和可靠性，而且可以减轻能源和环境压力，实现节能减排、绿色、低碳的发展目标。
在微电网、风光储系统中，由于风能、太阳能等新能源受天气和气候的影响，输出功率具有不稳定性和间歇性的特点。如果并网的风力发电、光伏发电所占比例较大时，会对局部电网产生明显的冲击，轻则电能质量恶化，造成频率和电压不稳定，重则会引发大规模的恶性事故。为了解决新能源并网带来的这些问题，必须配置一定规模的储能，储能系统可以有效的抑制间歇式能源的波动，平滑其输出功率，稳定输出电压，提高电能质量，是保证间歇式能源并网运行的关键。
储能系统主要有两种运行方式：一种是并网运行模式，另一种是离网运行模式。并网运行模式下，外部电源（如大电网、柴油发电机、微型燃气轮机）提供恒频恒压的电源，储能工作在PQ模式下，按照一定策略向系统注入有功/无功；离网模式下，储能系统工作在VF模式下，为系统中其他负荷、新能源发电提供稳定的电压支撑。
同时，储能需要在这两种模式之间转换，当外部电源失电时，储能需由并网转为离网，当外部电源来电时，储能需有离网转为并网。根据目前国内相关厂家和示范工程调研，储能PCS还无法实现真正的离/并网无缝切换，均需要数百毫秒~数秒的停电时间。由于在分布式供电或微电网系统中，由于负荷和储能规模通常不大，储能系统的离/并网转换通常会比较频繁，尤其是当线路或负荷发生故障，就涉及到离/并网的转换以实现部分重要负荷的就地供电。如果在转换过程中中断供电，则会大大降低用户的电能质量，极大影响用户的供电可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可实现不停电切换进而提高了电能质量的储能系统无缝切换控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种储能系统无缝切换控制方法，包括：储能系统中具有的PQ、VF两种运行模式，由储能控制器中两套独立的PQ控制模块和VF控制模块分别控制运行，储能系统工作时，PQ控制模块和VF控制模块均在运行，但只有其中一个运行模式下的控制模块的控制结果才输入到下一环节的控制中，而没有输入到下一环节的另一个控制模块的输出结果被屏蔽，并不产生控制效果；
PQ控制模块采用双闭环结构，外环为直流电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；VF控制模块也采用双闭环结构，外环为交流电压环，内环为电流环，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；
储能系统在两种运行模式切换时，所采用的双环控制器是可重置PI控制器，在切换瞬间把外环的PI控制器输出值重置为切换前外环的PI控制器输出值。
本发明的储能系统无缝切换控制方法，通过采用可重置PI控制器来替代现有的常规PI控制器，结合PQ、VF模式同步运行的控制策略，实现了储能系统离/并网无缝切换，在用户不停电的情况下实现无缝切换，提高了电能质量。本发明的控制方法可广泛应用于各种储能系统以及含储能系统的微电网、分布式供能和风光储系统等。
进一步的，储能系统由PQ运行模式向VF运行模式切换的具体步骤包括：
A1) 当储能系统处于PQ运行模式时，储能控制器中的VF控制模块仍同步运行，但屏蔽VF控制模块的控制结果，不输入到下一环节中；
 A2. 储能控制器发出切换指令，此时储能控制器屏蔽PQ控制模块的输出结果，而使用VF控制模块的输出结果，VF控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时断开并网开关；
A3. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将VF外环的PI控制器输出值重置为切换前PQ外环的PI控制器输出值；
A4. 切换结束，储能系统处于VF运行模式；
进一步的，储能系统由VF运行模式向PQ运行模式切换的具体步骤包括：
B1. 当储能系统处于VF运行模式下，储能控制器中的PQ控制模块也同步运行，但屏蔽PQ控制模块的控制结果，不输入到下一环节中； 
B2. 储能系统检测电网的电压、频率以及相位等信息，并确认电网处于正常运行状态；储能控制器逐步调整储能输出电压与电网同步；
B3. 储能输出电压与电网同步后，储能控制器发出并网切换信号，此时储能控制器屏蔽VF控制模块的输出结果，而使用PQ控制模块的输出结果，PQ控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时闭合并网开关；
B4. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将PQ外环的PI控制器输出值重置为切换前VF外环的PI控制器输出值；
B5. 切换结束，储能系统处于PQ运行模式。
进一步的，在切换瞬间把外环PI控制器输出重置为切换前外环PI控制器输出值时，其中的外环的PI控制器重置值为：
                                                      
Figure 2013103158671100002DEST_PATH_IMAGE002
式中， u+表示切换后瞬间外环PI控制器输出值，u—表示切换前瞬间外环PI控制器输出值，X 0 为PI控制器初值，K p 为PI控制比例参数，e为PI控制器输入偏差。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明的储能系统无缝切换控制方法，通过采用可重置PI控制器来替代现有的普通PI控制器，结合PQ、VF模式同步运行的控制策略，实现了储能系统离/并网无缝切换，在用户不停电的情况下实现无缝切换，提高了电能质量。本发明的控制方法可广泛应用于各种储能系统以及含储能系统的微电网、分布式供能和风光储系统等。
附图说明
图1是储能系统并网运行控制电路图。
图2是储能系统离网运行控制电路图。
图3是储能系统模式转换示意图。
图4是离网到并网运行的相角匹配方式示意图。
图5是普通PI控制器结构示意图。
图6是本发明的可重置PI控制器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明的储能系统无缝切换控制方法，包括：储能系统中具有的PQ、VF两种运行模式，由储能控制器中两套独立的PQ控制模块和VF控制模块分别控制运行，其控制电路图分别如图1和图2所示。PQ控制模块采用双闭环结构，外环为直流电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；VF控制模块也采用双闭环结构，外环为交流电压环，内环为电流环，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；
储能系统工作时，PQ控制模块和VF控制模块均在运行，但只有其中一个运行模式下的控制模块的控制结果才输入到下一环节的控制中，而没有输入到下一环节的另一个控制模块的输出结果被屏蔽，并不产生控制效果。
在切换过程中具体存在两种切换，如图3所示，一种是储能控制器中PQ、VF控制模块的切换（也就是PQ、VF两种运行模式之间的切换），另一种是并/离网开关的切换。
储能系统由PQ运行模式向VF运行模式切换的具体步骤包括：
A1. 当储能系统处于PQ运行模式时，储能控制器中的VF控制模块仍同步运行，但屏蔽VF控制模块的控制结果，不输入到下一环节中； 
A2. 储能控制器发出切换指令，此时储能控制器屏蔽PQ控制模块的输出结果，而使用VF控制模块的输出结果，VF控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时断开并网开关；
A3. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将VF外环的PI控制器输出值重置为切换前PQ外环的PI控制器输出值；
A4. 切换结束，储能系统处于VF运行模式；
进一步的，储能系统由VF运行模式向PQ运行模式切换的具体步骤包括：
B1. 当储能系统处于VF运行模式下，储能控制器中的PQ控制模块也同步运行，但屏蔽PQ控制模块的控制结果，不输入到下一环节中； 
B2. 储能系统检测电网的电压、频率以及相位等信息，并确认电网处于正常运行状态；储能控制器逐步调整储能输出电压与电网同步；
B3. 储能输出电压与电网同步后，储能控制器发出并网切换信号，此时储能控制器屏蔽VF控制模块的输出结果，而使用PQ控制模块的输出结果，PQ控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时闭合并网开关；
B4. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将PQ外环的PI控制器输出值重置为切换前VF外环的PI控制器输出值；
B5. 切换结束，储能系统处于PQ运行模式。
在上述储能系统由VF运行模式向PQ运行模式切换结束后，储能系统调整电流给定值，使并网电流逐步达到期望值。
图4是一种相角同步控制策略，其中θ为储能系统的输出电压相角，θg为电网电压相角，K为与追踪速度相关的可调系数。
本发明的储能系统无缝切换控制方法中，在PQ、VF双环控制器中均采用可重置PI控制器来代替常规的PI控制器。如图5和6所示，分别是常规的PI控制器和可重置PI控制器结构示意图。可重置PI控制器与普通PI控制器最大的区别在于，可重置PI控制器可根据触发信号对PI输出进行重置，本发明中，当接收到切换信号时，外环PI控制器输出值重置为切换前瞬间值，从而避免中间控制变量发生大的波动。在切换瞬间把外环PI控制器输出值重置为切换前外环PI控制器输出值，外环PI控制器重置值为：
其中的外环的PI控制器重置值为：
       
Figure 937695DEST_PATH_IMAGE002
式中， u+表示切换后瞬间外环PI控制器输出值，u—表示切换前瞬间外环PI控制器输出值，X 0 为PI控制器初值，K p 为PI控制比例参数，e为PI控制器输入偏差。

Claims (4)

1.一种储能系统无缝切换控制方法，其特征在于，包括：
储能系统中具有的PQ、VF两种运行模式，由储能控制器中两套独立的PQ控制模块和VF控制模块分别控制运行，储能系统工作时，PQ控制模块和VF控制模块均在运行，但只有其中一个运行模式下的控制模块的控制结果才输入到下一环节的控制中，而没有输入到下一环节的另一个控制模块的输出结果被屏蔽，并不产生控制效果；
PQ控制模块采用双闭环结构，外环为直流电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；VF控制模块也采用双闭环结构，外环为交流电压环，内环为电流环，采用电压空间矢量脉宽调制方法控制其开关器件的通断；
储能系统在两种运行模式切换时，所采用的双环控制器是可重置PI控制器，在切换瞬间把外环的PI控制器输出值重置为切换前外环的PI控制器输出值。
2.根据权利要求1所述的储能系统无缝切换控制方法，其特征在于，储能系统由PQ运行模式向VF运行模式切换的具体步骤包括：
A1. 当储能系统处于PQ运行模式时，储能控制器中的VF控制模块仍同步运行，但屏蔽VF控制模块的控制结果，不输入到下一环节中； 
A2. 储能控制器发出切换指令，此时储能控制器屏蔽PQ控制模块的输出结果，而使用VF控制模块的输出结果，VF控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时断开并网开关；
A3. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将VF外环的PI控制器输出值重置为切换前PQ外环的PI控制器输出值；
A4. 切换结束，储能系统处于VF运行模式。
3.根据权利要求1或2所述的储能系统无缝切换控制方法，其特征在于，储能系统由VF运行模式向PQ运行模式切换的具体步骤包括：
B1. 当储能系统处于VF运行模式下，储能控制器中的PQ控制模块也同步运行，但屏蔽PQ控制模块的控制结果，不输入到下一环节中； 
B2. 储能系统检测电网的电压、频率以及相位等信息，并确认电网处于正常运行状态；储能控制器逐步调整储能输出电压与电网同步；
B3. 储能输出电压与电网同步后，储能控制器发出并网切换信号，此时储能控制器屏蔽VF控制模块的输出结果，而使用PQ控制模块的输出结果，PQ控制模块的输出结果输入到下一控制环节，同时闭合并网开关；
B4. 在储能控制器发出切换指令瞬间，将PQ外环的PI控制器输出值重置为切换前VF外环的PI控制器输出值；
B5. 切换结束，储能系统处于PQ运行模式。
4.根据权利要求1所述的储能系统无缝切换控制方法，其特征在于，在切换瞬间把外环PI控制器输出重置为切换前外环PI控制器输出值时，其中的外环的PI控制器重置值为：
                                                    
Figure 2013103158671100001DEST_PATH_IMAGE002
式中， u+表示切换后瞬间外环PI控制器输出值，u—表示切换前瞬间外环PI控制器输出值，X 0 为PI控制器初值，K p 为PI控制比例参数，e为PI控制器输入偏差。
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