CN104485689B - 基于自适应模式切换的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应模式切换的下垂控制方法。它包括在系统频率正常条件下的三相微网储能逆变器的dq旋转坐标系下的下垂控制方法，在系统频率出现大波动条件下的三相微网储能逆变器的dq旋转坐标系下的恒电流控制方法，以及不同系统频率条件下的下垂控制模式与恒电流控制模式的自适应切换方法。它既兼顾了微网储能逆变器在系统频率正常情况下的并联均流特性，又保证了系统频率出现大波动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，防止了储能电池的过冲或者过放，从而大大地延长了储能电池的使用寿命；它可以广泛地应用于微网储能逆变器并网运行的系统中。

Description

基于自适应模式切换的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于自适应模式切换的下垂控制方法，适用于需要与微电网并联运行或者与大电网并网运行的微网储能逆变器。

背景技术

近年来，下垂控制(DROOP)技术作为一种新型的分布式发电控制技术，受到了学者的大量关注。基于DROOP的微网储能逆变器可以实现并网模式与孤岛并联运行模式之间的切换，而且不需要改变控制结构。储能电池在可再生能源微网的运行控制过程中具有重要的作用，可以作为微网稳定运行的组网电源，维持系统的电压和频率稳定，并可以实现微网离网-并网两种模式的无缝切换，但是它的价格昂贵且其寿命有限。为了延长储能电池的寿命，既要在系统频率正常的情况下保证并联微网储能逆变器的均流，又能保持在系统频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，以防止储能电池的过冲与过放。

为此，人们做了各种研究，如题为“Indirect current control algorithmfor utility interactive inverters indistributed generation systems”，Hyosung Kim，Taesik Yu，Sewan Choi，《IEEE Transactions on PowerElectronics》，2008，23(3)，1342-1347(“分布式发电系统中间接电流控制算法在并网逆变器中的应用”，《IEEE学报-电力电子期刊》2008年第23卷第3期第1342～1347页)的文章；该文提出了采用间接电流控制的办法来实现模式切换，这种控制方案增加了额外的隔离变压器，导致成本较高。

题为“Design of parallel inverters for smooth mode transfermicrogrid applications”，Chen，Chien-Liang，Yubin Wang，et al，《IEEETransactions on Power Electronics》，2010，25(1)，6-15(“并联逆变器的无缝模式切换技术在微网应用中的设计”，《IEEE学报-电力电子期刊》2010年第25卷第1期第6～5页)的文章；该文提出了一种采用网络通讯线实现微网逆变器并网与孤岛模式之间无缝切换的解决方案，这种控制方案增加了控制的复杂程度，致使其稳定性降低。

题为“Control for grid-connected and intentional islandingoperations of distributed power generation”，Balaguer，I.J.，Qin Lei，et al,《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2011，58(1)，147-157(“分布式发电的并网与故意孤岛运行模式的控制方法”，《IEEE学报-工业电子期刊》2011年第58卷第1期第147～157页)的文章；该文提出了一种电网故障时的模式切换技术，但是由于没有考虑储能电池的出力状况，因而会影响储能电池的寿命。

题为“A novel seamless transfer control strategy based on voltageamplitude regulation for utility-interconnected fuel cell inverterswith an LCL-filter”，Guoqiao Shen，Dehong Xu，Xiaoming Yuan,《PowerElectronics Specialists Conference 2006.PESC》，2006，37th.IEEE，2006，1-6(“一种新的基于电压幅值控制的带有LCL滤波器的并网燃料电池逆变器的无缝切换控制策略”，《第三十七届电力电子专家会议》2006年第6期第1～6页)的文章；该文提出了采用输出电压幅值调节来实现模式的无缝切换，但没有考虑系统频率大扰动情况下储能电池的充放电情况。

综上所述，现有技术均未涉及在微网储能逆变器并网运行的系统中，在系统的频率发生波动时，既能保证系统频率正常情况下并联微网储能逆变器的均流，又能保持系统频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，来防止储能电池过冲或者过放以延长储能电池的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对微网储能逆变器与微电网或者大电网并联运行时，在系统的频率出现大幅度波动的情况下储能电池会出现过冲或过放的问题，提供一种既能保证系统频率正常情况下并联微网储能逆变器的均流，又能保持系统频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行以延长储能电池的寿命的基于自适应模式切换的下垂控制方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于自适应模式切换的下垂控制方法包括微网储能逆变器的输出电容电压的采集，特别是主要步骤如下：

步骤1，先采集微网储能逆变器的输出电容电压U_ca,U_cb,U_cc、电网电压U_ga,U_gb,U_gc、桥臂侧电感电流I_la,I_lb,I_lc和输出电流I_oa,I_ob,I_oc，再将其经单同步旋转坐标变换得到输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq、桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq和输出电流的dq分量I_od,I_oq；

步骤2，先根据步骤1中得到的电网电压U_ga,U_gb,U_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd,U_gq、电网的频率f_g和相角θ_g，再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流I_la,I_lb,I_lc，经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1,I_lq1；

步骤3，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和输出电流的dq分量I_od,I_oq，经有功功率计算方程和无功功率计算方程分别得到平均有功功率和平均无功功率再根据得到的平均有功功率和微网储能逆变器给定的有功功率指令P_ref、微网储能逆变器给定的角频率指令ω_ref、有功下垂系数m，经有功功率-频率下垂控制方程得到微网储能逆变器的角频率ω，角频率ω经积分得到微网储能逆变器的矢量角θ；

步骤4，根据步骤3中得到的平均无功功率和微网储能逆变器给定的无功功率指令Q_ref、额定输出电压U_ref、无功下垂系数n，经无功功率-幅值下垂控制方程得到微网储能逆变器电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref；

步骤5，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和步骤4中的电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref，通过电压控制方程得到电感电流的dq分量指令信号再根据电感电流的dq分量指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq，通过电流比例控制方程得到控制信号U_d,U_q；

步骤6，先根据步骤5中得到的控制信号U_d,U_q，以及步骤3中得到的矢量角θ，经单同步旋转坐标反变换得到基于下垂模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号；

步骤7，先根据步骤2中得到的基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1,I_lq1和根据限定功率值P^*,Q^*，分别计算得到桥臂侧电感电流的dq分量参考值再通过电流比例积分控制方程得到恒电流源模式并网的控制信号U_d1,U_q1；

步骤8，先根据步骤2中得到的电网相角θ_g，以及步骤7中的控制信号U_d1,U_q1，经单同步旋转坐标反变换得到基于恒电流源模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1，再由三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号；

步骤9，先根据步骤2中得到的电网频率f_g＜49.5HZ或f_g＞50.5HZ，即|Δf_g|＞0.5HZ，通过幅值锁存控制器锁存得到电压控制方程的dq分量输出值再经相位同步控制器完成矢量角θ至电网相角θ_g的跟踪，以实现下垂模式并网到恒电流源单位功率因数模式并网的无缝切换；

步骤10，先根据步骤2中得到的电网频率49.5HZ≤f_g≥50.5HZ，即|Δf_g|≤0.5HZ，通过相角锁存控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值θ′_g，再经相位同步控制器完成电网相角θ_g与矢量角θ的相位同步，之后，经数值缓起控制器完成桥臂侧电感电流的dq分量参考值分别至电压控制方程的dq分量输出值的过渡，以实现恒电流源模式并网到下垂模式并网的无缝切换。

作为基于自适应模式切换的下垂控制方法的进一步改进：

优选地，步骤3中的有功功率计算方程式为

$\stackrel{\‾}{P}=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}{s^2+2Q{\mathrm{\ω}}_{h}s+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}\·\frac{1.5}{\mathrm{\τs}+1}\·(U_{\mathrm{cq}}{I}_{\mathrm{oq}}+U_{\mathrm{cd}}{I}_{\mathrm{od}}),$

无功功率计算方程式为

$\stackrel{\‾}{Q}=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}{s^2+2Q{\mathrm{\ω}}_{h}s+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}\·\frac{1.5}{\mathrm{\τs}+1}\·(U_{\mathrm{cd}}{I}_{\mathrm{oq}}-U_{\mathrm{cq}}{I}_{\mathrm{od}}),$

式中的ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、τ为一阶低通滤波器的时间常数、s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤3中的有功功率-频率下垂控制方程式为

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}+m(P_{\mathrm{ref}}-\stackrel{\‾}{P}),$

式中的ω_ref为微网储能逆变器给定有功功率指令P_ref时的额定角频率、m为有功下垂系数。

优选地，步骤4中的无功功率-幅值下垂控制方程式为

$U_{\mathrm{dref}}=U_{\mathrm{ref}}+n(Q_{\mathrm{ref}}-\stackrel{\‾}{Q})$

U_qref＝0，

式中的U_ref为微网储能逆变器给定无功功率指令Q_ref时的额定输出电压、n为无功下垂系数。

优选地，步骤5中的电压控制方程式为

$I_{\mathrm{ld}}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{dref}}-U_{\mathrm{cd}})$

$I_{\mathrm{ld}}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{qref}}-U_{\mathrm{cq}}),$

式中的K_p为比例控制系数、K_i为积分控制系数；

电流比例控制方程式为

$U_d=K(I_{\mathrm{ld}}^{*}-I_{\mathrm{ld}})$

$U_q=K(I_{\mathrm{lq}}^{*}-I_{\mathrm{lq}}),$

式中的K为比例控制系数。

优选地，步骤7中的的计算方程式为

$I_d^{*}=P^{*}/U_{\mathrm{gd}}$

$I_q^{*}=Q^{*}/U_{\mathrm{gd}},$

式中的P^*为限定的有功功率值、Q^*为限定的无功功率值。

优选地，步骤7中的电流比例积分控制方程式为

$U_{d1}=(K+K_{\mathrm{ii}}/s)(I_d^{*}-I_{\mathrm{ld}1})$

$U_{q1}=(K+K_{\mathrm{ii}}/s)(I_q^{*}-I_{\mathrm{lq}1}),$

式中的K_ii为积分控制系数。

优选地，步骤9中的幅值锁存控制器的控制方程式为

${\stackrel{\‾}{U}}_d=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{dref}}-U_{\mathrm{cd}})$ 令U_dref＝U_cd

${\stackrel{\‾}{U}}_q=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{qref}}-U_{\mathrm{cq}})$ 令U_qref＝U_cq，

式中的为电压控制方程的输入误差强制为0时，电压控制方程的dq分量输出值。

优选地，步骤9中的相位同步控制器的控制方程式为

θ＝θ′_g+ω/s，

式中的θ′_g为相位同步控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值。

优选地，步骤10中的相角锁存控制器的控制方程式为

${\mathrm{\θ}}_g^{\′}=\frac{(0-U_{\mathrm{gq}})*\frac{K_{\mathrm{PLL}}}{s}+{\mathrm{\ω}}_0}{s}$ 令U_gq＝0，

式中的θ′_g为电网单同步坐标系软件锁相环的输入误差强制为0时，电网单同步坐标系软件锁相环的输出，U_gq为电网电压的q轴无功分量、K_PLL为电网单同步坐标系软件锁相环的积分系数、ω₀为电网额定角频率。

优选地，步骤10中的数值缓起控制器的控制方程式为

$I_d^{*}={\stackrel{\‾}{U}}_d+\mathrm{\Δ}{U}_d$

$I_q^{*}={\stackrel{\‾}{U}}_q+\mathrm{\Δ}{U}_q,$

式中的ΔU_d,ΔU_q为数值缓起控制器给定的步长值，当数值缓起控制器的目标值大于初始给定值时，步长为正值，反之，为负值。

相对于现有技术的有益效果是：

本发明的自适应模式切换的下垂控制方法，既考虑了微网储能逆变器在系统频率正常情况下的并联均流特性，又保证了系统频率出现大波动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，防止了储能电池的过冲或者过放，从而大大地延长了储能电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明所采用的微网储能逆变器拓扑结构图。

图2是自适应模式切换的下垂控制方法的原理框图。

图3是自适应模式切换的下垂控制方法的基本控制框图。

图4是自适应模式切换的下垂控制方法的底层控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

本发明所采用的拓扑结构如图1所示，本实施例的有关参数设置如下：直流母线电压Udc为550V，输出交流线电压有效值为380V/50Hz，额定容量为100KVA，微网储能逆变器桥臂侧电感为L＝0.5mH，微网逆变器滤波电容为C＝200μF，变压器为100KVA270/400V的Dyn11型变压器。

本发明的控制原理图如图2所示。参见图2，本发明的基于自适应模式切换的下垂控制方法依照以下步骤进行：

步骤1，先采集微网储能逆变器的输出电容电压U_ca,U_cb,U_cc、电网电压U_ga,U_gb,U_gc、桥臂侧电感电流I_la,I_lb,I_lc和输出电流I_oa,I_ob,I_oc，再将其经单同步旋转坐标变换得到输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq、桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq和输出电流的dq分量I_od,I_oq。

步骤2，先根据步骤1中得到的电网电压U_ga,U_gb,U_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd,U_gq、电网的频率f_g和相角θ_g，再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流I_la,I_lb,I_lc，经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1,I_lq1。

步骤3，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和输出电流的dq分量I_od,I_oq，经有功功率计算方程和无功功率计算方程分别得到平均有功功率和平均无功功率其中，

有功功率计算方程式为

$\stackrel{\‾}{P}=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}{s^2+2Q{\mathrm{\ω}}_{h}s+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}\·\frac{1.5}{\mathrm{\τs}+1}\·(U_{\mathrm{cq}}{I}_{\mathrm{oq}}+U_{\mathrm{cd}}{I}_{\mathrm{od}}),$

无功功率计算方程式为

$\stackrel{\‾}{Q}=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}{s^2+2Q{\mathrm{\ω}}_{h}s+{{\mathrm{\ω}}_h}^2}\·\frac{1.5}{\mathrm{\τs}+1}\·(U_{\mathrm{cd}}{I}_{\mathrm{oq}}-U_{\mathrm{cq}}{I}_{\mathrm{od}}),$

式中的ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、τ为一阶低通滤波器的时间常数、s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，考虑主要滤除的谐波次数为2次和3次谐波，因此选取h＝2,3，此时ω_h＝628.3186rad/s,942.4779rad/s；一阶低通滤波器主要考虑滤除高次谐波，且不影响动态响应，一般取τ≤2e^-3s，本实施例取值τ＝1.5e^-4s；品质因数Q主要考虑陷波器的滤波效果，在本实施例中，选取Q＝0.5。

再根据得到的平均有功功率和微网储能逆变器给定的有功功率指令P_ref、微网储能逆变器给定的角频率指令ω_ref、有功下垂系数m，经有功功率-频率下垂控制方程得到微网储能逆变器的角频率ω，角频率ω经积分得到微网储能逆变器的矢量角θ；其中，

有功功率-频率下垂控制方程式为

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}+m(P_{\mathrm{ref}}-\stackrel{\‾}{P}),$

式中的ω_ref为微网储能逆变器给定有功功率指令P_ref时的额定角频率、m为有功下垂系数。

有功下垂系数m取值原则为80％的有功功率变化时，频率变化在0.5Hz之内；给定有功功率指令P_ref和相对应的额定角频率ω_ref表示下垂曲线的位置关系，主要考虑微网逆变器输出有功功率为P_ref时，其输出频率大小。

在本实施例中，电网角频率采用额定频率为50Hz时对应的角频率，即ω_ref＝314.1593rad/s，有功下垂系数取值为考虑到微网储能逆变器可以根据系统的频率吸收或者释放功率，给定有功功率指令取值为P_ref＝0，此时对应的额定角频率取值为ω_ref＝314.1593rad/s。

步骤4，根据步骤3中得到的平均无功功率和微网储能逆变器给定的无功功率指令Q_ref、额定输出电压U_ref、无功下垂系数n，经无功功率-幅值下垂控制方程得到微网储能逆变器电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref；其中，

无功功率-幅值下垂控制方程式为

$U_{\mathrm{dref}}=U_{\mathrm{ref}}+n(Q_{\mathrm{ref}}-\stackrel{\‾}{Q})$

U_qref＝0，

式中的U_ref为微网储能逆变器给定无功功率指令Q_ref时的额定输出电压、n为无功下垂系数。

无功控制下垂系数n取值原则为100％的无功功率变化时，电压幅值变化在2％之内；给定无功功率指令Q_ref和相对应的额定输出电压U_ref表示下垂曲线的位置关系，主要考虑微网储能逆变器输出无功功率为Q_ref时，其输出电压大小。

在本实施例中，无功控制下垂系数取值为给定无功功率指令Q_ref考虑系统输出无功功率为Q_ref＝0，此时对应的额定输出电容电压U_ref＝380V。

根据以上控制可以得到下垂模式并网的基本控制框图如图3所示。

步骤5，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和步骤4中的电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref，通过电压控制方程得到电感电流的dq分量指令信号其中，

电压控制方程式为

$I_{\mathrm{ld}}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{dref}}-U_{\mathrm{cd}})$

$I_{\mathrm{ld}}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{qref}}-U_{\mathrm{cq}}),$

式中的K_p为比例控制系数、K_i为积分控制系数。

再根据电感电流的dq分量指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq，通过电流比例控制方程得到控制信号U_d,U_q；其中，

电流比例控制方程式为

$U_d=K(I_{\mathrm{ld}}^{*}-I_{\mathrm{ld}})$

$U_q=K(I_{\mathrm{lq}}^{*}-I_{\mathrm{lq}}),$

式中的K为比例控制系数。

电压和电流控制方程中的参数主要考虑控制系统的稳定性和动稳态性能；在本实施例中，取K_p＝0.03,K_i＝0.8,K＝0.05。

步骤6，先根据步骤5中得到的控制信号U_d,U_q，以及步骤3中得到的矢量角θ，经单同步旋转坐标反变换得到基于下垂模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c。再由三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

步骤7，先根据步骤2中得到的基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1,I_lq1和根据限定功率值P^*,Q^*，分别计算得到桥臂侧电感电流的dq分量参考值其中，

的计算方程式为

$I_d^{*}=P^{*}/U_{\mathrm{gd}}$

$I_q^{*}=Q^{*}/U_{\mathrm{gd}},$

式中的P^*为限定的有功功率值、Q^*为限定的无功功率值。

给定有功功率值P^*和无功功率值Q^*的目的是为了在系统频率出现大波动的情况下，即|Δf_g|＞0.5HZ，限制微网储能逆变器的功率，防止储能电池出现过充电或过放电的情况。

在本实施例中，有功功率的限定值P^*＝±80kW，则桥臂侧电感电流d轴分量参考值而为了实现单位因数并网，无功功率的限定值Q^*＝0，即桥臂侧电感电流q轴分量参考值

再通过电流比例积分控制方程得到恒电流源模式并网的控制信号U_d1,U_q1；其中，

电流比例积分控制方程式为

$U_{d1}=(K+K_{\mathrm{ii}}/s)(I_d^{*}-I_{\mathrm{ld}1})$

$U_{q1}=(K+K_{\mathrm{ii}}/s)(I_q^{*}-I_{\mathrm{lq}1}),$

式中的K_ii为积分控制系数。

恒电流源模式控制时，电流环的目的是为了实现给定电流的无差控制，在本实施例中取K_ii＝0.3。

下垂模式并网与恒电流源模式并网的底层控制框图如图4所示。

步骤8，先根据步骤2中得到的电网相角θ_g，以及步骤7中的控制信号U_d1,U_q1，经单同步旋转坐标反变换得到基于恒电流源模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1。再由三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

步骤9，先根据步骤2中得到的电网频率f_g＜49.5HZ或f_g＞50.5HZ，即|Δf_g|＞0.5HZ，通过幅值锁存控制器锁存得到电压控制方程的dq分量输出值其中，

幅值锁存控制器的控制方程式为

${\stackrel{\‾}{U}}_d=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{dref}}-U_{\mathrm{cd}})$ 令U_dref＝U_cd

${\stackrel{\‾}{U}}_q=(K_p+K_i/s)*(U_{\mathrm{qref}}-U_{\mathrm{cq}})$ 令U_qref＝U_cq，

式中的为电压控制方程的输入误差强制为0时，电压控制方程的dq分量输出值。

锁存电压控制器的目的是为了防止微网储能逆变器由恒电流源模式并网切换到下垂模式并网时输出电流出现冲击或者严重跳变，所以当由下垂模式并网切换到恒电流源模式并网瞬间，强制电压控制方程的输入误差为0，即U_dref＝U_cd,U_qref＝U_cq，且锁存切换时刻电压控制方程的dq分量输出值

再经相位同步控制器完成矢量角θ至电网相角θ_g的跟踪，以实现下垂模式并网到恒电流源单位功率因数模式并网的无缝切换；其中，

相位同步控制器的控制方程式为

θ＝θ′_g+ω/s，

式中的θ′_g为相位同步控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值。

微网储能逆变器下垂模式并网时，由于有功功率-频率下垂特性的作用，微网储能逆变器能够根据电网频率波动调整其输出的有功功率从而改变其角频率ω，下垂控制的矢量角θ与电网相角θ_g之间的差异可以忽略，因此，由下垂模式并网切换到恒电流源模式并网时，令θ＝θ_g，既可以实现单位功率因数运行，又不会出现电流冲击。

步骤10，先根据步骤2中得到的电网频率49.5HZ≤f_g≥50.5HZ，即|Δf_g|≤0.5HZ，通过相角锁存控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值θ′_g；其中，

相角锁存控制器的控制方程式为

${\mathrm{\θ}}_g^{\′}=\frac{(0-U_{\mathrm{gq}})*\frac{K_{\mathrm{PLL}}}{s}+{\mathrm{\ω}}_0}{s}$ 令U_gq＝0，

式中的θ′_g为电网单同步坐标系软件锁相环的输入误差强制为0时，电网单同步坐标系软件锁相环的输出，U_gq为电网电压的q轴无功分量、K_PLL为电网单同步坐标系软件锁相环的积分系数、ω₀为电网额定角频率。

锁存电网单同步坐标系软件锁相环的目的是为了防止微网储能逆变器由恒电流源模式并网切换到下垂模式并网时由于相位的跳变在切换瞬间出现过大的冲击电流。在本实施例中，取K_PLL＝8，ω₀＝314.16rad/s。

再经相位同步控制器完成电网相角θ_g与矢量角θ的相位同步；其中，相位同步控制器的作用是为了使下垂控制的矢量角θ能够与电网的相角保持同步，从而实现模式之间的平滑切换。

之后，经数值缓起控制器完成桥臂侧电感电流的dq分量参考值分别至电压控制方程的dq分量输出值的过渡，以实现恒电流源模式并网到下垂模式并网的无缝切换；其中，

数值缓起控制器的控制方程式为

$I_d^{*}={\stackrel{\‾}{U}}_d+\mathrm{\Δ}{U}_d$

$I_q^{*}={\stackrel{\‾}{U}}_q+\mathrm{\Δ}{U}_q,$

式中的ΔU_d,ΔU_q为数值缓起控制器给定的步长值，当数值缓起控制器的目标值大于初始给定值时，步长为正值，反之，为负值。

数值缓起控制器的作用是为了恒电流源模式并网的桥臂侧电感电流的dq分量参考值平滑过渡到电压控制方程的dq分量输出值实现恒电流源模式并网到下垂模式并网的平滑切换。在本实施例中，取ΔU_d＝ΔU_q＝±0.1。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于自适应模式切换的下垂控制方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种基于自适应模式切换的下垂控制方法，包括微网储能逆变器的输出电容电压的采集，其特征在于主要步骤如下：

步骤1，先采集微网储能逆变器的输出电容电压U_ca,U_cb,U_cc、电网电压U_ga,U_gb,U_gc、桥臂侧电感电流I_la,I_lb,I_lc和输出电流I_oa,I_ob,I_oc，再将其经单同步旋转坐标变换得到输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq、桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq和输出电流的dq分量I_od,I_oq；

步骤2，先根据步骤1中得到的电网电压U_ga,U_gb,U_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd,U_gq、电网的频率f_g和相角θ_g，再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流I_la,I_lb,Il_c，经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1，I_lq1；

步骤3，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和输出电流的dq分量I_od,I_oq，经有功功率计算方程和无功功率计算方程分别得到平均有功功率和平均无功功率再根据得到的平均有功功率和微网储能逆变器给定的有功功率指令P_ref、微网储能逆变器给定的角频率指令ω_ref、有功下垂系数m，经有功功率-频率下垂控制方程得到微网储能逆变器的角频率ω，角频率ω经积分得到微网储能逆变器的矢量角θ；

步骤4，根据步骤3中得到的平均无功功率和微网储能逆变器给定的无功功率指令Q_ref、额定输出电压U_ref、无功下垂系数n，经无功功率-幅值下垂控制方程得到微网储能逆变器电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref；

步骤5，先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U_cd,U_cq和步骤4中的电容电压的dq分量基准信号U_dref,U_qref，通过电压控制方程得到电感电流的dq分量指令信号再根据电感电流的dq分量指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld,I_lq，通过电流比例控制方程得到控制信号U_d,U_q；

步骤6，先根据步骤5中得到的控制信号U_d,U_q，以及步骤3中得到的矢量角θ，经单同步旋转坐标反变换得到基于下垂模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a,U_b,U_c生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号；

步骤7，先根据步骤2中得到的基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld1,I_lq1和根据限定功率值P^*,Q^*，分别计算得到桥臂侧电感电流的dq分量参考值再通过电流比例积分控制方程得到恒电流源模式并网的控制信号U_d1,U_q1；

步骤8，先根据步骤2中得到的电网相角θ_g，以及步骤7中的控制信号U_d1,U_q1，经单同步旋转坐标反变换得到基于恒电流源模式并网控制的三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1，再由三相桥臂电压控制信号U_a1,U_b1,U_c1生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号；

步骤9，先根据步骤2中得到的电网频率f_g<49.5Hz或f_g>50.5Hz，通过幅值锁存控制器锁存得到电压控制方程的dq分量输出值再经相位同步控制器完成矢量角θ至电网相角θ_g的跟踪，以实现下垂模式并网到恒电流源单位功率因数模式并网的无缝切换；

步骤10，先根据步骤2中得到的电网频率49.5Hz≤fg≤50.5Hz，通过相角锁存控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值θ′_g，再经相位同步控制器完成电网相角θ_g与矢量角θ的相位同步，之后，经数值缓起控制器完成桥臂侧电感电流的dq分量参考值分别至电压控制方程的dq分量输出值的过渡，以实现恒电流源模式并网到下垂模式并网的无缝切换。

2.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤3中的有功功率计算方程式为

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=\underset{h}{\&Sigma;}\frac{s^2+{{\mathrm{\&omega;}}_h}^2}{s^2+2{\mathrm{Q\&omega;}}_{h}s+{{\mathrm{\&omega;}}_h}^2}\&CenterDot;\frac{1.5}{\mathrm{\&tau;}s+1}\&CenterDot;(U_{cq}{I}_{oq}+U_{cd}{I}_{od}),$

无功功率计算方程式为

$\stackrel{\&OverBar;}{Q}=\underset{h}{\&Sigma;}\frac{s^2+{{\mathrm{\&omega;}}_h}^2}{s^2+2{\mathrm{Q\&omega;}}_{h}s+{{\mathrm{\&omega;}}_h}^2}\&CenterDot;\frac{1.5}{\mathrm{\&tau;}s+1}\&CenterDot;(U_{cd}{I}_{oq}-U_{cq}{I}_{od}),$

式中的ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、τ为一阶低通滤波器的时间常数、s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤3中的有功功率-频率下垂控制方程式为

$\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{ref}+m(P_{ref}-\stackrel{\&OverBar;}{P}),$

式中的ω_ref为微网储能逆变器给定有功功率指令P_ref时的额定角频率、m为有功下垂系数。

4.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤4中的无功功率-幅值下垂控制方程式为

$U_{dref}=U_{ref}+n(Q_{ref}-\stackrel{\&OverBar;}{Q})$

U_qref＝0，

式中的U_ref为微网储能逆变器给定无功功率指令Q_ref时的额定输出电压、n为无功下垂系数。

5.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤5中的电压控制方程式为

$\begin{array}{c}{I}_{ld}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{dref}-U_{cd})\\ I_{lq}^{*}=(K_p+K_i/s)*(U_{qref}-U_{cq})\end{array},$

式中的K_p为比例控制系数、K_i为积分控制系数；

电流比例控制方程式为

$U_d=K(I_{ld}^{*}-I_{ld})$

$U_q=K(I_{lq}^{*}-I_{lq}),$

式中的K为比例控制系数。

6.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤7中的的计算方程式为

$I_d^{*}=P^{*}/U_{gd}$

$I_q^{*}=Q^{*}/U_{gd},$

式中的P^*为限定的有功功率值、Q^*为限定的无功功率值。

7.根据权利要求5所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤7中的电流比例积分控制方程式为

$U_{d1}=(K+K_{ii}/s)(I_d^{*}-I_{ld1})$

$U_{q1}=(K+K_{ii}/s)(I_q^{*}-I_{lq1}),$

式中的K_ii为积分控制系数。

8.根据权利要求5所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤9中的幅值锁存控制器的控制方程式为

式中的为电压控制方程的输入误差强制为0时，电压控制方程的dq分量输出值。

9.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤9中的相位同步控制器的控制方程式为

θ＝θ′_g+ω/s，

式中的θ′_g为相位同步控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值。

10.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤10中的相角锁存控制器的控制方程式为

令U_gq＝0，

式中的θ′_g为电网单同步坐标系软件锁相环的输入误差强制为0时，电网单同步坐标系软件锁相环的输出，U_gq为电网电压的q轴无功分量、K_PLL为电网单同步坐标系软件锁相环的积分系数、ω₀为电网额定角频率。

11.根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤10中的数值缓起控制器的控制方程式为

$I_d^{*}={\stackrel{\&OverBar;}{U}}_d+{\mathrm{\&Delta;U}}_d$

$I_q^{*}={\stackrel{\&OverBar;}{U}}_q+{\mathrm{\&Delta;U}}_q,$

式中的ΔU_d,ΔU_q为数值缓起控制器给定的步长值，当数值缓起控制器的目标值大于初始给定值时，步长为正值，反之，为负值。