CN104505862B - 基于主从结构的微电网预同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于主从结构的微电网预同步控制方法，包括以下步骤：步骤一：通过等功率Clark变换，求得三相电网电压和主变流器输出电压的α轴和β轴分量；步骤二：对步骤一中获得电压信号进行计算，得到变量e_βu_α‑e_αu_β，将其作为预同步控制器的输入量；步骤三：预同步控制器输出作为V/F控制器的参考角频率ω_ref；步骤四：变量e_βu_α‑e_αu_β满足并网要求后，完成整个预同步控制过程，微电网并网运行。本发明基于Clarke变换，直接对PCC电压信号与电网电压信号进行计算并作为预同步控制器的输入变量，避免了软件锁相环对电压相角的精确计算，使得PCC点电压相位能够快速跟踪大电网电压相位。

Description

基于主从结构的微电网预同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体地，涉及一种基于主从结构的微电网预同步控制方法。

背景技术

微电网作为一种分布式电源接入电网的新形式，它将一定区域内的分布式电源、储能装置、负荷及控制装置组合成独立的供电系统，大大提高了负荷侧的供电可靠性，减小了分布式电源接入对电网的影响。微电网有并网运行和孤岛运行两种基本运行模式。大多数情况下微电网与电网并网运行；当电网发生故障、扰动及电能质量不满足负荷要求时，微电网迅速切换为孤岛运行，保证微电网内部的持续供电。基于主从结构的微电网通常指定一台储能变流器或柴油发电机作为主变流器，并网运行时采用有功无功(PQ)控制，为本地负载提供功率，孤岛运行时切换成电压频率(V/F)控制，维持微网内电压和频率；其他随机性能源发电逆变器则作为从变流器，在两种运行状态下都采用PQ控制，实现能量利用率最大化。

微电网以孤岛状态运行时，微电网和配电网公共连接点(PCC)电压可能与电网电压相角存在偏差，若直接切换成并网状态将产生很大的并网冲击电流，影响电网正常运行，因此在并网开关闭合前，微电网需采取预同步控制，减小主变流器输出电压与电网电压间的相角差，使之达到并网要求，实现孤岛状态到并网状态的平滑切换。

经对现有文献检索发现，发现了一篇中国专利申请号201210124764.2、名称为“基于下垂控制的微网逆变器的并网预同步控制方法”的发明专利，该发明专利提出了一种采用下垂结构的微电网预同步控制方法，该方法首先需要通过三相软件锁相环(SPLL)技术获得大电网电压的幅值、频率和相位信息，而软件锁相环技术建立在q轴分量闭环控制的基础上，会对控制器的动态响应速度产生影响。此外，由于控制简单、可靠性高，当前的微电网示范工程大多采用主从控制结构，下垂控制主要处于理论研究阶段，示范工程较少。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于主从结构的微电网预同步控制方法，其基于Clarke变换，直接对PCC电压信号与电网电压信号进行计算并作为预同步控制器的输入变量，避免了软件锁相环对电压相角的精确计算，使得PCC点电压相位能够快速跟踪大电网电压相位。

根据本发明的一个方面，提供一种基于主从结构的微电网预同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过等功率Clark变换，求得三相电网电压和主变流器输出电压的α轴和β轴分量；

步骤二：对步骤一中获得电压信号进行计算，得到变量e_βu_α-e_αu_β，将其作为预同步控制器的输入量；

步骤三：预同步控制器输出作为V/F控制器的参考角频率ω_ref，实现主变流器输出电压对电网电压相角的跟踪；

步骤四：变量e_βu_α-e_αu_β满足并网要求后，静态开关与控制开关同时动作，主变流器采用PQ控制，完成整个预同步控制过程，微电网并网运行。

优选地，所述等功率Clark变换采用如下式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\text{=}\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right].$

优选地，所述三相电网电压采用如下式：

优选地，所述参考角频率ω_ref采用如下式：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}=(k_{\mathrm{pw}}+\frac{k_{\mathrm{iw}}}{s})(e_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\β}})+2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ref}}.$

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明避免了软件锁相环对电压相角的精确计算，能够快速消除PCC点电压与电网电压的相角差，实现微电网从孤岛状态向并网状态的平滑切换。仿真结果表明，与传统相位差PI控制相比，本发明提出的方法能有效缩短微电网预同步控制时间，减小微电网从孤岛状态向并网状态切换时产生的并网冲击电流，实现微电网快速并网。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明采用主从结构的微电网结构图。

图2为本发明中主变流器控制的原理框图。

图3为本发明的MATLAB仿真模型图。

图4a、4b、4c分别为系统并网过程中并网电流、PCC点电压、主变流器输出电流的仿真结果的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明基于主从结构的微电网预同步控制方法包括以下步骤：

步骤一：通过等功率Clark变换，求得三相电网电压e_abc和主变流器输出电压u_abc的α轴分量u_α和β轴分量u_β，具体等功率Clark变换如式(1)：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\text{=}\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]...\left(1\right)$

步骤二：对步骤一中获得电压信号进行计算，得到变量e_βu_α-e_αu_β，将其作为预同步控制器的输入量。由于大电网电压波动较小，幅值基本不变，不考虑波形畸变，三相电网电压如式(2)：

其中，E₀为电网相电压有效值，ω为电网电压角频率，θ₁为电网电压相角初始值。

经过等功率Clarke变换后，电网电压α轴和β轴分量如式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=\sqrt{3}{E}_0\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)\\ e_{\mathrm{\β}}=\sqrt{3}{E}_0\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right....\left(3\right)$

主变流器输出电压u_abc作同样处理，则如式(4)：

e_βu_α-e_αu_β＝3E₀ ²sin(θ₁-θ₂)…………………………………………………………(4)

步骤三：由式(4)可知，变量e_βu_α-e_αu_β间接反映了三相电网电压e_abc和主变流器输出电压u_abc的相角差，因此将其作为预同步控制器的输入，预同步控制器输出作为V/F控制器的参考角频率ω_ref，实现主变流器输出电压对电网电压相角的跟踪，即如式(5)：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}=(k_{\mathrm{pw}}+\frac{k_{\mathrm{iw}}}{s})(e_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\β}})+2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ref}}...\left(5\right)$

其中，k_pw、k_iw为预同步控制器的PI参数，f_ref为电网电压参考频率。

步骤四：变量e_βu_α-e_αu_β满足并网要求后，静态开关STS与控制开关S_c同时动作，主变流器采用PQ控制，完成整个预同步控制过程，微电网并网运行。

本发明采用主从结构的微电网结构图如图1所示。微电网以孤岛状态运行时，静态开关STS断开，控制开关Sc接通触点2，主变流器采用V/F控制，维持微网内电压和频率稳定。V/F控制中Park变换所需相位θ由参考角频率积分得到式(6)：

θ_inv＝∫ω_refdt＝2π∫f_refdt……………………………………………………(6)

其中，参考角频率是一个定值，与电网角频率相等。

当微电网接收到控制中心发来的并网信号后，静态开关STS和控制开关S_c状态首先保持不变，主变流器进入预同步控制阶段，仍采用V/F控制，但外环控制器的输入参考角频率ω_ref不再是一个定值，而是由式(6)计算得到，从而控制主变流器输出电压的相角向电网电压相角靠近。

当PCC点电压与电网电压相角差满足并网要求后，静态开关STS与控制开关S_c同时动作，在STS闭合瞬间，S_c从触点2切换到触点1，主变流器采用PQ控制，微电网并网运行，整个预同步过程结束。

本发明不需要采用软件锁相环技术精确求取电网电压相角和PCC点电压相角，而将变量e_βu_α-e_αu_β作为预同步过程中的控制变量，间接实现主变流器输出电压相角对电网电压相角的跟踪，实现微电网从孤岛状态向并网状态的平滑切换。

图3为本发明的MATLAB仿真模型图。图3中，M1为微网中的主变流器，S1为从变流器，F1为主变流器的滤波器，F2为从变流器的滤波器，MC为主变流器的控制器，SC为从变流器的控制器，L1为本地负载，G1为配电网。

仿真过程设定如下：

(1)t＝0～0.05s时，微电网孤岛运行，控制开关Sc接通触点2，主变流器采用V/F控制，输出电压滞后电网电压60°；

(2)t＝0.05～0.15s时，主变流器进行预同步控制；

(3)t＝0.15s时，静态开关STS闭合，微电网切换为并网运行，同时控制开关Sc切换到触点1，主变流器切换为PQ控制。

图4a、4b、4c分别表示系统并网过程中并网电流、PCC点电压、主变流器输出电流的仿真结果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于主从结构的微电网预同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过等功率Clark变换，求得三相电网电压e_abc和主变流器输出电压u_abc的α轴和β轴分量；

步骤二：对步骤一中获得电压信号进行计算，得到变量e_βu_α-e_αu_β，将其作为预同步控制器的输入量，其中，u_α和u_β分别为主变流器输出电压u_abc的α轴分量和β轴分量，e_α和e_β分别为三相电网电压e_abc的α轴和β轴分量；

步骤三：主变流器采用V/F控制，预同步控制器输出V/F控制的参考角频率ω_ref，实现主变流器输出电压对电网电压相角的跟踪；

步骤四：变量e_βu_α-e_αu_β满足并网要求后，静态开关与控制开关同时动作，主变流器采用PQ控制，完成整个预同步控制过程，微电网并网运行。

2.根据权利要求1所述的基于主从结构的微电网预同步控制方法，其特征在于，所述等功率Clark变换采用如下式：

3.根据权利要求1所述的基于主从结构的微电网预同步控制方法，其特征在于，所述三相电网电压采用如下式：

其中，E₀为电网相电压有效值，ω为电网电压角频率，θ₁为电网电压相角初始值。

4.根据权利要求1所述的基于主从结构的微电网预同步控制方法，其特征在于，所述参考角频率ω_ref采用如下式计算：

其中，k_pw、k_iw为预同步控制器的PI参数，f_ref为电网电压参考频率。