CN104734193A - 一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法 - Google Patents

一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法,包括孤岛运行到并网运行和并网运行到孤岛运行的平滑切换控制两个部分。平滑切换控制环节主要由锁相环(PLL)和切换开关组成。当逆变器从孤岛运行切换到并网运行时,通过操作切换开关对逆变器输出电压进行预同步,使得逆变器输出电压与电网电压同步,减小了并网时的电流冲击,从而实现平滑并网切换;当逆变器从并网运行到孤岛运行时,通过操作切换开关使得电流控制的参考指令从当前指令电流逐渐减小为零,由于断开并网开关前并网电流已经降为零,进行离网操作将对系统没有影响,逆变器输出电压也不会发生波动,从而实现离网平滑切换。本发明实现了分布式发电系统的双模式平滑切换运行。

Description

一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法
技术领域
本发明涉及三相逆变器控制技术领域,特别是一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法。
背景技术
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严峻,人们越来越重视分布式能源(光伏、风力、燃料电池等)的开发与利用,分布式能源作为一种分布广泛的高效清洁能源,对传统能源的替代比率将越来越大。目前,分布式能源发电被认为是世界上最具发展前景的技术,各国家纷纷投入巨额资金进行开发研究,并大力拓展其市场应用。
分布式能源控制的一个关键技术就是平滑切换技术,逆变器应该具备同时向本地负载和电网提供电能的能力,且在异常情况下,逆变器能够断开与电网的连接,对负载进行不间断供电,更重要的是能够做到平滑切换,这对重要的敏感性本地负载的显得尤为重要。从孤岛模式转入并网模式时,由于三相逆变器与电网不同步,会产生瞬间的过压或过流;并网模式转入孤岛模式时,由于两侧还有功率交换,断开并网开关后,使得有功或无功不平衡,最终导致逆变器输出电压波动,这些都会影响负载的正常工作,破坏了供电的可靠性和稳定性。现有的平滑切换控制方法往往只是在切换时修改参考电流指令的计算方法,或者人为的加入虚拟阻抗,用来减小电流冲击,并没有在切换前从根本上去消除引起电流冲击和电压波动的原因。因此,研究一种适合分布式发电系统平滑切换的控制方法意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法,适用于分布式发电系统三相逆变器,所述分布式发电系统三相逆变器包括依次连接的三相逆变桥、LCL滤波电路、并/离网开关;所述LCL滤波电路与所述并/离网开关之间并联接有三相本地负载;其特征在于,该方法包括包括孤岛运行转入并网运行平滑切换控制部分和并网运行转入孤岛运行平滑切换控制部分:
所述孤岛运行转入并网运行平滑切换控制部分包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路采样分布式发电系统三相逆变器的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc,直流侧电压udc
2)控制器将步骤1)采集得到的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标旋转变换,得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q),计算有功功率P和无功功率Q,具体计算公式如下:
P = 1 T ∫ t = T t ( u Ld i gd + u Lq i qg ) dt Q = 1 T ∫ t = T t ( u Lq i qg - u Ld i gq ) dt ;
其中uL(d,q)=[uLd,uLq],ug(d,q)=[ugd,ugq],ig(d,q)=[igd,igq],T为电网周期,t为采样时间;
3)当控制器检测到电网电压恢复正常时,控制器使得PLL的输入信号切换为电网电压信号ug(d,q),分布式发电系统三相逆变器输出电压的相位开始跟踪电网电压相位;
4)当控制器检测到PLL的PI控制输出结果不变的时候,将孤岛电压控制的参考指令切换为电网电压ug(d,q),使得分布式发电系统三相逆变器输出电压的幅值开始跟踪电网电压幅值;
5)当控制器检测到分布式发电系统三相逆变器输出电压的相位和幅值都和电网电压一致时,控制器控制并网开关闭合,使得分布式发电系统三相逆变器完成并网;同时将并网电流控制的参考指令由零变为其中是由组成的二维向量,即计算公式如下:
i d ref = k pd ( P ref - P ) + k id ∫ 0 t ( P ref - P ) dt i q ref = k pq ( Q ref - Q ) + k iq ∫ 0 t ( Q ref - Q ) dt ;
其中Pref为有功功率参考指令、Qref为无功功率参考指令;kpd、kid分别为有功PI环的比例常数、积分常数,取值范围分别为0.1~10和0.01~2;kpq、kiq分别为无功PI环的比例常数、积分常数;取值范围分别为0.1~10和0.01~2;
6)将并网电流控制的输出uc(d,q)叠加上孤岛电压控制的输出uv(d,q)得到uO(d,q),将叠加后的数据uO(d,q)经过dq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,其中uc(d,q)、uv(d,q)是通过准谐振PR控制得到的,具体计算公式如下:
u c ( d , q ) = ( k p 1 + 2 k r 1 ω c 1 s s 2 + 2 ω c 1 s + ω 2 ) ( i g ( d , q ) * - i g ( d , q ) ) u v ( d , q ) = ( k q 2 + 2 k r 2 ω c 2 s s 2 + 2 ω c 2 s + ω 2 ) ( u L ( d , q ) * - u L ( d , q ) ) ;
其中,kp1、kr1、ωc1分别为并网电流控制中的准谐振PR控制器的比例系数、谐振增益和截止角频率,kp2、kr2、ωc2分别为孤岛电压控制中的准谐振PR控制器的比例系数、谐振增益和截止角频率,ω为PLL的输出角频率,s为复频率;
7)结合uαβ和直流侧电压udc进行SVPWM调制,得到三相逆变桥驱动信号,即占空比Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动分布式发电系统三相逆变器,至此平滑切换完成,分布式发电系统三相逆变器由孤岛运行模式平滑切换为并网运行模式;
所述并网运行转入孤岛运行平滑切换控制部分包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路采样分布式发电系统三相逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc,直流侧电压udc
2)控制器将步骤1)采集得到的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标旋转变换,经计算得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q)
3)当控制器检测到电网电压出现故障时,控制器控制并网电流控制参考指令从减小为0;
4)当控制器检测到并网电流ig(d,q)变为0后,控制器控制并网开关断开,使得分布式发电系统三相逆变器孤岛运行,同时将PLL的输入信号和孤岛电压控制的参考指令都从电网电压ug(d,q)切换为其中经过abc/dq坐标旋转变换得到的,具体计算公式如下:
u La ref = V ref sin ( 2 π f ref t + θ ) u Ld ref = V ref sin ( 2 π f ref t + 2 πθ ) u Lc ref = V ref sin ( 2 π f ref tt - 2 π / 3 + θ )
其中Vref、fref、θ分别为孤岛运行电压幅值参考值、孤岛运行电压频率参考值、PLL的输出相角;
5)将孤岛电压控制的输出uv(d,q)叠加上并网电流控制的输出uc(d,q)得到uO(d,q),将叠加后的数据uO(d,q)经过dq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,结合uαβ和直流侧电压udc进行SVPWM调制,得到三相逆变桥驱动信号,即占空比Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动逆变器,至此平滑切换完成,分布式发电系统三相逆变器由并网运行模式平滑切换为孤岛运行模式。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明并网切换前采用PLL来同步电网电压,获取电网电压的相角,以减少并网切换时由于相角差太大,产生巨大的冲击电流;离网切换前将并网电流减小至零,保证并网开关两侧没有功率交换,在离网操作时不会因为功率不平衡最终导致逆变器输出电压波动。本发明逆变器从孤岛运行切换到并网运行时,通过操作切换开关对逆变器输出电压进行预同步,使得逆变器输出电压与电网电压同步,减小了并网时的电流冲击,从而实现平滑并网;当逆变器从并网运行到孤岛运行时,通过操作切换开关使得电流控制的参考指令从当前指令电流逐渐减小为零,断开并网开关前并网电流已经降为零,进行离网操作将对系统没有影响,逆变器输出电压也不会发生波动,从而实现离网平滑切换。本发明解决了三相逆变器在并网时电流冲击大,在离网时输出电压发生波动等问题,实现了分布式发电系统的平滑切换,可广泛应用到分布式发电控制系统中。
附图说明
图1为本发明一实施例分布式发电系统三相逆变器的结构示意图;
图2为本发明一实施例分布式发电系统平滑切换的三相逆变器控制示意图;
图3为本发明一实施例锁相环计算框图;
图4为本发明一实施例分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法的三相逆变器平滑切换输出电压、并网电流仿真波形图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例分布式发电系统三相逆变器的结构示意图,包括三相逆变系统、控制系统、交流母线、并/离网开关、三相本地负载;所述三相逆变系统包括直流储能电容、三相逆变桥、LCL滤波电路;所述直流储能电容、三相逆变桥、LCL滤波电路、三相本地负载、并/离网开关、交流母线依次连接;控制系统包括DSP控制系统、A/D采样调理电路、触摸屏和驱动保护电路。
图2为本发明一实施例分布式发电系统平滑切换的三相逆变器控制示意图,主要由平均功率计算模块、并网电流控制模块、孤岛电压控制模块、平滑切换控制模块、PQ控制模块、孤岛电压给定模块、SVPWM调制模块组成;所述平滑切换控制模块由切换开关、PLL模块组成。该方法包括孤岛运行转入并网运行平滑切换控制方法和并网运行转入孤岛运行平滑切换控制方法:
所述孤岛运行转入并网运行平滑切换控制方法包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路对逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行采样,直流侧电压udc,然后通过控制器对采样得到的数据进行读取、存储;
2)DSP控制器将第1步采集得到的逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标选转变换,经计算得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q);;
3)当控制器检测到电网电压恢复正常时,控制器控制开关S1从I切换到G,使得PLL的输入信号为电网电压信号ug(d,q),逆变器输出电压的相位开始跟踪电网电压相位。
4)当控制器检测到PLL的PI控制输出结果基本上不变的时候,表明此时逆变器输出电压和电网电压的相位已经同步,此时控制器控制开关S2从I切换到G,将孤岛电压控制的参考指令由孤岛电压给定的输出电压切换为电网电压使得逆变器输出电压的幅值开始跟踪电网电压幅值。
5)当控制器检测到逆变器输出电压的相位和幅值都和电网电压一致时,控制器控制并网开关Spcc闭合,逆变器完成并网;与此同时控制开关S3从I切换到G,并网电流控制的参考指令由零变为PQ控制模块的输出
6)将并网电流控制的输出uc(d,q)叠加上孤岛电压控制的输出uv(d,q),再经过Cdq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,SVPWM调制模块结合uαβ和直流侧电压udc进行调制得到三相逆变桥驱动信号Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动逆变器。至此平滑切换完成,三相逆变器由孤岛电压控制平滑切换为并网电流控制;
所述并网运行转入孤岛运行平滑切换控制方法包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路对逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行采样,直流侧电压udc,然后通过控制器对采样得到的数据进行读取、存储;
2)DSP控制器将第1步采集得到的逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标选转变换,经计算得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q);;
3)当控制器检测到电网电压出现故障时,控制器控制开关S3从G切换到I,并网电流控制参考指令从当前PQ控制模块的输出逐渐减小为0;
4)当控制器检测到并网电流ig(d,q)变为0后,表明此时逆变器与电网没有功率交换,此时断开并网开关Spcc,三相逆变器孤岛运行,与此同时,开关S1、S2从G切换到I,PLL的输入信号和孤岛电压控制的参考指令都切换为孤岛电压给定的输出电压
5)孤岛电压控制的输出uv(d,q)叠加上并网电流控制的输出uc(d,q),再经过Cdq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,SVPWM调制模块结合uαβ和直流侧电压udc进行调制得到三相逆变桥驱动信号Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动逆变器。至此平滑切换完成,三相逆变器由孤岛电压控制平滑切换为并网电流控制;
图3为本发明一实施例锁相环计算框图,输入信号为电压的d轴分量ud和q轴分量uq,将uq的参考指令设置为0,对其进行PI控制,可以得到PLL输入电压的角频率ω,再经过积分得到PLL输入电压的相角θ;
图4为本发明一实施例分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法的三相逆变器平滑切换输出电压、并网电流仿真波形图。上图为逆变器输出电压波形,下图为并网电流波形。仿真刚开始,三相逆变系统孤岛运行,在0.045s控制器检测到电网电压恢复正常,通过操作切换开关S1、S2对逆变器输出电压进行预同步,在0.05s预同步完成,控制器控制并网开关闭合,完成并网切换控制,并网时并网电流和逆变器输出电压没有出现冲击,表明逆变器平滑并网;逆变器并网运行至0.1s,控制器检测到电网电压出现故障,通过操作切换开关S3,使得电流控制的参考指令从当前指令电流逐渐减小为0,在0.106s并网电流降为0,控制器控制并网开关断开,完成离网切换操作,离网时并网电流和逆变器输出电压没有出现冲击,表明逆变器平滑离网。

Claims (1)

1.一种分布式发电三相逆变器平滑切换控制方法,适用于分布式发电系统三相逆变器,所述分布式发电系统三相逆变器包括依次连接的三相逆变桥、LCL滤波电路、并/离网开关;所述LCL滤波电路与所述并/离网开关之间并联接有三相本地负载;其特征在于,该方法包括包括孤岛运行转入并网运行平滑切换控制部分和并网运行转入孤岛运行平滑切换控制部分:
所述孤岛运行转入并网运行平滑切换控制部分包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路采样分布式发电系统三相逆变器的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc,直流侧电压udc
2)控制器将步骤1)采集得到的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标旋转变换,得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q),计算当前的输出有功功率P和无功功率Q,具体计算公式如下:
P = 1 T ∫ t - T t ( u Ld i gd + u Lq i gq ) dt Q = 1 T ∫ t - T t ( u Lq i gd - u Ld i gq ) dt ;
其中uL(d,q)=[uLd,uLq],ug(d,q)=[ugd,ugq],ig(d,q)=[igd,igq],T为电网周期,t为采样时间;
3)当控制器检测到电网电压恢复正常时,控制器使得PLL的输入信号切换为电网电压信号ug(d,q),分布式发电系统三相逆变器输出电压的相位开始跟踪电网电压相位;
4)当控制器检测到PLL的PI控制输出结果不变的时候,将孤岛电压控制的参考指令切换为电网电压ug(d,q),使得分布式发电系统三相逆变器输出电压的幅值开始跟踪电网电压幅值;
5)当控制器检测到分布式发电系统三相逆变器输出电压的相位和幅值都和电网电压一致时,控制器控制并网开关闭合,使得分布式发电系统三相逆变器完成并网;同时将并网电流控制的参考指令由零变为其中是由组成的二维向量,即 计算公式如下:
i d ref = k pd ( P ref - P ) + k id ∫ 0 t ( P ref - P ) dt i q ref = k pq ( Q ref - Q ) + k iq ∫ 0 t ( Q ref - Q ) dt ;
其中Pref为有功功率参考指令、Qref为无功功率参考指令;kpd、kid分别为有功PI环的比例常数、积分常数,取值范围分别为0.1~10和0.01~2;kpq、kiq分别为无功PI环的比例常数、积分常数;取值范围分别为0.1~10和0.01~2;
6)将并网电流控制的输出uc(d,q)叠加上孤岛电压控制的输出uv(d,q)得到uO(d,q),将叠加后的数据uO(d,q)经过dq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,其中uc(d,q)、uv(d,q)是通过准谐振PR控制得到的,具体计算公式如下:
u c ( d , q ) = ( k p 1 + 2 k r 1 ω c 1 s s 2 + 2 ω c 1 s + ω 2 ) ( i g ( d , q ) * - i g ( d , q ) ) u v ( d , q ) = ( k p 2 + 2 k r 2 ω c 2 s s 2 + 2 ω c 2 s + ω 2 ) ( u L ( d , q ) * - u L ( d , q ) ) ;
其中,kp1、kr1、ωc1分别为并网电流控制中的准谐振PR控制器的比例系数、谐振增益和截止角频率,kp2、kr2、ωc2分别为孤岛电压控制中的准谐振PR控制器的比例系数、谐振增益和截止角频率,ω为PLL的输出角频率,s为复频率;
7)结合uαβ和直流侧电压udc进行SVPWM调制,得到三相逆变桥驱动信号,即占空比Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动分布式发电系统三相逆变器,至此平滑切换完成,分布式发电系统三相逆变器由孤岛运行模式平滑切换为并网运行模式;
所述并网运行转入孤岛运行平滑切换控制部分包括以下步骤:
1)在每个采样周期的起始点,采样电路采样分布式发电系统三相逆变器输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc,直流侧电压udc
2)控制器将步骤1)采集得到的输出电压uLa、uLb、uLc,电网电压uga、ugb、ugc,并网电流iga、igb、igc进行abc/dq坐标旋转变换,经计算得到dq坐标系下的输出电压uL(d,q),电网电压ug(d,q),并网电流ig(d,q)
3)当控制器检测到电网电压出现故障时,控制器控制并网电流控制参考指令从减小为0;
4)当控制器检测到并网电流ig(d,q)变为0后,控制器控制并网开关断开,使得分布式发电系统三相逆变器孤岛运行,同时将PLL的输入信号和孤岛电压控制的参考指令都从电网电压ug(d,q)切换为其中经过abc/dq坐标旋转变换得到的,具体计算公式如下:
u La ref = V ref sin ( 2 π f ref t + θ ) u Lb ref = V ref sin ( 2 π f ref t + 2 π / 3 + θ ) u Lc ref = V ref sin ( 2 π f ref tt - 2 π / 3 + θ ) ;
其中Vref、fref、θ分别为孤岛运行电压幅值参考值、孤岛运行电压频率参考值、PLL的输出相角;
5)将孤岛电压控制的输出uv(d,q)叠加上并网电流控制的输出uc(d,q)得到uO(d,q),将叠加后的数据uO(d,q)经过dq/αβ坐标旋转变换得到uαβ,结合uαβ和直流侧电压udc进行SVPWM调制,得到三相逆变桥驱动信号,即占空比Da、Db、Dc,传送至驱动保护电路,产生驱动信号,用来驱动逆变器,至此平滑切换完成,分布式发电系统三相逆变器由并网运行模式平滑切换为孤岛运行模式。
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