CN104779632B - 基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法，该方法根据微电网不同的运行模式对储能系统采用不同的控制策略。微电网并网运行时，电网向微电网提供电压支撑，此时储能系统作为PQ源，采用PQ控制策略；微电网离网运行时，储能系统将作为微电网的主要电源，采用Vf控制策略。为了使系统能够在电网电压不平衡或负荷不平衡时依然保持正常运行，本发明在正负序旋转坐标系下进行系统控制器设计，控制系统为双环控制结构，内环为电流环，外环根据微电网不同的运行模式设计为功率环或电容电压控制环。本发明所提的方法简单实用，该方法使系统能够在电网电压不平衡或负荷不平衡时依然保持正常运行。

Description

基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法

技术领域

本发明属于微电网运行控制技术领域，特别涉及微电网中不同模式下的储能系统控制。

背景技术

微电网是一种将微电源、负荷和电力电子装置等整合在一起的小型发配电系统。微电网作为配电网和分布式电源的纽带，使得配电网不必直接面对种类不同、数量庞大、分散接入甚至间歇性的分布式电源，是分布式能源接入的有效途径。微电网可以工作在并网和离网两种模式：与常规配电网并网运行的并网模式；不与外部大电网相连接或因某种原因断开与大电网的连接而转入独立运行的离网模式。

近年来，储能技术不断发展，被越来越多地运用到微电网系统中。储能装置可以有效地实现需求侧管理，削峰填谷，平滑负荷，同时还可作为提高系统运行稳定性和电能质量的一种手段。储能系统通过逆变器产生交流电，从而形成一种微电源。目前，对于储能系统中的逆变器，大多采用PQ控制或Vf控制。采用PQ控制的逆变器可以等效成电流源，其输出功率由功率设定值决定，不受微电网内部功率变化的影响；采用Vf控制的逆变器可以等效成电压源，其输出功率随微电网内部功率的变化而改变，可以保证微电网电压和频率的稳定性。

经对现有技术的文献检索发现，Control techniques of dispersed generatorsto improve the continuity of electricity supply(Barsali S,Ceraolo M,PelacchiP.Control techniques of dispersed generators to improve the continuity ofelectricity supply[C]//Proceedings of Power Engineering Society WinterMeeting.New York,USA,2002：789-794.)提出了不同运行模式采用不同控制策略的方法，并网模式下分布式电源采用PQ控制,离网模式下采用Vf控制,但这种方法存在运行模式切换时控制失败的可能性。Improvement of stability and load sharing in anautonomous microgrid using supplementary droop control loop(Majumder R,Chaudhuri B,Ghosh A,et al.Improvement of stability and load sharing in anautonomous microgrid using supplementary droop control loop[J].IEEE Trans onPower System,2010,25(2)：796-808.)只考虑了微电网孤岛运行的情况，没有研究微电网并网运行及运行模式的转换。中国发明专利(申请号：201110097368.0)提出一种双向变流器在微电网中实现并离网双模式运行的方法，解决了微电网控制中离网运行和并网运行快速无缝转换的问题，但是没有考虑不平衡的电网电压和不平衡的负载，也没有提出具体的三相变流器控制策略。

针对以上不足，本发明根据微电网不同的运行模式，对储能系统采用了不同的控制策略。微电网并网运行时，电网向微电网提供电压支撑，此时储能系统作为PQ源，采用PQ控制策略；微电网离网运行时，储能系统将作为微电网的主要电源，采用Vf控制策略。本发明在正负序旋转坐标系下进行系统控制器设计，控制系统为双环控制结构，内环为电流环，外环根据微电网不同的运行模式设计为功率环或电容电压控制环，确保系统能够在电网电压不平衡或负荷不平衡时依然保持正常运行。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法，考虑微电网不同的运行模式，对储能系统采用不同的控制策略，控制系统为双环控制结构，内环为电流环，外环根据微电网不同的运行模式设计为功率环或电容电压控制环，确保系统能够在电网电压不平衡或负荷不平衡时依然保持正常运行。

基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法，其包括如下步骤：

(1)采集三相变流器交流侧电压u_ra、u_rb、u_rc，滤波电感电流i_La、i_Lb、i_Lc，储能系统输出电流u_sa、u_sb、u_sc，滤波电容电压u_sa、u_sb、u_sc，经过坐标变换得到三相变流器交流侧电压、电感电流、储能系统输出电流和滤波电容电压的正序矢量和负序矢量

(2)当微电网并网运行时，经过计算得到三相变流器网侧有功功率平均值p₀、无功功率平均值q₀，采用PI(Proportional Integral，比例积分)控制器对p₀和q₀进行闭环控制，得到PI控制器内环电流指令

(3)当微电网离网运行时，在PI控制器中加入解耦项，将负荷电流当扰动项，并采用PI控制器进行控制，得到PI控制器内环电流指令

(4)电流内环采用前馈解耦控制，得到电压指令

(5)上述电压指令经过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)得到输入指令，从而控制储能系统。

进一步地，所述正序矢量和负序矢量表示为：

其中，三相变流器交流侧电压正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和电感电流正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和储能系统输出电流正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和滤波电容电压正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

进一步地，当微电网并网运行时，所述p₀、q₀、通过以下公式获得：

其中，p_ref、q_ref为设定的有功、无功功率平均值，K_pp、K_ip为平均有功功率p₀控制器比例系数和积分系数，K_pq、K_iq为平均无功功率q₀控制器比例系数和积分系数，内环电感电流指令正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

进一步地，当微电网并网运行时，通过以下公式获得：

其中，K_pEdp、K_iEdp为正序电压d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_pEqp、K_iEqp为正序电压q轴控制器比例系数和积分系数，K_pEdN、K_iEdN为负序电压d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_pEqN、K_iEqN为负序电压q轴控制器比例系数和积分系数，ω为储能系统电压角频率，C为滤波电容。

进一步地，电压指令通过以下公式获得：

其中，K_pidp、K_iidp为正序电流d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_piqp、K_iiqp为正序电流q轴控制器比例系数和积分系数，K_pidN、K_iidN为负序电流d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_piqN、K_iiqN为负序电流q轴控制器比例系数和积分系数，L为滤波器等效电感，三相变流器交流侧电压指令正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明在正负序旋转坐标系下进行系统控制器设计，控制系统为双环控制结构。电流内环采用结构对称的正序、负序双电流内环控制结构，从而实现对正序、负序电流的独立控制。并网运行时，外环为功率环，储能系统采用PQ(Active Power、Reactive Power，有功功率、无功功率)控制策略，分别对平均有功功率和平均无功功率进行调节，实现了电网电压不平衡条件下的功率控制。离网运行时，外环为电容电压控制环，储能系统采用Vf(Voltage、frequency，电压、频率)控制策略，分别对正负序电容电压进行控制，实现带不平衡负载时微电网电压的平衡控制。

附图说明

图1是储能系统电路拓扑；

图2是基于微电网中不同模式下的储能系统控制框图；

图3是电网电压不对称情况下的储能系统仿真结果；

图4是负载不平衡时的储能系统仿真结果。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

第一步：储能系统电路拓扑如图1所示。u_bat为电池组两端电压，L为滤波器等效电感，R为滤波器等效电阻，C为滤波电容、Z_l为负荷阻抗，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆为三相变流器的开关管，K为离网、并网开关。采集三相变流器交流侧电压u_ra、u_rb、u_rc，滤波电感电流i_La、i_Lb、i_Lc，储能系统输出电流u_sa、u_sb、u_sc，滤波电容电压u_sa、u_sb、u_sc，经过坐标变换得到三相变流器交流侧电压、电感电流、储能系统输出电流和滤波电容电压的正序矢量和负序矢量

第二步：基于微电网中不同模式下的储能系统控制框图如图2所示。当微电网并网运行时，经过计算得到三相变流器网侧有功功率平均值p₀、无功功率平均值q₀，采用PI控制器对p₀和q₀进行闭环控制，得到PI控制器内环电流内环电流指令

第三步:当微电网离网运行时，在控制器中加入解耦项，将负荷电流当扰动项，并采用PI控制器进行控制，得到PI控制器内环电流指令

第四步：电流内环采用前馈解耦控制，得到电压指令

第五步：上述电压指令经过SVPWM调制得到输入指令，从而控制储能系统；

第六步：根据储能系统结构和控制策略，在PSCAD(Power Systems ComputerAided Design，电力系统计算机辅助设计)中搭建储能系统仿真模型，系统仿真参数如表1所示。

表1

仿真结果如图3和图4所示。图3为电网电压不对称情况下的储能系统仿真结果，第一列自上而下为储能系统无功功率Q输出特性曲线、配电网a、b、c三相电压E_a、E_b、E_c输出特性曲线，第二列自上而下为储能系统有功功率P输出特性曲线、配电网a、b、c三相电流I_a、I_b、I_c输出特性曲线；图4为负载不平衡时的储能系统仿真结果，第一列自上而下为储能系统无功功率Q输出特性曲线、配电网a、b、c三相电压E_a、E_b、E_c输出特性曲线，第二列自上而下为储能系统有功功率P输出特性曲线、配电网a、b、c三相电流I_a、I_b、I_c输出特性曲线。

由图3可知，在0～3s时，电网电压正常运行，储能系统并网有功功率为0.2MW，无功功率为0，在3s时，由于故障原因，电网电压不平衡，储能系统在正负序坐标系中进行控制，可实现在电网不对称情况下对并网功率的控制，故储能并网功率为0.2MW；在t为5s时，并网指令由0.2MW变为0.3MW，储能并网功率快速跟踪并网功率指令，实现了电网电压不平衡条件下的功率控制。由图4可知，负载不平衡时，储能系统作为孤岛微电网的主电源，其输出电流是不平衡的，但是此时的微电网电压仍保持平衡，为微电网提供稳定的电压和频率支撑。

仿真结果验证了所提方法能够确保系统在电网电压不平衡或负荷不平衡时依然保持正常运行。

以上对本发明所提供的基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.基于微电网中不同模式下的储能系统控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)采集三相变流器交流侧电压u_ra、u_rb、u_rc，滤波电感电流i_La、i_Lb、i_Lc，储能系统输出电流u_sa、u_sb、u_sc，滤波电容电压u_sa、u_sb、u_sc，经过坐标变换得到三相变流器交流侧电压、电感电流、储能系统输出电流和滤波电容电压的正序矢量和负序矢量所述正序矢量和负序矢量 表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{U}}_{rdq}^P=U_{rd}^P+j{u}_{rq}^P\\ {\stackrel{\→}{U}}_{rdq}^N=U_{rd}^N+{\mathrm{jU}}_{rq}^N\\ {\stackrel{\→}{I}}_{Ldq}^P=I_{Ld}^P+{\mathrm{jI}}_{Lq}^P\\ {\stackrel{\→}{I}}_{Ldq}^N=I_{Ld}^N+{\mathrm{jI}}_{Lq}^N\\ {\stackrel{\→}{I}}_{sdq}^P=I_{sd}^P+{\mathrm{jI}}_{sq}^P\\ {\stackrel{\→}{I}}_{sdq}^N=I_{sd}^N+{\mathrm{jI}}_{sq}^N\\ {\stackrel{\→}{U}}_{sdq}^P=U_{sd}^P+{\mathrm{jU}}_{sq}^P\\ {\stackrel{\→}{U}}_{sdq}^N=U_{sd}^N+{\mathrm{jU}}_{sq}^N\end{array}\right.$

其中，三相变流器交流侧电压正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和电感电流正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和储能系统输出电流正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和滤波电容电压正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

(2)当微电网并网运行时，经过计算得到三相变流器网侧有功功率平均值p₀、无功功率平均值q₀，采用PI(Proportional Integral，比例积分)控制器对p₀和q₀进行闭环控制，得到PI控制器内环电流指令

当微电网并网运行时，所述p₀、q₀、通过以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_0=1.5(U_{sd}^p{I}_{sd}^p+U_{sq}^p{I}_{sq}^p+U_{sd}^N{I}_{sd}^N+U_{sq}^N{I}_{sq}^N)\\ q_0=1.5(U_{sq}^p{I}_{sd}^p-U_{sd}^p{I}_{sq}^p+U_{sq}^N{I}_{sd}^N+U_{sd}^N{I}_{sq}^N)\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{I}_{Ld}^{P*}=K_{pp}(p_{ref}-p_0)+K_{ip}\∫(p_{ref}-p_0)dt\\ I_{Lq}^{P*}=K_{pq}(q_{ref}-q_0)+K_{iq}\∫(q_{ref}-q_0)dt\\ I_{Ld}^{N*}=0\\ I_{Lq}^{N*}=0\end{array}\right.$

其中，p_ref、q_ref为设定的有功、无功功率平均值，K_pp、K_ip为平均有功功率p₀控制器比例系数和积分系数，K_pq、K_iq为平均无功功率q₀控制器比例系数和积分系数，内环电感电流指令正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

(3)当微电网离网运行时，在PI控制器中加入解耦项，将负荷电流当扰动项，并采用PI控制器进行控制，得到PI控制器内环电流指令当微电网离网运行时， 通过以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{Ld}^{P*}=K_{pEdp}(U_{sd}^{P*}-U_{sd}^P)+K_{iEdp}\∫(U_{sd}^{P*}-U_{sd}^P)dt-{\mathrm{\ωCU}}_{sq}^P\\ I_{Lq}^{P*}=K_{pEqp}(U_{sq}^{P*}-U_{sq}^P)+K_{iEqp}\∫(U_{sq}^{P*}-U_{sq}^P)dt+{\mathrm{\ωCU}}_{sd}^P\\ I_{Ld}^{N*}=K_{pEdN}(U_{sd}^{N*}-U_{sd}^N)+K_{iEdN}\∫(U_{sd}^{N*}-U_{sd}^N)dt+{\mathrm{\ωCU}}_{sq}^N\\ I_{Lq}^{N*}=K_{pEqN}(U_{sq}^{N*}-U_{sq}^N)+K_{iEqN}\∫(U_{sq}^{N*}-U_{sq}^N)dt-{\mathrm{\ωCU}}_{sd}^N\end{array}\right.$

其中，K_pEdp、K_iEdp为正序电压d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_pEqp、K_iEqp为正序电压q轴控制器比例系数和积分系数，K_pEdN、K_iEdN为负序电压d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_pEqN、K_iEqN为负序电压q轴控制器比例系数和积分系数，ω为储能系统电压角频率，C为滤波电容；

(4)电流内环采用前馈解耦控制，得到电压指令电压指令 通过以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{rd}^{P*}=K_{pidp}(I_{Ld}^{P*}-I_{Ld}^P)+K_{iidp}\∫(I_{Ld}^{P*}-I_{Ld}^P)dt+U_{sd}^P-\mathrm{\ω}L{I}_{Lq}^P\\ U_{rq}^{P*}=K_{piqp}(I_{Lq}^{P*}-I_{Lq}^P)+K_{iiqp}\∫(I_{Lq}^{P*}-I_{Lq}^P)dt+U_{sq}^P+{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}^P\\ U_{rd}^{N*}=K_{pidN}(I_{Ld}^{N*}-I_{Ld}^N)+K_{iidN}\∫(I_{Ld}^{N*}-I_{Ld}^N)dt+U_{sd}^N+{\mathrm{\ωLI}}_{Lq}^P\\ U_{rq}^{N*}=K_{piqN}(I_{Lq}^{N*}-I_{Lq}^N)+K_{iiqN}\∫(I_{Lq}^{N*}-I_{Lq}^N)dt+U_{sq}^N-{\mathrm{\ωLI}}_{Ld}^P\end{array}\right.$

其中，K_pidp、K_iidp为正序电流d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_piqp、K_iiqp为正序电流q轴控制器比例系数和积分系数，K_pidN、K_iidN为负序电流d轴分量控制器比例系数和积分系数，K_piqN、K_iiqN为负序电流q轴控制器比例系数和积分系数，L为滤波器等效电感，三相变流器交流侧电压指令正序矢量的d、q轴分量为和负序矢量的d、q轴分量为和

(5)上述电压指令经过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)得到输入指令，从而控制储能系统。