CN104810841A - Pcs储能变流器v/f与p/q模式无缝切换控制装置 - Google Patents

Pcs储能变流器v/f与p/q模式无缝切换控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，包括电流采集模块、第一电压采集模块、第二电压采集模块、参考信号计算模块、相位同步模块、电压参考信号生成模块、电压环调节模块、电流环调节模块、功率调度模块、第一切换开关、第二切换开关和脉宽调制模块。本发明实现了PCS储能变流器从V/F工作模式到P/Q工作模式之间的无缝切换，在切换瞬间没有发生任何的电流或电压过冲等现象，整个PCS储能变流器系统始终保持稳定运行。

Description

PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置
技术领域
本发明涉及一种切换控制装置，具体涉及一种PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置。
背景技术
随着国民经济的快速发展，人们对电力的需求量越来越大，电网的规模以及远距离输送的电力容量均在不断增长。此时，集中式大电网成本高、运行难度大、可靠性低等缺陷将随着电网规模的扩大日渐凸显，越来越不能满足人们对电力供应的质量及用电安全性与可靠性的要求。近年来，由电网中单点故障引起的大规模停电事故频频发生，充分暴露出了大电网系统的脆弱性，供电可靠性问题已引起各国人员的高度重视。此外，集中式大电网发电系统不能跟踪电力负荷的变化，系统的灵活性相对较差。若为了短暂的峰荷建造发电厂，所需花费很大，经济效益很低。为了节省投资，提高发电系统的安全性与灵活性，分布式发电系统及微电网系统应运而生。
在分布式发电及微电网系统中，储能装置及PCS储能变流器是其重要组成部分，可以有效实现需求侧管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷、提高电力设备运行效率、降低供电成本。储能装置主要实现能量的储存、释放或快速功率交换。PCS储能变流器实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换，完成电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统稳定性等功能。同时，PCS储能变流器需要根据调度快速完成各种工作模式的切换，如从V/F工作模式到P/Q工作模式的切换等。其中，如何实现PCS储能变流器在各种工作模式下的无缝切换，提高PCS储能变流器系统在模式切换瞬间的工作稳定性是其控制的重点和难点。
因此，研究PCS储能变流器在V/F和P/Q工作模式下的无缝切换控制，保证储能变流器在模式切换过程中系统稳定平滑过渡，对于实现储能系统应用在分布式和微电网领域，提高其稳定性和可靠性具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，可实现PCS储能变流器从V/F工作模式到P/Q工作模式之间的无缝切换。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，包括电流采集模块、第一电压采集模块、第二电压采集模块、参考信号计算模块、相位同步模块、电压参考信号生成模块、电压环调节模块、电流环调节模块、功率调度模块、第一切换开关、第二切换开关和脉宽调制模块；
所述电流采集模块，用以采集PCS储能变流器中的滤波电感电流；
所述第一电压采集模块，用以采集PCS储能变流器输出电压；
所述第二电压采集模块，用以采集PCS储能变流器的连接公共点电压；
所述参考信号计算模块，用以根据滤波电感电流和输出电压计算获得电压参考信号的幅值信息和频率信息；
所述相位同步模块，用以根据连接公共点电压和参考信号的频率信息对相位进行同步，生成电压参考信号的相位信息；
所述电压参考信号生成模块，用以根据电压参考信号的幅值信息和相位信息生成电压参考信号；
所述电压环调节模块，根据电压参考信号和输出电压生成一路基准信号；
所述功率调度模块，用以生成另一路基准信号；
所述第一切换开关设置在电压环调节模块和电流环调节模块之间，所述第二切换开关设置在功率调度模块和电流环调节模块之间，通过第一切换开关和第二切换开关的切换实现PCS储能变流器在V/F和P/Q工作模式下的切换；
所述电流环调节模块，用以根据滤波电感电流和基准信号生成调制信号；
所述脉宽调制模块，用以根据调制信号对载波信号进行脉宽调制，生成控制PCS储能变流器功率控制的控制信号。
所述参考信号计算模块包括功率计算模块、电压-无功功率下垂控制调节模块和频率-有功功率下垂控制调节模块；
所述功率计算模块，用以根据滤波电感电流和输出电压计算获得有功功率和无功功率；
所述电压-无功功率下垂控制调节模块，用以根据无功功率和电压-无功下垂曲线计算获得电压参考信号的幅值信息；
所述频率-有功功率下垂控制调节模块，用以根据有功功率和频率-有功下垂曲线计算获得电压参考信号的频率信息；
所述电压-无功功率下垂控制调节模块的计算公式为，
Vref＝V*-qo·kv
式中，Vref为电压参考信号的幅值信息，V*为电压-无功下垂曲线中所对应的最大电压，kv为电压-无功下垂系数；
所述频率-有功功率下垂控制调节模块的计算公式为，
fref＝f*-po·kf
式中，fref为电压参考信号的频率信息，f*为频率-有功下垂曲线中所对应的最大频率，kf为频率-有功下垂系数。
所述相位同步模块包括锁相模块、预同步模块和相位生成模块；
所述锁相模块，用以从连接公共点电压中提取出相应的相位信息；
所述预同步模块，用以根据锁相模块输出的相位信息和相位生成模块输出的电压参考信号的相位信息计算获得频率调节信号；
所述相位生成模块，用以根据频率调节信号和电压参考信号的频率信息计算获得电压参考信号的相位信息。
所述预同步模块的计算公式为，
Δf = ( θ pcc - θ o ) · ( k p + k i s )
式中，Δf为频率调节信号，θpcc为连接公共点电压的相位信息，θo为电压参考信号的相位信息，kp为调节器比例系数，ki为调节器积分系数，表示积分；
所述相位生成模块的计算公式为，
θ o = ( f ref + Δf ) · 2 π · 1 s
其中，fref为电压参考信号的频率信息。
本发明所达到的有益效果：本发明实现了PCS储能变流器从V/F工作模式到P/Q工作模式之间的无缝切换，在切换瞬间没有发生任何的电流或电压过冲等现象，整个PCS储能变流器系统始终保持稳定运行。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的具体结构框图。
图3为本发明对于两台PCS储能变流器并联时，其中一台PCS储能变流器由V/F模式切换到P/Q模式时的仿真结果示意图。
图4为本发明对于两台PCS储能变流器并联时，其中一台PCS储能变流器由P/Q模式切换到V/F模式时的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，图中包括了若干个并联的PCS储能变流器1，每个PCS储能变流器1包括依次连接的电压源Uin、三相逆变器主电路和LC滤波电路，PCS储能变流器1还连接至带有开关S的负荷(即图中2所表示的部分)。
上述PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，包括电流采集模块3、第一电压采集模块4、第二电压采集模块5、参考信号计算模块6、相位同步模块7、电压参考信号生成模块8、电压环调节模块9、电流环调节模块11、功率调度模块10、第一切换开关S1、第二切换开关S2和脉宽调制模块12。
上述各模块的具体功能如下：
电流采集模块3，用以采集PCS储能变流器1中的滤波电感电流iABC。
第一电压采集模块4，用以采集PCS储能变流器1输出电压uoABC。
第二电压采集模块5，用以采集PCS储能变流器1的连接公共点电压uABC(pcc)。
参考信号计算模块6，用以根据滤波电感电流iABC和输出电压uoABC计算获得电压参考信号的幅值信息Vref和频率信息fref。
相位同步模块7，用以根据连接公共点电压uABC(pcc)和参考信号的频率信息fref对相位进行同步，生成电压参考信号的相位信息θo。
电压参考信号生成模块8，用以根据电压参考信号的幅值信息Vref和相位信息θo生成电压参考信号vr。
电压环调节模块9，根据电压参考信号vr和输出电压uoABC生成一路基准信号iABCref1。
功率调度模块，用以生成另一路基准信号iABCref2。
第一切换开关S1设置在电压环调节模块9和电流环调节模块11之间，第二切换开关S2设置在功率调度模块10和电流环调节模块11之间，通过第一切换开关S1和第二切换开关S2的切换实现PCS储能变流器1在V/F和P/Q工作模式下的切换。
电流环调节模块11，用以根据滤波电感电流iABC和基准信号(即iABCref1或iABCref2)生成调制信号vm；
脉宽调制模块12，用以根据调制信号vm对载波信号vc进行脉宽调制，生成控制PCS储能变流器1功率控制的控制信号d。
参考图2，上述参考信号计算模块6包括功率计算模块601、电压-无功功率下垂控制调节模块602和频率-有功功率下垂控制调节模块603。
参考信号计算模块6中各模块的具体功能如下：
功率计算模块601，用以根据滤波电感电流iABC和输出电压uoABC计算获得有功功率po和无功功率qo。
电压-无功功率下垂控制调节模块602，用以根据无功功率qo和电压-无功下垂曲线计算获得电压参考信号的幅值信息Vref。
电压参考信号的幅值信息Vref的计算公式为，
Vref＝V*-qo·kv
式中，V*为电压-无功下垂曲线中所对应的最大电压，kv为电压-无功下垂系数。
频率-有功功率下垂控制调节模块603，用以根据有功功率po和频率-有功下垂曲线计算获得电压参考信号的频率信息fref；
电压参考信号的频率信息fref的计算公式为，
fref＝f*-po·kf
式中，f*为频率-有功下垂曲线中所对应的最大频率，kf为频率-有功下垂系数。
上述相位同步模块7包括锁相模块701、预同步模块702和相位生成模块703。
相位同步模块7中各模块的具体功能如下：
锁相模块701，用以从连接公共点电压uABC(pcc)中提取出相应的相位信息θpcc；
预同步模块702，用以根据锁相模块701输出的相位信息θpcc和相位生成模块7.3输出的电压参考信号的相位信息θo计算获得频率调节信号Δf。
频率调节信号Δf的计算公式为，
Δf = ( θ pcc - θ o ) · ( k p + k i s )
式中，kp为调节器比例系数，ki为调节器积分系数，表示积分。
相位生成模块703，用以根据频率调节信号Δf和电压参考信号的频率信息fref计算获得电压参考信号的相位信息θo。
电压参考信号的相位信息θo的计算公式为，
θ o = ( f ref + Δf ) · 2 π · 1 s .
为说明本发明的正确性和可行性，进行了仿真实验验证，将两台PCS储能变流器1并联设置，电压源Uin均为800VDC，滤波电感Lf均为1mH，输出滤波电容Cr均为50μF(三角型连接)。
1、两台PCS储能变流器1初始阶段以V/F工作模式并联运行，负载功率由两台PCS储能变流器1均分；在t＝0.2s时刻，其中一台PCS储能变流器1由V/F工作模式切换到P/Q工作模式，同时接受功率模块10所发出的功率调度指令；图3为其仿真波形，即为两台PCS储能变流器1一相输出电流及连接公共点处电压波形.
2、两台PCS储能变流器1初始阶段分别以V/F和P/Q工作模式并联运行，其中处于P/Q工作模式下的PCS储能变流器1根据功率调度模块10指令进行功率输出；在t＝0.2s时刻，其中一台PCS储能变流器1由P/Q工作模式切换到V/F工作模式，此时两台PCS储能变流器1对负载功率进行均分；图4为其仿真波形，即为两台PCS储能变流器1一相输出电流及连接公共点处电压波形。
通过上述仿真实验可获知，本发明实现了PCS储能变流器从V/F工作模式到P/Q工作模式之间的无缝切换，在切换瞬间没有发生任何的电流或电压过冲等现象，整个PCS储能变流器系统始终保持稳定运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，其特征在于：包括电流采集模块、第一电压采集模块、第二电压采集模块、参考信号计算模块、相位同步模块、电压参考信号生成模块、电压环调节模块、电流环调节模块、功率调度模块、第一切换开关、第二切换开关和脉宽调制模块；
所述电流采集模块，用以采集PCS储能变流器中的滤波电感电流；
所述第一电压采集模块，用以采集PCS储能变流器输出电压；
所述第二电压采集模块，用以采集PCS储能变流器的连接公共点电压；
所述参考信号计算模块，用以根据滤波电感电流和输出电压计算获得电压参考信号的幅值信息和频率信息；
所述相位同步模块，用以根据连接公共点电压和参考信号的频率信息对相位进行同步，生成电压参考信号的相位信息；
所述电压参考信号生成模块，用以根据电压参考信号的幅值信息和相位信息生成电压参考信号；
所述电压环调节模块，根据电压参考信号和输出电压生成一路基准信号；
所述功率调度模块，用以生成另一路基准信号；
所述第一切换开关设置在电压环调节模块和电流环调节模块之间，所述第二切换开关设置在功率调度模块和电流环调节模块之间，通过第一切换开关和第二切换开关的切换实现PCS储能变流器在V/F和P/Q工作模式下的切换；
所述电流环调节模块，用以根据滤波电感电流和基准信号生成调制信号；
所述脉宽调制模块，用以根据调制信号对载波信号进行脉宽调制，生成控制PCS储能变流器功率控制的控制信号。
2.根据权利要求1所述的PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，其特征在于：所述参考信号计算模块包括功率计算模块、电压-无功功率下垂控制调节模块和频率-有功功率下垂控制调节模块；
所述功率计算模块，用以根据滤波电感电流和输出电压计算获得有功功率和无功功率；
所述电压-无功功率下垂控制调节模块，用以根据无功功率和电压-无功下垂曲线计算获得电压参考信号的幅值信息；
所述频率-有功功率下垂控制调节模块，用以根据有功功率和频率-有功下垂曲线计算获得电压参考信号的频率信息。
3.根据权利要求2所述的PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，其特征在于：所述电压-无功功率下垂控制调节模块的计算公式为，
Vref＝V*-qo·kv
式中，Vref为电压参考信号的幅值信息，V*为电压-无功下垂曲线中所对应的最大电压，kv为电压-无功下垂系数；
所述频率-有功功率下垂控制调节模块的计算公式为，
fref＝f*-po·kf
式中，fref为电压参考信号的频率信息，f*为频率-有功下垂曲线中所对应的最大频率，kf为频率-有功下垂系数。
4.根据权利要求1所述的PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，其特征在于：所述相位同步模块包括锁相模块、预同步模块和相位生成模块；
所述锁相模块，用以从连接公共点电压中提取出相应的相位信息；
所述预同步模块，用以根据锁相模块输出的相位信息和相位生成模块输出的电压参考信号的相位信息计算获得频率调节信号；
所述相位生成模块，用以根据频率调节信号和电压参考信号的频率信息计算获得电压参考信号的相位信息。
5.根据权利要求4所述的PCS储能变流器V/F与P/Q模式无缝切换控制装置，其特征在于：所述预同步模块的计算公式为，
式中，Δf为频率调节信号，θpcc为连接公共点电压的相位信息，θo为电压参考信号的相位信息，kp为调节器比例系数，ki为调节器积分系数，表示积分；
所述相位生成模块的计算公式为，
其中，fref为电压参考信号的频率信息。
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Co-patentee after: STATE GRID TIANJIN ELECTRIC POWER Co.

Patentee after: State Grid Corporation of China

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Co-patentee after: NANJING NARI SOLAR ENERGY TECHNOLOGY CO.,LTD.

Co-patentee after: NARI Group Corp.

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