CN106233557A - 微网的控制 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及一种控制微网(1)的方法，微网(1)包括至少一个分布式发电机(DG)并且被布置用于借助于转换器(10)被连接到电网，DG经由转换器(10)被连接在所述微网中。该方法包括以用于控制微网中的DG的至少一个电流输出的电流控制模式运行转换器；获得转换器应当从电流控制模式朝向电压控制模式改变的指示，电压控制模式用于控制微网中的DG的电压输出；以及响应于所获得的指示而使转换器进入中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于控制电流输出和电压输出两者。
Description
技术领域
本公开内容涉及用于控制包括至少一个分布式发电机(DG)的微网的方法和设备，至少一个分布式发电机(DG)经由转换器被连接在所述微网中。
背景技术
微网是发电、能量存储和负载的局部化分组，其通常经由公共耦合点(PCC)连接到传统集中式网(宏网)运行。与宏网共同耦合的该单个点能够被断开连接，使微网孤岛化。微网是旨在产生局部地来自许多小的能量源(DG)的功率的结构的部分。在微网中，DG经由控制DG的输出的转换器被连接，即电流被注入到微网中。
(在网连接模式中，即连接到宏网)微网供应从连接的DG站点输出的优化的或最大功率输出，并且剩余的功率由宏网供应。微网在PCC处通过可控制的开关连接到宏网。该网连接在网故障期间丢失并且微网孤岛化。
在孤岛化期间，存在由于从网导入的功率的丢失以及由网控制的电压的丢失导致的微网中的不平衡的风险。对于电压控制，需要改变DG的控制模式。功率平衡由快速存储动作和直接甩负载方案来解决。
DG的控制模式中的改变是从电流源到电压源的操作，并且被发起以在不存在宏网的情况下产生针对微网的电压和频率基准。
从一个模式到另一模式的该转换由孤岛检测发起并且因此转换器的设置点跟踪取决于主控制回路的孤岛检测时间、模式改变信号和设置时间。
跟随控制模式中的突变的网连接的骤然丢失中的主要缺点之一可以导致存储中的放电(或充电)的高速率，其可以引起导致重大功率不平衡和稳定性问题的跳闸。
CN 101 902 146是普通中国申请，其似乎公开了微网中的逆变器，该逆变器当被连接到电网时作为电流源被控制，并且在孤岛操作中作为电压源被控制。
发明内容
本发明的目的是要提供一种通过使用其中的转换器的电流控制和电压控制两者来控制微网的改进的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种控制包括至少一个DG并且被布置用于被连接到电网的微网的方法。该控制是借助于转换器的，经由转换器DC被连接在所述微网中。该方法包括通常以基于基准输出电流而非基于基准输出电压来控制微网中的DG的至少一个电流输出的电流控制模式运行转换器。该方法还包括获得转换器应当从电流控制模式朝向用于控制微网中的DG的电压输出的电压控制模式改变的指示。该方法还包括响应于所获得的指示而使转换器进入中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于(通常基于基准输出电流)控制电流输出和(通常基于基准输出电压)电压输出两者。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制包括至少一个DG并且被布置用于被连接到电网的微网的方法。该控制是借助于转换器的，经由转换器DC被连接在所述微网中。该方法包括以用于例如基于基准输出电压而非基于基准输出电流来控制微网中的DG的至少一个电压输出的电压控制模式运行转换器。该方法还包括获得转换器应当从电压控制模式朝向用于控制微网中的DG的电流输出的电流控制模式改变的指示。该方法还包括响应于所获得的指示而使转换器进入中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于(通常基于基准输出电流)控制电流输出和(通常基于基准输出电压)电压输出两者。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制经由转换器连接到微网的DG的输出的控制单元。控制单元包括处理器电路和存储指令的存储单元，该指令当由处理器电路运行时使控制单元以用于控制微网中的DG的至少一个电流输出的电流控制模式运行转换器。该指令还使控制单元获得转换器应当从电流控制模式朝向用于控制微网中的DG的电压输出的电压控制模式改变的指示。该指令还使控制单元响应于所获得的指示而使转换器进入中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于控制微网中的电流输出和电压输出两者。
根据本发明的另一方面，提供了一种电气转换器，其包括本公开内容的控制单元的实施例或者以其他方式与其相关联。
根据本发明的另一方面，提供了一种电气微网，其包括至少一个DG、至少一个负载、电转换器和本公开内容的控制单元的实施例，经由电转换器DG被连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序产品，其包括保存计算机可执行组件的计算机可读装置，该计算机可执行组件用于当计算机可执行组件在包含在控制单元中的处理器电路上运行时使控制单元执行本公开内容的方法的实施例。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序，其包括计算机程序代码，其当运行在控制单元的处理器电路上时能够使控制单元执行本公开内容的方法的实施例。
借助于中间状态模式，与直接在仅仅电流控制与仅仅电压控制之间进行切换相比，改进对微网的控制。根据本发明的实施例，能够从纯电压控制或纯电流控制移动到其中使用了电压控制和电流控制两者的中间状态模式，并且可能地之后再次移动回到纯电压控制或纯电流控制。在电流控制模式中，转换器可以尝试通过基于微网电压来计算基准电流并跟踪该基准电流来注入最大可用功率。在电压控制模式中，转换器可以尝试跟踪基准电压。但是在一些转换器控制方法中，基于在转换器控制内部的电压误差，生成电流基准并且之后内部电流控制回路跟踪该电路。结果，转换器能够产生期望的输出电压并注入进行那个可能需要的功率。在电压控制与电流控制之间的差别在于，在电流控制模式中，当在电压控制模式中输出电压被控制时转换器或DG的输出电流被控制(无论任何内部电流控制回路与否)。
本发明的实施例的优点包括例如：
在孤岛化、干扰和弱宏网状况期间更稳定的网连接的微网解决方案，在各模式之间的平滑器转换提供用于促进具有灵敏负载的微网的可靠解决方案，其避免在由关机跟随的存储中的大变化，因为存储尝试基于用于支持网的电压和频率来注入无功功率和有功功率，其将降低对存储的放电速率要求，和/或在具有在各控制模式之间振荡的一个或多个源的弱宏网状况中并且在中间状态模式中较严格的电压调节是可能的。
一般地，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在技术领域中的普通意义来理解，除非本文另外明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、单元、步骤、等等”的所有引用应当被开放式地理解为指代元件、装置、组件、单元、步骤、等等的至少一个实例，除非另外明确陈述。本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行，除非明确陈述。对“第一”、“第二”、等等用于本公开内容的不同的特征/组件的使用仅仅旨在将特征/组件与其他相似的特征/组件区分开并且不旨在影响特征/组件的任何顺序或等级。
附图说明
现在将参考附图通过举例的方式来描述实施例，在附图中：
图1是根据本发明的微网的实施例的示意性电路图。
图2是根据本发明的转换器的实施例的示意性电路图。
图3是根据本发明的微网的实施例中的孤岛检测的示意性图示。
图4是图示了根据本发明的由于孤岛化引起的转换器的实施例的从电流控制模式到电压控制模式的切换的示意图。
图5是图示了根据本发明的由于从宏网导入的减少的功率引起的转换器的实施例的从电流控制模式到电压控制模式的切换的示意图。
图6是图示了根据本发明的转换器的实施例的控制的示意性逻辑框图。
图7是本发明的控制单元的实施例的示意性框图。
图8是本发明的方法的实施例的示意性流程图。
图9是本发明的方法的其他实施例的示意性流程图。
具体实施方式
现在将在后文中参考附图更完整地描述实施例，其中示出了某些实施例。然而，采用许多不同的形式的其他实施例在本公开内容的范围内是可能的。相反，通过举例的方式提供下面的实施例使得本公开内容将是透彻的且完整的并且将完整地将本公开内容的范围传达给本领域技术人员。类似的附图标记在说明书中指代类似的元件。
图1示出了本发明的实施例可以与其一起被使用的微网1的示例。微网1经由开关或电路断路器3被连接到电网2，本文还称为宏网2以将其与微网1区分开。当电路断路器3例如归因于宏网2或微网1中的故障而被断开时，微网孤岛化并且不再受宏网2的电压影响。微网1包括经由转换器10连接在微网中的多个分布式发电机(DG)4。然而，不是所有DG都可能需要经由转换器10被连接，例如图1中的柴油发电机组(柴油发电机)。图1中的DG 4的另一示例是飞轮，其是可以当将功率注入到微网1中时用作发电机的能量存储。然而，典型的DG4包括风力发电机和太阳能发电机，等等。还存在至少一个锁相回路(PLL)网同步单元。转换器10用于控制由经由转换器10连接的DG 4注入到微网1中的电流。微网还可以包括一个或多个负载，其在附图中由电路的R分支和L分支图示。在正常连接模式中，微网1经由电路断路器3被连接到宏网2，并且将功率提供给由DG 4产生的宏网2。类似地，如果由DG 4产生的功率对于微网1中的负载(如果有的话)不够，则宏网2可以将功率提供给微网1。通常，除非与宏网2的功率交换是小的，否则微网1中的电压由宏网2的系统电压控制。然而，如果电路断路器3是断开的，将微网与宏网断开连接，则微网处于孤岛模式中，并且微网的电压不受宏网电压影响。因此，微网1必须当在孤岛模式中时控制它自己的电压。
图2示出了本发明的转换器10的示例实施例。由DG 4产生的功率经由在公共耦合点(PCC)处的转换器10被注入到微网1的三个相位a、b和c中。在每个相的PCC处的电压被称为VPCCa、VPCCb和VPCCc。转换器10包括利用开关11连接到每个相的H桥以将由DG产生的(具有示出在附图中的电压Vdc1的)直流(DC)功率转换为被注入到微网中的交流(AC)功率。转换器10还可以包括被定位在H桥与PCC之间的滤波器12。相应的相的滤波器电流分别被表示为ifa、ifb和ifc，并且在PCC处注入的电流被表示为i1a、i1b和i1c，而输出电压被表示为V1a、V1b和V1c。应当指出，任何其他转换器结构可以与本发明一起被使用，例如针对每个相的级联H桥，或者代替H桥(全桥)的半桥。此外，转换器可以是针对任何数量的相的，例如针对一相系统代替三相系统。
在本发明的一些实施例中，转换器10的控制模式的切换是归因于如由图3图示的孤岛化的检测。当检测到网连接开关3是断开的，使微网1孤岛化，则对此的信号/指示被发送到微网1中的转换器10的控制单元。每个转换器10可以包括它自己的控制单元20(还参见图6)，但是还可以想象到，相同的控制单元可以被包含在多于一个转换器10中并且控制多于一个转换器10。通常，转换器将在微网被连接到宏网2时以电流控制模式操作，但是当控制单元接收到孤岛化的指示时，提示其移动到其中电压也被控制的中间状态模式中。在中间状态模式中，转换器通常借助于其中电流控制和电压控制部分相对于彼此被加权的状态矩阵基于电流和电压(状态控制)两者来控制。这由图4中的图形图示。图4示出了在孤岛化之前转换器10基于仅仅电流来控制，即状态矩阵中的电流控制权重为1并且电压控制权重为0。之后，当已经检测到孤岛化并且转换器的控制被切换到中间状态模式时，电流控制的权重被减少为在1与0之间，而电压控制的权重被增大为在0与1之间。在一些实施例中，中间状态模式包括将相对于彼此不同的权重动态分配给电流的控制和电压的控制。根据图4的实施例，电流控制的权重从1被线性地减少到0，而电流控制的权重从0被线性地增大到1直到控制是基于仅仅电压的。与当前使用的突然切换相比，这给出从电流控制到电压控制的平滑转变。应当指出，对应的中间状态模式可以在从电流控制移动到电压控制时被类似地使用，其中电压控制的权重从1被减少到0而电流控制的权重从0被增大到1。还应当指出，控制可以在一些实施例中在延长的时间内保留在中间状态模式中，或者长时期处于中间状态模式中。在一些实施例中，可以不存在在仅电流控制与仅电压控制之间的转变，而是相反控制可以从电流控制移动到中间状态模式并且之后返回到电流控制，或者从电压控制移动到中间状态模式并且之后返回到电压控制。中间状态模式是与其中转换器基于仅电流来控制的电流控制模式和其中转换器基于仅电压来控制的电压控制模式相比当存在电流控制和电压控制两者的混合时的模式。
在本发明的另一实施例中，到中间状态模式中的入口归因于从宏网2导入的低功率。如果在微网1与宏网2(PMACROGRID)之间的功率交换很低时，则宏网电压对微网电压(VMICROGRID)的影响可以被减少并且即使在网开关3处于其闭合位置中时也引起与孤岛化类似的情形。因此，微网可能需要移动到增大的电压控制，如图5所示。另一备选方案是提示移动到中间状态模式中的指示是微网1中的电压降的指示，无论这样的电压降的原因如何。
图6是根据本发明的微网1的实施例的部分的示意性框图。具体地，示意性地示出了控制单元20，其为控制DG 4的输出的转换器10的部分。控制单元20包括电流控制模块21和电压控制模块22。如以上所讨论的，当控制单元20接收到孤岛化的指示(或低功率导入)时，其移动到中间状态模式中，其中转换器基于根据在中间状态模式中的时间处被分配给电流控制的权重KI的电流输出基准来控制，并且基于根据在中间状态模式中的时间处被分配给电压控制的权重KV的电压输出基准来控制。
图7是根据本发明的控制单元20的实施例的示意性框图。控制单元20包括处理器电路23，例如中央处理单元(CPU)。处理器电路23可以包括以(一个或多个)微处理器形式的多个处理单元。然而，具有计算能力的其他适当的设备能够被包含在处理器电路23中，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)。处理器电路301被配置为运行存储在一个或几个存储单元(例如存储器)的存储24中的一个或若干计算机程序或软件(SW)25。SW 25可以例如包括用于当计算机程序运行在处理器电路23上时实现所述处理器电路23中的电流控制单元21和电压控制单元的计算机程序。备选地，运行在处理器电路23上的计算机程序被存储在其他地方。存储单元被认为是如本文中提到的计算机可读装置并且可以例如采用随机访问存储器(RAM)、闪存或其他固态存储器或硬盘或其组合的形式。处理器电路23还可以被配置为根据需要将数据存储在存储24中。控制单元20还可以包括用于根据例如用于控制转换器10的开关11的断开和闭合的电流和/或电压控制模块21和22来控制转换器10的控制接口26。
图8是本发明的方法的实施例的示意性流程图。该方法用于控制微网1，微网1包括至少一个DG 4并且被布置用于借助于转换器被连接到电网/宏网2，DG经由转换器10被连接在所述微网1中。该方法可以例如由控制单元20或转换器10的任何其他部分执行。控制单元基于基准输出电流而非基于基准输出电压来控制转换器10以控制模式运行S1用于控制微网1中的DG 4的至少一个电流输出(例如，被注入到微网的PCC中的电流i1，滤波器12的电流if和/或通过滤波器12的电容器Cf的电流(参见图2))。控制单元获得转换器10应当从电流控制模式朝向用于控制微网1中的DG 4的电压输出的电压控制模式改变的指示(例如，检测到的孤岛化)。响应于接收到的S2指示，控制单元20控制转换器10进入S3中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于基于基准输出电流来控制电流输出并且基于基准输出电压(例如，在转换器的PCC处的转换器10的输出电压)来控制电压输出两者，即针对电流控制和电压控制的混合。任选地，控制单元20可以之后控制转换器10以进入S4用于基于基准输出电压而非基于基准输出电流来控制微网1中的DG 4的电压输出的电压控制模式。
图9类似地图示了从电压控制模式开始的方法的实施例。该方法用于控制微网1，微网1包括至少一个DG 4并且被布置用于借助于转换器10被连接到电网/宏网2，DG经由转换器10被连接在所述微网1中。该方法可以例如由控制单元20或转换器10的任何其他部分执行。控制单元控制转换器10以用于基于基准输出电压而非基于基准输出电流来控制微网1中的DG 4的至少一个电压输出的电压控制模式运行S1。控制单元获得转换器10应当从电压控制模式朝向用于控制微网1中的DG 4的电流输出的电流控制模式改变的指示(例如，重新获得的宏网连接)。响应于接收到S2的指示，控制单元20控制转换器10进入S3中间状态模式，在中间状态模式中转换器被配置用于基于基准电流来控制电流输出并且基于基准输出电压来控制电压输出两者，即针对电流控制和电压控制的混合。任选地，控制单元20可以之后控制转换器10以进入S4电流控制模式，用于基于基准输出电流而非基于基准输出电压来控制微网1中的DG 4的电流输出。
示例
如本文中所讨论的，中间状态模式可以包括使用针对多个可控参数((一个或多个)电流和(一个或多个)电压)的状态矩阵。上文是其中电流控制仅仅涉及一个电流(每相)和一个电压(每相)的情形，但是任何数量的参数可以被包含在状态矩阵中。如果例如一个电压和两个电流被包含在状态矩阵中，则每个可以例如具有1/3的权重或者中间状态模式中的任何其他权重。
经转置的状态矩阵(向量)xT可以例如被定义为：
xT＝[v1 ifc i1]
其中v1是在PCC处的输出电压，ifc是滤波器电流，并且i1是被注入到PCC中的电流(参见图2)。
一旦获得了针对状态向量的基准，控制律uc可以根据下式来计算：
uc＝-K(x-x*)
其中K是增益矩阵，并且x*是基准向量。增益矩阵可以通过线性二次型调节器(LQR)设计来获得。根据uc，生成转换器10中的开关11的切换功能。
以上已经主要参考几个实施例描述了本公开内容。然而，如容易由本领域技术人员认识到的，除了以上公开的实施例之外的其他实施例在如由随附权利要求限定的本公开内容的范围内同样是可能的。
Claims (20)
1.一种借助于转换器(10)控制微网(1)的方法，所述微网(1)包括至少一个分布式发电机DG(4)并且被布置用于被连接到电网(2)，所述DG经由所述转换器(10)而被连接在所述微网中，所述方法包括：
以用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的至少一个电流输出的电流控制模式运行(S1)所述转换器(10)；
获得(S2)所述转换器(10)应当从所述电流控制模式朝向电压控制模式改变的指示，所述电压控制模式用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的电压输出；以及
响应于所获得(S2)的指示而使所述转换器(10)进入(S3)中间状态模式，在所述中间状态模式中所述转换器被配置用于控制所述电流输出和所述电压输出两者。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述中间状态模式之后，使所述转换器(10)进入(S4)用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的所述电压输出的所述电压控制模式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中获得(S2)指示包括获得所述微网(1)已经丢失其到所述电网(2)的连接的指示。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中获得(S2)指示包括获得从所述电网(2)导入到所述微网(1)的功率低于预定阈值的指示。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中获得(S2)指示包括获得所述微网(1)中存在电压降的指示。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述中间状态模式包括相对于彼此将不同的权重动态分配给电流的控制和电压的控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中动态分配不同的权重持续直到所述电流的控制的权重为零，其中所述转换器(10)已经进入其电压控制模式。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中动态分配不同的权重包括线性地减小所述电流的控制的权重并且对应地线性地增大所述电压的控制的权重。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述至少一个电流输出是被注入到所述微网(1)中的所述转换器(10)的输出电流、所述转换器(10)内的滤波器(12)电流和/或通过所述滤波器(12)的电容器的电流。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述电压输出是在所述转换器的PCC处的所述转换器(10)的输出电压。
11.一种借助于转换器(10)控制微网(1)的方法，所述微网(1)包括至少一个分布式发电机DG(4)并且被布置用于被连接到电网(2)，所述DG经由所述转换器(10)而被连接在所述微网中，所述方法包括：
以用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的至少一个电压输出的电压控制模式运行(S11)所述转换器(10)；
获得(S12)所述转换器(10)应当从所述电压控制模式朝向电流控制模式改变的指示，所述电流控制模式用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的电流输出；以及
响应于所获得(S2)的指示而使所述转换器(10)进入(S13)中间状态模式，在所述中间状态模式中所述转换器被配置用于控制所述电流输出和所述电压输出两者。
12.根据权利要求11所述的方法，其中获得(S12)指示包括获得所述微网(1)已经重新获得其到所述电网(2)的连接的指示。
13.根据权利要求11所述的方法，其中获得(S12)指示包括获得从所述电网(2)导入到所述微网(1)的功率高于预定阈值的指示。
14.根据权利要求11所述的方法，其中获得(S12)指示包括获得所述微网(1)中不存在电压降的指示。
15.一种控制单元(20)，用于控制经由转换器(10)连接到微网(1)的DG(4)的输出，所述控制单元包括：
处理器电路(23)；以及
存储单元(24)，其存储指令(25)，所述指令当由所述处理器电路(23)运行时使所述控制单元(20)：
以用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的至少一个电流输出的电流控制模式运行所述转换器(10)；
获得所述转换器(10)应当从所述电流控制模式朝向电压控制模式改变的指示，所述电压控制模式用于控制所述微网(1)中的所述DG(4)的电压输出；以及
响应于所获得(S2)的指示而使所述转换器(10)进入中间状态模式，在所述中间状态模式中所述转换器被配置用于控制所述微网(1)中的所述电流输出和所述电压输出两者。
16.根据权利要求15所述的控制单元，还包括：
电流控制模块(21)，其用于所述转换器(10)的所述电流控制；以及
电压控制模块(22)，其用于所述转换器(10)的所述电压控制。
17.一种电气转换器(10)，包括根据权利要求15或16所述的控制单元(20)或者与权利要求15或16所述的控制单元(20)相关联。
18.一种电气微网(1)，包括：
至少一个DG 4；
至少一个负载；
电气转换器(10)，所述DG(4)经由所述电气转换器而被连接；以及
根据权利要求15或16所述的控制单元(20)。
19.一种包括计算机可读装置的计算机程序产品，所述计算机可读装置保存计算机可执行组件，所述计算机可执行组件用于当所述计算机可执行组件在包含在控制单元(20)中的处理器电路(23)上运行时，使所述控制单元执行根据权利要求1-14中的任一项所述的方法。
20.一种包括计算机程序代码的计算机程序，所述计算机程序代码当运行在控制单元(20)的处理器电路(23)上时能够使所述控制单元执行根据权利要求1-14中的任一项所述的方法。
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