CN107863785B - 电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法，在微网并网运行时，基本电压环和附加电流环同时参与调节协同控制，控制器工作于电流源模式；并网转孤岛的无缝切换过程中，在孤岛检测期间，将附加电流环输出限制在设定的范围内，由基本电压环继续控制；在孤岛状态被检测出来之后，断开附加电流环，由基本电压环单独工作，控制器由电流源模式切换到电压源模式；在孤岛转并网无缝切换过程中，由基本电压环和相位预同步模块控制进行电压预同步，当满足并网要求后，闭合PCC点并网开关，并重新闭合附加电流环使其工作，调节控制器输出给定电流值，基本电压环和附加电流环同时工作协同控制，控制器重新工作于电流源模式。

Description

电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法

技术领域

本发明涉及微电网运行与控制和电力电子技术交叉领域，尤其涉及电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法。

背景技术

随着全球环境污染和能源短缺，促进了对光伏，风电等可再生能源的研究和应用。微电网是吸收和接纳这些可再生能源的一种很重要的方式，它将光伏，风电等分布式发电单元接入系统，并配置储能单元，保护装置，通过适当的控制方法，保证整个系统的稳定运行，并在最大程度上利用可再生能源。微电网需要保证在并网和孤岛两种工作模式的正常运行，两种模式的控制方法和结构不同，如何实现两者的无缝切换是微电网稳定运行的关键技术。

对于微网并/离网无缝切换的控制，主要分为针对对等结构采用的下垂控制，和针对主从结构采用的主从控制。对等结构微网在并网和孤岛两个模式中均采用下垂控制，控制结构不需要改变，因而易于完成微网的无缝切换。但常规下垂控制是建立在线路阻抗呈感性的基础上，微电网主要是中、低压系统，线路阻抗多为阻性或阻感性，传统下垂控制不适用于其中。此外由于逆变器输出阻抗及与公共连接点线路阻抗的差异，传统下垂控制会导致逆变器间大的环流且影响功率分配精度。

主从控制选取一台容量较大且控制灵活的微源作为主控制器，并网时采用PQ控制，工作于电流源模式，输出给定功率；孤岛时采用V/F控制，工作于电压源模式，提供微网电压和频率支撑。但在实际中会有孤岛检测过程，当孤岛发生后微电网断开与电网连接，并网功率瞬间将减为零。在孤岛被检测出来之前，传统控制策略主逆变器仍工作于电流源模式，输出功率不变，因而负载的电压和频率会因为功率的不平衡而发生突变。而在孤岛被检测出来之后，控制器直接从PQ控制切换到V/F控制，逆变器被控制成电压源，但控制结构的硬切换更进一步恶化了电压质量。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法，该方法具有控制结构不随运行模式改变，始终能控制输出电压的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统，适用于主从型微电网，包括附加电流环，给定的电流指令值i_Lref与电感电流环参考值i_L ^*之差送入所述附加电流环；

经过所述附加电流环中调节器G_II的调节后的信号送入附加电压环；

经过附加电压环中调节器G_IV调节后的信号与并网电流i_g相加并送到限幅器，并网电流i_g信号同时也送入限幅器中，限幅器的输出连接开关S；

基本电压环的输出信号i_L1与限幅器的输出信号i_L2相加后构成i_L ^*，i_L ^*与此时的电感电流i_L相减并送入电感电流环中，同时i_L ^*反馈到附加电流环的输入端，与给定的电流指令值i_ref相减后送入所述调节器G_II；

所述电感电流环经调节器G_I后的输出信号送入PWM脉宽调制模块，产生的调制信号直接用于控制主逆变器中IGBT的开断；

所述基本电压环的输入信号包括负载基本电压V_base和电压标准值V_ref；所述附加电压环的输入信号还包括标准电压V_ref。

采用所述电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在微网并网运行时，基本电压环和附加电流环同时参与调节协同控制，主逆变器工作于电流源模式；

步骤二，并网转孤岛的无缝切换过程中，在孤岛检测期间，附加电流环的限幅器开始工作，将附加电流环输出限制在设定的范围内，使附加电流环失去作用，由基本电压环继续控制；

步骤三，在孤岛状态被检测出来之后，立即断开附加电流环，使附加电流环退出工作，由基本电压环单独工作维持负载电压，主逆变器自动且平滑地由电流源模式切换到电压源模式；同时调节器G_II、G_IV复位清零，为再并网做准备，相位参考值进行切换，以孤岛被检测出瞬间的电网相角为初值，以标准角速度增加；

步骤四，在孤岛转并网无缝切换过程中，由基本电压环和相位预同步模块控制进行电压预同步，当满足并网要求后，闭合并网开关，并重新闭合附加电流环使其工作，调节控制器输出给定电流值，基本电压环和附加电流环同时工作协同控制，主逆变器重新工作于电流源模式。

所述步骤一中，基本电压环用于调节负载基本电压V_base稳定在电压标准值V_ref，基本电压环的输出构成一部分电流参考值i_L1；

在基本电压环的基础上，附加电流环将电感电流内环参考值i_L ^*调节到给定电流值i_Lref；附加电流环的输出经过附加电压环控制，附加电压环的输出与并网电流i_g之和再经过限幅器构成另一部分电感电流参考值i_L2。

附加电流环和附加电压环的控制方法为：

将给定的电流指令值i_Lref减去电感电流内环电流参考值i_L ^*，得到差值输入到附加电流环比例积分调节器G_II，

G_II的输出值再减去负载电压V_o与标准电压V_ref的差值，得到结果经过附加电压环比例调节器G_IV，G_IV的输出值与并网电流i_g之和经过限幅器得到电感电流一部分参考值i_L2。

电流指令值i_Lref的计算方法为，若并网时给定功率为P_DG+jQ_DG，并网情况下认为q轴电压V_q为零，则i_Lref计算方法为：

其中，V_d为d轴电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流。

所述限幅器的工作方法为：限幅器工作规则由并网电流i_g决定，当i_g不为零，限幅器对输入不加限制，当孤岛发生i_g被强制减为零后，限幅器将输入限制在设定范围内。

所述步骤一中，负载基本电压V_base的计算方法为，负载电压V_o由i_L1、i_L2、i_g共同产生，其中V_base由i_L1产生，各电压电流相量关系如下：

式中，是负载基本电压V_base的相量，是负载电压的相量，分别是i_L1、i_L2、i_g的相量值；其中令：

R+jX是此时对应的滤波器电容和负载以及从逆变器电源构成的并联部分的阻抗，则

i_Ld1为i_L1在d轴上的分量，i_Lq1为i_L1在q轴上的分量，V_dbase为V_base在d轴上的分量，V_qbase为V_base在q轴上的分量。

所述步骤一中，基本电压环的控制为：用电压标准值V_ref减去负载基本电压V_base，得到结果输入到基本电压环比例积分调节器G_V，G_V的输出为电流i_L1。

所述步骤二中，主逆变器在并网时控制输出电流，孤岛检测和孤岛运行时自动切换到控制负载电压，过程为：孤岛发生后并网电流i_g为零，附加电流环的限幅器工作，将输入限制在设定范围内，则i_L2≈0，附加电流环失去作用；孤岛被检测出之后，断开附加电流环，则i_L2＝0，孤岛检测期间和孤岛被检测出后两个阶段的负载基本电压表示为：

其中，是负载电压的相量，是负载基本电压V_base的相量，分别是i_L1、i_L2、i_g的相量值；故此时基本电压环控制负载电压，控制器自动切换到控制负载电压。

所述步骤四中，在孤岛转并网过程中相位预同步模块的工作方法为：锁相环重新获取电网相位θ_g用θ_g减去孤岛运行的相位参考值θ_ref，差值经过比例积分调节器，调节器输出为角速度误差值Δω，Δω经过一个限幅器后与标准角速度2π·f₀相加作为角速度参考值；其中对于限幅器的设置，限幅器上限为+Δω_H,下限为-Δω_L若频率正常范围上限为f₀+Δf_H，下限为f₀-Δf_L，则：

本发明的有益效果：

(1)控制结构由控制电压的基本电压环和控制电流的附加电流环共同组成，并网时两种控制环协同控制，控制输出电流，孤岛时仅基本电压环参与调节，控制输出电压，两种调节能在不同运行方式下保证控制需要。

(2)在微网各个运行模式及相互切换的过程中，基本电压环始终控制负载基本电压，负载电压得到维持。

(3)并网模式控制器工作于电流源模式，孤岛发生后能自动平滑过渡到电压源模式，没有控制结构的改变，更利于运行模式的无缝切换。

附图说明

图1为主从型微电网结构图；

图2为主逆变器结构图；

图3为电压电流协同控制的d、q轴整体控制结构；

图4为电压电流协同控制的d轴控制器结构；

图5为参考相位产生框图；

图6a为并网转孤岛无缝切换过程负载三相电压图；

图6b为并网转孤岛无缝切换过程三相并网电流图；

图6c为并网转孤岛无缝切换过程三相电感电流图；

图7a为孤岛转并网无缝切换过程负载三相电压图；

图7b为孤岛转并网无缝切换过程三相并网电流图；

图7c为孤岛转并网无缝切换过程电网相位与相位参考值图；

图7d为孤岛转并网无缝切换过程电网单相电压与负载单相电压图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统及方法，包括以下步骤：

(1)在微网并网运行时，基本电压环和附加电流环同时参与调节协同控制，基本电压环用于调节负载基本电压V_base稳定在电压标准值V_ref，基本电压环的输出构成一部分电流参考值i_L1,；在基本电压环的基础上，附加电流环将电感电流内环参考值i_L ^*调节到给定的电流指令值i_Lref；附加电流环的输出经过附加电压环控制，附加电压环的输出与并网电流i_g之和再经过限幅器构成另一部分电感电流参考值i_L2；并网运行时整个控制器工作于电流源模式；

(2)并网转孤岛的无缝切换过程中，电网突然断开与微网连接，在孤岛检测期间，附加电流环的限幅器开始工作，将附加电流环输出限制在一个很小的范围±Δlimit内，Δlimit是一个很小的值，附加电流环基本失去作用，由基本电压环继续控制；

(3)在孤岛状态被检测出来之后，断开附加电流环使其停止工作，由基本电压环单独工作维持负载电压，控制器自动且平滑地由电流源模式切换到电压源模式；同时附加电流环调节器复位清零，相位参考值切换到新的产生方式，这种方式是以孤岛被检测出瞬间的电网相角为初值，以标准角速度增加。

(4)在孤岛转并网无缝切换过程中，由基本电压环和相位预同步模块控制进行电压预同步，当满足并网要求后，闭合PCC点并网开关，并重新闭合附加电流环使其工作，调节控制器输出给定电流值，基本电压环和附加电流环同时工作协同控制，控制器重新工作于电流源模式。

所述步骤(1)中，附加电流环、附加电压环的控制方法如下：

将中央控制器下发的电流指令值i_Lref减去电感电流内环电流参考值i_L ^*，得到差值输入到附加电流环比例调节器G_II，

G_II的输出值再减去负载电压V_o与标准电压V_ref的差值，得到结果经过附加电压环比例调节器G_IV，G_IV的输出值与并网电流i_g之和经过限幅器得到电感电流一部分参考值i_L2。

所述步骤(1)中，电流指令值i_Lref的计算方法，若并网时给定功率为P_DG+jQ_DG，P_DG+jQ_DG计算方法为：

并网情况下认为q轴电压V_q为零，则i_Lref计算方法为：

所述步骤(2)中，限幅器的工作规则如下：

限幅器工作规则由并网电流i_g决定，当i_g不为零，限幅器对输入不加限制，当孤岛发生i_g被强制减为零后，限幅器将输入限制±Δlimit范围内，Δlimit是一个很小的值。

所述步骤(1)中，负载基本电压值V_base计算，负载电压V_o由i_L1、i_L2、i_g共同产生，其中V_base由i_L1产生，各电压电流相量关系如下：

式中，是负载电压的相量，分别是i_L1、i_L2、i_g的相量值。其中令：

R+jX是此时对应的滤波器电容和负载以及从逆变器电源构成的并联部分的阻抗，则

V_base＝(R+jX)(i_Ld1+ji_Lq1)＝(Ri_Ld1-Xi_Lq1)+j(Xi_Ld1+Ri_Lq1)

所述步骤(1)中，基本电压环的控制为：用电压标准值V_ref减去负载基本电压V_base，得到结果输入到基本电压环比例积分调节器G_V，G_V的输出为电流i_L1。

所述步骤(2)中，控制器在并网时控制输出电流自动切换到孤岛检测和孤岛时控制输出负载电压，基本过程为：孤岛发生后并网电流i_g为零，附加环限幅器工作，将输入限制在一个很

小的±Δlimit范围内，则i_L2≈0，附加电流环失去作用；孤岛被检测出之后，断开附加电流环，则i_L2＝0，孤岛检测期间和孤岛被检测出两个阶段的负载基本电压可表示为：

故基本电压环控制输出负载电压，控制器自动切换到控制输出负载电压。

所述步骤(3)中，在孤岛状态被检测出来之后，立即断开附加电流环上的两个开关S，使附加电流环退出工作，由基本电压环单独工作维持负载电压，控制器自动且平滑地由电流源模式切换到电压源模式。同时让调节器G_II、G_IV复位清零，为再并网做准备，相位参考值进行切换，以孤岛被检测出瞬间的电网相角为初值，以标准角速度增加；

所述的步骤(4)中，在孤岛转并网过程中相位预同步模块的工作原理：锁相环重新获取电网相位θ_g，用θ_g减去孤岛运行的相位参考值θ_ref，差值经过比例积分调节器，调节器输出为角速度误差值Δω，

为防止频率超出正常范围，Δω经过一个限幅器后与标准角速度2π·f₀相加作为角速度参考值。其中对于限幅器的设置，限幅器上限为+Δω_H，下限为-Δω_L，若频率正常范围上限为f₀+Δf_H，下限为f₀-Δf_L，则

如图1所示为主从型微电网结构图，它由一个主逆变器，若干从逆变器和负载构成。图2所示为主逆变器结构示意图，这里的负载是微网中负载和从逆变器电源的等效并联，其可以发出也可以吸收功率。并网时，主逆变器输出功率一部分供给负载，一部分传输到电网中；孤网时，主逆变器发出的所有功率都供给负载。这里采用LC滤波器，滤波电感为L_f，滤波电容为C_f，并网电感为L_g，逆变器输出的电流为三相电感电流i_La，i_Lb，i_Lc，负载三相电压亦即滤波电容的三相电压为V_oa，V_ob，V_oc,并网时三相并网电流为i_ga，i_gb，i_gc。

图3所示为协同控制策略整体控制框图。图4为协同控制的d轴控制框图，它由基本电压环，附加电流环，附加电压环以及电感电流内环构成。

(1)在微网并网运行时，基本电压环和附加电流环共同调节协同控制，基本电压环用于调节负载基本电压V_base稳定在电压标准值V_ref，基本电压环的输出构成一部分电流参考值i_L1,；在基本电压环的基础上，附加电流环将电感电流内环参考值i_L*调节到给定的电流指令值i_Lref；附加电流环的输出经过附加电压环控制，附加电压环的输出与并网电流i_g之和再经过限幅器构成另一部分电感电流参考值i_L2；并网运行时整个控制器工作于电流源模式。

(2)当电网发生故障，为保证安全运行，电网突然断开与微网连接，此时并网电流i_g减为零，逆变器输出电流全部供给负载。在孤岛检测期间，由于并网电流为零，故附加环的限幅器开始工作，将附加环输出i_L1限制在一个很小的范围±Δlimit内，Δlimit是一个很小的值，附加电流环基本失去作用。而因为i_g为零，i_L1很小几乎为零，故基本电压环控制的基本电压V_base等于负载电压V_o，V_o得到控制。图6a所示负载电压，0.4s微网发生孤岛，0.4-0.42s孤岛检测期间，负载电压仍能被很好地控制住。图6b所示并网电流在0.4s后的过零点均减为零。图6c所示为滤波电感电流，0.4s后随并网电流减小而减小，保证了功率平衡。

(3)在孤岛状态被检测出来之后，断开附加电流环使其停止工作，由基本电压环单独工作维持负载电压，控制器自动且平滑地由电流源模式切换到电压源模式；同时相位参考值切换到新的产生方式，这种方式是以孤岛被检测出瞬间的电网相角为初值，以标准角速度增加。图5所示参考相位产生框图，开关指令Ctrl由1切换到2，以θ₀作为孤岛运行的相位初始值，并以2π·f₀的角速度继续累加。图6a所示在0.42s孤岛被检测出来之后，负载三相电压依旧保持稳定，并网转孤岛可以实现无缝切换。

(4)当电网恢复正常，发出并网指令，由基本电压环和相位预同步模块控制进行电压预同步。图5所示并网预同步模块投入运行，图7c所示负载电压和电网电压的相角差逐渐减小，图7d所示负载电压和电网电压逐渐重合。当满足并网要求后，闭合PCC点并网开关，并重新闭合附加电流环使其工作，调节控制器输出给定电流值，基本电压环和附加电流环同时工作协同控制，控制器重新工作于电流源模式。图7a所示0.65s达并网要求，孤岛转并网过程中负载电压能保持稳定，可以实现无缝切换，图7b所示并网电流在闭合PCC点并网开关后很快调节至稳定值，输出给定功率。

上述仿真实例结果证明了本发明提出的基于电压电流协同控制主从型微电网运行模式无缝切换方法的可行性，具有不需改变控制结构，始终对负载电压进行控制，保证各个过程电压稳定性等优点，解决了主从型微电网并网和孤岛两种运行模式的切换过程中出现的电压频率不可控问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统，适用于主从型微电网，其特征是，包括附加电流环，给定的电流指令值i_Lref与电感电流环参考值i_L ^*之差送入所述附加电流环；

经过所述附加电流环中调节器G_II的调节后的信号送入附加电压环；

经过附加电压环中调节器G_IV调节后的信号与并网电流i_g相加并送到限幅器，并网电流i_g信号同时也送入限幅器中，限幅器的输出连接开关S；

基本电压环的输出信号i_L1与限幅器的输出信号i_L2相加后构成i_L ^*，i_L ^*与此时的电感电流i_L相减并送入电感电流环中，同时i_L ^*反馈到附加电流环的输入端，与给定的电流指令值i_ref相减后送入所述调节器G_II；

所述电感电流环经调节器G_I后的输出信号送入PWM脉宽调制模块，产生的调制信号直接用于控制主逆变器中IGBT的开断；

所述基本电压环的输入信号包括负载基本电压V_base和电压标准值V_ref；所述附加电压环的输入信号还包括标准电压V_ref。

2.采用权利要求1所述电压电流协同控制的微电网无缝切换控制系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，在微网并网运行时，基本电压环和附加电流环同时参与调节协同控制，主逆变器工作于电流源模式；

步骤二，并网转孤岛的无缝切换过程中，在孤岛检测期间，附加电流环的限幅器开始工作，将附加电流环输出限制在设定的范围内，使附加电流环失去作用，由基本电压环继续控制；

步骤三，在孤岛状态被检测出来之后，立即断开附加电流环，使附加电流环退出工作，由基本电压环单独工作维持负载电压，主逆变器自动且平滑地由电流源模式切换到电压源模式；同时调节器G_II、G_IV复位清零，为再并网做准备，相位参考值进行切换，以孤岛被检测出瞬间的电网相角为初值，以标准角速度增加；

步骤四，在孤岛转并网无缝切换过程中，由基本电压环和相位预同步模块控制进行电压预同步，当满足并网要求后，闭合并网开关，并重新闭合附加电流环使其工作，调节控制器输出给定电流值，基本电压环和附加电流环同时工作协同控制，主逆变器重新工作于电流源模式。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征是，所述步骤一中，基本电压环用于调节负载基本电压V_base稳定在电压标准值V_ref，基本电压环的输出构成一部分电流参考值i_L1；

在基本电压环的基础上，附加电流环将电感电流内环参考值i_L ^*调节到给定电流值i_Lref；附加电流环的输出经过附加电压环控制，附加电压环的输出与并网电流i_g之和再经过限幅器构成另一部分电感电流参考值i_L2。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征是，附加电流环和附加电压环的控制方法为：

将给定的电流指令值i_Lref减去电感电流内环电流参考值i_L ^*，得到差值输入到附加电流环比例积分调节器G_II，

G_II的输出值再减去负载电压V_o与标准电压V_ref的差值，得到结果经过附加电压环比例调节器G_IV，G_IV的输出值与并网电流i_g之和经过限幅器得到电感电流一部分参考值i_L2。

5.如权利要求3所述的控制方法，其特征是，电流指令值i_Lref的计算方法为，若并网时给定功率为P_DG+jQ_DG，并网情况下认为q轴电压V_q为零，则i_Lref计算方法为：

其中，V_d为d轴电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流。

6.如权利要求2所述的控制方法，其特征是，所述限幅器的工作方法为：限幅器工作规则由并网电流i_g决定，当i_g不为零，限幅器对输入不加限制，当孤岛发生i_g被强制减为零后，限幅器将输入限制在设定范围内。

7.如权利要求3所述的控制方法，其特征是，所述步骤一中，负载基本电压V_base的计算方法为，负载电压V_o由i_L1、i_L2、i_g共同产生，其中V_base由i_L1产生，各电压电流相量关系如下：

式中，是负载基本电压V_base的相量，是负载电压的相量，分别是i_L1、i_L2、i_g的相量值；其中令：

R+jX是此时对应的滤波器电容和负载以及从逆变器电源构成的并联部分的阻抗，则V_base＝(R+jX)(i_Ld1+ji_Lq1)＝(Ri_Ld1-Xi_Lq1)+j(Xi_Ld1+Ri_Lq1)，i_Ld1为i_L1在d轴上的分量，i_Lq1为i_L1在q轴上的分量，V_dbase为V_base在d轴上的分量，V_qbase为V_base在q轴上的分量。

8.如权利要求3所述的控制方法，其特征是，所述步骤一中，基本电压环的控制为：用电压标准值V_ref减去负载基本电压V_base，得到结果输入到基本电压环比例积分调节器G_V，G_V的输出为电流i_L1。

9.如权利要求3所述的控制方法，其特征是，所述步骤二中，主逆变器在并网时控制输出电流，孤岛检测和孤岛运行时自动切换到控制负载电压，过程为：孤岛发生后并网电流i_g为零，附加电流环的限幅器工作，将输入限制在设定范围内，则i_L2≈0，附加电流环失去作用；孤岛被检测出之后，断开附加电流环，则i_L2＝0，孤岛检测期间和孤岛被检测出后两个阶段的负载基本电压表示为：

其中，是负载电压的相量，是负载基本电压V_base的相量，分别是i_L1、i_L2、i_g的相量值；故此时基本电压环控制负载电压，控制器自动切换到控制负载电压。

10.如权利要求2所述的控制方法，其特征是，所述步骤四中，在孤岛转并网过程中相位预同步模块的工作方法为：锁相环重新获取电网相位θ_g，用θ_g减去孤岛运行的相位参考值θ_ref，差值经过比例积分调节器，调节器输出为角速度误差值Δω，Δω经过一个限幅器后与标准角速度2π·f₀相加作为角速度参考值；其中对于限幅器的设置，限幅器上限为+Δω_H，下限为-Δω_L，若频率正常范围上限为f₀+Δf_H，下限为f₀-Δf_L，则：