CN108448607A - 一种微电网电池储能系统的并离网切换方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微电网电池储能系统的并离网切换方法和装置，其包括并网运行时，根据PQ控制模式下并网点电压的正负序分量和逆变器输出电流的正负序分量计算电流内环的电流值和电压值，以控制逆变器输出功率；并网转离网瞬间，VF控制模式采用状态跟随的方法，并通过增加的功率补偿控制环节将电网输出功率转移到逆变器上；离网运行时，VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑；该装置包括PQ控制模块和VF控制模块。本发明提供的技术方案实现了在离网切换时对负序电压进行控制，保证了供电可靠性，提高了电能质量。

Description

一种微电网电池储能系统的并离网切换方法和装置

技术领域

本发明涉及电力发电领域，具体涉及一种微电网电池储能系统的并离网切换方法和装置。

背景技术

随着微电网系统在智能电网中的应用，储能变流器控制技术成为一个重要的研究领域，储能变流器通过实现功率控制的四象限灵活运行，可增强系统惯性和阻尼，提高微电网系统的稳定性，但微电网中的负荷容量存在不确定性，采用单机运行的方式不便于系统扩容，且若储能系统因故障退出运行，将导致整个系统崩溃，影响微网离网运行的可靠性。

在各微电源变流器层面选择恰当的控制策略，实现微电网的平滑切换，能减轻微电网在两种运行模式切换过程中引起的系统振荡。现有的并离网切换技术中有基于外环控制器状态跟随的平滑切换控制方法；添加虚拟调速器和虚拟励磁调节器，使逆变器模拟同步发电机实现微网并离网平滑切换的控制策略；利用模糊控制方法，使传统的单一下垂特性变为三折线的变斜率下垂控制特性；电压电流加权控制策略；采用abc坐标系控制的切换方法，将切换过程分成4个阶段的控制方法等。

现有的配电网与微电网的主动式并离网平滑切换控制策略均以电网三相电压理想正弦为基础，由于电网线路阻抗和三相负荷不均等原因，经常存在电网三相电压不平衡工况，若仍采用这些控制策略，将无法实现无缝切换。

为满足现有技术的发展进程，需要提供一种在电网三相电压不平衡情况下的微电网电池储能系统并离网切换技术，实现微电网系统的并网与离网的无缝切换。

发明内容

随着分布式电源的快速发展，处于电网末端的微电网经常会出现三相电压不平衡的状况，当因计划检修等原因需要对微电进行离网转换时，若采用以往的并离网转换技术，很容易对系统造成冲击，不利于负载等用电设备的安全运行，为满足现有技术的发展需要，本发明提供一种在三相电压不平衡工况下的微电网电池储能系统并离网切换技术，实现微电网系统并网与离网的无缝切换。

本发明提供了一种微电网电池储能系统的并离网切换方法，其改进之处在于，所述切换方法包括：

并网运行时，根据PQ控制模式下采集的并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值、根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的电压值，根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率；

并网转离网瞬间，电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且电流内环给定值不变，并将电网输出功率转移至逆变器使电网输出到并网点的电流为零；

离网运行时，VF控制模式下的电压外环对微电网系统提供电压和频率支撑。

优选的，所述根据并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值包括：

将采集的并网点的电压正负序分量由abc坐标系下的三相信号转化为dq坐标系下的二相信号；

按下式计算电流内环的电流值：

其中，有功及无功功率给定值；正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；为负序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；并网点电压在d轴的正负序分量。

优选的，根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的计算电流内环的电压值，如下式所示：

其中，分别表示正序电流内环的电压在dq坐标系下的d轴、q轴分量；分别表示负序电流内环的电压在dq坐标系下的d轴、q轴分量；分别为采集的逆变器输出实际正序电流d轴、q轴分量；分别为检测到的逆变器输出实际正序电流d轴、q轴分量；正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；为负序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；k_p、k_i：分别为PID调节器中比例调节系数和积分调节系数；k_p1、k_p2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的比例调节系数；k_i1、k_i2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的积分调节系数；L表示变流器中的电感量；ω：当前正弦波相角。

优选的，所述根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率，包括：将电流内环的正负序电压由dq坐标系下的二相信号转换为abc坐标系下的三相信号，并将正负序电压相加产生PWM波，利用所述PWM波控制逆变器输出功率。

优选的，所述电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且电流内环给定值不变，包括：正序电压外环的电压值和负序电压外环的电压值分别跟随并网点的正负序电压值；电压外环生成的电流内环给定初始值与并离网切换瞬间PQ控制模块的功率外环生成的电流内环给定初始值一致。

优选的，所述将电网输出功率转移至逆变器，包括：

数字选择开关S₁、S₂闭合后，电网额定有功功率为P_G、无功功率为Q_G的信号与ramp信号产生的斜坡信号通过乘法器相乘，所得信号的功率添加到逆变器的有功功率给定值和无功功率给定值上，以将电网输出功率转移到逆变器。

优选的，所述VF控制模式下的电压外环对微电网系统提供电压和频率支撑包括：

用正序电压外环和负序电压外环分别控制正序电压和负序电压，并输出正序电流内环的d轴、q轴电流给定值到正序电流内环，输出负序电流内环的d轴、q轴电流给定值到负序电流内环。

一种微电网电池储能系统并离网切换装置，所述装置包括：

PQ控制模块，用于并网运行时，根据PQ控制模式下采集的并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值、根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的电压值，根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率；

VF控制模块：用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变，并将电网输出功率转移至逆变器使电网输出到并网点的电流为零；还用于在离网运行时，VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

优选的，所述PQ控制模块和所述VF控制模块中均包括abc/dq模块，用于将采集的并网点的电压正负序分量以及逆变器输出电流的正负序分量由abc坐标系下的三相信号转化为dq坐标系下的二相信号；或，

用于将电流内环的正负序电压由dq坐标系下的二相信号通过abc/dq模块转换为abc坐标系下的三相信号。

优选的，所述VF控制模块包括：

状态跟随子模块，用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变；

功率补偿控制子模块，用于将电网输出功率转移至逆变器上，使电网输出到并网点的电流为零；

稳定子模块，用于在离网运行时，使VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

优选的，所述功率补偿控制子模块包括ramp单元、乘法器及求和单元；

所述ramp单元，用于产生斜率线性增加的斜坡信号；

所述乘法器，用于将设定的电网额定有功功率P_G和无功功率Q_G与斜坡信号分别相乘；

所述求和单元，用于将所述X模块输出信号功率分别与逆变器的有功功率和无功功率给定值求和。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案在并网运行时，提取并网点电压和逆变器输出电流的正负序分量--并网转离网时，功率补偿控制将电网电压转移至逆变器--离网运行时，电压外环对系统提供电压和频率支撑，实现了在离网切换时对负序电压进行控制，离网前后系统电压保持不变，保证了供电可靠性，提高了电能质量。

2、本发明提供的技术方案添加功率补偿控制，使电网提供给负荷的功率逐渐由储能系统负担，调节并网点处电网功率为零，为微电网系统的离网切换提供了功率基础支撑，减少了离网切换时的功率冲击，使并离网实现无缝切换。

附图说明

图1为本发明提供的储能系统主电路控制结构图；

图2为本发明提供的并网运行控制结构图；

图3为本发明提供的主动离网功率补偿模块运算图；

图4为本发明提供的三相电压不平衡工况下主动离网控制方法。

具体实施方式

以下将结合说明书附图以具体实施例的方式详细介绍本发明提供的技术方案。

本发明提供的三相电压不平衡工况下微电网系统并离网切换技术，因为是三相电压不平衡工况的微电网系统包括负序分量，在执行并离网切换命令前，要进行正负序分量分离，PQ控制模式下的PQ控制模块提取并网点电压的正负序分量以及逆变器输出电流的正负序分量，并网运行时以抑制功率的2次谐波分量为控制目标进行功率控制，微电网系统在并网转离网前，先改变逆变器的输出功率使得电网对负载的输出电流为0，从而减少冲击；

并网转离网时，VF控制模式采用状态跟随的方法，VF控制模式下的正序电压外环和负序电压外环的电压值分别跟随并网点正负序电压，电压外环生成的电流内环给定初始值与切换瞬间PQ控制模块的功率外环生成的电流内环给定初始值保持一致，频率以及相角也保持不变，从而实现微电网弱电网工况下并网转离网的无缝切换。

如图4所示的电网电压不平衡时微电网电池储能系统的主动式离网控制方法，图中abc/dq模块是将abc坐标系下的三相交流信号转换到dq坐标系下的两相直流信号；并网运行时，采用图2的控制策略，离网运行时，采用正序电压外环和负序电压外环分别控制正序和负序电压，并输出正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值到正序电流内环，输出负序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值到负序电流内环，从而对系统提供电压及频率支撑。为了减少切换时造成的电压、电流冲击，切换前先通过功率补偿环节减少电网提供给负荷的功率一直到零，并实时监测电压的频率和相角，当电网提供给负荷的功率为零及电网在并网点的电流为零时，退出PQ控制模式，同时VF控制模式开始工作，切换瞬间VF控制模式的的频率、相角采用状态跟随的方法，使其与切换时监测到的值保持一致，同时在切换瞬间时电压外环生成的电流给定值的初始值与切换前一时刻功率外环生成的电流给定值相同，从而减小切换时的冲击，通过数据选择开关S分别选择并网运行时功率外环及离网运行时电压外环。

如图1所示的储能系统主电路控制结构，并离网切换的实现主要由具有PQ、VF两种运行模式的储能系统完成，并网运行时PQ控制模式发挥作用，离网运行时VF控制模式发挥作用。

PQ控制模式和VF控制模式均采用双闭环控制：在PQ控制模式中，外环为功率外环，采用电压不平衡的功率控制策略抑制2次谐波功率，内环为包括正序电流内环和负序电流内环的电流内环；VF控制模式中，外环为包括正序电压外环和负序电压外环的电压外环，分别控制正负序电压，内环为与PQ控制模块共用的电流内环。

进行正负序分离时，abc/dq模块将预先提取的并网点的电压正负序分量以及逆变器输出电流的正负序分量由三相静止坐标系abc下的三相信号转化为二相旋转坐标系dq下的二相信号，并以下式所示的控制方程实现以抑制功率2次谐波分量为控制目标的功率控制，控制策略如图2所示，控制方程为：

其中，分别表示有功功率给定值、无功功率给定值，最后生成电流内环给定值；正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值，以此控制逆变器输出的正序电流；负序电流内环在dq坐标系下的的d轴、q轴电流给定值，以此控制逆变器输出的负序电流；并网点电压在d轴的正负序分量。

根据并网点电压的正负序分量和逆变器输出电流的正负序分量按下式(2)和(3)计算正序电流内环和负序电流内环在dq坐标下d、q轴电压分量：

其中，检测到的逆变器输出的正序电流在dq坐标系下的d轴、q轴分量；为检测到的逆变器输出负序电流d轴、q轴分量；k_p、k_i:PID调节器中比例调节系数和积分调节系数；k_p1、k_p2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的比例调节系数；k_i1、k_i2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的积分调节系数；L表示变流器中的电感量；ω：当前正弦波相角。

将电流内环的正负序电压在dq坐标系下的d、q轴的正负序分量通过abc/dq模块将两相旋转坐标系dq下的两相信号转换成三相静止坐标系abc下的三相信号，将正负序电压相加并通过SVPWM模块的脉冲调制生成PWM波对控制逆变器。

在离网瞬间，为使电网输入到并网点的电流为0，添加功率补偿环节将电网输出功率转移到逆变器上，控制算法如图3所示，当接收到离网命令时，数据选择开关S₁、S₂闭合，通过控制增大或减少逆变器的输出功率使得电网输出到并网点电流为零。P_G、Q_G为设定的电网额定有功功率、无功功率，ramp模块产生的斜坡信号斜率线性增加，斜率大小根据具体系统整定，X模块为乘法器；将额定有功功率为P_G、无功功率为Q_G的电网信号斜坡信号通过乘法器相乘，所得信号的功率加到逆变器功率外环的有功功率给定值和无功功率给定值上，从而达到将电网分担负荷的功率全部转移到逆变器上的目的。

功率补偿环节的目的是将电网提供给负荷的功率逐渐由储能系统负担，调节并网点处电网功率为零，从而减少离网切换时的功率冲击。但由于控制器的追踪能力及微电网功率的频繁波动，并网点处电网功率很难减少到零，当电网视在功率小于某一定值时，即可进行离网切换。

一种微电网电池储能系统并离网切换装置，所述装置包括：

PQ控制模块，用于并网运行时，根据PQ控制模式下采集的并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值、根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的电压值，根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率；

VF控制模块：用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变，并将电网输出功率转移至逆变器使电网输出到并网点的电流为零；还用于在离网运行时，VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

优选的，所述PQ控制模块和所述VF控制模块中均包括abc/dq模块，用于将采集的并网点的电压正负序分量以及逆变器输出电流的正负序分量由abc坐标系下的三相信号转化为dq坐标系下的二相信号；或，

用于将电流内环的正负序电压由dq坐标系下的二相信号通过abc/dq模块转换为abc坐标系下的三相信号。

优选的，所述VF控制模块包括：

状态跟随子模块，用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变；

功率补偿控制子模块，用于将电网输出功率转移至逆变器上，使电网输出到并网点的电流为零；

稳定子模块，用于在离网运行时，使VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

优选的，所述功率补偿控制子模块包括ramp单元、乘法器及求和单元；

所述ramp单元，用于产生斜率线性增加的斜坡信号；

所述乘法器，用于将设定的电网额定有功功率P_G和无功功率Q_G与斜坡信号分别相乘；

所述求和单元，用于将所述X模块输出信号功率分别与逆变器的有功功率和无功功率给定值求和。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种微电网电池储能系统的并离网切换方法，其特征在于，所述切换方法包括：

并网运行时，根据PQ控制模式下采集的并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值、根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的电压值，根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率；

并网转离网瞬间，电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且电流内环给定值不变，并将电网输出功率转移至逆变器使电网输出到并网点的电流为零；

离网运行时，VF控制模式下的电压外环对微电网系统提供电压和频率支撑。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值包括：

将采集的并网点的电压正负序分量由abc坐标系下的三相信号转化为dq坐标系下的二相信号；

按下式计算电流内环的电流值：

其中，有功及无功功率给定值；正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；为负序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；并网点电压在d轴的正负序分量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的计算电流内环的电压值，如下式所示：

其中，分别表示正序电流内环的电压在dq坐标系下的d轴、q轴分量；分别表示负序电流内环的电压在dq坐标系下的d轴、q轴分量；分别为采集的逆变器输出实际正序电流d轴、q轴分量；分别为检测到的逆变器输出实际正序电流d轴、q轴分量；正序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；为负序电流内环在dq坐标系下的d轴、q轴电流给定值；k_p、k_i：分别为PID调节器中比例调节系数和积分调节系数；k_p1、k_p2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的比例调节系数；k_i1、k_i2：分别表示PID调节器中针对d轴和q轴分量的积分调节系数；L表示变流器中的电感量；ω：当前正弦波相角。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率，包括：将电流内环的正负序电压由dq坐标系下的二相信号转换为abc坐标系下的三相信号，并将正负序电压相加产生PWM波，利用所述PWM波控制逆变器输出功率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且电流内环给定值不变，包括：正序电压外环的电压值和负序电压外环的电压值分别跟随并网点的正负序电压值；电压外环生成的电流内环给定初始值与并离网切换瞬间PQ控制模块的功率外环生成的电流内环给定初始值一致。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将电网输出功率转移至逆变器，包括：

数字选择开关S₁、S₂闭合后，电网额定有功功率为P_G、无功功率为Q_G的信号与ramp信号产生的斜坡信号通过乘法器相乘，所得信号的功率添加到逆变器的有功功率给定值和无功功率给定值上，以将电网输出功率转移到逆变器。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述VF控制模式下的电压外环对微电网系统提供电压和频率支撑包括：

用正序电压外环和负序电压外环分别控制正序电压和负序电压，并输出正序电流内环的d轴、q轴电流给定值到正序电流内环，输出负序电流内环的d轴、q轴电流给定值到负序电流内环。

8.一种微电网电池储能系统的并离网切换装置，其特征在于，所述装置包括：

PQ控制模块，用于并网运行时，根据PQ控制模式下采集的并网点电压的正负序分量计算电流内环的电流值、根据PQ控制模式下采集的逆变器输出电流的正负序分量以及电流内环的电流值计算电流内环的电压值，根据电流内环的电压值控制逆变器输出功率；

VF控制模块：用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变，并将电网输出功率转移至逆变器使电网输出到并网点的电流为零；还用于在离网运行时，VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述PQ控制模块和所述VF控制模块中均包括abc/dq模块，用于将采集的并网点的电压正负序分量以及逆变器输出电流的正负序分量由abc坐标系下的三相信号转化为dq坐标系下的二相信号；或，

用于将电流内环的正负序电压由dq坐标系下的二相信号通过abc/dq模块转换为abc坐标系下的三相信号。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述VF控制模块包括：

状态跟随子模块，用于在并网转离网瞬间，使电压外环的电压值跟随并网点正负序电压值，且保持电流内环给定值不变；

功率补偿控制子模块，用于将电网输出功率转移至逆变器上，使电网输出到并网点的电流为零；

稳定子模块，用于在离网运行时，使VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述功率补偿控制子模块包括ramp单元、乘法器及求和单元；

所述ramp单元，用于产生斜率线性增加的斜坡信号；

所述乘法器，用于将设定的电网额定有功功率P_G和无功功率Q_G与斜坡信号分别相乘；

所述求和单元，用于将所述X模块输出信号功率分别与逆变器的有功功率和无功功率给定值求和。