CN109103935A - 一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法，并网运行模式和离网运行模式均具有同样的控制结构，包括逆变电压环、电感电流环、并网电流指令计算模块。本方法基于dq旋转坐标系下的三相解耦控制，通过A、B、C三相分别构造虚拟三相系统，实现三相控制独立。本发明方法能有效解决三相储能变流器运行模式切换过程中的控制算法切换问题，实现离并网模式的平滑无缝切换，避免对负载产生冲击。

Description

一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法

技术领域

本发明涉及电化学储能变流器技术领域，具体涉及一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法。

背景技术

按运行方式划分，储能变流器分为并网型变流器、离网型变流器、离并网型变流器。并网型储能变流器具备P/Q工作模式，一般被控制为电流源，并通过上位机对储能电池功率进行调度。离网型储能变流器具备V/F工作模式，一般被控为电压源逆变器。离并网型储能变流器兼具了并网和离网的功能，一般情况下以并网工作为主，在电网正常的情况下进行并网P/Q控制，在电网异常时切换到离网V/F控制。

在传统控制方法中，变流器在运行模式改变时，需要将离网V/F控制算法和并网P/Q控制算法进行在线切换后再运行，但由于P/Q和V/F控制算法的控制结构不同，切换前后两个控制器输出的指令值可能不相等，会造成功率开关管PWM脉宽发生突变，引起负载电压和电流尖峰，严重情况下甚至会影响到负载的安全工作。

发明内容

本发明目的是提供一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法，以解决传统三相储能变流器离并网模式的控制切换问题，实现离并网模式的平滑无缝切换，避免对负载产生冲击。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种三相储能变流器离并网无缝切换控制方法，基于dq旋转坐标系的虚拟三相解耦控制，通过每一相独立构造三相系统，实现三相控制独立。控制器模块包括：电压环、电流环、并网电流指令计算。具体控制结构描述如下(x表示A、B、C相)：

对于d轴，电压环输入信号为U_{xd_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_d}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{d_ref}相加后作为电流环输入指令信号，反馈信号为电感电流I_{Lx_d}，负载电流I_{loadx_d}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xd_ref}相加作为dq/abc变换的d轴输入U_{xout_d}。

对于q轴，电压环输入信号为U_{xq_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_q}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{q_ref}相加后作为电流环输入指令信号，反馈信号为电感电流I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_q}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xq_ref}相加作为dq/abc变换的q轴输入U_{xout_q}。

U_{xout_d}、U_{xout_q}经dq/abc变换后，生成三相SPWM开关指令信号U_PWMA、U_PWMB、U_PWMC，经DSP输出后驱动功率开关管。

逆变电压U_{x_d}、U_{x_q}，电感电流I_{Lx_d}、I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_d}、I_{loadx_q}，电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}分别通过对每一相的逆变电压U_x、电感电流I_Lx、负载电流I_loadx、电网电压U_gx构造平衡三相系统后，经abc/dq变换计算得出。

并网电流指令计算模块由并网功率调度指令信号P_ref、Q_ref计算得出，I_{d_ref}为有功电流，I_{q_ref}为无功电流，离网运行时I_{d_ref}、I_{q_ref}设为0。

所述的三相储能变流器离并网无缝切换控制方法，当变流器初始工作于离网模式，并网晶闸管断开，I_{d_ref}、I_{q_ref}都为0，θ为逆变器自发相位角。电压环指令信号U_{xd_ref}为311、U_{xq_ref}为0，控制器与传统逆变器的电压-电流双环控制等效。变流器对电网电压进行检测，当电网电压正常时，对电网电压进行锁相，同时将电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}的值赋给电压环给定U_{xd_ref}、U_{xq_ref}，使逆变电压跟随电网电压。闭合并网开关，晶闸管导通后由于电压环给定与反馈值相同，电压环将失效，控制结构中只有电感电流环起作用，等效于电流型并网控制。在电压环PI调节器的积分作用下，电压环的输出从离网运行时的输出值开始逐渐降为0，确保切换瞬间电流环输入指令不发生突变。

所述的三相储能变流器离并网无缝切换控制方法，当变流器初始工作于并网模式，当检测到孤岛效应时，切断并网晶闸管，同时设置I_{d_ref}、I_{q_ref}为0，U_{xd_ref}为311、U_{xq_ref}为0，电压环投入工作。θ角从当前相位角开始以50Hz频率变化，避免负载相位角发生突变。

根据所述技术方案，本发明具有以下优点：

1、并网模式和离网模式具有相同的控制结构，避免了传统的P/Q、V/F控制算法上的切换问题。

2、在运行模式改变时，电感电流环的输入信号不发生突变，保证负载平滑不受冲击，实现了模式之间的无缝切换。

3、实现三相控制解耦，避免三相不平衡的影响，可以提高变流器性能指标。

附图说明

图1是本发明采用的三相储能变流器电路拓扑图；

图2是本发明控制方法的控制框图；

图3是本发明控制方法的MATLAB/SIMULINK仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1为三相储能变流器的电路拓扑图，采用典型的T型三电平dc-ac逆变电路拓扑，电池组BAT₁和BAT₂串联，中点O与电感L_n连接后作为变流器的中性线，并与电网零线N连接。三相桥臂输出连接LC滤波器，每一相通过双向晶闸管TRIAC与市电网相连，三相负载接在变流器逆变输出端，支持单相、三相不平衡负载的接入。当储能变流器工作于离网模式，双向晶闸管开关断开，储能变流器作为离网型储能变流器使用，作为电压源逆变器，电池组只能放电，或通过逆变电压母线上连接的光伏、柴油机、风力发电为电池组充电，组成风-光-储小型独立微网系统，储能变流器作为电压源支撑。当储能变流器工作于并网模式，双向晶闸管导通，储能变流器和电网共同为负载供电，同时储能变流器作为电流源接受储能系统功率调度控制。

图2为本发明控制方法的控制框图，被控量和测量量在图1上标示。本发明基于dq旋转坐标系的控制方法，将三相静止坐标系下的交流量通过派克变换转化为dq旋转坐标系下的直流量来控制，可以实现交流量控制的零稳态误差，并具有快速性的优点。

针对实际应用场合中的三相不平衡对储能变流器性能指标的不利影响，考虑到传统的dq控制方法中存在三相耦合，本方法采取三相独立dq控制，通过每一相独立构造虚拟三相系统，实现三相解耦控制独立。

分别对每一相的逆变电压U_x、电感电流I_Lx、负载电流I_loadx、电网电压U_gx进行采样，并构造虚拟三相系统，可采取60°移相法或30°移相法，最后通过派克变换(abc/dq)计算得到逆变电压U_{x_d}、U_{x_q}，电感电流I_{Lx_d}、I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_d}、I_{loadx_q}，电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}。(x表示A、B、C相，以下相同)

控制器模块包括：电压环、电流环、并网电流指令计算。具体控制结构描述如下：

对于d轴，电压环输入信号为U_{xd_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_d}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{d_ref}相加后作为电流环输入指令信号，反馈信号为电感电流I_{Lx_d}，负载电流I_{loadx_d}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xd_ref}相加作为dq/abc变换的d轴输入U_{xout_d}。

对于q轴，电压环输入信号为U_{xq_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_q}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{q_ref}相加后作为电流环输入指令信号，反馈信号为电感电流I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_q}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xq_ref}相加作为dq/abc变换的q轴输入U_{xout_q}。

U_{xout_d}、U_{xout_q}经dq/abc变换后，生成三相SPWM开关指令信号U_PWMA、U_PWMB、U_PWMC，经DSP输出驱动功率开关管。需要指出的是，U_{Aout_d}、U_{Aout_q}经dq/abc变换后生成U_PWMA，U_{Bout_d}、U_{Bout_q}经dq/abc变换后生成U_PWMB，U_{Cout_d}、U_{Cout_q}经dq/abc变换后生成U_PWMC。

并网电流指令计算由并网功率调度指令信号P_ref、Q_ref计算得出，有功电流指令为I_{d_ref}，无功电流指令为I_{q_ref}，离网运行时I_{d_ref}、I_{q_ref}设为0。根据公式：

P_ref＝1.5*(U_dI_d+U_qI_q) (1)

Q_ref＝1.5*(U_qI_d-U_dI_q) (2)

式(1)两边乘U_d与式(2)两边乘U_q相加，计算得

式(1)两边乘U_q与式(2)两边乘U_d相减，计算得

其中，U_d、U_q为电网三相电压的dq分量，通过三相共同计算得到。

所述的三相储能变流器离并网无缝切换控制方法，当变流器初始工作于离网模式，并网晶闸管断开，I_{d_ref}、I_{q_ref}都为0，θ为逆变器自发相位角。电压环指令信号U_{xd_ref}为311、U_{xq_ref}为0，控制器与传统逆变器的电压-电流双环控制等效。变流器对电网电压进行检测，当电网电压正常时，对电网电压进行锁相，同时将电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}的值赋给电压环给定U_{xd_ref}、U_{xq_ref}，使逆变电压跟随电网电压。闭合并网开关，晶闸管导通后由于电压环给定与反馈值相同，电压环将失效，控制结构中只有电感电流环起作用，等效于电流型并网控制。在电压环PI调节器的积分作用下，电压环的输出从离网运行时的输出值开始逐渐降为0，确保切换瞬间电流环输入指令不发生突变。

所述的三相储能变流器离并网无缝切换控制方法，当变流器初始工作于并网模式，当检测到孤岛效应时，切断并网晶闸管，同时设置I_{d_ref}、I_{q_ref}为0，U_{xd_ref}为311、U_{xq_ref}为0，电压环投入工作。θ角从当前相位角开始以50Hz频率变化，避免负载相位角发生突变。

图3为本发明控制方法的MATLAB/SIMULINK仿真图，RunMode为变流器运行模式，0为离网运行，1为并网运行。V_gird为电网电压，V_inv为逆变电压，负载为10kW。从仿真图形可以看出，在0.32s时从离网切换到并网，在0.66s时从并网切换到离网，逆变电压V_inv波形都很平滑，验证了本发明所述方法的有效性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法，其特征在于，

基于dq旋转坐标系进行虚拟三相解耦控制，所采用的控制器包括电压环、电流环和并网电流指令计算模块，具体控制结构描述如下：

对于d轴，电压环输入信号为U_{xd_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_d}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{d_ref}相加后作为电流环输入指令信号，电流环反馈信号为电感电流I_{Lx_d}，负载电流I_{loadx_d}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xd_ref}相加作为dq/abc变换的d轴输入U_{xout_d}，其中，x表示A、B、C相；

对于q轴，电压环输入信号为U_{xq_ref}，反馈信号为逆变电压U_{x_q}，电压环PI输出与并网电流指令计算模块输出I_{q_ref}相加后作为电流环输入指令信号，电流环反馈信号为电感电流I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_q}作为前馈信号，电流环PI输出与前馈信号U_{xq_ref}相加作为dq/abc变换的q轴输入U_{xout_q}；

U_{xout_d}、U_{xout_q}经dq/abc变换后，生成三相SPWM开关指令信号U_PWMA、U_PWMB、U_PWMC，经DSP输出后驱动功率开关管；

逆变电压U_{x_d}、U_{x_q}，电感电流I_{Lx_d}、I_{Lx_q}，负载电流I_{loadx_d}、I_{loadx_q}，电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}分别通过对每一相的逆变电压U_x、电感电流I_Lx、负载电流I_loadx、电网电压U_gx构造虚拟三相系统后，经abc/dq变换计算得出；

并网电流指令计算模块根据并网功率调度指令信号P_ref、Q_ref计算I_{d_ref}和I_{q_ref}，I_{d_ref}为有功电流，I_{q_ref}为无功电流，计算公式如下：

其中，U_d、U_q为电网三相电压的dq分量，通过三相共同计算得到；

离网运行时，I_{d_ref}、I_{q_ref}为0，电压环指令信号U_{xd_ref}为311、U_{xq_ref}为0，并网运行时，对电网电压进行锁相，同时将电网电压U_{gx_d}、U_{gx_q}的值赋给电压环指令信号U_{xd_ref}、U_{xq_ref}，使逆变电压跟随电网电压。

2.根据权利要求1所述的三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法，其特征在于，

并网运行时，在电压环中PI调节器的积分作用下，电压环的输出从离网运行时的输出值开始逐渐降为0，确保切换瞬间电流环输入指令不发生突变；

离网运行时，θ角从当前相位角开始以50Hz频率变化，避免负载相位角发生突变。

3.根据权利要求2所述的三相储能变流器的离并网无缝切换控制方法，其特征在于，

采用60°移相或30°移相法将每一相储能变流器数据构造成虚拟三相系统，储能变流器数据指的是逆变电压U_x、电感电流I_Lx、负载电流I_loadx和电网电压U_gx。