CN109245137B - 一种储能变流器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能变流器的控制方法，并网运行模式和离网运行模式均具有同样的控制结构，控制结构中包含3个控制环：电容电压环、电感电流环、并网电流环。运行模式的切换只需要改变电容电压环和并网电流环输入指令信号，无需更改控制器结构，控制器更加简洁明确。该控制方法能有效解决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切换，避免负载产生冲击。

Description

一种储能变流器的控制方法
技术领域
本发明涉及电力储能技术领域，特别是涉及一种储能变流器的控制方法。
背景技术
储能系统在电力系统中扮演着重要的角色。在发电侧，储能系统可以替代昂贵的调峰机组实现调峰功能，具有响应速度快、效率高的优点；在用户侧，储能系统可以平滑用电负荷，实现削峰填谷，缓解电网的调节压力，也可以充当UPS使用，实现重要负荷的不间断供电；在分布式可再生能源发电侧，储能系统可以平滑光伏、风力等间歇性电源的功率波动，减小对电网的影响。
电力储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、超级电容储能、电化学储能等。其中电化学储能(蓄电池)是目前规模最大，也是未来的重点发展方向。
储能变流器是电化学储能系统的重要设备，一般通过并网来实现蓄电池的功率调度。离并网型储能变流器具有并网运行和离网运行两种工作模式，在电网正常时工作于并网模式，在电网故障时切换到离网模式。在并网模式中，一般采用电流型控制方法，在离网模式中，变流器被控成电压源。但在运行模式切换时，存在并网电流控制器和离网电压控制器的切换问题，即切换瞬间两个控制器的输出不相等，可能会导致功率管占空比发生跳变，引起负载电压电流尖峰，影响负载正常工作。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明致力于提供一种储能变流器的控制方法，以解决储能变流器运行模式切换过程中的控制切换问题，实现离并网模式的平滑切换，避免负载产生冲击。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。
一种储能变流器的控制方法，并网模式和离网模式采用同一控制结构，控制结构中包含3个控制环：电容电压环、电感电流环和并网电流环，具体控制结构描述如下：
电容电压环输入信号为Urefcosθ，反馈信号为储能变流器的滤波电容电压UC，其中：并网模式下，θ通过对电网锁相得到，Uref为电网电压峰值；在离网模式下，θ为储能变流器自建的基准相位角，Uref为311V；
并网电流环输入信号为Iref，反馈信号为电网侧电流Ig，其中：并网模式下，Iref为蓄电池充放电环的输出与cosθ的乘积；在离网模式下Iref为0；
电感电流环反馈信号为储能变流器的滤波电感电流IL，输入信号为电容电压环输出信号、并网电流环输出信号及负载电流IR的和；
电感电流环输出信号和电压前馈信号之和作为PWM生成的指令信号；
电容电压环、电感电流环和并网电流环的调节器均为比例积分控制器。
本发明的有益效果是：
1、并网模式和离网模式具有同样的控制结构，不存在传统的电压型控制器和电流型控制器之间的切换问题。
2、改变运行模式只需要改变输入指令信号，如Urefcosθ、Iref的值，无需更改控制器结构，控制器更加简洁明确。
3、在运行模式改变时，电容电压环或并网电流环都可以在瞬间保持输出不变，电感电流环的输入信号不发生突变，即切换时开关占空比不发生跳变，保证负载平滑运行，不受冲击。
附图说明
图1是储能变流器的电路拓扑图；
图2是本发明储能变流器的控制方法中的控制结构示意图；
图3是电容电压和电网电压波形；
图4是负载电流波形；
图5是电感电流波形；
图6是工作模式及并网开关波形。
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的实施例。
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。
以单相储能变流器为例，图1为储能变流器的电路拓扑图，采用单相全桥电路拓扑，输出采用LC滤波器，负荷R接到滤波电容两端，输出通过开关KM连接到电网。离网运行时，KM断开，变流器作为独立逆变器为负载供电。并网运行时，KM合上，通过并网电流控制为蓄电池充放电。
图2为本发明的控制结构框图，为多环控制结构。包括电容电压环、电感电流环、并网电流环。图2的控制结构框图基于图1电路，相关的测量信号在图1上标示。
电容电压环输入信号为Urefcosθ，反馈信号为滤波电容电压UC，其中：并网模式下，θ通过对电网锁相得到，Uref为电网电压峰值；在离网模式下，θ为变流器自建的基准相位角，Uref为311V。电容电压环调节器为PI1控制器。
并网电流环输入信号为Iref，反馈信号为电网侧电流Ig，其中：并网模式下，Iref为蓄电池充放电环的输出与cosθ的乘积；在离网模式下Iref为0。并网电流环调节器为PI3控制器。蓄电池充电模式有恒压、恒流，放电模式为恒流控制。
电感电流环反馈信号为滤波电感电流IL，输入信号为电容电压环输出、并网电流环输出及负载电流IR的和。电感电流环调节器为PI2控制器；
电感电流环PI2输出和电压前馈信号Urefcosθ之和作为PWM脉冲指令信号。
当储能变流器工作于离网模式下，Iref被设置为0，KM断开，电网侧Ig为0，并网电流环PI3输出为0，控制器结构等效于电容电压外环、电感电流内环的电压源控制器。当从离网模式切换到并网模式的瞬态，电容电压环在PI1的作用下保持输出值不变，开关合上后，才逐渐降为0；并网时，并网电流环Iref初值为0，PI3调节器输出值也为0。那么在负载IR不变的情况下，电感电流环的输入值在模式切换前后是保持不变的，经过PI2控制输出的占空比也保持不变。
当储能变流器工作于并网模式下，电容电压环输入信号跟随电网电压，反馈电压UC也为电网电压，因此电容电压环PI1输出值为0，控制器结构等效于并网电流环和电感电流环的串联，本质上为电流控制器。当从并网模式切换到离网模式的瞬态，并网电流环在PI3的作用下保持输出值不变，由于电容电压环PI1开始工作时初值为0，因此电感电流环的输入值在切换前后也保持不变，经过PI2控制输出的占空比也保持不变。
综上分析，在模式切换的瞬间，开关占空比不会发生跳变，确保了负载不会遭受电压/电流的冲击。
图3、4、5、6为本发明控制方法的PSIM仿真图，图3为电容电压和电网电压波形，图4为负载电流波形，图5为电感电流波形，图6为工作模式及并网开关波形。在0.08s时，离网模式切换到并网，初始Iref为0，可以看到切换过程负载电流Iload很平滑；在0.16s时，并网切换到离网，切换过程中负载电流Iload基本没变化，电容电压波形也没有发生突变。因此，仿真结果验证了上述控制方法的可行性。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种储能变流器的控制方法，其特征在于，
并网模式和离网模式采用同一控制结构，控制结构中包含3个控制环：电容电压环、电感电流环和并网电流环，具体控制结构描述如下：
电容电压环输入信号为Urefcosθ，反馈信号为储能变流器的滤波电容电压UC，其中：并网模式下，θ通过对电网锁相得到，Uref为电网电压峰值；在离网模式下，θ为储能变流器自建的基准相位角，Uref为311V；
并网电流环输入信号为Iref，反馈信号为电网侧电流Ig，其中：并网模式下，Iref为蓄电池充放电环的输出与cosθ的乘积；在离网模式下Iref为0；
电感电流环反馈信号为储能变流器的滤波电感电流IL，输入信号为电容电压环输出信号、并网电流环输出信号及负载电流IR的和；
电感电流环输出信号和电压前馈信号之和作为PWM生成的指令信号；
电容电压环、电感电流环和并网电流环的调节器均为比例积分控制器。
2.根据权利要求1所述的储能变流器的控制方法，其特征在于，
离网模式切换到并网模式的工作步骤为：
S1：储能变流器初始工作于离网模式，电容电压环指令信号为311·cosθ，并网电流环指令信号为0，此时并网开关KM断开，并网电流为0，并网电流环输出值为0，控制结构等效成电压外环、电流内环的双环电压型控制；
S2：变流器对电网电压Ug进行检测，当电网电压正常时，对电网电压进行锁相，并设置θ为电网电压的相位角，同时设置Uref为电网电压幅值，使逆变电压与电网电压幅值、频率、相位都相同；
S3：闭合并网开关KM，此时电容电压UC与电网电压Ug相等，在比例积分控制器作用下，电容电压环从离网时的输出值逐渐降为0，切换瞬间电感电流环输入不发生突变，此时的控制结构等效于并网电流外环、电感电流内环结构，本质上是电流型控制。
3.根据权利要求2所述的储能变流器的控制方法，其特征在于，
并网模式切换到离网模式的工作步骤为：
S1：储能变流器初始工作于并网模式，当检测到孤岛效应时，切断并网开关KM，同时置Iref为0，Uref为311V，θ角从当前相位角开始以固定的50Hz频率变化，避免负载相位角发生跳变；
S2：在比例积分控制器的作用下，并网电流环从并网时的输出值逐渐降到0，切换瞬间电感电流环输入不发生突变，实现平稳过渡。
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