CN109378847B - 一种微电网储能pcs控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微电网储能PCS控制系统和方法，三相桥式逆变电路的输入端通过直流EMI滤波电路连接蓄电池，输出端通过LCL滤波电路连接三相电网；三相桥式逆变电路的输出端三相线路上分别设有电流传感器和电压传感器，各电流互感器和电压传感器的输出端分别连接控制模块；控制模块接收外部三相指令信号，并根据接收到的对应各相的指令信号，以及相应相别电压传感器和电流传感器输入的电压或电流反馈值，控制三相桥式逆变电路中各开关器件的导通或关闭。本发明的控制模块能够实现微电网储能的分相控制，且可提高功率控制精度。

Description

一种微电网储能PCS控制系统和方法

技术领域

本发明涉及微电网储能控制技术领域，特别是一种微电网储能PCS控制系统和方法。

背景技术

分布式发电相比于传统大电网，具有绿色无污染，安装地点灵活，能量利用率高，减少了长线路的输电损耗能量等特点。但是其自身存在的问题也逐渐暴露出来，分布式电源控制困难、不稳定、成本较高。随着电力电子技术与现代控制的发展，微电网出现了，它由微源、负荷、控制装备、储能装备结合而成，构成一个可控的单元向用户提供电能或热能。相比于大电网，微电网更接近负荷，无需建设超高压、远距离电网输电，极大的减少了线路损耗，且微电网具有发电供热制冷等多项功能，可实现更高的综合能源利用率；微电网可在大电网出现扰动的情况下，能孤岛运行，向负载供电，提到了用户供电的可靠性；微电网能以非集中程度更高的方式协调分布式电源，不仅可减轻大电网控制的负担，且能更好的发挥分布式电源的优势。

储能变流器作为微电网系统的核心部件之一，并网运行模式时通过像电网注入有功无功功率，实现电网的削峰填谷，稳定微电网系统；电网故障状态下，可以无缝切换，为电网提供功率支撑，保证了微电网并离网的平稳切换。储能变流器的功率控制精度关系着整个微电网系统的稳定。

由于微电网目前仍处于初期阶段，相关标准要求也较为宽松，例如GB/T34120-2017《电化学储能系统储能变流器技术规范》中针对分相控制功能未被作为明确指标提出，且功率控制精度要求也未对20%额定功率以下工况有所要求。因此目前市面上的微电网储能PCS主要存在以下缺陷：

1、无分相控制功能。用户无法独立设定每相的输出功率参数，功率控制参数未实现解耦控制。

2、功率控制精度较低。PCS控制单元的控制算法难以同时满足稳定和高精度的要求。PI控制器稳定性较强但在高频段存在控制增益较低的缺点；比例谐振控制器(PR)在基频处增益非常大，低频段会因为电网频率的波动带来间谐波问题，因此难以在低频段使用，准比例谐振控制器，则会放大PR控制器的截止频带宽，在高频段效果较差，而比例谐振控制器(PR)与准比例谐振控制器并联使用理论上可以实现低频段较低增益与高频段高增益的完美效果，但是会牺牲控制系统的相角裕度，难以保证控制系统的稳定。

名词解释

储能变流器(Power Control System--PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。

发明内容

本发明的目的是提供一种微电网储能PCS控制系统和方法，能够实现分相控制，且可提高功率控制精度。

本发明的技术方案如下：一种微电网储能PCS控制系统，包括：LCL滤波电路、三相桥式逆变电路、直流EMI滤波电路以及控制模块；三相桥式逆变电路的输入端通过直流EMI滤波电路连接蓄电池，输出端通过LCL滤波电路连接三相电网；

三相桥式逆变电路的输出端三相线路上分别设有电流传感器和电压传感器，各电流互感器和电压传感器的输出端分别连接控制模块；

控制模块接收外部三相指令信号，并根据接收到的对应各相的指令信号，以及相应相别电压传感器和电流传感器输入的电压或电流反馈值，控制三相桥式逆变电路中各开关器件的导通或关闭。

优选的，三相桥式逆变电路包括相互并联的三组IGBT单元和储能电容，各组IGBT单元由两个IGBT管串联组成，各组IGBT单元中的两IGBT管的连接点分别作为三相交流电源的一相电源输出端。

优选的，控制模块根据三相桥式逆变电路输出端各相的电压和电流反馈值，计算得到各相实测功率值；控制模块包括对应各相的外环功率控制单元和内环电流控制单元；

外环功率控制单元基于相应相别的外部指令信号和实测功率值，利用PI控制器进行无静差控制，得到对应各相的有功电流和无功电流的峰值指令值，进而结合相应相别的电网实时相角值，合成对应的正弦指令电流，输出至内环电流控制单元；

内环电流控制单元将各相正弦指令电流，与三相桥式逆变电路输出端相应相别的电流反馈值进行做差，然后分别通过准PR控制器、PR控制器和比例控制器进行控制，得到相应的低次谐波调节量、高次谐波调节量和直流分量调节量，再对各调节量进行叠加，经电网侧电压的前馈环节后输出，得到用于控制相应相别开关器件的控制输出信号；

所述PR控制器的输出端上还串联有微分控制器，微分控制器的输出端并接准PR控制器与比例控制器的输出端。

本发明PR控制环节串联微分校正环节，实现了双零点PR控制器，使用该双零点PR控制与准PR控制并联运行，可以大大提高电流控制精度，解决工程应用中PR控制与准PR共同使用时出现的不稳定问题。

优选的，外部指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；外环功率控制单元包括有功功率PI控制器和无功功率PI控制器，对应各相的有功/无功功率PI控制器将相应相别的有功/无功功率指令信号值与实测有功/无功功率值的差值作为输入量，得到相应相别的有功/无功调节的电流调节分量；然后再将各相有功/无功电流调节分量与相应相别的电网实时相角正弦值/余弦值相乘，得到有功/无功调节分量的瞬时值，各相有功与无功调节分量的瞬时值叠加即为相应相别的瞬时电流调节量，也即正弦指令电流值。

优选的，内环电流控制单元包括对应各相的内环控制器，各内环控制器分别包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器和比例控制器。

进一步的，控制模块还包括三相载波调制的脉冲驱动单元，脉冲驱动单元包括分别对应连接各IGBT管栅极的脉冲输出端，脉冲驱动单元的输入端连接内环电流控制单元的控制输出端，通过调节IGBT栅极的脉冲占空实现载波调制，使三相桥式逆变电路的电感电压跟踪内环电流控制单元输出的控制输出信号。

本发明还公开一种微电网储能PCS控制方法，三相桥式逆变电路的输入端和输出端分别通过滤波电路连接蓄电池和三相电网；方法包括：

获取外部三相指令信号，所述外部三相指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；

获取三相桥式逆变电路输出端的电压和电流反馈值，并根据电压和电流反馈值计算得到各相实测有功/无功功率值；

实时获取电网三相的相角值；

针对每一相，分别以有功/无功功率指令信号与实测有功/无功功率值的差值为输入量，利用PI控制器进行无静差控制，将PI控制器的输出量结合相应相别的实时相角值，得到正弦指令电流；

针对每一相，以正弦指令电流与电流反馈值的差值作为输入量，利用电流内环控制单元进行控制，得到相应相别的开关器件调制输出信号；

所述电流内环控制单元包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器和比例控制器，PR控制器的输出端串联微分控制器后，与准PR控制器和比例控制器相并联；准PR控制器、微分控制器与比例控制器的输出量相叠加后的输出量，经设定的传递函数后输出，作为用于开关器件驱动的调制输出信号。

优选的，所述功率外环控制单元和电流内环控制单元分别在三相旋转坐标系下进行控制。

本发明所应用的PI控制器、准PR控制器、PR控制器、比例控制器、微分控制器，分别皆为现有技术。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：

1）本发明通过分别检测逆变器输出端各相电压和电流，结合外部三相指令信号，为微电网储能PCS的分相控制提供了基础；

2）针对微电网储能PCS的特性，本发明控制模块使用功率外环与电流内环相结合的双闭环控制方法，设计了一种双零点比例谐振控制方法实现了高精度电流控制。

相比目前常见的储能PCS控制方式，本发明的储能PCS具有分相控制功能以及更高的功率控制精度，更符合微电网的要求。

附图说明

图1为本发明一种微电网储能PCS电路示意图；

图2为本发明微电网储能PCS的双闭环控制原理示意图；

图3为本发明微电网储能PCS的功率外环控制原理示意框图；

图4为本发明微电网储能PCS的电流内环控制原理示意框图；

图5为采用PR控制与准PR控制并联运行的控制原理框图；

图6为采用PR控制器与准PR控制器并联的控制系统伯德图；

图7为本发明的双零点PR控制与准PR控制并联运行的控制原理示意框图；

图8为本发明的双零点PR控制与准PR控制并联的控制系统伯德图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

结合图1和图2所示，本实施例的微电网储能PCS控制系统，包括：LCL滤波电路、三相桥式逆变电路、直流EMI滤波电路以及控制模块；三相桥式逆变电路的输入端通过直流EMI滤波电路连接蓄电池，输出端通过LCL滤波电路连接三相电网；

三相桥式逆变电路的输出端三相线路上分别设有电流传感器和电压传感器，各电流互感器和电压传感器的输出端分别连接控制模块；

控制模块接收外部三相指令信号，并根据接收到的对应各相的指令信号，以及相应相别电压传感器和电流传感器输入的电压或电流反馈值，控制三相桥式逆变电路中各开关器件的导通或关闭。

如图1，三相桥式逆变电路包括相互并联的三组IGBT单元和储能电容，各组IGBT单元由两个IGBT管串联组成，各组IGBT单元中的两IGBT管的连接点分别作为三相交流电源的一相电源输出端。

控制模块根据三相桥式逆变电路输出端各相的电压和电流反馈值，计算得到各相实测功率值；控制模块包括对应各相的外环功率控制单元和内环电流控制单元；

参考图2所示，外环功率控制单元基于相应相别的外部指令信号和实测功率值，利用PI控制器进行无静差控制，得到对应各相的有功电流和无功电流的峰值指令值，进而结合相应相别的电网实时相角值，合成对应的正弦指令电流，输出至内环电流控制单元；

内环电流控制单元将各相正弦指令电流，与三相桥式逆变电路输出端相应相别的电流反馈值进行做差，然后分别通过准PR控制器、PR控制器和比例控制器进行控制，得到相应的低次谐波调节量、高次谐波调节量和直流分量调节量，再对各调节量进行叠加，经电网侧电压的前馈环节后输出，得到用于控制相应相别开关器件的控制输出信号；

参考图7，所述PR控制器的输出端上还串联有微分控制器S，微分控制器的输出端并接准PR控制器与比例控制器的输出端。

本发明PR控制环节串联微分校正环节，实现了双零点PR控制器，使用该双零点PR控制与准PR控制并联运行，可以大大提高电流控制精度，解决工程应用中PR控制与准PR共同使用时出现的不稳定问题。

参考图2，外部指令信号可为后台下发的指令性信号。外部指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；外环功率控制单元包括有功功率PI控制器和无功功率PI控制器，对应各相的有功/无功功率PI控制器将相应相别的有功/无功功率指令信号值与实测有功/无功功率值的差值作为输入量，得到相应相别的有功/无功调节的电流调节分量；然后再将各相有功/无功电流调节分量与相应相别的电网实时相角正弦值/余弦值相乘，得到有功/无功调节分量的瞬时值，各相有功与无功调节分量的瞬时值叠加即为相应相别的瞬时电流调节量，也即正弦指令电流值。

参考图7，内环电流控制单元包括对应各相的内环控制器，各内环控制器分别包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器S和比例控制器。

控制模块还包括三相载波调制的脉冲驱动单元，脉冲驱动单元包括分别对应连接各IGBT管栅极的脉冲输出端，脉冲驱动单元的输入端连接内环电流控制单元的控制输出端，通过调节IGBT栅极的脉冲占空实现载波调制，使三相桥式逆变电路的电感电压跟踪内环电流控制单元输出的控制输出信号。

为了实现功率的分相控制，以及提高功率的控制精度，本发明设计了一种建立在三相旋转坐标系下的双闭环控制方法，如图2所示。控制系统外环为功率闭环控制如图3所示，微电网能量管理系统发出的三相指令有功功率信号（P*a、P*b、P*c）、三相指令无功功率信号（Q*a、Q*b、Q*c）与三相桥式逆变电路（B）输出侧实测功率值闭环控制产生单相有功电流与无功电流的峰值指令值，再分别乘以电网A、B、C三相的正弦值（sinA、sinB、sinC）和余弦值（cosA、cosB、cosC），将有功电流与无功电流的峰值指令值转换为有功电流与无功电流的瞬时指令值，最后将每相有功瞬时指令值与无功瞬时指令值相加得到该相的正弦指令电流（i*a、i*b、i*c）。由于功率设定值信号为阶跃信号，因此功率外环控制器使用PI控制器即可实现无静差控制。

控制系统内环为电流内环控制器如图4所示，功率外环合成的正弦指令电流（i*a、i*b、i*c）与三相桥式逆变电路（B）输出侧实测电流（ia、ib、ic）之差通过电流内环控制器实现电流内环的闭环控制。

本发明针对电流内环的存在的控制精度低的问题，设计了一种串联微分校正环节的双零点PR控制器，使用该双零点PR控制可以与准PR控制并联稳定运行，大大提高电流控制精度。解决了工程应用中PR控制与准PR共同使用时出现的不稳定问题。

图5为PR控制器与准PR控制器共同使用时的控制系统框图，图6为该控制框图的开环伯德图，从伯德图可以看出，由于标准PR控制器在5次谐波谐振频率点达到无穷大的增益，在这个频率点之外几乎没有衰减。等效为一个直角滤波器，进而导致控制系统的伯德图在5次谐波信号处即250Hz处的相角裕度为73度，增益裕度仅为0.081dB，稳定性较差，无法应用于储能PCS中。图5和图7中，

是储能PCS的LCL滤波器在自动控制原理中的频域表达式，L是PCS的三相电感值，R是储能PCS电感上的等效电阻，S是拉普拉斯变换算子，Va、Vb、Vc为电流内环的输出值，含义为变流器电感两端的电压差。

本发明在PR控制器传递函数中串联增加一个微分环节，使控制系统开环传函具有两个零点，使控制系统增加阻尼，使系统震荡快速衰减，变得稳定，从频域角度分析，微分环节的相频率特性为-90度，幅值特性为20dB/Dec，PR控制器串联微分环节增加了控制系统的相位裕量，保证了系统的稳定性，添加微分串联后控制系统框图与伯德图如图7所示，控制器伯德图如图8所示。从上图可以看出，通过串联一个微分校正环节，控制器相角裕度约为23度，增益裕度为86.8dB，控制系统稳定性较强。

实施例2

本实施例为一种微电网储能PCS控制方法，三相桥式逆变电路的输入端和输出端分别通过滤波电路连接蓄电池和三相电网；方法包括：

获取外部三相指令信号，所述外部三相指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；

获取三相桥式逆变电路输出端的电压和电流反馈值，并根据电压和电流反馈值计算得到各相实测有功/无功功率值；

实时获取电网三相的相角值；

针对每一相，分别以有功/无功功率指令信号与实测有功/无功功率值的差值为输入量，利用PI控制器进行无静差控制，将PI控制器的输出量结合相应相别的实时相角值，得到正弦指令电流；

针对每一相，以正弦指令电流与电流反馈值的差值作为输入量，利用电流内环控制单元进行控制，得到相应相别的开关器件调制输出信号；

所述电流内环控制单元包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器和比例控制器，PR控制器的输出端串联微分控制器后，与准PR控制器和比例控制器相并联；准PR控制器、微分控制器与比例控制器的输出量相叠加后的输出量，经设定的传递函数后输出，作为用于开关器件驱动的调制输出信号。

所述功率外环控制单元和电流内环控制单元分别在三相旋转坐标系下进行控制。

本发明所应用的PI控制器、准PR控制器、PR控制器、比例控制器、微分控制器，分别皆为现有技术。

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。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种微电网储能PCS控制系统，其特征是，包括：LCL滤波电路、三相桥式逆变电路、直流EMI滤波电路以及控制模块；三相桥式逆变电路的输入端通过直流EMI滤波电路连接蓄电池，输出端通过LCL滤波电路连接三相电网；

三相桥式逆变电路的输出端三相线路上分别设有电流传感器和电压传感器，各电流互感器和电压传感器的输出端分别连接控制模块；

控制模块接收外部三相指令信号，并根据接收到的对应各相的指令信号，以及相应相别电压传感器和电流传感器输入的电压或电流反馈值，控制三相桥式逆变电路中各开关器件的导通或关闭；

控制模块根据三相桥式逆变电路输出端各相的电压和电流反馈值，计算得到各相实测功率值；控制模块包括对应各相的外环功率控制单元和内环电流控制单元；

外环功率控制单元基于相应相别的外部指令信号和实测功率值，利用PI控制器进行无静差控制，得到对应各相的有功电流和无功电流的峰值指令值，进而结合相应相别的电网实时相角值，合成对应的正弦指令电流，输出至内环电流控制单元；

内环电流控制单元将各相正弦指令电流，与三相桥式逆变电路输出端相应相别的电流反馈值进行做差，然后分别通过准PR控制器、PR控制器和比例控制器进行控制，得到相应的低次谐波调节量、高次谐波调节量和直流分量调节量，再对各调节量进行叠加，经电网侧电压的前馈环节后输出，得到用于控制相应相别开关器件的控制输出信号；

所述PR控制器的输出端上还串联有微分控制器，微分控制器的输出端并接准PR控制器与比例控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的微电网储能PCS控制系统，其特征是，三相桥式逆变电路包括相互并联的三组IGBT单元和储能电容，各组IGBT单元由两个IGBT管串联组成，各组IGBT单元中的两IGBT管的连接点分别作为三相交流电源的一相电源输出端。

3.根据权利要求1所述的微电网储能PCS控制系统，其特征是，外部指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；外环功率控制单元包括有功功率PI控制器和无功功率PI控制器，对应各相的有功/无功功率PI控制器将相应相别的有功/无功功率指令信号值与实测有功/无功功率值的差值作为输入量，得到相应相别的有功/无功调节的电流调节分量；然后再将各相有功/无功电流调节分量与相应相别的电网实时相角正弦值/余弦值相乘，得到有功/无功调节分量的瞬时值，各相有功与无功调节分量的瞬时值叠加即为相应相别的瞬时电流调节量，也即正弦指令电流值。

4.根据权利要求1所述的微电网储能PCS控制系统，其特征是，内环电流控制单元包括对应各相的内环控制器，各内环控制器分别包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器和比例控制器。

5.根据权利要求1所述的微电网储能PCS控制系统，其特征是，控制模块还包括三相载波调制的脉冲驱动单元，脉冲驱动单元包括分别对应连接各IGBT管栅极的脉冲输出端，脉冲驱动单元的输入端连接内环电流控制单元的控制输出端，通过调节IGBT栅极的脉冲占空实现载波调制，使三相桥式逆变电路的电感电压跟踪内环电流控制单元输出的控制输出信号。

6.根据权利要求1所述的微电网储能PCS控制系统，其特征是，其特征是，所述功率外环控制单元和电流内环控制单元分别在三相旋转坐标系下进行控制。

7.一种微电网储能PCS控制方法，三相桥式逆变电路的输入端和输出端分别通过滤波电路连接蓄电池和三相电网；其特征是，方法包括：

获取外部三相指令信号，所述外部三相指令信号包括三相有功功率指令信号和三相无功功率指令信号；

获取三相桥式逆变电路输出端的电压和电流反馈值，并根据电压和电流反馈值计算得到各相实测有功/无功功率值；

实时获取电网三相的相角值；

针对每一相，分别以有功/无功功率指令信号与实测有功/无功功率值的差值为输入量，利用PI控制器进行无静差控制，将PI控制器的输出量结合相应相别的实时相角值，得到正弦指令电流；

针对每一相，以正弦指令电流与电流反馈值的差值作为输入量，利用电流内环控制单元进行控制，得到相应相别的开关器件调制输出信号；

所述电流内环控制单元包括准PR控制器、PR控制器、微分控制器和比例控制器，PR控制器的输出端串联微分控制器后，与准PR控制器和比例控制器相并联；准PR控制器、微分控制器与比例控制器的输出量相叠加后的输出量，经设定的传递函数后输出，作为用于开关器件驱动的调制输出信号。

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