CN109617093A - 一种维持电网功率稳定的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种维持电网功率稳定的控制方法，通过比较电网的最大输出功率与实时抽油机负载功率的大小，计算出本发明的控制对象储能并网双向变流器的输出电流的控制参考值，通过调节器调节储能并网双向变流器的输出功率，达到了当抽油机负载变化时能够维持电网输出功率稳定的目的，并且实现了电网输出功率的最大限度的利用。同时，由于本发明在放电时仅含有一个调节器，相对于传统的采用电网电流外环‑变流器输出电流内环的双闭环控制策略，提高了控制系统的调节速度；在充电时增加储能锂电池的恒功率充电控制调节器，实现了锂电池的安全使用，增加了系统的安全性，保证了储能锂电池的使用寿命。

Description

一种维持电网功率稳定的控制方法

技术领域

本发明涉及一种维持电网功率稳定的控制方法，特别涉及一种储能并网双向变流器维持电网功率稳定的控制方法。

背景技术

石油抽油机都是户外工作，并且野外作业的环境一般比较恶劣。其中，野外工作的电网条件较差，存在输出功率不足、输出电压不稳定等问题。针对野外工作电网条件差的问题，一般储能并网双向变流器通过采用电网功率外环-储能并网双向变流器内环的双闭环控制策略，维持工作电网的功率稳定输出，但是该方法具有调节速度慢的缺点。当抽油机负载变化时，由于双闭环调节器的调节速度的影响，不能迅速调节储能并网双向变流器的输出，导致电网输出功率增大造成过流故障。同时采用该方法对储能电池进行充电时，未考虑电池安全使用规则，容易对电池造成损伤，减少电池寿命。

发明内容

为克服油田抽油机野外作业环境恶劣，电网输出功率小、不稳定等缺点，本发明提出一种并网储能双向变流器维持电网功率稳定的控制方法。本发明在最大限度利用电网的前提下，可使电网的输出功率恒定，当负载较轻时，剩余功率送入并网储能双向变流器对电池充电，当负载较重超过电网输出功率最大值时，不足功率由并网储能双向变流器补充。

应用本发明的储能系统拓扑包括：储能锂电池、并网储能双向变流器、抽油机负载、电网电压源、变流器侧断路器、电网侧断路器和负载侧断路器。所述的并网储能双向变流器的直流侧与储能锂电池连接，并网储能双向变流器的交流侧通过变流器侧断路器连接至公共点PCC；电网电压源通过电网侧断路器连接至公共点PCC；抽油机负载通过负载侧断路器连接至公共点PCC。

所述的抽油机负载具有机臂抬起时为重载，机臂下降时为轻载的特点。抽油机负载的机臂在一分钟内约有45s的时间为抬起动作，即重载；抽油机负载的机臂在一分钟内约有15s的时间为下降动作，即轻载。并且抽油机负载的机臂在抬起时所需的功率不小于当前电网所能提供的最大功率。

本发明通过控制储能并网双向变流器的输出电流i_inv来保持电网的输出功率稳定。当抽油机负载的机臂抬起为重载时，电网不足的功率由储能锂电池通过储能并网双向变流器放电提供；当抽油机负载的机臂下降为轻载时，为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能锂电池中。同时为保证锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电。具体如下：

步骤1、对公共点PCC的电压、储能并网双向变流器的输出电流和负载电流进行采样，得到三相静止坐标系下的采样值，公共点PCC的电压采样值为u_PCC，储能并网双向变流器的输出电流采样值为i_inv，负载侧电流的采样值为i_load；对采集到的公共点PCC的电压u_PCC、逆变器输出电流i_inv和负载侧电流i_load进行坐标变换，得到公共点PCC的电压在两相旋转坐标系下的正负序电压v_dp、v_qp、v_dn和v_qn，逆变器输出电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_dp、i_qp、i_dn和i_qn，负载电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_ldp、i_lqp、i_ldn和i_lqn。三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系的坐标变换公式如式(1)所示；

其中：d_p为两相旋转坐标系下d轴正序分量；

q_p为两相旋转坐标系下q轴正序分量；

d_n为两相旋转坐标系下d轴负序分量；

q_n为两相旋转坐标系下q轴负序分量；

a，b，c为三相静止坐标系下abc轴的变量；

步骤2、对储能并网双向变流器的直流侧电压电流进行采样，储能并网双向变流器的直流电压采样值为v_dc，直流电流为i_dc，其中直流电压v_dc即为储能锂电池的输出电压，直流电流i_dc即为储能锂电池的充放电电流，当i_dc>0时，储能锂电池处于充电状态，当i_dc<0时，储能锂电池处于放电状态；

步骤3、根据当前电网要求的最大输出功率P_max计算出d轴正序电网最大带载电流i_ldm，计算方法如式(2)所示；

i_ldm＝P_max/v_dp (2)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

步骤4、判断抽油机负载情况，计算采样坐标变换得到的负载d轴正序电流i_ldp和d轴正序电网最大带载电流i_ldm的差值Δi_d，如式(3)所示；当抽油机负载为重载时Δi_d>0，进入步骤5；当抽油机负载为轻载时Δi_d<0，进入步骤6；

Δi_d＝i_ldp-i_ldm (3)

步骤5、计算储能并网双向变流器的放电电流参考值i_dset，此时抽油机负载为重载，电网的输出功率不能满足抽油机负载的需求，需要储能蓄锂电池通过储能并网双向变流器放电提供不足的功率，储能并网双向变流器放电的电流参考值i_dset如式(4)所示，之后进入步骤8通过调节器控制储能并网双向变流器的输出电流以便维持电网功率稳定；

i_dset＝Δi_d (4)

步骤6、计算储能锂电池恒功率充电的功率参考值P_set，此时抽油机负载为轻载；为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能电池中，此时为保证储能锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电，恒功率充电的功率参考值P_set由当前电网要求的最大输出功率P_max和负载侧功率P_load计算得到，其中负载侧功率P_load的计算公式如式(5)所示，恒功率充电的功率参考值P_set的计算公式如式(6)所示；

P_load＝v_dp·i_ldp+v_qp·i_lqp (5)

P_set＝P_max-P_load (6)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

v_qp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

i_ldp为负载电流在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

i_lqp为负载电流在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

步骤7、对储能锂电池进行恒功率充电，并计算储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset，其中：储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset由恒功率充电的功率参考值P_set，以及储能并网双向变流器的直流电流经过比例积分调节器控制的输出值决定，如式(7)所示；

i_dset＝(P_set/v_dc-i_dc)·(k_{p_dc}+k_{i_dc}/s) (7)

其中：K_{p_dc}为比例积分调节器的比例参数；

K_{i_dc}为比例积分调节器的积分参数；

v_dc为储能蓄电池的输出电压；

i_dc为储能蓄电池的输出电流；

(K_{p_dc}+K_{i_dc}/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤8、计算两相旋转坐标系下的正负序调制电压，将之前步骤5或者步骤7计算得到的储能并网双向变流器充放电电流电流参考值i_dset，和采样坐标变换得到的两相旋转坐标系下的正负序逆变器输出电流i_dp、i_qp、i_dn、i_qn经过比例积分调节器控制输出的两相旋转坐标系下的正负序调制电压，分别标记为：u_mdp、u_mqp、u_mdn、u_mqn，如式(8)所示；

其中：K_p为比例积分调节器的比例参数；

K_i为比例积分调节器的积分参数；

u_mdp为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

u_mqp为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

u_mdn为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴负序分量；

u_mqn为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴负序分量；

(K_p+K_i/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤9、计算三相静止坐标系下的调制波u_ma、u_mb和u_mc，如下式所示，再按照SPWM调制策略产生储能并网双向变流器脉冲波，SPWM调制策略为将三相静止坐标系下的调制电压u_ma、u_mb和u_mc与三角载波进行比较输出脉冲波，当调制电压大于载波电压时脉冲波为高电平，当调制电压小于载波电压时脉冲波为低电平；将产生的脉冲波作用在储能并网双向变流器中功率单元开关器件的门极，控制功率单元中开关器件的开通与关断，从而对储能并网双向变流器的输出功率进行控制，维持电网功率稳定；

本发明通过比较电网的最大输出功率与实时抽油机负载功率的大小，计算出控制对象储能并网双向变流器的输出电流的控制参考值，通过调节器调节储能并网双向变流器的输出功率，达到了当抽油机负载变化时能够维持电网输出功率稳定的目的，并且实现了电网输出功率的最大限度的利用。同时，由于本发明在放电时仅含有一个调节器，相对于传统的采用电网电流外环-变流器输出电流内环的双闭环控制策略，提高了控制系统的调节速度；在充电时增加储能锂电池的恒功率充电控制调节器，实现了锂电池的安全使用，增加了系统的安全性，保证了储能锂电池的使用寿命。

附图说明

图1为系统拓扑图；

图2为变流器控制框图；

图3为使用本发明的双模式变流器在空载、轻载、匹配负载和重载时的仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

应用本发明的系统拓扑如图1所示，包括：储能锂电池U_dc、并网储能双向变流器PCS、抽油机负载、电网电压源U_g、变流器侧断路器K1、电网侧断路器K2和负载侧断路器K3。所述的并网储能双向变流器PCS的直流侧与储能电池U_dc连接，并网储能双向变流器的交流侧通过变流器侧断路器K1连接至公共点连接点PCC；电网电压源通过电网侧断路器K2连接至公共点PCC；抽油机负载通过负载侧断路器K3连接至公共点PCC。

所述的抽油机负载具有机臂抬起时为重载，机臂下降时为轻载的特点。抽油机负载的机臂在一分钟内约有45s的时间为抬起动作，即重载；抽油机负载的机臂在一分钟内约有15s的时间为下降动作，即轻载。并且抽油机负载的机臂在抬起时所需的功率不小于当前电网所能提供的最大功率。

如图2所示，本发明通过控制储能并网双向变流器的输出电流i_inv来保持电网的输出功率稳定。当抽油机负载的机臂抬起为重载时，电网不足的功率由储能锂电池通过储能并网双向变流器放电提供；当抽油机负载的机臂下降为轻载时，为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能锂电池中。同时为保证锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电。具体如下：

步骤1、对公共点PCC的电压、储能并网双向变流器的输出电流和负载电流进行采样，得到三相静止坐标系下的采样值，公共点PCC的电压采样值为u_PCC，储能并网双向变流器的输出电流采样值为i_inv，负载侧电流的采样值为i_load；对采集到的公共点PCC的电压u_PCC、逆变器输出电流i_inv和负载侧电流i_load进行坐标变换，得到公共点PCC的电压在两相旋转坐标系下的正负序电压v_dp、v_qp、v_dn和v_qn，逆变器输出电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_dp、i_qp、i_dn和i_qn，负载电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_ldp、i_lqp、i_ldn和i_lqn，三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系的坐标变换公式如式(1)所示；

其中：d_p为两相旋转坐标系下d轴正序分量；

q_p为两相旋转坐标系下q轴正序分量；

d_n为两相旋转坐标系下d轴负序分量；

q_n为两相旋转坐标系下q轴负序分量；

a，b，c为三相静止坐标系下abc轴的变量；

步骤2、对储能并网双向变流器的直流侧电压电流进行采样，储能并网双向变流器的直流电压采样值为v_dc，直流电流为i_dc，其中直流电压v_dc即为储能锂电池的输出电压，直流电流i_dc即为储能锂电池的充放电电流，当i_dc>0时，储能锂电池处于充电状态，当i_dc<0时，储能锂电池处于放电状态；

步骤3、根据当前电网要求的最大输出功率P_max计算出d轴正序电网最大带载电流i_ldm，计算方法如式(2)所示；

i_ldm＝P_max/v_dp (2)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

步骤4、判断抽油机负载情况，计算采样坐标变换得到的负载d轴正序电流i_ldp和d轴正序电网最大带载电流i_ldm的差值Δi_d，如式(3)所示；当抽油机负载为重载时Δi_d>0，进入步骤5；当抽油机负载为轻载时Δi_d<0，进入步骤6；

Δi_d＝i_ldp-i_ldm (3)

步骤5、计算储能并网双向变流器的放电电流参考值i_dset，此时抽油机负载为重载，电网的输出功率不能满足抽油机负载的需求，需要储能蓄锂电池通过储能并网双向变流器放电提供不足的功率，储能并网双向变流器放电的电流参考值i_dset如式(4)所示，之后进入步骤8通过调节器控制储能并网双向变流器的输出电流以便维持电网功率稳定；

i_dset＝Δi_d (4)

步骤6、计算储能锂电池恒功率充电的功率参考值P_set，此时抽油机负载为轻载，为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能电池中，此时为保证储能锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电，恒功率充电的功率参考值P_set由当前电网要求的最大输出功率P_max和负载侧功率P_load计算得出，其中负载侧功率P_load的计算公式如式(5)所示，恒功率充电的功率参考值P_set的计算公式如式(6)所示；

P_load＝v_dp·i_ldp+v_qp·i_lqp (5)

P_set＝P_max-P_load (6)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

v_qp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

i_ldp为负载电流在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

i_lqp为负载电流在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

步骤7、对储能锂电池进行恒功率充电，并计算储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset，其中：储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset由恒功率充电的功率参考值P_set和储能并网双向变流器的直流电流经过比例积分调节器控制输出值决定，如式(7)所示；

i_dset＝(P_set/v_dc-i_dc)·(k_{p_dc}+k_{i_dc}/s) (7)

其中：K_{p_dc}为比例积分调节器的比例参数；

K_{i_dc}为比例积分调节器的积分参数；

v_dc为储能蓄电池的输出电压；

i_dc为储能蓄电池的输出电流；

(K_{p_dc}+K_{i_dc}/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤8、计算两相旋转坐标系下的正负序调制电压，将之前步骤5或者步骤7计算得到的储能并网双向变流器充放电电流参考值i_dset，和采样坐标变换得到的两相旋转坐标系下的正负序逆变器输出电流i_dp、i_qp、i_dn、i_qn经过比例积分调节器控制输出的两相旋转坐标系下的正负序调制电压，分别标记为：u_mdp、u_mqp、u_mdn、u_mqn，如式(8)所示；

其中：K_p为比例积分调节器的比例参数；

K_i为比例积分调节器的积分参数；

u_mdp为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

u_mqp为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

u_mdn为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴负序分量；

u_mqn为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴负序分量；

(K_p+K_i/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤9、计算三相静止坐标系下的调制波u_ma、u_mb和u_mc，如下式所示，再按照SPWM调制策略产生储能并网双向变流器脉冲波，SPWM调制策略为将三相静止坐标系下的调制电压u_ma、u_mb和u_mc与三角载波进行比较输出脉冲波，当调制电压大于载波电压时脉冲波为高电平，当调制电压小于载波电压时脉冲波为低电平；将产生的脉冲波作用在储能并网双向变流器中功率单元开关器件的门极，控制功率单元中开关器件的开通与关断，从而对储能并网双向变流器的输出功率进行控制，维持电网功率稳定；

Claims (2)

1.一种维持电网功率稳定的控制方法，其特征在于：通过控制储能并网双向变流器的输出电流i_inv来保持电网的输出功率稳定，当抽油机负载的机臂抬起为重载时，电网不足的功率由储能锂电池通过储能并网双向变流器放电提供；当抽油机负载的机臂下降为轻载时，为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能锂电池中，同时为保证锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电。

2.按照权利要求1所述的一种维持电网功率稳定的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1、对公共点PCC的电压、储能并网双向变流器的输出电流和负载电流进行采样，得到三相静止坐标系下的采样值，公共点PCC的电压采样值为u_PCC，储能并网双向变流器的输出电流采样值为i_inv，负载侧电流的采样值为i_load；对采集到的公共点PCC的电压u_PCC、逆变器输出电流i_inv和负载侧电流i_load进行坐标变换，得到公共点PCC的电压在两相旋转坐标系下的正负序电压v_dp、v_qp、v_dn和v_qn，逆变器输出电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_dp、i_qp、i_dn和i_qn，负载电流在两相旋转坐标系下的正负序电流i_ldp、i_lqp、i_ldn和i_lqn，三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系的坐标变换公式如式(1)所示；

其中：d_p为两相旋转坐标系下d轴正序分量；

q_p为两相旋转坐标系下q轴正序分量；

d_n为两相旋转坐标系下d轴负序分量；

q_n为两相旋转坐标系下q轴负序分量；

a，b，c为三相静止坐标系下abc轴的变量；

步骤2、对储能并网双向变流器的直流侧电压电流进行采样，储能并网双向变流器的直流电压采样值为v_dc，直流电流为i_dc，其中直流电压v_dc即为储能锂电池的输出电压，直流电流i_dc即为储能锂电池的充放电电流，当i_dc>0时，储能锂电池处于充电状态，当i_dc<0时，储能锂电池处于放电状态；

步骤3、根据当前电网要求的最大输出功率P_max计算出d轴正序电网最大带载电流i_ldm，计算方法如式(2)所示；

i_ldm＝P_max/v_dp (2)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

步骤4、判断抽油机负载情况，计算采样坐标变换得到的负载d轴正序电流i_ldp和d轴正序电网最大带载电流i_ldm的差值Δi_d，如式(3)所示；当抽油机负载为重载时Δi_d>0，进入步骤5；当抽油机负载为轻载时Δi_d<0，进入步骤6；

△i_d＝i_ldp-i_ldm (3)

步骤5、计算储能并网双向变流器的放电电流参考值i_dset，此时抽油机负载为重载，电网的输出功率不能满足抽油机负载的需求，需要储能蓄锂电池通过储能并网双向变流器放电提供不足的功率，储能并网双向变流器放电的电流参考值i_dset如式(4)所示，之后进入步骤8通过调节器控制储能并网双向变流器的输出电流以便维持电网功率稳定；

i_dset＝△i_d (4)

步骤6、计算储能锂电池恒功率充电的功率参考值P_set，此时抽油机负载为轻载；为了最大限度的利用电网，电网多余的功率通过储能并网双向变流器储存在储能电池中，此时为保证储能锂电池的合理使用，储能锂电池按照恒功率充电方式充电，恒功率充电的功率参考值P_set由当前电网要求的最大输出功率P_max和负载侧功率P_load计算得到，其中负载侧功率P_load的计算公式如式(5)所示，恒功率充电的功率参考值P_set的计算公式如式(6)所示；

P_load＝v_dp·i_ldp+v_qp·i_lqp (5)

P_set＝P_max-P_load (6)

其中：v_dp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

v_qp为公共点PCC电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

i_ldp为负载电流在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

i_lqp为负载电流在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

步骤7、对储能锂电池进行恒功率充电，并计算储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset，其中：储能并网双向变流器的充电电流参考值i_dset由恒功率充电的功率参考值P_set和储能并网双向变流器的直流电流经过比例积分调节器控制输出值决定，如式(7)所示；

i_dset＝(P_set/v_dc-i_dc)·(k_{p_dc}+k_{i_dc}/s) (7)

其中：K_{p_dc}为比例积分调节器的比例参数；

K_{i_dc}为比例积分调节器的积分参数；

v_dc为储能蓄电池的输出电压；

i_dc为储能蓄电池的输出电流；

(K_{p_dc}+K_{i_dc}/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤8、计算两相旋转坐标系下的正负序调制电压，将之前步骤5或者步骤7计算得到的储能并网双向变流器充放电电流电流参考值i_dset和采样坐标变换得到的两相旋转坐标系下的正负序逆变器输出电流i_dp、i_qp、i_dn、i_qn经过比例积分调节器的控制输出两相旋转坐标系下的正负序调制电压，分别标记为：u_mdp、u_mqp、u_mdn、u_mqn，如式(8)所示；

其中：K_p为比例积分调节器的比例参数；

K_i为比例积分调节器的积分参数；

u_mdp为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴正序分量；

u_mqp为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴正序分量；

u_mdn为调制电压在两相旋转坐标系下的d轴负序分量；

u_mqn为调制电压在两相旋转坐标系下的q轴负序分量；

(K_p+K_i/s)为PI调节器在复频域的表达式；

步骤9、计算三相静止坐标系下的调制波u_ma、u_mb和u_mc，如下式所示，再按照SPWM调制策略产生储能并网双向变流器脉冲波，SPWM调制策略为将三相静止坐标系下的调制电压u_ma、u_mb和u_mc与三角载波进行比较输出脉冲波，当调制电压大于载波电压时脉冲波为高电平，当调制电压小于载波电压时脉冲波为低电平；将产生的脉冲波作用在储能并网双向变流器中功率单元开关器件的门极，控制功率单元中开关器件的开通与关断，从而对储能并网双向变流器的输出功率进行控制，维持电网功率稳定；