CN109888829B - 基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统 - Google Patents

基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统 Download PDF

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Abstract

基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统，涉及离并网无缝切换技术领域。本发明为了解决现有的离并网无缝切换控制中采用的下垂控制存在控制速度较慢，对瞬态的网侧电压波动及直流输入侧的波动无法实现良好的动态补偿，并且无法对逆变器输出电流进行直接控制，并网状态下注入电网中的电能质量不可控，并网电流波形无法达到理想状态的问题。控制系统用于实时监测离网控制系统中逆变器输出电压和并网控制系统中电网电压，当检测到电网发生故障且短时间内无法恢复时，断开静态开关，在离网控制系统控制下工作，当逆变器输出电压的过零点与电网电压的过零点重合时，闭合静态开关，在并网控制系统控制下工作。它用于实现离并网无缝切换。

Description

基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统
技术领域
本发明涉及基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统。属于离并网无缝切换技术领域。
背景技术
光伏微网与传统电网相比，有三种运行状态：孤岛运行、并网运行和离/并网切换运行模式。孤岛运行时，要求其能够维持自身电压和频率的稳定，将能量供给本地负载，并网逆变器工作在电压源模式。并网运行时，光伏微网通过PCC点与大电网相连，在保证本地负载功率需求的同时与大电网进行功率交换，并网逆变器通常工作在电流源模式。在离并网切换过程中，由于采用不同的控制策略，将产生暂态冲击，甚至影响微网系统及主网系统的稳定运行、影响设备的使用寿命。
为保证切换过程平滑无冲击，应当设计相应的控制策略。有学者提出通过对电压电流加权控制实现无缝切换控制策略，并给出了加权系数选取原则。然而，该控制器结构复杂，且仍然是基于传统的离网电压型控制和并网电流型控制，从本质上未实现控制器在离并网状态下的统一，仍然存在一定程度的离并网切换瞬态冲击。还有学者提出了基于超级电容和蓄电池混合储能系统实现无缝切换控制策略。但该方法采用了额外的装置，增加了成本。
下垂控制是广泛应用于逆变器并联系统中的一种控制方法，其基本思想源自于同步发电机的下垂外特性，引入下垂方程建立了逆变器输出电压频率幅值和有功无功功率的线性关系。但是，传统下垂控制在应用于并网控制中存在诸多缺陷。其中，由于下垂方程入口参数包括逆变器输出的有功和无功功率，因而控制速度被限制在了工频周期，最外环的控制速度较慢，对瞬态的网侧电压波动及直流输入侧的波动无法实现良好的动态补偿。甚至，传统下垂控制仍然无法对逆变器输出电流进行直接控制，并网状态下注入电网中的电能质量不可控，并网电流波形无法达到理想状态。
发明内容
本发明是为了解决现有的离并网无缝切换控制中采用的下垂控制存在控制速度较慢，对瞬态的网侧电压波动及直流输入侧的波动无法实现良好的动态补偿，并且无法对逆变器输出电流进行直接控制，并网状态下注入电网中的电能质量不可控，并网电流波形无法达到理想状态的问题。现提供基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统。
基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统，它包括控制系统、离网控制系统和并网控制系统，
控制系统，用于实时监测离网控制系统中逆变器输出电压和并网控制系统中电网电压，当检测到电网发生故障且短时间内无法恢复时，控制静态开关断开，使光伏微网系统在离网控制系统的控制下工作，当逆变器输出电压的过零点与电网电压的过零点重合时，闭合静态开关，使光伏微网系统在并网控制系统的控制下工作，实现离并网无缝切换；
并网控制系统4，用于将电网输出电压vgrid经过锁频环控制生成电网相位θgrid，并采集光伏侧的电流IPVn和电压VPVn经由MPPT控制器生成光伏侧的参考电压VPVrefn，光伏侧的参考电压VPVrefn同电网相位θgrid一起输入到电流型控制器进行处理，生成全桥逆变电路的驱动信号，驱动光伏微网系统为负载供电并将多余能量馈送至电网；
离网控制系统包括逆变器输出有功功率稳定模块1，电压控制模块2和电流控制模块3，
逆变器输出有功功率稳定模块1，用于将采集的逆变器输出电压vacn经过锁频环FLL生成逆变器输出电压参考相位θrefn，同时生成的角频率ωn送入到改进的感性下垂方程中得到光伏侧参考功率VPVrefn，与光伏输入电流IPVn做除法得到光伏侧的参考电压VPVrefn送入到电流控制模块3中，以维持光伏侧输入功率与逆变器输出侧负载功率平衡；
电压控制模块2，用于采集逆变器输出电压vacn和电流iacn经过功率计算得到无功功率Qn，该无功功率Qn经过无功感性下垂控制器进行无功控制，生成参考幅值Vrefn，该参考幅值Vrefn乘以所述参考相位的正弦函数sin(θrefn)得到交流参考电压vacrefn，用该交流参考电压vacrefn减去逆变器输出电压vacn得到值送入输出电压PI控制器中，该控制器输出的值送入电流控制模块3中；
电流控制模块3，用于对光伏侧的参考电压VPVrefn和控制器输出的值进行控制，生成全桥逆变电路的驱动信号，来驱动逆变器的开关管工作，从而稳定直流母线电压并输出正弦交流电压。
本发明的有益效果为：
本申请在离网条件下，逆变器输出电压环也就是逆变器输出有功功率稳定模块用来稳定输出电压，为光伏微网提供电压支撑，内部电流环也就是电流型控制模块的存在保证内部呈现电流型控制特性，内部电流环相位参考为输出电压相位。并网条件下，逆变器输出电压由电网支撑，无需输出电压环，内部电流环相位参考为电网电压相位。直流母线环与内环的准PR控制器在离并网状态下保证了控制结构的高度一致性。对比切换前后的控制策略可以看出，离网条件下的光伏输出功率通过改进感性下垂方程得到。并网条件下光伏单元采用MPPT控制实现最大功率输出。本质上均属于恒功率控制。输出侧控制差异仅在于逆变器输出电流的相位参考。本申请的基于改进感性下垂控制的无缝切换控制策略可以保证逆变器的离并网无缝切换。
本申请的改进感性下垂控制器相比现有传统感性下垂控制器控制速度快，可以对逆变器输出电流进行直接控制，并且能够控制并网状态下注入电网中的电能质量。
本发明提出一种基于改进感性下垂控制的光伏并联系统离并网无缝切换技术。该方法在离并网状态下均采用统一的电流型控制器，实现了模式切换的顺滑过渡，从根本上消除了切换冲击，保证了系统的稳定运行。
附图说明
图1为离网控制框图，附图标记1-1表示改进的感性下垂方程；
图2为并网控制框图；
图3为并联逆变器并网切换瞬间实验波形图；
图4为并联逆变器离网切换瞬间实验波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统，它包括控制系统、离网控制系统和并网控制系统，
控制系统，用于实时监测离网控制系统中逆变器输出电压和并网控制系统中电网电压，当检测到电网发生故障且短时间内无法恢复时，控制静态开关断开，使光伏微网系统在离网控制系统的控制下工作，当逆变器输出电压的过零点与电网电压的过零点重合时，闭合静态开关，使光伏微网系统在并网控制系统的控制下工作，实现离并网无缝切换；
并网控制系统4，用于将电网输出电压vgrid经过锁频环控制生成电网相位θgrid，并采集光伏侧的电流IPVn和电压VPVn经由MPPT控制器生成光伏侧的参考电压VPVrefn，光伏侧的参考电压VPVrefn同电网相位θgrid一起输入到电流型控制器进行处理，生成全桥逆变电路的驱动信号，驱动光伏微网系统为负载供电并将多余能量馈送至电网；
离网控制系统包括逆变器输出有功功率稳定模块1，电压控制模块2和电流控制模块3，
逆变器输出有功功率稳定模块1，用于将采集的逆变器输出电压vacn经过锁频环FLL生成逆变器输出电压参考相位θrefn，同时生成的角频率ωn送入到改进的感性下垂方程中得到光伏侧参考功率VPVrefn，与光伏输入电流IPVn做除法得到光伏侧的参考电压VPVrefn送入到电流控制模块3中，以维持光伏侧输入功率与逆变器输出侧负载功率平衡；
电压控制模块2，用于采集逆变器输出电压vacn和电流iacn经过功率计算得到无功功率Qn，该无功功率Qn经过无功感性下垂控制器进行无功控制，生成参考幅值Vrefn，该参考幅值Vrefn乘以所述参考相位的正弦函数sin(θrefn)得到交流参考电压vacrefn，用该交流参考电压vacrefn减去逆变器输出电压vacn得到值送入输出电压PI控制器中，该控制器输出的值送入电流控制模块3中；
电流控制模块3，用于对光伏侧的参考电压VPVrefn和控制器输出的值进行控制，生成全桥逆变电路的驱动信号，来驱动逆变器的开关管工作，从而稳定直流母线电压并输出正弦交流电压。
本实施方式中，电流型并网控制策略框图如图2所示。为实现最大功率输出，光伏单元采用MPPT控制，确定直流母线电压参考，经过PI控制产生逆变器输出电流幅值参考。锁频环输出电网相位作为逆变器输出电流相位参考。逆变器输出电流经过准PR控制器生成全桥逆变电路驱动信号。图1中的iacn为逆变器输出电流。
当检测到电网发生故障且短时间内无法恢复时，控制静态开关断开，其中，电网发生故障是指电网电压幅值跌落20％～100％或电网电压频率波动超过5％，短时间是指根据电网标准，一般为0.6秒。
电压控制模块2用于维持输出电压的稳定。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统作进一步说明，本实施方式中，电流型控制器的控制过程为：
用光伏侧的参考电压VPVrefn减去采集的光伏电压VPVn送入到光伏电压PI控制器中得到内环电流幅值参考，并乘以电网相位θgrid得到逆变器输出参考电流iLrefn，该参考电流iLrefn减去采集的逆变器输出侧电感电流iLn得到值经过内环PR控制器调节，生成全桥逆变电路的驱动信号，驱动光伏微网系统为负载供电并将多余能量馈送至电网。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统作进一步说明，本实施方式中，电流控制模块3，用于对光伏侧的参考电压VPVrefn和控制器输出的值进行控制，生成全桥逆变电路的驱动信号，的具体过程为：
用光伏侧的参考电压VPVrefn减去采集的光伏侧电压VPVn得到的值送入光伏电压PI控制器中，光伏电压PI控制器的输出乘以所述参考相位的正弦函数sin(θrefn)得到值与电压控制模块2中输出电压PI控制器的输出进行叠加得到逆变器输出参考电流iLrefn，该参考电流iLrefn减去采集的逆变器输出侧电感电流iLn得到值经过内环PR控制器调节，生成全桥逆变电路的驱动信号。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统作进一步说明，本实施方式中，改进的感性下垂方程为：
Figure BDA0002002812290000051
式中，Pn＝PPVrefn，Pon为额定有功功率，
Figure BDA0002002812290000052
为改进的有功下垂方程控制系数，ωn为角频率，ωon为额定角频率。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统作进一步说明，本实施方式中，无功感性下垂控制器的控制公式为：
Vn＝Von-kqn(Qn-Qon)公式2，
式中，Vn＝Vrefn，Von为额定无功功率，kqn为改进的无功下垂方程控制系数，Qn为无功功率，Qon为额定无功功率。
结果验证：
为了验证本发明方法的实用性，采用单级式光伏逆变器拓扑结构，设计了两台额定功率1kW的实验样机。光伏输入电压为390V～460V，逆变器输出额定电压为220V AC、50Hz，开关频率为10kHz。
图3为并联逆变器并网切换瞬间实验波形。1号逆变器和2号逆变器本地负载分别为130Ω和100Ω，t1时刻之前两逆变器离网并联运行，分别为本地负载提供431W和424W功率，光伏侧输出电压VPV1和VPV2分别为447.0V和447.5V，与之相对应的，两台逆变器的输出频率fvac1和fvac2分别为50.5Hz和50.5Hz。同时，上位机实时监测逆变器输出电压vac1、vac2和电网输出电压vgrid的过零点，当逆变器的输出电压与电网输出电压的上升沿过零点重合时，上位机输出并网控制信号使静态开关闭合，并将控制策略转变为电流型并网控制策略。t1时刻之后，系统并网运行时，两台逆变器实现最大功率跟踪控制，光伏侧输出功率分别为975W和972W，并网电流经过三个工频周期有0A变为6.2A。同时，光伏侧输出电压追踪直流母线参考值400V并分别稳定在400.4V和400.6V。逆变器输出电流iac2和并网电流igrid在并联系统模式切换瞬间平滑过渡无明显冲击，并网电流正弦度良好无畸变。
图4为并联逆变器并网到离网切换瞬间实验波形。在t2时刻之前两逆变器处于并网状态，在t2时刻由上位机控制并网静态开关断开，并控制两逆变器转变为离网控制策略。由实验结果可以看出，在切换点之后的一个工频周期调节过程后，两逆变器迅速恢复稳态并联运行，输出电流正弦度良好且实现本地负载功率均分。由此可以验证控制策略在微网级别的并联逆变器系统控制中，可以实现离并网运模式的无缝切换。

Claims (1)

1.基于改进感性下垂控制的光伏微网系统离并网无缝切换系统，其特征在于，它包括控制系统、离网控制系统和并网控制系统，
控制系统，用于实时监测离网控制系统中逆变器输出电压和并网控制系统中电网电压，当检测到电网发生故障且短时间内无法恢复时，控制静态开关断开，使光伏微网系统在离网控制系统的控制下工作，当逆变器输出电压的过零点与电网电压的过零点重合时，闭合静态开关，使光伏微网系统在并网控制系统的控制下工作，实现离并网无缝切换；
并网控制系统(4)，用于将电网输出电压vgrid经过锁频环控制生成电网相位θgrid，并采集光伏侧的电流IPVn和电压VPVn经由MPPT控制器生成光伏侧的参考电压VPVrefn，光伏侧的参考电压VPVrefn同电网相位θgrid一起输入到电流型控制器进行处理，生成全桥逆变电路的驱动信号，驱动光伏微网系统为负载供电并将多余能量馈送至电网；
离网控制系统包括逆变器输出有功功率稳定模块(1)，电压控制模块(2)和电流控制模块(3)，
逆变器输出有功功率稳定模块(1)，用于将采集的逆变器输出电压vacn经过锁频环FLL生成逆变器输出电压参考相位θrefn，同时生成的角频率ωn送入到改进的感性下垂方程中得到光伏侧参考功率VPVrefn，与光伏输入电流IPVn做除法得到光伏侧的参考电压VPVrefn送入到电流控制模块(3)中，以维持光伏侧输入功率与逆变器输出侧负载功率平衡；
电压控制模块(2)，用于采集逆变器输出电压vacn和电流iacn经过功率计算得到无功功率Qn，该无功功率Qn经过无功感性下垂控制器进行无功控制，生成参考幅值Vrefn，该参考幅值Vrefn乘以所述参考相位的正弦函数sin(θrefn)得到交流参考电压vacrefn，用该交流参考电压vacrefn减去逆变器输出电压vacn得到值送入输出电压PI控制器中，该控制器输出的值送入电流控制模块(3)中；
电流控制模块(3)，用于对光伏侧的参考电压VPVrefn和控制器输出的值进行控制，生成全桥逆变电路的驱动信号，来驱动逆变器的开关管工作，从而稳定直流母线电压并输出正弦交流电压；
电流型控制器的控制过程为：
用光伏侧的参考电压VPVrefn减去采集的光伏电压VPVn送入到光伏电压PI控制器中得到内环电流幅值参考，并乘以电网相位θgrid得到逆变器输出参考电流iLrefn，该参考电流iLrefn减去采集的逆变器输出侧电感电流iLn得到值经过内环PR控制器调节，生成全桥逆变电路的驱动信号，驱动光伏微网系统为负载供电并将多余能量馈送至电网；
电流控制模块(3)，用于对光伏侧的参考电压VPVrefn和控制器输出的值进行控制，生成全桥逆变电路的驱动信号，具体过程为：
用光伏侧的参考电压VPVrefn减去采集的光伏侧电压VPVn得到的值送入光伏电压PI控制器中，光伏电压PI控制器的输出乘以所述参考相位的正弦函数sin(θrefn)得到值与电压控制模块(2)中输出电压PI控制器的输出进行叠加得到逆变器输出参考电流iLrefn，该参考电流iLrefn减去采集的逆变器输出侧电感电流iLn得到值经过内环PR控制器调节，生成全桥逆变电路的驱动信号；
改进的感性下垂方程为：
Figure FDA0003697501060000021
式中，Pn＝PPVrefn，Pon为额定有功功率，
Figure FDA0003697501060000022
为改进的有功下垂方程控制系数，ωn为角频率，ωon为额定角频率；
无功感性下垂控制器的控制公式为：
Vn＝Von-kqn(Qn-Qon) 公式2，
式中，Vn＝Vrefn，Von为额定无功功率，kqn为改进的无功下垂方程控制系数，Qn为无功功率，Qon为额定无功功率。
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