CN110224439A - 用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于储能并网逆变器的并网‑孤岛模式切换方法，包括获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率；根据电网的工作模式，进行模式切换。本发明提供的这种用于储能并网逆变器的并网‑孤岛模式切换方法，能够实现储能并网逆变器并网/孤岛模式的平滑切换，能够有效的降低不同模式切换下的电流冲击，并且能够有效解决传统PQ控制方式功率跟踪精度不高的问题，有利于储能装置大规模的接入大电网。

Description

用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法

技术领域

本发明具体涉及一种用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力系统的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。

同时，随着绿色发展理念的深入人心，可再生能源已经大规模的接入电网。但是由于电力系统的调峰能力不足，调度运行和调峰成本补偿机制不健全，难以适应可再生能源大规模并网消纳的要求，部分地区弃风、弃水、弃光问题严重。

具有快速、精准调节能力的规模化电池储能相对其他类型的储能拥有能量密度高、选址限制因素少、功率吞吐灵活、能量损耗小等优点，不仅能有效提高电网消纳风光发电并网的能力，而且可以成为电网优质的辅助服务资源。因此，现在电力系统也接入了较大规模的规模化电池储能系统。

但是，规模化的电池储能系统接入电网后，目前包括储能在内的微网系统较为常见的控制策略依然多采用常规的P/Q控制，不便于在采用下垂控制的储能系统中直接集成。因此，当前的储能示范工程仍以主从控制为主。而且PQ控制存在功率控制精度不高的问题，并且在并网时，储能变流器与各DG类似，以P/Q模式运行，直接控制入网电流；而孤岛运行时，则以u/f模式运行，为其他若干DG提供电压和频率基准。但在并网/孤岛模式切换时存在冲击电流过大等问题。采用P/Q控制的并网/孤岛模式平滑切换技术仍存在不足，存在在切换过程的几十毫秒内，微网的母线电压可能出现较大幅度的跌落或过冲，达到了网内其它DG的孤岛保护条件，易导致系统崩溃。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、稳定性好、能够有效降低模式切换下的电流冲击、且跟踪精度较高的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法。

本发明提供的这种用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，包括如下步骤：

S1.获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率；

S2.根据电网的工作模式，采用如下步骤进行模式切换：

电网工作在并网模式：

B3.检测储能电池两端的电压，并计算得到系统基准相位；

B4.检测逆变器的输出电流，并计算得到系统基准幅值；

B5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值；

B6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

B7.根据步骤B6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从并网模式切换至孤岛模式；

电网工作在孤岛模式：

G3.系统直接给定基准相位；

G4.检测逆变器的输出电压幅值，并计算得到系统基准幅值；

G5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值；

G6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

G7.根据步骤G6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从孤岛模式切换至并网模式。

步骤S1所述的获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率，具体为检测电网的三相电压u_a、u_b和u_c，通过dq变换得到q轴电压u_q，然后将q轴电压u_q作为系统输入量通过PI调节获得系统频率调节量ω_c，最后将系统频率调节量ω_c与电网额定频率ω_n叠加，得到电网参考频率ω_ref。

所述的dq变换，具体为采用如下算式进行dq变换：

式中u_d和u_q为dq变换后的电压分量，u_a、u_b和u_c电网的三相电压。

步骤B3所述的检测储能电池两端的电压，并计算得到系统基准相位，具体为检测储能电池两端的电压v_dc，将与给定的直流侧电压的平方做差，再将差值通过PI调节得到逆变器的频率调节量Δω，再将频率调节量Δω与电网基准频率ω_ref叠加后通过积分得到系统基准相位θ。

储能电池两端的电压v_dc与功率的转换算式为：

P_dc≈P_ac

式中v_dc为检测储能电池两端的电压，t为时间，C为储能电池等效电容值。

步骤B4所述的检测逆变器的输出电流，并计算得到系统基准幅值，具体为检测逆变器的输出电流i_a、i_b和i_c，通过瞬时功率理论计算得到储能系统发出的无功Q₀，再将无功Q₀与给定的无功功率指令Q_ref做差，再经过PI调节得到逆变器的幅值调节量Δu，幅值调节量Δu与电网基准幅值u_ref0叠加后得到系统基准幅值u_ref。

步骤B5和步骤G5所述的通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值，具体为采用如下算式计算系统输出电压的指令值：

式中u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，R为电感及线路电阻值，i_d为电流指令的有功分量，i_q为电流指令的无功分量，L为输出滤波电感，ω为逆变器系统基准频率，u_ref为系统基准幅值。

步骤B6和步骤G6所述的dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为dq解耦控制算法的计算式：

式中i_dref为外环输入电流指令有功分量，i_qref为外环输入电流指令无功分量，C_g为输出滤波电容，K_P为PI调节的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，u_dref为输出电压有功分量指令，u_qref为输出电压无功分量指令，u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，ω为系统基准频率，i_dl为电流有功直流分量，i_ql为电流无功直流分量。

步骤B7和步骤G7所述的计算得到三相电压指令值，具体为将内环电流指令值通过内环dq解耦控制算法计算得到输出电压的dq分量，再反变化得到三相电压指令值。

所述的内环dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为内环dq解耦控制算法的计算式：

式中u_dref为输出电压指令有功分量，u_qref为输出电压无功分量，L_g为输出滤波电感，K_P为PI调节中的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，i_dref为输出电流指令有功分量，i_qref为输出电流有功分量，i_d为检测输出电流有功分量，i_q为检测输出电流无功分量，ω为系统基准角频率，L_g为输出电感与线路电感叠加值，u_dl为电网线电压有功分量，u_ql为电网线电压无功分量。

本发明提供的这种用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，能够实现储能并网逆变器并网/孤岛模式的平滑切换，能够有效的降低不同模式切换下的电流冲击，并且能够有效解决传统PQ控制方式功率跟踪精度不高的问题，有利于储能装置大规模的接入大电网。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明方法的并网/孤岛模式平滑切换的整体控制策略示意图。

图3为本发明方法的电网参考频率生成环节。

图4为本发明方法的基于VSG的系统参考相位，幅值控制示意框图。

图5为本发明方法的系统参考频率随直流侧电压平方变化曲线示意图。

图6为本发明方法的系统电压参考幅值随无功指令变化曲线示意图。

图7为本发明方法的系统切换过程的整体控制结构示意图。

图8为本发明方法的储能并网逆变器多环控制系统的控制示意框图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图，图2为本发明方法的并网/孤岛模式平滑切换的整体控制策略示意图；本发明提供的这种用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，适用于工作在并网/孤岛模式下的储能并网逆变器，图7为系统的整体切换示意图，其特征在于，储能并网逆变器每相由两个绝缘栅双极晶体管串联组成，每个晶体管都带有反并联的二极管，上晶体管的集电极连接储能电池的阳极，下晶体管的发射极连接储能电池的负极；逆变器输出通过LC滤波器并入电网馈线PCC，当电网故障时，系统并网开关断开，储能逆变器单独为符合供电。本发明方法具体包括如下步骤：

S1.获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率(如图3所示)；具体为检测电网的三相电压u_a、u_b和u_c，通过dq变换得到q轴电压u_q，然后将q轴电压u_q作为系统输入量通过PI调节获得系统频率调节量ω_c，最后将系统频率调节量ω_c与电网额定频率ω_n叠加，得到电网参考频率ω_ref；

采用如下算式进行dq变换：

式中u_d和u_q为dq变换后的电压分量，u_a、u_b和u_c电网的三相电压；

S2.根据电网的工作模式并且考虑到当系统出现功率缺额和无功不足时，电力系统中的源的频率和功率，电压和无功的变化关系(如图5，6所示)，采用如下步骤进行模式切换：

电网工作在并网模式：

B3.检测储能电池两端的电压，并计算得到系统基准相位(如图4所示)；具体为检测储能电池两端的电压v_dc，将与给定的直流侧电压的平方做差，再将差值通过PI调节得到逆变器的频率调节量Δω，再将频率调节量Δω与电网基准频率ω_ref叠加后通过积分得到系统基准相位θ；

储能电池两端的电压v_dc与功率的转换算式为：

P_dc≈P_ac

式中v_dc为检测储能电池两端的电压，t为时间，C为储能电池等效电容值；

B4.检测逆变器的输出电流，并计算得到系统基准幅值；具体为检测逆变器的输出电流i_a、i_b和i_c，通过瞬时功率理论计算得到储能系统发出的无功Q₀，再将无功Q₀与给定的无功功率指令Q_ref做差，再经过PI调节得到逆变器的幅值调节量Δu，幅值调节量Δu与电网基准幅值u_ref0叠加后得到系统基准幅值u_ref；

B5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值(如图8所示)；

B6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

B7.根据步骤B6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从并网模式切换至孤岛模式；

电网工作在孤岛模式：

G3.系统直接给定基准相位；

G4.检测逆变器的输出电压幅值，并计算得到系统基准幅值；

G5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值；

G6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

G7.根据步骤G6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从孤岛模式切换至并网模式。

步骤B5和步骤G5所述的通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值，具体为采用如下算式计算系统输出电压的指令值：

式中u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，R为电感及线路电阻值，i_d为电流指令的有功分量，i_q为电流指令的无功分量，L为输出滤波电感，ω为逆变器系统基准频率，u_ref为系统基准幅值。步骤B6和步骤G6所述的dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为dq解耦控制算法的计算式：

式中i_dref为外环输入电流指令有功分量，i_qref为外环输入电流指令无功分量，C_g为输出滤波电容，K_P为PI调节的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，u_dref为输出电压有功分量指令，u_qref为输出电压无功分量指令，u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，ω为系统基准频率，i_dl为电流有功直流分量，i_ql为电流无功直流分量。

步骤B7和步骤G7所述的计算得到三相电压指令值，具体为将内环电流指令值通过内环dq解耦控制算法计算得到输出电压的dq分量，再反变化得到三相电压指令值。所述的内环dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为内环dq解耦控制算法的计算式：

式中u_dref为输出电压指令有功分量，u_qref为输出电压无功分量，L_g为输出滤波电感，K_P为PI调节中的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，i_dref为输出电流指令有功分量，i_qref为输出电流有功分量，i_d为检测输出电流有功分量，i_q为检测输出电流无功分量，ω为系统基准角频率，L_g为输出电感与线路电感叠加值，u_dl为电网线电压有功分量，u_ql为电网线电压无功分量。

Claims (10)

1.一种用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，包括如下步骤：

S1.获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率；

S2.根据电网的工作模式，采用如下步骤进行模式切换：

电网工作在并网模式：

B3.检测储能电池两端的电压，并计算得到系统基准相位；

B4.检测逆变器的输出电流，并计算得到系统基准幅值；

B5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值；

B6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

B7.根据步骤B6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从并网模式切换至孤岛模式；

电网工作在孤岛模式：

G3.系统直接给定基准相位；

G4.检测逆变器的输出电压幅值，并计算得到系统基准幅值；

G5.通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值；

G6.通过dq解耦控制算法和输出电压的指令值计算得到内环电流指令值；

G7.根据步骤G6得到的内环电流指令值，计算得到三相电压指令值，并通过PWM调制得到开关管控制量，从而将系统从孤岛模式切换至并网模式。

2.根据权利要求1所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤S1所述的获取系统的运行参数和工作模式，并计算得到电网参考频率，具体为检测电网的三相电压u_a、u_b和u_c，通过dq变换得到q轴电压u_q，然后将q轴电压u_q作为系统输入量通过PI调节获得系统频率调节量ω_c，最后将系统频率调节量ω_c与电网额定频率ω_n叠加，得到电网参考频率ω_ref。

3.根据权利要求2所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于所述的dq变换，具体为采用如下算式进行dq变换：

式中u_d和u_q为dq变换后的电压分量，u_a、u_b和u_c电网的三相电压。

4.根据权利要求1所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤B3所述的检测储能电池两端的电压，并计算得到系统基准相位，具体为检测储能电池两端的电压v_dc，将与给定的直流侧电压的平方做差，再将差值通过PI调节得到逆变器的频率调节量Δω，再将频率调节量Δω与电网基准频率ω_ref叠加后通过积分得到系统基准相位θ。

5.根据权利要求4所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于储能电池两端的电压v_dc与功率的转换算式为：

P_dc≈P_ac

式中v_dc为检测储能电池两端的电压，t为时间，C为储能电池等效电容值。

6.根据权利要求1～5之一所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤B4所述的检测逆变器的输出电流，并计算得到系统基准幅值，具体为检测逆变器的输出电流i_a、i_b和i_c，通过瞬时功率理论计算得到储能系统发出的无功Q₀，再将无功Q₀与给定的无功功率指令Q_ref做差，再经过PI调节得到逆变器的幅值调节量Δu，幅值调节量Δu与电网基准幅值u_ref0叠加后得到系统基准幅值u_ref。

7.根据权利要求6所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤B5和步骤G5所述的通过系统的有功指令、无功指令和系统基准幅值，计算得到系统输出电压的指令值，具体为采用如下算式计算系统输出电压的指令值：

式中u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，R为电感及线路电阻值，i_d为电流指令的有功分量，i_q为电流指令的无功分量，L为输出滤波电感，ω为逆变器系统基准频率，u_ref为系统基准幅值。

8.根据权利要求7所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤B6和步骤G6所述的dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为dq解耦控制算法的计算式：

式中i_dref为外环输入电流指令有功分量，i_qref为外环输入电流指令无功分量，C_g为输出滤波电容，K_P为PI调节的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，u_dref为输出电压有功分量指令，u_qref为输出电压无功分量指令，u_d为系统输出电压的有功指令值，u_q为系统输出电压的无功指令值，ω为系统基准频率，i_dl为电流有功直流分量，i_ql为电流无功直流分量。

9.根据权利要求8所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于步骤B7和步骤G7所述的计算得到三相电压指令值，具体为将内环电流指令值通过内环dq解耦控制算法计算得到输出电压的dq分量，再反变化得到三相电压指令值。

10.根据权利要求9所述的用于储能并网逆变器的并网-孤岛模式切换方法，其特征在于所述的内环dq解耦控制算法，具体为采用如下算式作为内环dq解耦控制算法的计算式：

式中u_dref为输出电压指令有功分量，u_qref为输出电压无功分量，L_g为输出滤波电感，K_P为PI调节中的比例参数，K_i为PI调节的积分参数，s为积分算子，i_dref为输出电流指令有功分量，i_qref为输出电流有功分量，i_d为检测输出电流有功分量，i_q为检测输出电流无功分量，ω为系统基准角频率，L_g为输出电感与线路电感叠加值，u_dl为电网线电压有功分量，u_ql为电网线电压无功分量。