CN111697619B - 微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统 - Google Patents

微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统，包括：逆变器并网稳定运行步骤：设置逆变器初始的稳定运行状态；孤岛状态检测步骤：通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；若是，则获取微电网非计划离网信息；逆变器控制模式切换步骤：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中对切换过程产生的冲击电流进行削弱；逆变器孤岛稳定运行步骤：逆变器控制模式切换后，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器重新并网。本发明中，微电网出现非计划离网时，微电网逆变器自动切换控制模式，增强微电网逆变器运行的可靠性。

Description

微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统
技术领域
本发明涉及微电网逆变器技术领域，具体地，涉及一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统。
背景技术
适用于微电网运行的逆变器一般要求其能够工作于微电网并网和孤岛运行两种运行状态。但是，一般而言，并网运行逆变器与孤岛运行逆变器控制方法有着较大的差异。逆变器并网运行一般采用电流源型控制模式，孤岛运行时逆变器一般采用电压源型控制模式。而当与微电网相连的配电网存在故障或电能质量下降时，微电网将出现非计划离网的情况，若无良好的切换辅助措施，运行控制模式切换过程中将产生较大的电流冲击。因此能够确保微电网逆变器在微电网出现非计划孤岛时其运行模式能够自动且平滑的切换是保证微电网稳定可靠运行的重要要求。
目前针对微电网逆变器控制方法的设计中绝大多数针对于其中一种运行模式，而对微电网逆变器中非计划离网过程中微电网逆变器控制模式切换方法研究较少。设计一种微电网逆变器非计划离网过程中的自动模式切换方法将提高微电网逆变器面对主配电网故障时的适应能力，提高微电网的稳定性。
专利文献CN110635507A提出了一种用于孤岛和并网运行的微电网逆变器控制方法。其特点在于采用电压源型控制方法，通过计算逆变器输出的有功功率和无功功率来修正输出电压的频率和有效值。其缺点在于电压源型的并网逆变器无法做到实时跟踪可再生能源发电设备的输出功率。
专利文献CN110880774A提出了一种自适应调整的逆变控制器，可以较好地抑制系统低频振荡，但没有解决其非计划孤岛过程的切换问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法及系统。
根据本发明提供的一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法，包括：
逆变器并网稳定运行步骤：设置逆变器初始的稳定运行状态；
孤岛状态检测步骤：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；若是，则获取微电网非计划离网信息；
逆变器控制模式切换步骤：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中采用自适应虚拟电阻方法对切换过程产生的冲击电流进行削弱；
逆变器孤岛稳定运行步骤：逆变器控制模式切换后达到的新的稳定运行状态，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器将有计划地重新并网。
优选地，所述逆变器并网稳定运行步骤包括：电流控制型控制步骤：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态。
优选地，所述孤岛状态检测步骤包括：电压有效值检测步骤：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息。
优选地，所述逆变器控制模式切换步骤包括：
冲击电流削弱步骤：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
优选地，所述逆变器孤岛稳定运行步骤包括：控制器设置步骤：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
根据本发明提供的一种微电网逆变器非计划离网控制切换系统，包括：逆变器并网稳定运行模块：设置逆变器初始的稳定运行状态；
孤岛状态检测模块：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；
若是，则获取微电网非计划离网信息；
逆变器控制模式切换模块：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中采用自适应虚拟电阻方法对切换过程产生的冲击电流进行削弱；
逆变器孤岛稳定运行模块：逆变器控制模式切换后达到的新的稳定运行状态，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器将有计划地重新并网。
优选地，所述逆变器并网稳定运行模块包括：电流控制型控制模块：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态。
优选地，所述孤岛状态检测模块包括：
电压有效值检测模块：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息。
优选地，所述逆变器控制模式切换模块包括：
冲击电流削弱模块：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
优选地，所述逆变器孤岛稳定运行模块包括：
控制器设置模块：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中，逆变器并网运行与孤岛运行分别采用电流源型控制与电压源型控制方式，使微电网逆变器在并网和孤岛运行模式中均能保持较好的动态和静态响应性能；
2、本发明中，动态切换过程采用自适应虚拟电阻方法，保证微电网逆变器孤岛下垂运行过程功率分配，同时降低了控制模式切换过程中带来的电流冲击；
3、本发明中，微电网出现非计划离网时，微电网逆变器自动切换控制模式，增强微电网逆变器运行的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的微电网非计划离网控制模式切换系统结构示意图；
图2为本发明实施例中的两并联逆变器冲击环流产生原理示意图；
图3为本发明实施例中的采用自适应虚拟电阻方法与不采用此方法时冲击电流对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-3所示，根据本发明提供的一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法，包括：逆变器并网稳定运行步骤：设置逆变器初始的稳定运行状态；孤岛状态检测步骤：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；若是，则获取微电网非计划离网信息；逆变器控制模式切换步骤：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中采用自适应虚拟电阻方法对切换过程产生的冲击电流进行削弱；逆变器孤岛稳定运行步骤：逆变器控制模式切换后达到的新的稳定运行状态，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器将有计划地重新并网。
优选地，所述逆变器并网稳定运行步骤包括：电流控制型控制步骤：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态。
优选地，所述孤岛状态检测步骤包括：电压有效值检测步骤：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息。
优选地，所述逆变器控制模式切换步骤包括：
冲击电流削弱步骤：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
优选地，所述逆变器孤岛稳定运行步骤包括：控制器设置步骤：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
根据本发明提供的一种微电网逆变器非计划离网控制切换系统，包括：逆变器并网稳定运行模块：设置逆变器初始的稳定运行状态；
孤岛状态检测模块：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；
若是，则获取微电网非计划离网信息；
逆变器控制模式切换模块：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中采用自适应虚拟电阻方法对切换过程产生的冲击电流进行削弱；
逆变器孤岛稳定运行模块：逆变器控制模式切换后达到的新的稳定运行状态，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器将有计划地重新并网。
优选地，所述逆变器并网稳定运行模块包括：电流控制型控制模块：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态。
优选地，所述孤岛状态检测模块包括：
电压有效值检测模块：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息。
优选地，所述逆变器控制模式切换模块包括：
冲击电流削弱模块：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
优选地，所述逆变器孤岛稳定运行模块包括：
控制器设置模块：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
具体地，如图1所示，本发明旨在对原有逆变器中的控制回路加以改进，以实现微电网运行过程中非计划离网出现时逆变器运行模式的切换。本发明所提供的控制回路包括孤岛检测、并网和孤岛下垂模式控制器和自适应虚拟电阻模块。当微电网稳定运行于并网和孤岛运行模式时，控制器分别稳定运行于并网和孤岛下垂模式，自适应虚拟电阻模块不起作用；当微电网出现非计划离网时，由孤岛检测模块判定微电网处于孤岛运行后控制器切换至孤岛下垂控制模式，同时自适应虚拟电阻模块生效，避免切换过程产生较大的电流冲击。随时间推进，逆变器进入孤岛运行过程的稳态，自适应虚拟电阻模块不再起作用，避免因虚拟电阻的接入导致逆变器功率分配不均。
孤岛检测模块用于检测逆变器所在的微电网是否处于孤岛运行状态。一般来说，失去了主网的电压支撑，仅靠电流源型逆变器支撑的微电网将出现很大幅度的电压波动。根据GB/T 12325-2008电能质量标准，35kV及以上电压等级电压偏差要求小于±10％，10kV及以下电压偏差小于±7％，220V小于+7％，-10％，据此设定孤岛检测模块的判定阈值。
并网控制器采用电流源型的控制模式，稳态并网运行时电流源型的控制模式对前级可再生能源发电设备的最大功率跟踪响应较快，相较电压控制型更适合作为并网的运行模式。而孤岛运行采用无功电压和有功频率下垂控制器，可以保证多台并联逆变器在孤岛运行的微电网中实现功率的平衡分配，同时可以对微电网提供可靠的电压支撑。
自适应虚拟电阻模块是对原有下垂控制中常用的虚拟阻抗方法的改进。由于微电网逆变器由并网运行模式切换至孤岛运行模式瞬间，各逆变器之间将由于功角不匹配出现冲击性的环流。如图2所示以两逆变器并联运行为例，控制模式切换瞬间产生的环流大小为：
其中U1，θ1，Z1和U2，θ2，Z2分别为两个逆变器的输出电压幅值相角以及输出阻抗。因此，只要在切换时使得逆变器有着较大的输出阻抗即可避免较大环流的产生。但由于微电网逆变器控制中，逆变器的稳定性受虚拟电感影响较大，较大的虚拟电感将造成并联逆变器系统不稳定。而较大的虚拟电阻将使得稳态条件下并联逆变器功率分配不平衡。因此，本发明采用自适应虚拟电阻方法，在切换的初期逆变器的虚拟电阻较大，而随着新的稳态逐渐形成，虚拟电阻值将逐渐减小至正常运行水平。优选地，设计虚拟电阻Rvirtual的变化规律为：
其中Rs为初始虚拟电阻，R0为稳态虚拟电阻，τ为衰减时间常数，t0为切换时间时刻。其中τ的选取应至少大于下垂环调节时间的5倍，以保证虚拟电阻的适应率对逆变器的稳定性不产生严重的影响。
图3对比了使用自适应虚拟电阻前后，逆变器控制模式切换瞬间的冲击电流情况，3秒时两并联逆变器系统控制模式由并网运行切换至孤岛下垂模式。可以看出，采用了自适应虚拟电阻后逆变器控制模式切换造成的电流冲击得到显著改善。同时本方法没有改变稳定后下垂逆变器的功率分配，因此这种方法可以有效实现微电网非计划孤岛过程中逆变器控制模式的平滑切换。
本发明通过监控微电网运行状态，并采用平滑的控制模式切换方法实现了微电网非计划孤岛过程中逆变器控制模式切换，提高了微电网逆变器对微电网非计划孤岛的适应性，提升了微电网面对异常运行状态的适应性。
本发明中，逆变器并网运行与孤岛运行分别采用电流源型控制与电压源型控制方式，使微电网逆变器在并网和孤岛运行模式中均能保持较好的动态和静态响应性能；本发明中，动态切换过程采用自适应虚拟电阻方法，保证微电网逆变器孤岛下垂运行过程功率分配，同时降低了控制模式切换过程中带来的电流冲击；本发明中，微电网出现非计划离网时，微电网逆变器自动切换控制模式，增强微电网逆变器运行的可靠性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种微电网逆变器非计划离网控制切换方法，其特征在于，包括：
逆变器并网稳定运行步骤：设置逆变器初始的稳定运行状态；
孤岛状态检测步骤：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；
若是，则获取微电网非计划离网信息；
逆变器控制模式切换步骤：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中对切换过程产生的冲击电流进行削弱；
逆变器孤岛稳定运行步骤：逆变器控制模式切换后，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器重新并网；
所述逆变器并网稳定运行步骤包括：
电流控制型控制步骤：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态；
所述孤岛状态检测步骤包括：
电压有效值检测步骤：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息；
所述逆变器控制模式切换步骤包括：
冲击电流削弱步骤：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
所述虚拟电阻Rvirtual的变化规律为：
其中Rs为初始虚拟电阻，R0为稳态虚拟电阻，τ为衰减时间常数，t0为切换时间时刻；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
2.根据权利要求1所述的微电网逆变器非计划离网控制切换方法，其特征在于，所述逆变器孤岛稳定运行步骤包括：
控制器设置步骤：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
3.一种微电网逆变器非计划离网控制切换系统，其特征在于，包括：
逆变器并网稳定运行模块：设置逆变器初始的稳定运行状态；
孤岛状态检测模块：将微电网逆变器处于并网运行模式过程中，通过孤岛状态检测单元检测微电网是否在运行计划外进入了孤岛运行模式；
若是，则获取微电网非计划离网信息；
逆变器控制模式切换模块：根据微电网非计划离网信息，通过控制模式切换控制器将逆变器控制模式由并网运行模式切换至孤岛下垂运行模式，切换过程中对切换过程产生的冲击电流进行削弱；
逆变器孤岛稳定运行模块：逆变器控制模式切换后，排除主网故障，微电网及微电网内部逆变器重新并网；
所述逆变器并网稳定运行模块包括：
电流控制型控制模块：采用电流控制型控制方案，设置逆变器初始的稳定运行状态；
所述孤岛状态检测模块包括：
电压有效值检测模块：检测逆变器输出端电压有效值是否处于设定范围，获取微电网并网运行状态信息；
所述逆变器控制模式切换模块包括：
冲击电流削弱模块：采用自适应虚拟电阻方法来削弱切换过程产生的冲击电流；
所述虚拟电阻Rvirtual的变化规律为：
其中Rs为初始虚拟电阻，R0为稳态虚拟电阻，τ为衰减时间常数，t0为切换时间时刻；
其中，自适应虚拟电阻采用电阻值时变指数衰减的变化方式，衰减时间常数应大于下垂控制器功率环时间常数的5倍。
4.根据权利要求3所述的微电网逆变器非计划离网控制切换系统，其特征在于，所述逆变器孤岛稳定运行模块包括：
控制器设置模块：采用有功频率无功电压下垂方法设置控制器。
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