CN112152263A - 一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置及方法 - Google Patents

一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置，各储能变流器的本地控制器连接至微网中央控制器，其中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将所述微网并入所述大电网中。

Description

一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置及 方法
技术领域
本发明主要涉及微电网控制领域，尤其涉及一种多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置及方法。
背景技术
微网中，分布式电源通常是通过基于电力电子技术的能量转换装置(PowerConverter System，PCS)进行电能转换后接入微网中进行能量交换的。能量转换装置包括DC/AC，DC/DC等多种形式。
对于稳态运行下能量转换装置的控制策略，主要分为以输出有功功率/无功功率为目标的PQ控制模式、提供稳定交流母线电压支撑为目标的Vf控制模式，以及根据传统发电机输出有功功率/频率以及无功功率/电压之间的线性关系而引申而来的下垂控制模式等。
微电网中传统的下垂控制模式有以下不足：
(1)下垂控制模式多以逆变器出口电压为控制目标，由于线路电压跌落的原因，会导致能量转换装置的机端输出电压不稳定，其参考电压很难维持在统一幅值上，直接影响了微网母线电压的稳定性，导致电能质量降低。
(2)在多个逆变器连接到微网母线的情况下，由于各个分布式电源到公共连接点的线路长度不一致，则分布式电源的连线阻抗之间存在差异，导致无功功率不能合理分配。
(3)微网可以从离网运行转换为与外部大电网并网运行，但微网和大电网之间的电压和相位会出现偏差，在不恰当的时刻从离网运行转换为并网运行会产生较大的冲击电流。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置及方法，以使微网能稳定从离网运行转换为并网运行。
为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置，所述预同步装置包括微网中央控制器，各所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述滤波电容通过变压器连接至微电网的公共母线，各所述储能变流器连接有本地控制器，各储能变流器的本地控制器连接至微网中央控制器，其中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将所述微网并入所述大电网中。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节包括：所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量，并将有功功率和无功电流的调节量按照分配系数发送给各储能变流器的本地控制器；各所述本地控制器根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e，直至所述微网公共母线的电压和角频率与大电网的电压和角频率之间的偏差小于预设值。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器包括下垂控制器和双环控制器；所述下垂控制器根据分配的无功电流调节量对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的的有功功率调节量对储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；所述双环控制器根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出的电压Ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e。
在本发明的一实施例中，各所述本地控制器按照对应的储能变流器的容量从大到小根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e。
在本发明的一实施例中，所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式为：
ΔPM＝(kω1+kω2/s)*(ωG-ωM)
ΔIQ＝*ku1+ku2/s)*(UG-UM)
其中，ΔPM表示有功功率的总调节量，kω1表示公共母线频率PI控制器的比例系数，kω2/s表示公共母线频率PI控制器的积分系数，ωG表示大电网的角频率，ωM表示微网公共母线的角频率，ΔIQ表示无功电流的总调节量，ku1表示公共母线电压PI控制器的比例系数，ku2/s表示公共母线电压PI控制器的积分系数，UG表示大电网的电压，UM表示微网公共母线的电压。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节包括：对微网公共母线电压UM以大电网的相位为参考进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。
本发明的另一方面提供了一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步方法，各所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述滤波电容通过变压器连接至微电网的公共母线，各所述储能变流器连接有下垂控制器和双环控制器，各储能变流器的下垂控制器和双环控制器连接至微网中央控制器，所述预同步方法包括：所述本地控制器协同所述微网中央控制器对微网母线的电压和角频率进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，协同所述微网中央控制器对微网母线的相位进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将所述微网并入所述大电网中。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节的步骤包括：所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量，并将有功功率和无功电流的调节量按照分配系数发送给各储能变流器的本地控制器，各所述本地控制器根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e，直至所述微网公共母线的电压和角频率与大电网的电压和角频率之间的偏差小于预设值。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器包括下垂控制器和双环控制器；所述下垂控制器根据分配的无功电流调节量对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的的有功功率调节量对储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；所述双环控制器根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出电压Ucref和角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e。
在本发明的一实施例中，各所述本地控制器按照对应的储能变流器的容量从大到小根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e。
在本发明的一实施例中，所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式为：
ΔPM＝(kω1+kω2/s)*(ωG-ωM)
ΔIQ＝(ku1+ku2/s)*(UG-UM)
其中，ΔPM表示有功功率的总调节量，kω1表示公共母线频率PI控制器的比例系数，kω2/s表示公共母线频率PI控制器的积分系数，ωG表示大电网的角频率，ωM表示微网公共母线的角频率，ΔIQ表示无功电流的总调节量，ku1表示公共母线电压PI控制器的比例系数，ku2/s表示公共母线电压PI控制器的积分系数，UG表示大电网的电压，UM表示微网公共母线的电压。
在本发明的一实施例中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节包括：对微网公共母线电压UM以大电网的相位为参考进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：当微网从离网运行转换为与外部大电网并网运行时，通过对微网电压、频率和相位进行调节控制，使得母线电压、频率和相位满足并网的要求，微网能稳定从离网运行转换为并网运行。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是根据本发明一实施例的多储能变流器的微电网结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的微电网离网转并网的预同步装置的逻辑框图；
图3是两机并联的微电网的结构示意图；
图4A为图3中的微电网离网转并网过程中公共母线频率的示意图；
图4B为图3中的微电网离网转并网过程中在[1s,1.5s]公共母线电压的波形示意图；
图4C为图3中的微电网离网转并网过程中在[2s,2.5s]区间公共母线电压的波形示意图；
图5A为图3中的微电网的两台储能变流器联合输出有功功率变化的波形示意图；
图5B为图3中的微电网的两台储能变流器联合输出无功功率变化的波形示意图；
图6是根据本发明的一实施例的储能变流器的示意图；
图7是根据本发明的一实施例的双环控制器的逻辑框图；
图8是根据本发明的另一实施例的双环控制器的逻辑框图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
图1是根据本发明一实施例的多储能变流器的微电网结构示意图。如图1所示，微电网100的结构包括i路线路，i路线路均连接至微网中央控制器150。微电网100通过开关组130连接至大电网。此处仅对线路100a进行说明，其它线路可以与100a具有相同的结构，在此不再赘述。线路100a包括储能变流器110、变压器120、开关130和公共母线140。储能变流器110包括依次连接的直流电源111、三相逆变电路112、滤波电感113和滤波电容114。滤波电容114通过变压器120连接至微电网的公共母线140。储能变流器110连接有本地控制器115，储能变流器110的本地控制器115连接至微网中央控制器150。
本地控制器115协同微网中央控制器150以大电网的角频率和电压为目标对微电网的公共母线140的电压和角频率进行调节，在公共母线140与大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，本地控制器115协同微网中央控制器150以大电网的相位为目标对公共母线140的相位进行调节，在公共母线140与大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将微网100并入大电网中。
在一个实施例中，微网中央控制器150根据公共母线140的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量，并将有功功率和无功电流的调节量按照分配系数发送给储能变流器110的本地控制器115。本地控制器115根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整三相逆变电路112的电动势e，直至公共母线140的电压和角频率与大电网的电压和角频率之间的偏差小于预设值。
需要说明的是，当微电网离网转并网时，考虑到网络传输及各种误差情况的存在，二次调频、二次调压后可能出现频率、电压仍无法满足并网要求的情况，因此在微网100包括的n路线路中，各本地控制器可以按照各线路对应的储能变流器的容量从大到小根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整三相逆变电路的电动势e，以满足并网的要求。
在一个实施例中，本地控制器115可以包括下垂控制器115a和双环控制器115b：下垂控制器115a根据分配的无功电流调节量ΔIQ对储能变流器110的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的有功功率调节量ΔPM对储能变流器110的目标输出角频率ωref进行下垂控制。双环控制器115b根据滤波电感113的输出电流i1、下垂控制器115a的目标电压Ucref和角频率ωref生成驱动信号，储能变流器110根据驱动信号调整三相逆变电路112的电动势e。
微网中央控制器150根据公共母线140的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式可以为：
ΔPM＝(kω1+kω2/s)*(ωG-ωM) (1)
ΔIQ＝(ku1+ku2/s)*(UG-UM) (2)
公式(1)、(2)中，ΔPM表示有功功率的总调节量，kω1表示公共母线频率PI控制器的比例系数，kω2/s表示公共母线频率PI控制器的积分系数，ωG表示大电网的角频率，ωM表示微网公共母线的角频率，ΔIQ表示无功电流的总调节量，ku1表示公共母线电压PI控制器的比例系数，ku2/s表示公共母线电压PI控制器的积分系数，UG表示大电网的电压，UM表示微网公共母线的电压。
图2是根据本发明一实施例的微电网离网转并网的预同步装置的微网中央控制器200的逻辑框图。预同步装置中的微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节包括：对微网公共母线电压UM以大电网的相位为参考进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。本实施例中的预同步装置可以通过图2的逻辑框图实现以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节，但不以图2为限。下面根据图2，对预同步装置200的组成和调节过程进行说明。
如图2所示，微网中央控制器200包括依次连接的第一加法器211、第一PI控制器221、第三开关K3，依次连接的第一切换开关K1、第二加法器212、第二PI控制器222和第三加法器213，以及依次连接的第二切换开关K2、第四加法器214、第三PI控制器223。
第一加法器211的正输入端输入UGq，使得UGq＝0，负输入端输入UMq，第一加法器211的输出端输入第一PI控制器221，第一PI控制器221的输出端直接连接至第三开关K3，第一PI控制器221的输出端通过第三开关K3输入第三加法器213的第一正输入端。第一切换开关K1连接至第二加法器212的正输入端，当第一切换开关K1设置到1时第二加法器212的正输入端输入ωMref(ωMref为微网公共母线的目标输出角频率)，当第一切换开关K1设置到2时
第二加法器212的正输入端输入ωG(ωG为大电网的输出角频率)。第二加法器212的负输入端输入ωM，第二加法器212的输出端输入第二PI控制器222，第二PI控制器222的输出端输入第三加法器213的第二正输入端。第二切换开关K2连接至第四加法器214的正输入端，当第二切换开关K2设置到1时第四加法器214的正输入端输入UMref(UMref为微网公共母线的目标输出电压)，当第二切换开关K2设置到2时第四加法器214的正输入端输入UG(UG为大电网的输出电压)。第四加法器214的负输入端输入UM，第四加法器214的输出端输入第三PI控制器223，第二PI控制器222的输出端输入第三加法器213的第二正输入端。
当预同步装置200开始工作，首先第一切换开关K1和第二切换开关K2设置到2闭合，微网中央控制器200对ωG和UG进行调整，待大电网和微网公共母线的输出电压和角频率的偏差值小于设定值后，闭合第三切换开关K3进行相位调节。该相位调节为微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节，包括：对微网公共母线电压UM进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。通过调节后，调节值由ΔPM和ΔIQ的形式分配给各个线路上的各个储能变流器。
图3、4A-4C和图5A-5B为根据本发明的一实施例的一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置的仿真结果示意图。图3是两机并联的微电网的结构示意图。整个离网转并网从1s持续到3.5s，图4A为图3中的微电网离网转并网过程中公共母线频率的示意图，图4B为图3中的微电网离网转并网过程中在[1s,1.5s]区间公共母线电压的波形示意图，图4C为图3中的微电网离网转并网过程中在[2s,2.5s]区间公共母线电压的波形示意图，图5A为图3中的微电网的两台储能变流器联合输出有功功率变化的波形示意图，图5B为图3中的微电网的两台储能变流器联合输出无功功率变化的波形示意图。
如图3所示，微电网300由两台储能变流器310和320分别所在的线路300a和300b并联于公共母线330运行。线路300a和300b均连接至微网中央控制器360。公共母线330的右侧接入了负载350。储能变流器310的额定功率为500kW，储能变流器320的额定功率为250kW，线路300a的滤波电感L11为0.1mH，线路300b的滤波电感L12为0.2mH，两个线路的滤波电容C均为0.5μF，线路300a的路线总感抗Xt1为0.03mH，线路300b的路线总感抗Xt2为0.06mH，接入的负载350的有功负载为150kW，无功负载为150kVar。大电网侧电压为400V，频率为50Hz。仿真过程中，于1.2s启动并网，测得于2.28秒并网成功。
如图4A-4C所示，通过波形图可以看出，微电网300的公共母线330的电压在微电网300离网转并网的过程中始终稳定在0V到300V之间的一稳定值，并且在1.2s时，母线电压明显增加，公共母线330的频率始终稳定在50Hz，公共母线330的电压和频率均达到了并网的要求。
如图5A-5B所示，通过波形图可以看出，两台储能变流器310和320在微电网300处于离网模式时和并网成功后均能够稳定联合输出有功功率和无功功率，两台储能变流器310和320很好地协同工作。
本发明通过每个并联线路中的本地控制器和微网中央控制器与各储能变流器的连接，实现了通过下垂曲线完成无功功率的按容量分配，该分配不受各线路阻抗不同的影响。下面根据对本地控制器和微网中央控制器的结构和控制原理进行详细说明。
下垂控制方式是一种有差控制方式，系统内有负荷的情况下，储能变流器输出电压的频率和幅值就会沿着储能变流器的下垂曲线自然下垂。因而为提高微网系统的供电质量，需要采用电压频率恢复控制。
该实施例可以采用多储能变流器协调控制，协调控制的原理如下：
继续参考图1，以储能变流器110为例，储能变流器110输出至母线140的有功方程和无功方程分别为：
Figure BDA0002112414750000091
Figure BDA0002112414750000092
公式(3)、(4)中，P为储能变流器110输出的有功功率，Q为储能变流器110输出的无功功率，Uc为储能变流器110的输出电压，UM为母线140电压，Xt为路线总感抗，δ为Uc和UM两电压的相角差。
由公式(4)变换可得公式(5)如下：
Figure BDA0002112414750000101
公式(5)中，IQ为储能变流器110输出的无功电流。从公式(5)可以看出，IQ可以替代Q来对Uc进行控制。对微网母线电压采取下垂控制策略有：
Figure BDA0002112414750000102
公式(6)中，
Figure BDA0002112414750000103
为母线140空载额定电压，UM为母线140电压值，y为下垂系数。由公式(5)、(6)可得出公式(7)如下：
Figure BDA0002112414750000104
对UC进行无差控制，使得UC＝Ucref，根据公式(5)和公式(7)可得出公式(8)如下：
Figure BDA0002112414750000105
对公式(8)化简后可得
Figure BDA0002112414750000106
进一步变形后得到：
Figure BDA0002112414750000107
其中，
Figure BDA0002112414750000108
将其代入公式(9)，可得出下式：
Figure BDA0002112414750000109
在公式(10)中，IQ，1表示第1台储能变流器输出的无功电流，IQmax，1表示第1台储能变流器输出的最大无功电流，IQ，2表示第2台储能变流器输出的无功电流，IQmax，2表示第2台储能变流器输出的最大无功电流，IQ，i表示第i台储能变流器输出的无功电流，IQmax，i表示第i台储能变流器输出的最大无功电流，
根据公式(10)可知，各储能变流器输出的无功电流IQ，i与最大输出无功电流IQmax，i的比值相同，均为
Figure BDA00021124147500001010
本发明该实施例中的无功电流IQ，i可通过下垂曲线来按容量IQmax，i分配到各线路，即随母线电压UM变化，各储能变流器i以与自身容量IQmax，i相同的比例输出无功电流IQ，i，不受各线路阻抗差异的影响。
图1所示的微电网结构中，本地控制器115可以包括下垂控制器115a和双环控制器115b。下垂控制器115a根据分配的无功电流调节量ΔIQ对储能变流器110的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的有功功率调节量ΔPM对储能变流器110的目标输出角频率ωref进行下垂控制。双环控制器115b根据滤波电感213的输出电流i1、下垂控制器115a的目标电压Ucref和角频率ωref生成驱动信号，储能变流器110根据驱动信号调整三相逆变电路112的电动势e。各个下垂控制器根据分配的无功电流调节量ΔIQ对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的有功功率调节量对储能变流器的目标输出角频率ωMref进行下垂控制所采用的公式为：
ωcerf,i＝ω*-mi(Pi-aiΔPM) (10)
Figure BDA0002112414750000111
Figure BDA0002112414750000112
Figure BDA0002112414750000113
在公式(10)～(13)中，ωcref,i表示第i个储能变流器滤波电容处的目标输出角频率，ω*表示额定角频率，mi和ni表示第i个储能变流器的下垂系数，Pi表示第i个储能变流器输出的有功功率，ai和bi表示第i个储能变流器的分配系数，ΔPM表示有功功率的总调节量，Ucref,i表示第i个储能变流器滤波电容处的目标输出电压，
Figure BDA0002112414750000114
表示母线额定电压，Xt,i表示第i个储能变流器的线路总感抗，IQ,i表示第i个储能变流器输出的无功电流，ΔIQ表示无功电流的总调节量。
各个下垂控制器根据分配的无功电流调节量ΔIQ对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的有功功率调节量对储能变流器的输出角频率ω进行下垂控制所采用的公式在本发明的不同实施例中可以进行变换。在本发明的另一实施例中，在公式(5)～(8)的基础上引入了无功电流参考值IQref作为储能变流器110输出的无功电流IQ的目标值，有功功率参考值Pref作为储能变流器110输出的有功功率P的目标值，改进后的下垂控制器115a进行下垂控制所采用的公式为：
ωcref,i＝ω*-mi(Pi-Pref,i-aiΔPM) (14)
Figure BDA0002112414750000121
Figure BDA0002112414750000122
Figure BDA0002112414750000123
在公式(14)～(17)中，ωcref,i表示第i个储能变流器滤波电容处的目标输出角频率，ω*表示额定角频率，mi和yi表示第i个储能变流器的下垂系数，Pi表示第i个储能变流器输出的有功功率，ai和bi表示第i个储能变流器的分配系数，ΔPM表示有功功率的总调节量，Ucref,i表示第i个储能变流器滤波电容处的目标输出电压，
Figure BDA0002112414750000124
表示母线额定电压，Xt,i表示第i个储能变流器的线路总感抗，IQ,i表示第i个储能变流器输出的无功电流，ΔIQ表示无功电流的总调节量，Pref,i表示第i个储能变流器输出的有功功率参考值，IQref,i表示第i个储能变流器输出的无功电流参考值。
图6是本发明的一实施例的储能变流器的示意图。下面参考图6对该实施例的储能变流器及其本地控制器进行说明。如图6所示，微电网结构600包括储能变流器610、变压器620、开关630和公共母线640。储能变流器610包括依次连接的直流电源611、三相逆变电路612、滤波电感613和滤波电容614。滤波电感613和滤波电容614组成LC滤波电路。变压器620与储能变流器610连接，储能变流器610通过开关630接入公共母线640。图6中储能变流器610连接有本地控制器615。本地控制器615包括下垂控制器615a和双环控制器615b。下垂控制器615a能根据储能变流器610输出的无功电流IQ对储能变流器610的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及能根据储能变流器610输出的有功功率P对储能变流器610的输出角频率ωref进行下垂控制。双环控制器615b能根据滤波电感613的输出电流i1、下垂控制器615a的目标输出电压Ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，储能变流器610根据驱动信号调整三相逆变电路616的电动势e，输出稳定的母线640电压Um。
根据上述公式推导，本发明的一实施例对现有的下垂控制策略中的无功功率调节进行了改善，本发明的一实施例中的下垂控制器615a进行下垂控制所采用的公式为：
Figure BDA0002112414750000131
ωref＝ω*-mP (19)
公式(18)、(19)中，Ucref为储能变流器610的目标输出电压，
Figure BDA0002112414750000132
为母线640空载额定电压，Xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，IQ为储能变流器610输出的无功电流，ωref为目标角频率，ω*为额定角频率，P为储能变流器610输出的有功功率。
下垂控制器615a可采用公式在不同实施例中可以进行变换。在本发明中，下垂控制策略可以在公式(18)、(19)的基础上引入了无功功率参考值IQref作为储能变流器610输出的无功电流IQ的目标值，有功功率参考值Pref作为储能变流器610输出的有功功率P的目标值，改进后的下垂控制器615a进行下垂控制所采用的公式为：
Figure BDA0002112414750000133
ωref＝ω*-m(P-Pref) (21)
公式(20)、(21)中，Ucref为储能变流器610的目标输出电压，
Figure BDA0002112414750000134
为母线640空载额定电压，Xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，IQ为储能变流器610输出的无功电流，ωref为目标角频率，ω*为额定角频率，P为储能变流器610输出的有功功率。
根据公式(20)、(21)，双环控制器615b能根据滤波电感的输出电流i1、下垂控制器615a输出的电压Uc和角频率ω生成驱动信号，储能变流器610根据驱动信号调整三相逆变电路616的电动势e，输出稳定的母线电压UM。
图7是本发明的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图。如图7所示，为了对微电网系统进行控制，需要将滤波电感的输出电流i1、储能变流器输出电压Uc进行abc/dq坐标转换得到i1d、i1q和Ucd、Ucq，双环控制器700包括依次连接的第一加法器711、第一PI控制器721、第二加法器712、第二PI控制器722、第三加法器713和第四加法器714，以及依次连接的第五加法器715、第三PI控制器723、第六加法器716、第七加法器717、第四PI控制器724和第八加法器718。
第一加法器711的正输入端输入Ucref，负输入端输入Ucd，第一加法器711的输出端输入第一PI控制器721，第一PI控制器721的输出端输入第二加法器712的第一正输入端，第二加法器712的负输入端输入UcqωC，第二加法器712的输出端输出的信号为i1dref，该信号输入第三加法器713的正输入端，第三加法器713的负输入端输入i1d，第三加法器713的输出端输入第二PI控制器722，第二PI控制器722的输出端输入第四加法器714的第一正输入端，第四加法器714的第二正输入端输入UCd，第四加法器714的负输入端输入i1qωL1，第四加法器714输出电动势ed。
第五加法器715的正输入端输入0，负输入端输入Ucq，第五加法器715的输出端输入第三PI控制器723，第三PI控制器723的输出端输入第六加法器716的第一正输入端，第六加法器716的第二正输入端输入UcdωC，第六加法器716的输出端输出的信号为i1qref，该信号输入第七加法器717的正输入端，第七加法器717的负输入端输入i1q，第七加法器717的输出端输入第四PI控制器724，第四PI控制器724的输出端输入第八加法器718的第一正输入端，第八加法器718的第二正输入端输入Ucq，第八加法器718的第三正输入端输入i1dωL1，第八加法器718输出电动势eq。
通过双环控制器700的控制，可以使得Ucd接近目标输出电压Ucref，同时Ucq接近0。
图8是引入输出电流i2的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图。双环控制器300中的控制参数可以根据控制策略的需求进行变换。为了加快对于外部负载突变的响应速度，在本发明中，双环控制器在图7的基础上引入了储能变流器的输出电流i2为新的控制参数。如图8所示，对储能变流器的输出电流i2进行abc/dq坐标转换得到i2d、i2q。第二加法器712还包括一第二正输入端，第二加法器712的第二正输入端输入i2d。第六加法器716还包括一第三正输入端，第六加法器716的第三正输入端输入i2q。
本发明还提供一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步方法，各储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，滤波电容通过变压器连接至微电网的公共母线，各储能变流器连接有下垂控制器和双环控制器，各储能变流器的下垂控制器和双环控制器连接至微网中央控制器。
该预同步方法包括：本地控制器协同微网中央控制器控制本地控制器对微网母线的电压和角频率进行调节，在微网母线与大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，本地控制器协同微网中央控制器对微网母线的相位进行调节，在微网母线与大电网的角频率偏差和电压偏差及相位偏差三者均小于预设值之后，将微网并入大电网中。
本发明的该实施例中的基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步方法可以在前文所述的基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置中实现，此处不再赘述。
“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
在此使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的方法所执行的操作。应当理解的是，前面的操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步装置，所述预同步装置包括微网中央控制器，各所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述滤波电容通过变压器连接至微电网的公共母线，各所述储能变流器连接有本地控制器，各储能变流器的本地控制器连接至微网中央控制器，
其中，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将所述微网并入所述大电网中。
2.如权利要求1所述的预同步装置，其特征在于，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节包括：所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量，并将有功功率和无功电流的调节量按照分配系数发送给各储能变流器的本地控制器；
各所述本地控制器根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e，直至所述微网公共母线的电压和角频率与大电网的电压和角频率之间的偏差小于预设值。
3.如权利要求2所述的预同步装置，其特征在于，所述本地控制器包括下垂控制器和双环控制器；
所述下垂控制器根据分配的无功电流调节量对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的的有功功率调节量对储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；
所述双环控制器根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出的电压Ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e。
4.如权利要求2所述的预同步装置，其特征在于，各所述本地控制器按照对应的储能变流器的容量从大到小根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e。
5.如权利要求2所述的预同步装置，其特征在于，所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式为：
ΔPM＝(kω1+kω2/s)*(ωG-ωM)
ΔIQ＝(ku1+ku2/s)*(UG-UM)
其中，ΔPM表示有功功率的总调节量，kω1表示公共母线频率PI控制器的比例系数，kω2/s表示公共母线频率PI控制器的积分系数，ωG表示大电网的角频率，ωM表示微网公共母线的角频率，ΔIQ表示无功电流的总调节量，ku1表示公共母线电压PI控制器的比例系数，ku2/s表示公共母线电压PI控制器的积分系数，UG表示大电网的电压，UM表示微网公共母线的电压。
6.如权利要求1所述的预同步装置，其特征在于，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节包括：对微网公共母线电压UM以大电网的相位为参考进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。
7.一种基于多储能变流器的微电网离网转并网的预同步方法，各所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述滤波电容通过变压器连接至微电网的公共母线，各所述储能变流器连接有下垂控制器和双环控制器，各储能变流器的下垂控制器和双环控制器连接至微网中央控制器，所述预同步方法包括：
所述本地控制器协同所述微网中央控制器对微网母线的电压和角频率进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差和电压偏差小于预设值之后，协同所述微网中央控制器对微网母线的相位进行调节，在所述微网母线与所述大电网的角频率偏差、电压偏差、相位偏差三者均小于预设值之后，将所述微网并入所述大电网中。
8.如权利要求7所述的预同步方法，其特征在于，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的角频率和电压为目标对微网母线的电压和角频率进行调节的步骤包括：
所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量，并将有功功率和无功电流的调节量按照分配系数发送给各储能变流器的本地控制器，
各所述本地控制器根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e，直至所述微网公共母线的电压和角频率与大电网的电压和角频率之间的偏差小于预设值。
9.如权利要求8所述的预同步方法，其特征在于，所述本地控制器包括下垂控制器和双环控制器；
所述下垂控制器根据分配的无功电流调节量对储能变流器的目标输出电压Ucref进行下垂控制，以及根据分配的的有功功率调节量对储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；
所述双环控制器根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出电压Ucref和角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e。
10.如权利要求8所述的预同步方法，其特征在于，各所述本地控制器按照对应的储能变流器的容量从大到小根据分配的有功功率调节量和无功电流调节量调整所述三相逆变电路的电动势e。
11.如权利要求8所述的预同步方法，其特征在于，所述微网中央控制器根据微网公共母线的电压和角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式为：
ΔPM＝(kω1+kω2/s)*(ωG-ωM)
ΔIQ＝(ku1+ku2/s)*(UG-UM)
其中，ΔPM表示有功功率的总调节量，kω1表示公共母线频率PI控制器的比例系数，kω2/s表示公共母线频率PI控制器的积分系数，ωG表示大电网的角频率，ωM表示微网公共母线的角频率，ΔIQ表示无功电流的总调节量，ku1表示公共母线电压PI控制器的比例系数，ku2/s表示公共母线电压PI控制器的积分系数，UG表示大电网的电压，UM表示微网公共母线的电压。
12.如权利要求7所述的预同步方法，其特征在于，所述本地控制器协同所述微网中央控制器以大电网的相位为目标对微网母线的相位进行调节包括：对微网公共母线电压UM以大电网的相位为参考进行abc/dq变换得到UMd和UMq，以0为目标对UMq进行调节。
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