CN112260315A - 一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统及策略 - Google Patents

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贺明智
王坚
杨成
王指香
张玉龙
孙利娟
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Hubei Yingli Electric Co ltd
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Chengdu Yinggeli Technology Co ltd
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
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Abstract

本发明公开了一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统及策略，采用独特的控制结构，采用电感电流内环，电容电压环以及功率环的三环控制结构，其中功率控制环在积分控制器后增加限幅器，可以实现并网运行转孤岛运行时逆变器自动由电流源控制切换为基于下垂控制的电压源控制，提高了并网到孤岛模式的转换过程中的负载电压质量。

Description

一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统及策略
技术领域
本发明属于并网逆变器控制研究领域，具体涉及一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统及策略。
背景技术
随着环境和能源危机的日益加深，新能源发电得到了越来越多的关注和应用，而并网逆变器是新能源发电系统向电网输送电能的必不可少的接口设备，并网逆变器的性能将会对发电系统以及电网的稳定性产生重要的影响。
在电网正常时，并网逆变器应能够并网运行，与电网共同为负载供电，当电网发生故障时，分布式发电单元应该立即与电网断开，并且单独为负载供电，形成孤岛运行。在电网恢复之后，重新并网运行。因此，并网逆变器应具备并网及孤岛运行能力，并且可实现两种模式之间的无缝切换，保证本地重要负载的供电质量不受影响。按照控制方式的不同，并网逆变器可以分为电流控制型和电压控制型两种。目前普遍的无缝切换控制策略可分为以下两类：1.并网模式逆变器控制为电流源，孤岛模式控制为电压源；2.并网及孤岛模式逆变器均控制为电压源。其中第一类又包含两个分支：1)电流源向电压源控制的切换依赖于孤岛检测算法(混合电压电流模式控制)，并网时逆变器控制为电流源，当孤岛被检测到，逆变器转换为电压源控制，在并网和孤岛运行发生转换时，由于孤岛检测时间的存在，负载电压会存在一段失控时间，负载电压质量受到孤岛检测快速性的影响。2)电流源向电压源控制的转换依靠控制结构中限幅器的自动饱和或褪饱和，不依赖于孤岛检测的快速性，因此负载电压质量可以得到提高。在电压模式控制中，无论并网或孤岛运行，逆变器均采用下垂控制，以电压源运行，当电网电压发生波动时，逆变器实际输出功率也会发生波动。
发明内容
本发明的目的在于克服传统下垂控制中电网电压波动对逆变器实际输出功率的影响，并且可以实现由电流源控制向电压源控制的自动转换。
为了达到上述目的，提出一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统，包括三相逆变器，三相逆变器的输出端连接LC滤波器，LC滤波器的电容Cf并联有负载，LC滤波器下游通过线路阻抗Lg连接并网开关Si，并网开关Si下游通过电网保护开关Su连接电网。
一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统的控制策略为：
当电网正常时，并网开关Si和电网保护开关Su均闭合，分布式发电单元并网运行，其功率控制环中积分控制器未饱和，因此功率环采用PI控制器控制其实际输出功率等于指令值。
当电网发生故障时，电网保护开关Su立即断开，分布式发电单元与大电网分离，逆变器与大电网之间的功率流动减小为0；在有功功率环中，积分控制器的输出会保持增加或减少，达到限幅器的上限值ωmax或下限值ωmin，同理无功功率环中积分控制器输出达到限幅器的上限值Emax或下限值Emin。当孤岛被检测到之后，有功及无功控制环中ωout及Eout分别由限幅器输出ωi，Ei切换为频率及幅值额定值ω0，E0。
在孤岛模式时，逆变器基于下垂控制，以电压源模式运行，为微网系统提供电压幅值及频率支撑，并且可实现多台基于下垂控制的逆变器之间的功率均分。
当电网恢复后，电网保护开关Su自动闭合，有功及无功控制环中ωout及Eout分别由频率及幅值额定值ω0，E0切换为限幅器输出ωi，Ei。之后进行微网电压和电网电压的预同步控制，当二者实现电压幅值和相位的同步后，并网开关Si闭合，微网系统重新并网运行。
与现有技术相比，本发明采用独特的控制结构，采用功率控制环，电容电压环以及电感电流环的三环控制结构，其中功率控制环的积分控制器之后带有限幅器，可以实现并网运行时限幅器不发挥作用，功率环控制器为PI控制器，控制逆变器实际输出功率跟随其指令值。当电网发生故障时，积分控制器之后的限幅器饱和，功率环由PI控制自动变为下垂控制，当孤岛被检测到，有功及无功控制环中ωout及Eout分别由积分限幅器输出ωi，Ei切换为频率及幅值额定值ω0，E0，可以提高孤岛模式的负载电压质量以及实现更好的功率均分效果。由于限幅器自动饱和，逆变器可以自发的由电流源转为电压源控制，因此负载电压始终控制在允许范围之内，与传统混合电压电流模式控制相比，并网转孤岛模式的切换过程中负载电压的质量可以得到提高。
本发明的方法可以实现由并网模式按照功率指令值输出实际功率的电流源型逆变器到孤岛模式时基于下垂控制的电压源型逆变器的自动切换，提高了并网转孤岛过程中的负载电压质量。与传统下垂控制相比，并网模式当电网电压发生波动时，逆变器实际输出功率维持恒定。由于在孤岛运行时存在多台基于下垂控制的电压源型逆变器为微网系统提供电压幅值和频率支撑，即使某台逆变器发生故障也不会影响微网系统的正常运行。
附图说明
图1为本发明的主电路图；
图2为本发明功率控制环；
图3为本发明幅值及相位预同步控制模块；
图4为本发明的电压及电流控制内环；
图5为本发明功率流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统包括三相逆变器，三相逆变器的输出端连接LC滤波器，LC滤波器的电容Cf并联有负载，LC滤波器下游通过线路阻抗Lg连接并网开关Si，并网开关Si下游通过电网保护开关Su连接电网。
一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统的控制策略按照分布式发电单元的四种运行状态介绍：并网模式，并网模式转孤岛模式的转换过程，孤岛模式，孤岛模式转并网模式的转换过程。
1、并网模式
当电网正常时，并网开关Si和电网保护开关Su均闭合，逆变器处于并网模式，功率控制环中积分器之后的限幅器未饱和，功率控制环实际采用PI控制器形式，控制逆变器实际输出功率跟随其指令值，逆变器控制为电流源运行。
2、并网模式向孤岛模式转换
在并网模式下，分布式发电单元向电网注入的有功及无功功率分别为式(1)，(2)。
Figure BDA0002728692990000041
Figure BDA0002728692990000042
为了分析方便，假定并网时，分布式发电单元向电网注入的有功及无功功率均为正值。首先以图1所示单台分布式发电单元进行分析。当电网发生故障时，电网保护开关Su立即断开，流过并网电感Lg的电流迅速减小为0。分布式发电单元向电网注入的功率均减为0，因此有功功率轴中，积分控制器的输出会保持增加，达到限幅器上限值ωmax，在无功功率轴中，积分控制器的输出会保持增加，达到限幅器上限值Emax。限幅器上下限值的选取非常重要，在之后会有详细说明。并网模式时，功率控制环中的控制器应该能够正常控制逆变器输出功率，因此限幅器不能限制积分控制器的输出，有功功率轴的限幅器上限值ωmax应该大于电网电压频率，同时它又不能远大于电网电压频率，否则在并网运行向孤岛运行的转换过程中负载电压频率将远离额定值。因此，有功功率轴的限幅器上限值ωmax选择为电网电压频率的最大值50.2Hz。同理，有功功率轴的限幅器上限值ωmin选择为电网电压频率的最小值49.8Hz。
为了使负载电压幅度在正常范围内，无功功率轴的限幅器同样应合理设计限幅值。根据IEEE标准IEEE Std.1547-2018，电网电压最大值为1.1p.u.,所以Emax可以由式(3)表示，其中Vn是额定相电压。
Figure BDA0002728692990000051
同理可得其下限值Emin选择为电网电压幅度最小值，如式(4)所示。
Figure BDA0002728692990000052
3、孤岛模式
在孤岛模式时，逆变器基于下垂控制，以电压源模式运行。在采用多主多从结构的微网系统中，多台主逆变器均可以采用此控制策略，在孤岛时基于下垂控制以电压源模式运行，实现多台主逆变器之间无通讯线的功率均分。多主多从结构的微网可以提高微网系统稳定性。
4、孤岛模式向并网模式转换
当电网恢复正常以后，电网保护开关Su自动闭合，在并网开关Si闭合之前，需要首先进行负载电压和电网电压的预同步控制。首先将图2所示的ωout和Eout与ωi和Ei相连，图3中控制开关S1和S2分别与通道1连接以实现幅值及相位预同步控制，其中θg是可控固态开关Si网侧电压相位，θPCC是微网PCC处电压相位；Vg_amp是网侧电压幅值，VPCC_amp是微网PCC处电压幅值。ki_ω和ki_amp分别是相位及幅值预同步控制的积分系数。除了在预同步过程中，控制开关S1和S2始终与通道0保持连接。完成预同步控制之后，闭合可控固态开关Si实现微网系统和电网的重新连接。在Si闭合之后，频率补偿项ωcomp和幅值补偿项E_comp重置为0。
本发明中给出一种基于改进下垂控制的无缝切换方法。该控制方法可以实现微网系统并网运行和孤岛运行之间的无缝切换，在切换过程中负载电压可以得到保证，在并网运行时，逆变器输出功率跟随其指令值，不受电网电压波动的影响，并且在孤岛运行时，微网系统中存在多台基于下垂控制的逆变器为系统提供电压支撑，提高了微网系统的可靠性。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (4)

1.一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统，其特征在于，包括三相逆变器，三相逆变器的输出端连接LC滤波器，LC滤波器的电容Cf并联有负载，LC滤波器下游通过线路阻抗Lg连接并网开关Si，并网开关Si下游通过电网保护开关Su连接电网。
2.权利要求1所述的一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统，其特征在于，当电网正常时，并网开关Si和电网保护开关Su均闭合，逆变器并网运行，流过并网电感Lg的电流igx(x＝a,b,c)为并网电流，完成并网模式；
当电网发生故障时，电网保护开关Su立即断开，通过孤岛检测算法确定孤岛发生后，并网开关Si断开，分布式发电单元处于孤岛运行，完成孤岛模式；
当电网恢复后，电网保护开关Su自动闭合，进行负载电压和电网电压的预同步控制，当二者实现电压幅值和相位的同步后，并网开关Si闭合，逆变器重新并网运行，完成并网模式。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统的控制策略，其特征在于，电网发生故障时，电网保护开关Su立即断开，流过并网电感Lg的电流迅速减小为0，原本逆变器与电网之间交换的有功及无功功率均减为0。在有功功率轴中，PI控制器中的积分控制器输出保持增加或减小，达到限幅器的限值ωmax或ωmin；在无功功率轴，PI控制器中积分控制器输出同样会达到限幅器的上限值Emax或下限值Emin，当孤岛被检测到后，ωout和Eout分别由限幅器输出切换为ω0和E0。
4.根据权利要求3所述的一种基于改进下垂控制的无缝切换控制系统，其特征在于，在孤岛模式时，逆变器基于下垂控制，以电压源模式运行，在采用多主多从结构的微网系统中，多台主逆变器均采用基于下垂控制以电压源模式运行，使多台主逆变器之间无通讯线的功率均分。在并网模式时，逆变器控制为功率源，按照指令值输出相应有功及无功功率。
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