CN112564176B - 一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统 - Google Patents

一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统，本发明结合了下垂控制和主从控制的优点，微网在正常孤岛运行时采用高可靠性的下垂控制，在预同步时，无缝切换至临时主从控制，仅临时主逆变器需要通过通信接收补偿信号调节输出电压，大大减小了对通信的要求，同时保持了预同步过程中的功率分配。此外，通过简单的电压调节方法，在不使用锁相环的情况下使并网开关两侧电压的频率、相位和幅值一致，减少了计算量，确保了并网时平滑的暂态过程。

Description

一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统
技术领域
本发明属于微电网控制领域，具体涉及一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统。
背景技术
微网作为一种整合分布式能源特别是可再生能源的方法，将负载、分布式电源以及储能整合为一个系统，大大提高供电的可靠性以及对分布式能源利用的效率，并越来越受到广泛的关注与研究。微网的基本要求是既能运行在并网模式，向大电网输送功率，也可以工作在孤岛模式，避免由于大电网故障造成供电中断，并且能够在两种模式间无缝切换。交流微网中，微网从孤岛模式切换到并网模式时，并网开关两侧的电压需要足够接近，使得并网时不会有巨大的冲击电流。目前，为了实现并网前的电压同步，有被动及主动两类方法，其中被动方法不进行任何调节，也不需要与逆变器通信，只是等待并网开关两侧电压相位差足够小时进行并网，但当两侧电压频率很小时，等待时间往往很长，并且无法控制两侧电压的频率差及幅值差。主动方法需要与一台或多台逆变器通信，调节其输出电压，从而调节共同联结点(PCC)电压使其与电网电压足够接近，相比被动方法并网所需时间更短，且更具有可控性。
为了减小主动方法的成本，应当减小对于实时通信的依赖。而对实时通信的要求直接取决于微网的控制方法。中国专利申请号为“201410854429.7”的名称为“基于主从结构的微电网预同步方法”的发明专利，采用主从控制进行预同步，使得只需要和主逆变器进行通信，忽略短时间内负载波动时，预同步过程中的功率分配保持不变。但是主从控制可靠性低，不适合微网的孤岛运行。下垂控制是无须通信的微网控制方法，各逆变器地位相等，根据下垂曲线自动实现功率分配，是理想的孤岛运行控制方法，但是预同步时若微网采用下垂控制，则需要与所有下垂控制逆变器进行实时通信，否则功率分配会受到严重影响。
此外，主动预同步的电压调节过程中，应使得并网开关两侧电压的频率、相位和幅值最终一致，同时，应避免复杂的计算，例如锁相环等。现有方法中，专利申请号为“201410854429.7”的名称为“基于主从结构的微电网预同步方法”的发明专利虽然避免了锁相环，但是并网要求仅考虑了相位差，且存在并网开关两侧电压相位差180°时闭合开关的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于临时主从切换的微网预同步方法及系统，使得微网在正常孤岛运行时采用下垂控制而在预同步开始后无缝切换到临时主从模式，减小预同步过程中通信的要求。此外，也通过简单的电压调节方法，在不使用锁相环的情况下使并网开关两侧电压的频率、相位和幅值一致。
为了达到上述目的，一种基于临时主从切换的微网预同步方法，包括以下步骤：
S1，持续采集并网开关两侧的下垂控制逆变器侧电压vinv与电网电压vg，并生成频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm，发送给临时主逆变器，并网控制器通过低带宽通信通知其他逆变器切换为临时从逆变器；
S2，在并网条件下，开关Su与固态开关Si都闭合，孤岛发生后Su受保护设备的控制而断开，而Si在孤岛检测算法确认孤岛发生后断开，当电网恢复后，Su闭合，并发起预同步，电压vinv与电网侧电压vg接近，满足并网条件后，闭合Si，完成并网，并网控制器通过低带宽通信通知各逆变器并网发生。
频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm的生成方法如下：
持续采集并网开关两侧的下垂控制逆变器侧电压vinv与电网电压vg，并将其从三相坐标系转换到静止坐标系，计算幅值差ΔV，通过两个电压向量间的向量积计算相位差的正弦值，以代替锁相环，经过比例-积分处理和低通滤波处理后，得到频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm
临时从逆变器的工作方法如下，收到并网控制器的状态信息后，预同步开始后，存储切换前时刻的输出有功功率PSH和无功功率QSH，负载为恒功率类型时，功率跟踪模块存储的PSH，QSH即作为指令有功无功功率功率；当电压幅值差较大，且负载为阻抗性质时，用电压幅值对指令功率进行修正，获得新的指令有功功率PSH’和无功功率功率QSH’。
将指令有功功率PSH或有功功率PSH’以及无功功率QSH或无功功率QSH’与实际有功功率P和无功功率Q作差，经过比例-积分得到频率幅值补偿量Δωs和电压幅值补偿量ΔEs，加在临时从逆变器的下垂控制的额定频率及电压幅值上。
负载为阻抗性质时，指令有功功率PSH’和无功功率功率QSH’的计算方法如下：
其中，V为实时测量的电压幅值，VSH为预同步开始前时刻的测量并存储的电压幅值。
幅值差ΔV及相位差正弦sin(Δθ)计算方法如下：
其中，Δθ＝θg-θinv。
并网判据的计算方法如下：
一种基于临时主从切换的微网预同步系统，包括并网控制器，逆变器控制系统；
并网控制器包括电压调节模块，并网判定模块；
电压调节模块用于采集并网开关两侧电压vinv与vg，并生成频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm；
并网判定模块根据并网开关两侧电压vinv与vg判定是否应当并网，并控制固态开关Si完成并网；
被指定为临时主逆变器的逆变器控制系统包括下垂控制模块，被指定为临时从逆变器的逆变器控制系统包括下垂控制模块和功率跟踪模块；
功率跟踪模块用于使实际有功功率和无功功率跟随切换前时刻的输出有功功率和无功功率，并在负载为阻抗性质时，根据实际输出电压幅值变化，对指令有功功率和无功功率进行修正；
当并网开关两侧的负载为恒功率类型时，功率跟踪模块存储的有功功率PSH和无功功率QSH即作为指令有功无功功率功率，保持预同步过程中的功率分配；并网开关两侧的负载为阻抗性质时，功率跟踪模块采用电压幅值对指令功率进行修正，获得新的指令有功功率PSH’和无功功率QSH’。
功率跟踪模块将确定后的指令有功功率PSH或有功功率PSH’以及无功功率QSH或无功功率QSH’与实际有功功率P和无功功率Q作差，并经过比例-积分控制器得到变量Δωs，ΔEs，加在临时从逆变器的下垂控制的额定频率及电压幅值上。
与现有技术相比，本发明的方法结合了下垂控制和主从控制的优点，微网在正常孤岛运行时采用高可靠性的下垂控制，在预同步时，无缝切换至临时主从控制，仅临时主逆变器需要通过通信接收补偿信号调节输出电压，大大减小了对通信的要求，同时保持了预同步过程中的功率分配。此外，通过简单的电压调节方法，在不使用锁相环的情况下使并网开关两侧电压的频率、相位和幅值一致，减少了计算量，确保了并网时平滑的暂态过程。
本发明的系统并网控制器对并网开关两侧电压进行采样，并进行下垂控制，通过两个条件判断开关两侧开关是否足够接近，既能确保两侧电压向量的矢量差的幅值小，可以确保相位差和电压幅值差同时足够小，又能利用相位差正弦值微分限制角频率之差。本发明能够在不使用锁相环的情况下，同时限制并网时开关两侧的幅值、相位及频率差。
附图说明
图1为本发明所研究的并联逆变器系统的结构框图；
图2为临时主从控制的框图；其中，(a)为临时主逆变器的控制框图，(b)为临时从逆变器的控制框图；
图3为并网控制器框图；
图4为本发明的PSCAD仿真波形图；其中，(a)为逆变器输出有功功率，(b)为输出无功功率，(c)为并网开关两侧A相相电压波形，(d)为并网电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明研究的微网系统结构如图1所示，三台并联逆变器通过线路阻抗接到共同联结点(PCC)，其中显示了逆变器1的内部结构，其他逆变器的结构与逆变器1一致，输出滤波器采用LC滤波器，对电感电流及电容电压采样，实现电压电流双环控制，其中电流内环采用比例控制器，电压内环采用比例-谐振控制器。正常孤岛运行时，所有逆变器的电压参考值来自下垂控制。并网控制器采集并网开关两侧电压vinv与vg，并生成频率、电压幅值补偿量Δωm，ΔEm，发送给作为临时主逆变器的逆变器1，通信线如图1中所示。并通过低带宽通信通知其他逆变器切换为临时从逆变器或并网发生，由于这种通信对速度要求非常低，不属于关键通信，因此未在图中标示。正常并网条件下，开关Su与固态开关Si都闭合，孤岛发生后Su受保护设备的控制而断开，而Si在孤岛检测算法确认孤岛发生后断开，当电网恢复后，Su闭合，并网控制器发起预同步，使PCC点电压vinv与电网侧电压vg接近，满足并网条件后，闭合Si，完成并网。
临时主逆变器的控制框图如图2a所示，与下垂控制区别仅在于通过通信接收频率及电压幅值补偿量Δωm，ΔEm，加在下垂控制的额定频率及电压幅值上，Δωm，ΔEm在电压调节开始前为0，因此从下垂控制切换至临时主逆变器的过程是平滑的。临时从逆变器的控制框图如图2b所示，在下垂控制的基础上，增加了功率跟踪模块。预同步开始前，功率跟踪模块不加入，输出设定为0。收到来自并网控制器的状态信息后，加入功率跟踪模块，并存储切换前时刻的输出有功无功功率PSH，QSH。若并网开关两侧电压的幅值差不明显，或负载为恒功率类型时，功率跟踪模块存储的PSH，QSH即作为指令有功无功功率功率，可以保持预同步过程中的功率分配，而当电压幅值差明显，且负载为阻抗性质时，可用电压幅值对指令功率进行修正，获得新的指令有功无功功率功率PSH ’，QSH ’，如(1)所示，其中V为实时测量的电压幅值，VSH为预同步开始前时刻的测量并存储的电压幅值。
确定指令有功无功功率后，与实际有功无功功率P，Q作差经过比例-积分(PI)控制器得到变量Δωs，ΔEs，加在下垂控制的额定频率及电压幅值上，使得在预同步过程中，临时从逆变器跟随预同步开始前时刻的功率输出值(或修正后的值)。由于功率跟踪模块加入时刻，PI控制器输入值为0，积分初值设置为0，因而Δωs，ΔEs初值也为0，因此从下垂控制切换至临时从逆变器的过程是平滑的。
并网控制器的控制框图如图3所示，包括电压调节模块与并网判定模块。和现有的基于下垂控制的预同步方法相比，本发明中仅需要一台逆变器接收变量Δωm，ΔEm，而其他逆变器对通信的要求仅在于状态的获取，而不涉及任何连续变化的量。并网控制器对并网开关两侧电压vinv与vg进行采样，并将其从三相坐标系转换到静止坐标系。并网调节模块通过(2)计算幅值差ΔV，通过两个电压向量间的向量积计算相位差的正弦值，以代替锁相环如(3)所示，其中Δθ＝θg-θinv，而Vinv和Vg已经计算过。
经过比例-积分控制器并再经过低通滤波器后，补偿量发送给临时主逆变器。低通滤波器的作用一是避免调节开始时刻控制量的突变，二是滤除基波以外的分量，避免对逆变器的谐波控制或者对额外的小信号控制造成干扰。并网前，并网判定模块通过两个条件判断开关两侧开关是否足够接近，一是确保两侧电压向量的矢量差的幅值小，如(4)所示，这可以确保相位差和电压幅值差同时足够小，二是利用相位差正弦值微分的绝对值足够小，如(5)所示，相位差接近0时，该式相当于限制角频率之差。与现有方法相比，本发明能够在不使用锁相环的情况下，同时限制并网时开关两侧的幅值、相位及频率差。
本发明的有效性由PSCAD仿真演示。并联逆变器系统的结构如图1所示，包含三台逆变器，其中逆变器1作为临时主逆变器。线路阻抗分别为3mH+0.8Ohm，3.2mH+1Ohm及3.1mH+0.9Ohm。PCC负载为阻抗特性，采用(1)的修正式。具体预同步步骤如下：
1)在t＝2s时刻前，微网工作于孤岛模式，各逆变器采用下垂控制均分负载功率。有功无功功率分配如图4a及4b所示，可见通过有功下垂，有功功率完全均分，而无功功率由于线路阻抗不同，近似均分。
2)在t＝2s时刻，开始预同步，此时并网控制器通过低带宽通信传输预同步开始信号给所有逆变器，接收到该信号后，除逆变器1以外，逆变器2和3都切换至临时主从模式。此时并网控制器不立即开始发送频率及电压补偿量Δωm，ΔEm，而是等待50ms使得考虑到通信延迟后，所有逆变器接收到模式切换信号。
3)从t＝2.05s时刻起，并网控制器开始发送Δωm，ΔEm给逆变器1，使得微网PCC电压逐渐接近电网电压。由图4a及4b，在电压调节的起始阶段，功率分配出现一定的波动。此后，随着临时从逆变器的功率跟随模块发挥作用，功率分配逐渐恢复了预同步开始前的状态。尽管由于开关两侧电压幅值不同，导致电压调节后负载总功率发生了变动，由于采用了(1)的修正式，临时从逆变器的功率指令随电压幅值上升而上升，基本保证了原先的功率分配。由图4c，开关两侧电压在调节作用下互相接近。
4)在t＝3.18s时刻，并网开关两侧电压的频率、相位及幅值差满足并网要求，并网开关接通，并网完成。从图4d中看出，并网电流波形在并网时刻平滑。所有逆变器通过低带宽通信得知并网发生，切换为下垂控制模式，进入新的稳态。

Claims (2)

1.一种基于临时主从切换的微网预同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，持续采集并网开关两侧的下垂控制逆变器侧电压vinv与电网电压vg，并生成频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm，发送给临时主逆变器，并网控制器通过低带宽通信通知其他逆变器切换为临时从逆变器；
其中，频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm的生成方法如下：
持续采集并网开关两侧的下垂控制逆变器侧电压vinv与电网电压vg，并将其从三相坐标系转换到静止坐标系，计算幅值差ΔV，通过两个电压向量间的向量积计算相位差的正弦值，以代替锁相环，经过比例-积分处理和低通滤波处理后，得到频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm；
临时从逆变器的工作方法如下，收到并网控制器的状态信息后，预同步开始后，存储切换前时刻的输出有功功率PSH和无功功率QSH，负载为恒功率类型时，功率跟踪模块存储的PSH，QSH即作为指令有功功率、无功功率；当电压幅值差较大，且负载为阻抗性质时，用电压幅值对指令功率进行修正，获得新的指令有功功率PSH’和无功功率QSH’；
将指令有功功率PSH或指令有功功率PSH’以及无功功率QSH或无功功率QSH’与实际有功功率P和无功功率Q作差，经过比例-积分得到临时从逆变器的频率幅值补偿量Δωs和电压幅值补偿量ΔEs，加在临时从逆变器的下垂控制的额定频率及电压幅值上；
负载为阻抗性质时，指令有功功率PSH’和无功功率QSH’的计算方法如下：
其中，V为实时测量的电压幅值，VSH为预同步开始前时刻的测量并存储的电压幅值；
幅值差ΔV及相位差正弦sin(Δθ)计算方法如下：
其中，Δθ＝θg-θinv；
并网判据的计算方法如下：
S2，在并网条件下，开关Su与固态开关Si都闭合，孤岛发生后Su受保护设备的控制而断开，而Si在孤岛检测算法确认孤岛发生后断开，当电网恢复后，Su闭合，并发起预同步，电压vinv与电网侧电压vg接近，满足并网条件后，闭合Si，完成并网，并网控制器通过低带宽通信通知各逆变器并网发生。
2.一种如权利要求1所述的基于临时主从切换的微网预同步方法的微网预同步系统，其特征在于，包括并网控制器，逆变器控制系统；
并网控制器包括电压调节模块，并网判定模块；
电压调节模块用于采集并网控制器的逆变器侧电压vinv与电网电压vg，并生成频率幅值补偿量Δωm和电压幅值补偿量ΔEm；
并网判定模块根据并网控制器的逆变器侧电压vinv与电网电压vg判定是否应当并网，并控制固态开关Si完成并网；
被指定为临时主逆变器的逆变器控制系统包括下垂控制模块，被指定为临时从逆变器的逆变器控制系统包括下垂控制模块和功率跟踪模块；
功率跟踪模块用于使实际有功功率和无功功率跟随切换前时刻的输出有功功率和无功功率，并在负载为阻抗性质时，根据实际输出电压幅值变化，对指令有功功率和无功功率进行修正；
当并网开关两侧的负载为恒功率类型时，功率跟踪模块存储的有功功率PSH和无功功率QSH即作为指令有功功率、无功功率，保持预同步过程中的功率分配；并网开关两侧的负载为阻抗性质时，功率跟踪模块采用电压幅值对指令功率进行修正，获得新的指令有功功率PSH ’和无功功率QSH ’；
功率跟踪模块将确定后的指令有功功率PSH或有功功率PSH ’以及指令无功功率QSH或无功功率QSH ’与实际有功功率P和无功功率Q作差，并经过比例-积分控制器得到变量Δωs，ΔEs，加在临时从逆变器的下垂控制的额定频率及电压幅值上。
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