CN112583024B - 一种储能并网变换器的快速并离网切换方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种储能并网变换器的快速并离网切换方法和系统,在并网工作模式下,经第一比例积分运算得到角速度增量,再对角速度增量与额定角速度之和积分得到更新后的锁相角度,更新后的锁相角度去到变换器的控制;在变换器离网时,对额定角速度积分得到锁相角度,将电压参考值设定为额定电压值,以用于后续的电压控制;在并网预同步阶段,经第二比例积分运算得到角速度增量,再对角速度增量和额定角速度之和积分得到更新后的锁相角度,并利用第三比例积分运算得到更新后的系统电压参考值,以控制变换器的电压与电压相位和电网的电压与电压相位一致。本发明的指令值过度平滑,减小了系统的复杂度,提高了并网同步速度和运算效率。

Description

一种储能并网变换器的快速并离网切换方法和系统
技术领域
本发明涉及供电或配电的电路装置或系统技术领域,具体来讲,涉及一种能够以三二变换模块、比例积分模块等结合当前锁相角度来计算更新后的锁相角度和电压参考值的储能并网变换器并离网切换系统,以及储能并网变换器的快速并离网切换方法。
背景技术
随着风电与光伏装机量大幅增加,风电光伏在电网的渗透率进一步提高,需要配套储能设备来控制弃风率和弃光率。商业园区中也需要储能设备,以满足削峰填谷、容量升级改造、提高供电可靠性等需求。储能设备主要包括电池和储能并网变换器,储能并网变换器能够完成电网与电池之间的电能转换,通过电池充放电实现从电网吸收电能以及向电网注入电能。储能变换器还要在电网发生故障时,及时脱离电网工作,并提供可靠的三相电压,供本地负载使用。
储能并网变换器需要实现的重要功能之一是并网-离网的切换。并网时输入的三相电压由电网提供,储能变换器需对电池充放电过程进行控制调节,离网时三相电压由变换器提供,储能变换器需要控制输出的三相交流电压的稳定与平衡。离并网切换速度、切换平滑度均会影响电网和负载的工作,严重时可能会导致并网失败、震荡、变换器损坏等严重问题,因此需要对并网切离网、离网切并网的控制方法进行特殊处理,保证切换的快速性与平滑性。并网切换离网时,需要保证变换器离网后产生的三相交流电压与离网前电网的电压保持连续;离网切换并网时,需要变换器先调整离网三相交流电压与电网电压的相位和电压相同,然后再闭合并网接触器,将变换器并网。对调整过程慢、控制复杂、过渡不平滑、因参数突变致切换失败等问题,仍然具有优化的空间。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如,本发明的目的之一在于针对存在调整过程慢、控制复杂、过渡不平滑、因参数突变致切换失败等问题,提供一种储能并网变换器的快速并离网切换方法和系统。
为了实现上述目的,本发明一方面提供了一种储能并网变换器的快速并离网切换方法。
所述并离网切换方法可包括并网-离网切换方法和/或离网-并网切换方法;其中,所述并网-离网切换方法可包括以下步骤:在并网工作模式下,在每个周期内,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压dq分量,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度;控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压异常跌落或人工操作离网开关,储能并网变换器离网;在储能并网变换器离网时刻,断开主回路中的并网开关,对额定角速度进行积分,并将积分结果作为锁相角度,将额定电压用于储能并网变换器的后续的电压控制;所述离网-并网切换方法可包括以下步骤:在离网工作模式下,控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压恢复或人工操作并网开关,储能并网变换器并网,进入并网预同步阶段;在并网预同步阶段,针对每个周期,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压d轴分量和网侧电压dq分量后,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度;同时,在本周期内,采集变换器侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第二三二变换模块计算获得变换器侧电压d轴分量,再将变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量做差后进行比例积分运算,得到电压参考值增量,将电压参考值增量与额定电压值叠加后作为更新后的电压参考值,以用于储能并网变换器的后续的电压控制;在M个周期后,若系统角速度稳定,利用第一稳定计数器开始倒计时;在N个周期后,若更新后的电压参考值稳定,利用第二稳定计数器开始倒计时;当第一稳定计数器和第二稳定计数器均计数到0时,预同步过程完成,闭合主回路中的并网开关,储能并网变换器进入并网工作模式。
进一步地,可利用第一比例积分运算模块来进行所述并网模式下的网侧电压dq分量的比例积分运算;可利用第二比例积分运算模块来进行所述预同步阶段的网侧电压dq分量的比例积分运算。
进一步地,所述第二比例积分运算模块的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数可均小于所述第一比例积分运算模块的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数。
进一步地,可利用第三比例积分运算模块来进行所述做差后的比例积分运算。
进一步地,所述额定角速度可设定为2*π*50~2*π*60rad/s;所述额定电压值可设定为220~690V。
进一步地,所述电网侧三相电压异常跌落的判断标准可为:电网侧三相电压跌落至0V且持续时间为0.15s以上,或者,电网侧三相电压跌落至85%额定电压以下且持续时间为2s以上。
进一步地,所述系统角速度值稳定的判断标准可为:连续5个开关周期内,系统角速度值的变化率不超过5%。
进一步地,所述更新后的电压参考值稳定的判断标准可为:连续5个开关周期内,所述更新后的电压参考值的变化率不超过5%。
进一步地,所述第一稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100,所述第二稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100。
本发明另一方面提供了一种储能并网变换器的快速并离网切换系统。
所述并离网切换系统可包括第一三二变换模块、第一比例积分运算模块、积分模块、第二比例积分运算模块、第二三二变换模块、第三比例积分运算模块、第一稳定计数器和第二稳定计数器,其中,所述第一三二变换模块能够结合并网模式下的当前锁相角度,对并网工作模式下的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量,还能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对并网预同步阶段的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量和网侧电压d轴分量;所述第一比例积分运算模块通过并网控制开关S1与第一三二变换模块连接,并能够在并网模式下,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量;所述第二比例积分运算模块通过预同步开关S2与第一三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量;所述积分模块能够与第一比例积分运算模块连接,并能够对并网模式下的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度,或者,所述积分模块能够与第二比例积分运算模块连接,并能够对并网预同步阶段的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度;所述第二三二变换模块能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对并网预同步阶段的变换器侧三相电压进行abc/dq转换并输出变换器侧电压d轴分量;所述第三比例积分运算模块通过预同步开关S3与第二三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量之差进行比例积分运算后输出电压参考值增量;所述第一稳定计数器能够在并网预同步阶段的系统角速度值计算稳定后开始倒计时;所述第二稳定计数器能够在并网预同步阶段的更新后的电压参考值计算稳定后开始倒计时。
进一步地,所述并离网切换系统还可包括系统角速度运算模块,所述系统角速度运算模块能够与所述第一比例积分运算模块连接,并能够将并网模式下的角速度增量与额定角速度叠加得到的系统角速度输出至所述积分模块,或者,所述系统角速度运算模块能够与所述第二比例积分运算模块连接,能够将并网预同步阶段的角速度增量与额定角速度叠加得到的系统角速度输出至所述积分模块。
进一步地,所述并离网切换系统还可包括系统电压参考值运算模块,所述系统电压参考值运算模块与所述第三比例积分运算模块连接,并能够将电压参考值增量与额定电压值叠加后输出更新后的电压参考值。
与现有技术相比,本发明的有益效果和优点可包括以下内容中的至少一项:
(1)本发明相比其他变换器快速并离网切换方法,不存在对网侧和变换器侧角度θ的锁相,提高了并网同步速度,且避免了控制指令掷突变导致的锁相失败;
(2)本发明减少了影子寄存器,采用一套角度θ和电压u d *的管理系统,减小了系统的复杂度,提高了运算效率;
(3)本发明的指令值过度平滑,不存在切换过程中参数跳变引发的系统震荡问题。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施例中的储能并网变换器的电路结构示意图;
图2a示出了本发明的一个示例性实施例中的储能并网变换器的滤波回路的一种形式示意图;
图2b示出了本发明的一个示例性实施例中的储能并网变换器的滤波回路的另一种形式示意图;
图3示出了本发明的一个示例性实施例中的储能并网变换器的快速并离网切换方法的控制示意图;
图4示出了本发明的一个示例性实施例中的储能并网变换器的快速并离网切换方法的流程图。
具体实施方式
在下文中,将结合示例性实施例来详细说明本发明的储能并网变换器的快速并离网切换方法和系统。本文中,“第一”、“第二”和“第三”仅仅是为了方便描述和便于区分,而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。
本发明针对储能并网变换器设计一种以三二变换模块、比例积分模块等结合当前锁相角度来计算更新后的锁相角度和电压参考值的储能并网变换器并离网切换系统,以及储能并网变换器的快速并离网切换方法,从而有利于提高并网同步速度、改善系统控制复杂、过渡不平滑、以及参数跳变导致切换失败等问题。
本发明一方面提供了一种储能并网变换器的快速并离网切换方法。
在本发明的储能并网变换器的快速并离网切换方法的一个示例性实施例中,所述储能并网变换器的快速并离网切换方法可包括并网-离网切换方法和/或离网-并网切换方法。其中,所述并网-离网切换方法可包括以下步骤:
步骤A1,在并网工作模式下,在每个周期内,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压dq分量,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度。
在本实施例中,可利用第一比例积分运算模块来进行所述并网工作模式下的网侧电压dq分量的比例积分运算。另外,需要说明的是,此时,主回路中的并网开关S g 和控制回路中的并网控制开关S 1处于闭合状态,预同步开关S 2S 3处于断开状态。储能并网变换器的交流侧电压参考值对储能并网变换器的后续的电压控制不产生作用。
在本实施例中,在并网工作模式下,将系统角速度进行积分运算得到更新后的锁相角度后,更新后的锁相角度一方面去到了储能并网变换器的控制系统,以满足储能并网变换器的电压控制、功率控制、PWM发生控制等功能的需求;另一方面,更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块,作为下一个周期计算时的所述当前锁相角度。需要说明的是,控制器包括并离网切换部分、电压控制部分、功率控制部分、PWM发生部分、以及其他部分,所有部分综合在一起共同用于控制储能并网变换器。因此,计算得到的所述更新后的锁相角度不仅需要用于并离网切换部分对储能并网变换器的控制,也需要用于电压控制部分、功率控制部分、PWM发生部分等其他部分对储能并网变换器的控制。
步骤A2,控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压异常跌落或人工操作离网开关,储能并网变换器离网。
这里,当发生电网侧三相电压异常跌落时,变换器被动离网;当发生人工操作离网开关时,变换器主动离网。所述电网侧三相电压异常跌落的判断标准可为:电网侧三相电压跌落至0V且持续时间为0.15s以上,例如持续时间为0.16s、0.2s等,或者,电网侧三相电压跌落至85%额定电压以下且持续时间为2s以上,例如持续时间为2.1s、2.5s、3s等。
步骤A3,在储能并网变换器离网时刻,断开主回路中的并网开关,对额定角速度进行积分,并将积分结果作为锁相角度,将额定电压用于储能并网变换器的后续的电压控制。
在本实施例中,所述额定角速度可设定为2*π*50~2*π*60rad/s;所述额定电压值可设定为220~690V。例如,额定角速度可设定为2*π*51rad/s、2*π*55rad/s、2*π*58rad/s等;额定电压值可设定为230V、380V、680V等。需要说明的是,此时,主回路中的并网开关S g 处于断开状态,储能并网变换器与电网被S g 隔离,同时系统中并网控制开关S 1也处于断开状态。此时储能并网变换器的锁相角度仅由额定角速度通过积分得到,其电压参考值等于额定电压值,该电压参考值用于储能并网变换器的后续的电压控制,储能并网变换器切换至离网工作模式。
所述离网-并网切换方法可包括以下步骤:
步骤B1,在离网工作模式下,控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压恢复或人工操作并网开关,储能并网变换器并网,进入并网预同步阶段。
这里,在被动离网情况下,当发生电网侧三相电压恢复,变换器被动并网;在主动离网情况下,当发生人工操作并网开关时,变换器主动并网。
步骤B2,在并网预同步阶段,针对每个周期,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压d轴分量和网侧电压dq分量后,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度。
同时,在本周期内,采集变换器侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第二三二变换模块计算获得变换器侧电压d轴分量,再将变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量做差后进行比例积分运算,得到电压参考值增量,将该电压参考值增量与额定电压值叠加后作为更新后的电压参考值,以用于储能并网变换器后续的电压控制。
在本实施例中,并网预同步阶段,预同步开关S 2、S3处于闭合状态,主回路中的并网开关S g 和并网控制开关S1处于断开状态,可利用第二比例积分运算模块来进行所述预同步阶段的网侧电压dq分量的比例积分运算;可利用第三比例积分运算模块来进行所述做差后的比例积分运算。另外,需要说明的是,与所述第一比例积分运算模块相比,所述第二比例积分运算模块的参数更加温和,能够防止角速度增量发生剧烈变化影响储能并网变换器输出三相电压。换句话说,所述第二比例积分运算模块的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数均小于所述第一比例积分运算模块的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数。
在并网预同步阶段,将系统角速度进行积分运算得到更新后的锁相角度后,更新后的锁相角度一方面去到了储能并网变换器的控制系统,使变换器输出的电压相位与网侧电压相位保持一致;另一方面,更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块和第二三二变换模块,作为下一个周期计算时的所述当前锁相角度。
步骤B3,在M个周期后,若系统角速度稳定,利用第一稳定计数器开始倒计时;在N个周期后,若更新后的电压参考值稳定,利用第二稳定计数器开始倒计时。
在本实施例中,所述系统角速度值稳定的判断标准可为:连续5个开关周期内,系统角速度值的变化率不超过5%,例如变化率为1%、2%、3%、4%等。所述更新后的电压参考值稳定的判断标准可为:连续5个开关周期内,所述更新后的电压参考值的变化率不超过5%,例如变化率为1%、2%、3%、4%等。这里,一个开关周期是指储能并网变换器中的开关器件完成一次开通和关断的周期。
另外,所述第一稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100,所述第二稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100。第一稳定计数器和第二稳定计数器的倒计时初始值可以依据系统的开关周期,系统频率还有系统响应去调节。例如,第一稳定计数器和第二稳定计数器的倒计时初始值可为5、10、50、90等。
步骤B4,当第一稳定计数器和第二稳定计数器均计数到0时,预同步过程完成,闭合主回路中的并网开关,系统从离网工作模式切换为并网工作模式。
这里,需要说明的是,所述系统角速度和所述更新后的电压参考值不一定在同一时刻均达到稳定,其对应的第一稳定计数器和第二稳定计数器不一定同时开始进入倒计时。也就是说,可以存在系统角速度的第一稳定计数器在先一步开始倒计时,电压参考值的第二稳定计数器落后一步开始倒计时;或者,可以存在电压参考值的第二稳定计数器在先一步开始倒计时,系统角速度的第一稳定计数器落后一步开始倒计时。因此,需对所述系统角速度和所述更新后的电压参考值都设置一个稳定计数器,当第一稳定计数器与第二稳定计数器均计数到0时,代表储能并网变换器已经将离网三相交流电压的相位和电压调整为与网侧电压相同,预同步过程完成。
按照上述步骤,可以完成变换器的并网-离网与离网-并网的切换过程。
本发明另一方面提供了一种储能并网变换器的快速并离网切换系统。
在本发明的储能并网变换器的快速并离网切换系统的一个示例性实施例中,所述并离网切换系统可包括第一三二变换模块、第一比例积分运算模块、积分模块、第二比例积分运算模块、第二三二变换模块、第三比例积分运算模块、第一稳定计数器和第二稳定计数器。
其中,所述第一三二变换模块能够结合并网模式下的当前锁相角度,对并网工作模式下的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量,还能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对并网预同步阶段的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量和网侧电压d轴分量。
所述第一比例积分运算模块通过并网控制开关S1与第一三二变换模块连接,并能够在并网模式下,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量。
所述第二比例积分运算模块通过预同步开关S2与第一三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量。
所述积分模块能够与第一比例积分运算模块连接,并能够对并网模式下的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度,或者,所述积分模块能够与第二比例积分运算模块连接,能够对并网预同步阶段的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度。
所述第二三二变换模块能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对并网预同步阶段的变换器侧三相电压进行abc/dq转换并输出变换器侧电压d轴分量。
所述第三比例积分运算模块通过预同步开关S3与第二三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量之差进行比例积分运算后输出电压参考值增量。
所述第一稳定计数器能够在并网预同步阶段的系统角速度值计算稳定后开始倒计时,所述第二稳定计数器能够在并网预同步阶段的更新后的电压参考值计算稳定后开始倒计时。所述第一稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100,所述第二稳定计数器设定的倒计时初始值可为5~100。第一稳定计数器和第二稳定计数器的倒计时初始值可以依据系统的开关周期,系统频率还有系统响应去调节。例如,第一稳定计数器和第二稳定计数器的倒计时初始值可为5。
进一步地,所述并离网切换系统还可包括系统角速度运算模块。所述系统角速度运算模块能够与所述第一比例积分运算模块连接,并能够将并网工作模式下的角速度增量与额定角速度叠加得到的系统角速度输出至所述积分模块,或者,所述系统角速度运算模块能够与所述第二比例积分运算模块,能够将并网预同步阶段的角速度增量与额定角速度叠加得到的系统角速度输出至积分模块。
进一步地,所述并离网切换系统还可包括系统电压参考值运算模块。所述系统电压参考值运算模块与所述第三比例积分运算模块连接,并能够将电压参考值增量与额定电压值叠加后输出更新后的电压参考值。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例,下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
示例1
图1是本发明能够适用的一种储能并网变换器的电路结构示意图。如图1所示,储能并网变换器包括并网开关S g ,滤波回路,三相桥式电路(包括六个开关管T1-T6),输出电容C dc 。储能并网变换器的输入侧连接三相电网,输出直流侧可与电池直接相连,也可以与DC/DC变换器连接后在连接电池。由图1可知,电网的三相交流电压为u ag u bg u cg ,并网开关S g 与滤波回路之间采集到的电压为变换器侧三相交流电压u a u b u c
图2a和图2b是本发明能够适用的储能并网变换器的滤波回路的形式示意图。如图2a所示,滤波回路可以采用单电感形式,即串入L 1L 2L 3滤波;或者如图2b所示,滤波回路可以采用LCL形式,即通过电感、电容、电感的串并联组合进行滤波。
图3是本发明的储能并网变换器快速并离网切换方法的控制示意图。如图3所示,abc/dq_1为第一三二变换模块,PI1为第一比例积分运算模块,PI2为第二比例积分运算模块,abc/dq_2为第二三二变换模块,ʃ是积分模块,PI3为第三比例积分运算模块,Count1是第一稳定计数器,Count2是第二稳定计数器。
如图3所示,一种储能并网变换器的快速并离网切换系统可包括第一三二变换模块abc/dq_1、第一比例积分运算模块PI1、积分模块ʃ、第二比例积分运算模块PI2、第二三二变换模块abc/dq_2、第三比例积分运算模块PI3、第一稳定计数器Count1和第二稳定计数器Count2
所述第一三二变换模块abc/dq_1负责在并网工作模式下结合储能并网变换器的当前锁相角度θ 1,将采集到的电网侧三相电压u ag u bg u cg abc/dq转换为网侧电压d轴分量u dg 和网侧电压dq分量u qg
第一三二变换模块abc/dq_1经并网控制开关S1连接第一比例积分运算模块PI1,所述第一比例积分运算模块PI1负责在并网工作模式下,将网侧电压dq分量u qg 进行比例积分运算后输出角速度增量Δw 1。第一比例积分运算模块PI1在正常并网情况下进行工作。
w int 是额定角速度,可以设定为2*π*50rad/s。u int 为三相交流额定电压值,可以设定为380V。
ʃ是积分模块,积分模块能够与第一比例积分运算模块PI1连接,并能够对并网工作模式下的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度,或者,积分模块能够与第二比例积分运算模块PI2连接,能够对并网预同步阶段的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度。
换句话说,当并网控制开关S 1闭合时,积分模块ʃ与第一比例积分运算模块PI1连接,并对并网工作模式下的角速度增量Δw 1与额定角速度w int 叠加后的系统角速度w进行积分,积分后输出更新后的锁相角度θ 2。所述更新后的锁相角度θ 2输出至储能并网变换器的控制系统,以满足储能并网变换器的电压控制、功率控制、PWM发生控制等功能的需求。同时,所述更新后的锁相角度θ 2返回至第一三二变换模块abc/dq_1作为下一个周期计算时的当前锁相角度θ 1
此外,所述第一三二变换模块abc/dq_1还负责在并网预同步阶段,结合储能并网变换器的当前锁相角度θ 1,将采集到的电网侧三相电压u ag u bg u cg abc/dq转换为网侧电压d轴分量u dg 和网侧电压dq分量u qg
第一三二变换模块abc/dq_1还可经预同步开关S 2连接第二比例积分运算模块PI2,所述第二比例积分运算模块PI2负责在并网预同步阶段,将网侧电压dq分量u qg 进行比例积分运算后输出角速度增量Δw 2。第二比例积分运算模块PI2在离网切并网过程的预同步过程中进行工作。所述第二比例积分运算模块PI2的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数均小于所述第一比例积分运算模块PI1的比例环节的第一系数与积分环节的第二系数。
当预同步开关S2闭合时,积分模块ʃ与第二比例积分运算模块PI2连接,并对并网预同步阶段的角速度增量Δw 2与额定角速度w int 叠加后的系统角速度w进行积分,积分后输出更新后的锁相角度θ 2。所述更新后的锁相角度θ 2 输出至储能并网变换器的控制系统,用于离网下储能并网变换器的电压相位控制,以使变换器输出的电压相位与网侧电压相位保持一致。同时所述更新后的锁相角度θ 2 返回至第一三二变换模块abc/dq_1和第二三二变换模块abc/dq_2作为下一个周期计算时的当前锁相角度θ 1
所述第二三二变换模块abc/dq_2负责结合储能并网变换器处于并网预同步阶段的当前锁相角度θ 1,将并网预同步阶段采集到的变换器侧三相电压u a u b u c abc/dq转换为变换器侧电压d轴分量u d
第二三二变换模块abc/dq_2可经预同步开关S 3连接第三比例积分运算模块PI3,所述第三比例积分运算模块PI3负责在并网预同步阶段,将网侧电压d轴分量u d 与变换器侧电压d轴分量u dg 之差进行比例积分运算后输出控制电压参考值增量Δu*。
第三比例积分运算模块PI3输出的控制电压参考值增量Δu*可与额定电压值u int 叠加后输出更新后的电压参考值u d *。所述更新后的系统电压参考值u d *输出至储能并网变换器,用于离网下储能并网变换器的电压控制,以使变换器侧电压幅值与网侧电压幅值保持一致。
Count1是并网预同步阶段的所述系统角速度w的第一稳定计数器,当所述系统角速度w稳定后,Count1开始倒计时,倒计时初始值可设为5。所述系统角速度值稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,系统角速度值的变化率不超过5%。
Count2是并网预同步阶段的所述更新后的系统电压参考值u d *的第二稳定计数器,当所述更新后的系统电压参考值u d *稳定后,Count2开始倒计时,倒计时初始值可设为5。所述更新后的系统电压参考值稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,所述更新后的系统电压参考值的变化率不超过5%。
图4是本发明的储能并网变换器的快速并离网切换方法的流程图。如图4所示,在正常的并网模式下,主回路中并网开关S g 闭合,控制回路中并网控制开关S 1闭合,预同步开关S 2S 3断开。当发生电网侧三相电压u ag u bg u cg 异常跌落时,变换器被动离网;当发生人工操作离网开关时,变换器主动离网。离网时断开S g 接触器,变换器与电网被S g 隔离,同时控制系统中并网控制开关S 1断开。在离网工作模式下,当发生电网侧三相电压u ag u bg u cg 恢复,变换器被动并网;在主动离网情况下,当发生人工操作并网开关时,变换器主动并网。并网预同步阶段,闭合预同步开关S 2S 3。当系统角速度w稳定后,Count1从初始值开始倒计时;当系统电压值u d *稳定后,Count2从初始值开始倒计时。当Count1与Count2均计数到0时,代表变换器已经将离网三相交流电压的相位和电压调整的与网侧电压相同,预同步过程完成。此时主回路中并网开关S g 闭合,控制回路中并网控制开关S 1闭合,预同步开关S 2S 3断开,储能并网变换器进入并网工作模式。按照上述步骤,可以完成储能并网变换器的并网-离网与离网-并网的切换过程。
故基于图1至图4,一种储能并网变换器的快速并离网切换方法可包括以下步骤:
Step1:闭合主回路中的并网开关S g 和控制回路中的并网控制开关S 1,断开预同步开关S 2S 3,储能并网变换器进入并网工作模式。在并网工作模式下,在每个周期内,采集电网侧三相电压u ag u bg u cg ,结合当前的锁相角度θ 1,通过第一三二变换模块abc/dq_1计算获得网侧电压d轴分量u dg 和网侧电压dq分量u qg ,将网侧电压dq分量u qg 送入第一比例积分运算模块PI1进行比例积分运算,得到角速度增量Δw 1,将角速度增量Δw 1与额定角速度w int 叠加后得到系统角速度w,将系统角速度w送入积分模块ʃ进行积分运算,得到更新后的锁相角度θ 2,将更新后的锁相角度θ 2返回至第一三二变换模块abc/dq_1作为下一个周期计算时的锁相角度θ 1
Step2:控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压异常跌落或人工操作离网开关,储能并网变换器离网。若电网侧三相电压跌落至0V且持续时间为0.15s以上,或者,电网侧三相电压跌落至85%额定电压以下且持续时间为2s以上,即可视为电网侧三相电压异常跌落。
Step3:在储能并网变换器离网时刻,断开主回路中的并网开关S g 和控制回路中的并网控制开关S 1,对额定角速度w int 进行积分,并将积分结果作为锁相角度θ 2,将额定电压u int 用于储能并网变换器的后续的电压控制。额定角速度w int 设定为2*π*50rad/s;额定电压值u int 设定为380V。
Step4:在离网工作模式下,控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压恢复或人工操作并网开关,储能并网变换器并网,进入并网预同步阶段。
Step5:在储能并网变换器并网时,闭合预同步开关S 2S 3,储能并网变换器进入并网预同步阶段。在并网预同步阶段,针对每个周期,采集电网侧三相电压u ag u bg u cg ,结合当前的锁相角度θ 1,通过第一三二变换模块abc/dq_1计算获得网侧电压d轴分量u dg 和网侧电压dq分量u qg 后,将网侧电压dq分量u qg 送入第二比例积分运算模块PI2后进行比例积分运算,得到角速度增量Δw 2,将角速度增量Δw 2与额定角速度w int 叠加后得到系统角速度w,将系统角速度w进行积分运算,得到更新后的锁相角度θ 2
同时,在本周期内,采集变换器侧三相电压u a u b u c ,结合当前的锁相角度θ 1,通过第二三二变换模块abc/dq_2计算获得变换器侧电压d轴分量u d ,再将变换器侧电压d轴分量u d 与网侧电压d轴分量u dg 做差后送入第三比例积分运算模块PI3进行比例积分运算,得到电压参考值增量Δu*,将该电压参考值增量Δu*与额定电压值u int 叠加后作为更新后的电压参考值u d *,以用于储能并网变换器的后续的电压控制。
将更新后的锁相角度θ 2返回至第一三二变换模块abc/dq_1和第二三二变换模块abc/dq_2作为下一个周期计算时的锁相角度θ 1
Step6:在连续5个开关周期后,若系统角速度w的变化率不超过5%,可认为系统角速度w稳定,利用第一稳定计数器Count1开始倒计时;在连续5个开关周期后,若更新后的电压参考值u d *的变化率不超过5%,可认为更新后的电压参考值u d *稳定,利用第二稳定计数器Count2开始倒计时。第一稳定计数器Count1和第二稳定计数器Count2可从5开始倒计时。这里,一个开关周期是指开关器件T1-T6(图1中)完成一次开通关断的周期。
Step7:当第一稳定计数器和第二稳定计数器均计数到0时,预同步过程完成,闭合主回路中的并网开关S g 和控制回路中的并网控制开关S 1,断开预同步开关S 2S 3,系统从离网工作模式切换为并网工作模式。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明,但是本领域普通技术人员应该清楚,在不脱离权利要求范围的情况下,可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (5)

1.一种储能并网变换器的快速并离网切换方法,其特征在于,所述并离网切换方法包括并网-离网切换方法和离网-并网切换方法,或者包括离网-并网切换方法,其中,所述并网-离网切换方法包括以下步骤:
在并网工作模式下,在每个周期内,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压dq分量,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度;
控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压异常跌落或人工操作离网开关,储能并网变换器离网;
在储能并网变换器离网时刻,断开主回路中的并网开关,对额定角速度进行积分,并将积分结果作为锁相角度,将额定电压用于储能并网变换器的后续的电压控制;
所述离网-并网切换方法包括以下步骤:
在离网工作模式下,控制器实时采集电网侧三相电压以及并离网人工操作开关,若出现电网侧三相电压恢复或人工操作并网开关,储能并网变换器并网,进入并网预同步阶段;
在并网预同步阶段,针对每个周期,采集电网侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第一三二变换模块计算获得网侧电压d轴分量和网侧电压dq分量后,将网侧电压dq分量进行比例积分运算,得到角速度增量,将角速度增量与额定角速度叠加后得到系统角速度,将系统角速度进行积分运算,得到更新后的锁相角度,将更新后的锁相角度返回至第一三二变换模块作为下一个周期计算时的锁相角度;
同时,在本周期内,采集变换器侧三相电压,结合当前的锁相角度,通过第二三二变换模块计算获得变换器侧电压d轴分量,再将变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量做差后进行比例积分运算,得到电压参考值增量,将电压参考值增量与额定电压叠加后作为更新后的电压参考值,以用于储能并网变换器的后续的电压控制;
在M个周期后,若系统角速度稳定,利用第一稳定计数器开始倒计时;在N个周期后,若更新后的电压参考值稳定,利用第二稳定计数器开始倒计时;
当第一稳定计数器和第二稳定计数器均计数到0时,预同步过程完成,闭合主回路中的并网开关,储能并网变换器进入并网工作模式;
利用第一比例积分运算模块来进行所述并网工作模式下的网侧电压dq分量的比例积分运算;利用第二比例积分运算模块来进行所述预同步阶段的网侧电压dq分量的比例积分运算;所述第二比例积分运算模块的比例环节的第一系数小于所述第一比例积分运算模块的比例环节的第一系数,且所述第二比例积分运算模块的积分环节的第二系数小于所述第一比例积分运算模块的积分环节的第二系数;
所述电网侧三相电压异常跌落的判断标准为:电网侧三相电压跌落至0V且持续时间为0.15s以上,或者,电网侧三相电压跌落至85%额定电压以下且持续时间为2s以上;
所述更新后的电压参考值稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,所述更新后的电压参考值的变化率不超过5%;
所述系统角速度稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,系统角速度的变化率不超过5%。
2.根据权利要求1所述的储能并网变换器的快速并离网切换方法,其特征在于,利用第三比例积分运算模块来进行所述做差后的比例积分运算。
3.根据权利要求1所述的储能并网变换器的快速并离网切换方法,其特征在于,所述额定角速度设定为2*π*50~2*π*60rad/s;所述额定电压设定为220~690V。
4.根据权利要求1所述的储能并网变换器的快速并离网切换方法,其特征在于,所述第一稳定计数器设定的倒计时初始值为5~100,所述第二稳定计数器设定的倒计时初始值为5~100。
5.一种储能并网变换器的快速并离网切换系统,其特征在于,所述并离网切换系统包括第一三二变换模块、第一比例积分运算模块、积分模块、第二比例积分运算模块、第二三二变换模块、第三比例积分运算模块、第一稳定计数器和第二稳定计数器,其中,
所述第一三二变换模块能够结合并网工作模式下的当前锁相角度,对并网工作模式下的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量,还能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对预同步阶段的电网侧三相电压进行abc/dq转换并输出网侧电压dq分量和网侧电压d轴分量;
所述第一比例积分运算模块通过并网控制开关S1与第一三二变换模块连接,并能够在并网工作模式下,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量;
所述第二比例积分运算模块通过预同步开关S2与第一三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对网侧电压dq分量进行比例积分运算后输出角速度增量;
所述积分模块能够与第一比例积分运算模块连接,并能够对并网工作模式下的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度,或者,所述积分模块能够与第二比例积分运算模块连接,并能够对并网预同步阶段的系统角速度进行积分运算后输出更新后的锁相角度;
所述第二三二变换模块能够结合并网预同步阶段的当前锁相角度,对并网预同步阶段的变换器侧三相电压进行abc/dq转换并输出变换器侧电压d轴分量;
所述第三比例积分运算模块通过预同步开关S3与第二三二变换模块连接,并能够在并网预同步阶段,对变换器侧电压d轴分量与网侧电压d轴分量之差进行比例积分运算后输出电压参考值增量;
所述第一稳定计数器能够在并网预同步阶段的系统角速度值计算稳定后开始倒计时;
所述第二稳定计数器能够在并网预同步阶段的更新后的电压参考值计算稳定后开始倒计时;
所述第二比例积分运算模块的比例环节的第一系数小于所述第一比例积分运算模块的比例环节的第一系数,且所述第二比例积分运算模块的积分环节的第二系数小于所述第一比例积分运算模块的积分环节的第二系数;
所述更新后的电压参考值计算稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,所述更新后的电压参考值的变化率不超过5%;
所述系统角速度计算稳定的判断标准为:连续5个开关周期内,系统角速度的变化率不超过5%。
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