CN112994083B - 一种并网的快速预同步控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并网的预同步控制方法及控制系统，该控制方法包括相位预同步控制，即在离网运行模式下，并网逆变器以固定角速度运行；当检测到电网正常时，并网逆变器对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值，通过极限定理计算得到电网电压相位和输出电压相位的相位差，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量；通过极限定理进行等效变换，获取当前电网角速度，叠加输出角速度调整量作为最终发波角速度，将最终发波角速度进行积分得到输出电压的发波相位角。本发明的控制方法，不需要对电网进行锁相就可以快速识别电网电压与输出电压的相位差，实现快速预同步。

Description

一种并网的快速预同步控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于电网并网技术领域，尤其涉及一种并网的快速预同步控制方法及控制系统。

背景技术

如图1所示，目前典型的工商业用储能系统包括电池系统、储能变流器、电网和负载，当电网正常时，储能变流器闭合接触器KM，闭合可控硅开关STS，储能变流器工作于并网模式，电池系统和电网共同给负载供电。当电网异常时，储能变流器控制可控硅STS断开并切换至离网模式，电池系统单独给负载供电。当电网由异常恢复时，需要将系统由离网模式重新切换回并网模式。电网恢复正常后，由于离网运行的电压幅值和相位与电网电压的幅值和相位不一致，直接闭合STS会引起很大的电流冲击并有可能损坏储能变流器，因此必须要控制逆变器输出的电压幅值和相位与电网一致后才允许闭合STS。

中国专利CN104701886A提出一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，通过采样三相电网电压和三相逆变电压进行锁相，分别得到电网电压相角θg和输出电压相角θo，通过对两个相角做差并送入PI控制器，PI控制器输出作为输出频率的微调量，从而实现对电网的预同步。该方法虽然可以实现逆变器对电网的预同步，但是需要先对电网和输出电压进行锁相，当电网质量比较差，特别是用油机代替电网等情况时，电网频率波动幅度比较大，锁相过程比较慢，有可能引起预同步的失败。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种并网的快速预同步控制方法及控制系统，不需要锁相即可完成对相位差的获取，从而实现相位的快速预同步。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种并网的快速预同步控制方法，其包括相位预同步控制，所述相位预同步控制包括：

离网运行模式下，储能系统的并网逆变器以固定角速度ω_offline运行；

当检测到电网正常时，并网逆变器对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角，

通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差Δθ，

其中，Δθ＝θg-θo；

通过该相位差值进行判断，并确定是否预同步完成。

采用此技术方案，不需要对电网进行锁相就可以快速识别电网电压与输出电压的相位差，从而实现快速预同步。该并网的预同步控制方法当用于储能系统时，该并网逆变器即为储能变流器。

作为本发明的进一步改进，在得到相位差Δθ值后，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式。

作为本发明的进一步改进，所述正弦值sinθg和cosθg采用以下步骤获取：

采样三相电网电压uga、ugb、ugc，经如下公式(1)所示的CLARK变换得到两相旋转坐标系下的Vα、Vβ：

采用四分之一延时法，经过如下公式(2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺；

Vα⁺＝(Vα-Vβ(t-T/4))/2

Vβ⁺＝(Vβ-Vα(t-T/4))/2 (2)

公式(2)中t-T/4代表1/4电网周期前的值；

根据如下公式(3)计算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg；

作为本发明的进一步改进，所述sinθo和cosθo采用跟sinθg和cosθg相同的方法计算得到。

作为本发明的进一步改进，所述相位差Δθ采用如下公式(4)计算得到：

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)。

作为本发明的进一步改进，所述并网的预同步控制方法包括频率预同步控制，所述频率预同步控制中，电网频率的获取方法包括：

并网逆变器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，在t时刻采样到的电网电压相角为θg与在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1的相角差Δθg采用如公式(5)计算得到：

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

电网角速度w_{g_origin}采用如公式(6)计算得到：

w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)。

作为本发明的进一步改进，所述频率预同步控制还包括：将电网角速度w_{g_origin}经过低通滤波器处理得到滤波后的电网角速度wg，所述低通滤波器处理采用公式(7)进行计算处理：

其中，G(s)是传递函数，s是拉普拉斯变换的复变量，w_c为低通滤波器设置的截止频率。

本发明还公开了一种并网的预同步控制系统，其包括相位预同步控制子系统，所述相位预同步控制子系统包括：

正弦值获取模块，当检测到电网正常时，对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角；

相位差计算模块，通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差Δθ，其中，Δθ＝θg-θo；

发波角速度获取模块，在得到相位差Δθ值后，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

预同步并网控制模块，当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式。

作为本发明的进一步改进，所述正弦值获取模块采用以下步骤获取正弦值，

采样三相电网电压uga、ugb、ugc，经如下公式(1)所示的CLARK变换得到两相旋转坐标系下的Vα、Vβ：

采用四分之一延时法，经过如下公式(2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺；

Vα⁺＝(Vα-Vβ(t-T/4))/2

Vβ⁺＝(Vβ-Vα(t-T/4))/2 (2)

公式(2)中t-T/4代表1/4电网周期前的值；

根据如下公式(3)计算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg；

所述sinθo和cosθo采用跟sinθg和cosθg相同的方法计算得到。

作为本发明的进一步改进，所述相位差计算模块采用如下公式(4)计算得到相位差Δθ：

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)。

作为本发明的进一步改进，所述并网的预同步控制系统包括频率预同步控制子系统，所述频率预同步控制子系统采用如下步骤获取电网频率：

并网逆变器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，在t时刻采样到的电网电压相角为θg与在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1的相角差Δθg采用如公式(5)计算得到：

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

电网角速度w_{g_origin}采用如公式(6)计算得到：

w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)；

将电网角速度w_{g_origin}经过低通滤波器处理得到滤波后的电网角速度wg，所述低通滤波器处理采用公式(7)进行计算处理：

其中，G(s)是传递函数，s是拉普拉斯变换的复变量，w_c为低通滤波器设置的截止频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，在不需要对电网进行锁相的情况下，可以快速获取电网频率，快速识别电网电压与输出电压的相位差，从而实现快速预同步。由于不需要对电网和输出电压进行锁相，当应用于微网等电能质量比较差场合，可以快速可靠实现预同步控制，当应用于储能多种电力服务切换等场合，采用本发明技术方案的快速同步控制，可以提高系统响应速度，增加客户收益。

附图说明

图1是现有技术中典型的工商业用储能系统的结构框图。

图2是本发明实施例的与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg的推算过程示意图。

图3是本发明实施例的电网电压相位θg和输出电压相位θo的实时相位差的获得过程示意图。

图4是本发明实施例的电网电压t采样时刻和t^-1采样时刻的相角示意图。

图5是本发明实施例的滤波后的电网角速度wg的获得过程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种并网的快速预同步控制方法，包括相位快速预同步和频率快速预同步。

所述相位预同步控制包括：

离网运行模式下，并网逆变器以固定角速度ω_offline运行；

当检测到电网正常时，并网逆变器对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角，

通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差Δθ，

其中，Δθ＝θg-θo；

在得到相位差Δθ值后，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式。

其中相位快速预同步的具体实施过程为：如图2所示，采样三相电网电压uga,ugb,ugc,经如公式(1)所示的CLARK(cal_1)变换得到两相旋转坐标系下的Vα，Vβ，经如公式(2)所示的四分之一延时法(cal_2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺，则可以根据公式(3)推算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg。同理，可推算出与三相输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo。

其中，Cal_1公式(1)为：

Cal_2公式(2)为：

Vα⁺＝(Vα-Vβ(t-T/4))/2

Vβ⁺＝(Vβ-Vα(t-T/4))/2 (2)，

其中，t-T/4代表1/4电网周期前的值。

Cal_3公式(3)为：

如图3所示，定义电网电压相位θg和输出电压相位θo实时相位差为Δθ＝θg-θo，通过该相位差值与目标值0进行做差并送入PI控制器进行控制，从而实现相位差为0。

由数学上极限定理可知，即当x趋近于0时，有sinx＝x。预同步过程中，当电网相位与输出电压相位接近时，有Δθ＝sin(Δθ)＝sin(θg-θo)，继续对上述等式根据Cal_4公式(4)展开得

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)

其中sinθg/cosθg/sinθo/cosθo根据上述公式(3)推算得到。

由此可知，本发明通过提取电网电压的正序和输出电压的正序，计算出与电压相位一致的正弦值和余弦值，经过Cal_4公式(4)运算，不需要锁相即可完成对相位差的获取，从而实现相位的快速预同步。

同时，预同步过程只有在输出电压与电网电压频率基本一致的情况下进行相位预同步，才能保证同步过程的稳定。因此本发明还包括对电网频率的快速获取方法，实现频率快速预同步，具体包括：

如图4所示，电网电压可以看作是一个以一定角速度ωg逆时针旋转的矢量，并网逆变器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，则在t时刻采样到的电网电压相角为θg，在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1，则前后两个时刻采样到的相角差为Δθg，由于采样频率f_sample远远高于电网频率fg，因此该相角差很小，同样适用于Cal_4公式(4)计算，如图5所示，即Cal_5公式(5)可表示为

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

该相角差乘以采样频率f_sample则可推算出电网角速度，其关系可用Cal_6公式(6)

表示，w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)

为防止电网畸变情况下采样的抖动对wg计算产生波动，本发明将wg_origin经过cal_7公式(7)低通滤波器处理再送给wg，Cal_7公式(7)为：

其中w_c为低通滤波器设置的截止频率。

由此可知，本发明不需要硬件捕获电网过零点，通过前后两个采样时刻的运算即可快速获取电网频率。当该方法用于储能系统时，并网逆变器为储能变流器。

本发明实施例还公开了一种并网的预同步控制系统，其包括相位预同步控制子系统和频率预同步控制子系统，所述相位预同步控制子系统包括：

正弦值获取模块，当检测到电网正常时，对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角；

相位差计算模块，通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差Δθ，其中，Δθ＝θg-θo；

发波角速度获取模块，通过相位差计算模块获取的相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

预同步并网控制模块，当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压之间的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，发出静态开关STS闭合命令，同时将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式。在一个实施例中，预设时长为100ms。

所述正弦值获取模块采用以下步骤获取正弦值，

采样三相电网电压uga、ugb、ugc，经如下公式(1)所示的CLARK变换得到两相旋转坐标系下的Vα、Vβ：

采用四分之一延时法，经过如下公式(2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺；

Vα⁺＝(Vα-Vβ(t-T/4))/2

Vβ⁺＝(Vβ-Vα(t-T/4))/2 (2)

公式(2)中t-T/4代表1/4电网周期前的值；

根据如下公式(3)计算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg；

所述sinθo和cosθo采用跟sinθg和cosθg相同的方法计算得到。

所述相位差计算模块采用如下公式(4)计算得到相位差Δθ：

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)。

所述并网的预同步控制系统包括频率预同步控制子系统，所述频率预同步控制子系统采用如下步骤获取电网频率：

储能变流器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，在t时刻采样到的电网电压相角为θg与在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1的相角差Δθg采用如公式(5)计算得到：

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

电网角速度w_{g_origin}采用如公式(6)计算得到：

w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)；

将电网角速度w_{g_origin}经过低通滤波器处理得到滤波后的电网角速度wg，所述低通滤波器处理采用公式(7)进行计算处理：

其中，G(s)是传递函数，s是拉普拉斯变换的复变量，w_c为低通滤波器设置的截止频率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种并网的预同步控制方法，其特征在于：其包括相位预同步控制，所述相位预同步控制包括：

离网运行模式下，并网逆变器以固定角速度ω_offline运行；

当检测到电网正常时，并网逆变器对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角，

通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差值Δθ，

其中，Δθ＝θg-θo；

通过该相位差值进行判断，并确定是否预同步完成；

在得到相位差值Δθ后，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式；

所述并网的预同步控制方法还包括频率预同步控制，所述频率预同步控制中，电网频率的获取方法包括：

并网逆变器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，在t时刻采样到的电网电压相角为θg与在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1的相角差Δθg采用如公式(5)计算得到：

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

电网角速度w_{g_origin}采用如公式(6)计算得到：

w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)；

所述频率预同步控制还包括：将电网角速度w_{g_origin}经过低通滤波器处理得到滤波后的电网角速度wg，所述低通滤波器处理采用公式(7)进行计算处理：

其中，G(s)是传递函数，s是拉普拉斯变换的复变量，w_c为低通滤波器设置的截止频率。

2.根据权利要求1所述的并网的预同步控制方法，其特征在于：所述正弦值sinθg和cosθg采用以下步骤获取：

采样三相电网电压uga、ugb、ugc，经如下公式(1)所示的CLARK变换得到两相旋转坐标系下的Vα、Vβ：

采用四分之一延时法，经过如下公式(2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺；

公式(2)中t-T/4代表1/4电网周期前的值；

根据如下公式(3)计算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg；

所述sinθo和cosθo采用跟sinθg和cosθg相同的方法计算得到。

3.根据权利要求2所述的并网的预同步控制方法，其特征在于：所述相位差值Δθ采用如下公式(4)计算得到：

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)。

4.一种并网的预同步控制系统，其特征在于：其包括相位预同步控制子系统，所述相位预同步控制子系统包括：

正弦值获取模块，当检测到电网正常时，对电网电压进行变换并获取与电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg，对输出电压进行变换并获取与输出电压相位一致的正弦值sinθo和cosθo，其中，θg为t时刻的电网电压相位角；

相位差计算模块，通过极限定理计算得到电网电压相位θg和输出电压相位θo的相位差值Δθ，其中，Δθ＝θg-θo；

发波角速度获取模块，通过该相位差值进行PI控制，得到输出角速度调整量Δω；同时，通过极限定理对sinθg和cosθg与上一采样周期的sinθg^-1和cosθg^-1进行等效变换，获取当前电网角速度ωg；在ωg的基础上叠加调整量Δω作为最终发波角速度ω_pwm，将最终发波角速度ω_pwm进行积分得到输出电压的发波相位角θpwm；

预同步并网控制模块，当检测到相位差值Δθ小于设定相位差值、且逆变电压与电网电压的差值小于设定值且持续预设时长以上，则认为预同步完成，将系统运行模式由离网模式切换到并网控制模式；

频率预同步控制子系统，所述频率预同步控制子系统采用如下步骤获取电网频率：

并网逆变器以固定采样频率f_sample对电网电压进行采样，在t时刻采样到的电网电压相角为θg与在上一采样时刻t^-1采样到的电网电压相角为θg^-1的相角差Δθg采用如公式(5)计算得到：

Δθg＝θg-θg^-1＝sin(θg-θg^-1)＝sinθg*cosθg^-1-cosθg*sinθg^-1 (5)

电网角速度w_{g_origin}采用如公式(6)计算得到：

w_{g_origin}＝Δθg*f_sample (6)；

将电网角速度w_{g_origin}经过低通滤波器处理得到滤波后的电网角速度wg，所述低通滤波器处理采用公式(7)进行计算处理：

其中，G(s)是传递函数，s是拉普拉斯变换的复变量，w_c为低通滤波器设置的截止频率。

5.根据权利要求4所述的并网的预同步控制系统，其特征在于：所述正弦值获取模块采用以下步骤获取正弦值，

采样三相电网电压uga、ugb、ugc，经如下公式(1)所示的CLARK变换得到两相旋转坐标系下的Vα、Vβ：

采用四分之一延时法，经过如下公式(2)提取出Vα和Vβ的正序分量Vα⁺，Vβ⁺；

公式(2)中t-T/4代表1/4电网周期前的值；

根据如下公式(3)计算出与三相电网电压相位一致的正弦值sinθg和cosθg；

所述sinθo和cosθo采用跟sinθg和cosθg相同的方法计算得到。

6.根据权利要求5所述的并网的预同步控制系统，其特征在于：所述相位差计算模块采用如下公式(4)计算得到相位差值Δθ：

Δθ＝sin(θg-θo)＝sin(θg)*cos(θo)-cos(θg)*sin(θo) (4)。