CN114243761A - 一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法及系统，包括：用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位调节策略，对微电网进行调节；逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网；本公开针对微电网中的负荷变换和并离网切换进行分析，通过在并网系统中加入预同步环节和对功率环参数的设计，控制电网电流，保证供电质量，然后在Matlab/Simulink搭建仿真模型，对控制方案进行了验证。

Description

一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法及系统

技术领域

本公开属于微电网控制技术领域，尤其涉及一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法及系统。

背景技术

目前微电网已成为解决电力系统众多问题的重要辅助手段；伴随电网中分布式发电机数量日益增加和科技的不算进步，电网的负荷也越来越大，分散布置的、小容量的发电技术又开始引起人们的关注，成为发展的重要力量。

本公开发明人发现，目前微电网主要存在以下问题：离网状态下负荷变化时电压变化幅度过大、功率不能均衡分配以及并离网切换瞬间的冲击影响过大等。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法及系统，本公开针对微电网中的负荷变换和并离网切换进行分析，通过在并网系统中加入预同步环节和对功率环参数的设计，控制电网电流，保证供电质量，然后在Matlab/Simulink搭建仿真模型，对控制方案进行了验证。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本公开提供了一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，包括：

用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位调节策略，对微电网进行调节；

逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

进一步的，所述电压补偿控制策为交流母线电压无偏差控制策略，包括：

在下垂控制表达式中增加补偿项，使电压偏差在有限时间内收敛为0，当负荷发生突变时，交流母线端电压始终维持在额定值。

进一步的，所述二次调频策略为采用二次调频实现频率的无差调节，包括：确定微电网中发电机组的发出功率和电力系统中的负荷功率；当负荷增加时，经过一次调频后，得到频率的第一偏差；经过二次调频，增加发电机组的功率，得到频率的第二偏差，所述第二偏差小于所述第一偏差。

进一步的，在孤岛运行状态下，通过自适应虚拟阻抗方式，调节虚拟阻抗，实现无功功率的分配按照微电网的额定容量进行分配。

进一步的，自适应虚拟阻抗方式包括：

获取各个逆变器之间的无功信息，计算各个微电网车额定功率值；

根据额定功率值进行自适应虚拟阻抗的调节。

进一步的，相位调节策略的调整过程为：

其中，Δω为叠加在ω上的同步补偿信号；K_p、K_I分别为相位比例和积分系数，ω为逆变器角频率，Δθ为电网相位和逆变器相位之间的差。

进一步的，将微电网车等效为电路中的电压源。

第二方面，本公开还提供了一种微电网车并离网运行模式切换的控制系统，包括孤岛运行控制模块、预同步调节模块和并网控制模块；

所述孤岛运行控制模块，被配置为：用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

所述预同步调节模块，被配置为：进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位PI调节策略，对微电网进行调节；

所述并网控制模块，被配置为：逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

第三方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开在离网状态下，采用电压补偿方法，当负荷发生变化时，电网电压在发生微小波动之后，依旧保持稳定状态，而且实现负荷功率的平滑变化，保证用户的供电质量；

2.本公开对于并离网的切换，采用预同步的策略，可以限制电流幅值，减小切换瞬间产生的冲击电流，确保器件安全可靠运行。

3.本公开在离网状态下，通过自适应虚拟阻抗方式，调节虚拟阻抗，实现线路阻抗不匹配下，依旧实现无功功率的分配按照微电网车的额定容量进行分配；

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的虚拟同步机系统主电路；

图2为本公开实施例1的VSG有功控制框图；

图3为本公开实施例1的无功-电压控制框图；

图4为本公开实施例1的频率的二次调整；

图5为本公开实施例1的并网同步矢量图；

图6为本公开实施例1的无冲击平滑并网有功_频率控制框图；

图7为本公开实施例1的无冲击平滑并网无功-电压控制框图；

图8为本公开实施例1的自适应虚拟阻抗方式控制框图；

图9为本公开实施例1的传统方法下无功负荷突变时输出无功功率；

图10为本公开实施例1的传统方法下无功负荷突变时输出公共点电压；

图11为本公开实施例1的采用无静差电压补偿方法无功负荷突变时输出无功功率；

图12为本公开实施例1的采用无静差电压补偿方法无功负荷突变时输出公共点电压；

图13为本公开实施例1的传统下垂方法功率分配；

图14为本公开实施例1的传统下垂方法功率分配；

图15为本公开实施例1的改进方法功率分配；

图16为本公开实施例1的改进方法功率分配；

图17为本公开实施例1的直接并网逆变器输出有功功率；

图18为本公开实施例1的直接并网的逆变器三相电流；

图19为本公开实施例1的直接并网的并网电流；

图20为本公开实施例1的预同步时并网点相位和幅值变化；

图21为本公开实施例1的采用预同步的逆变器输出有功功率；

图22为本公开实施例1的采用预同步的逆变器三相电流；

图23为本公开实施例1的采用预同步的并网电流幅值。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，包括：

用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位调节策略，对微电网进行调节；

逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

在本实施例中，所述电压补偿控制策为交流母线电压无偏差控制策略，包括：

在下垂控制表达式中增加补偿项，使电压偏差在有限时间内收敛为0，当负荷发生突变时，交流母线端电压始终维持在额定值。

在本实施例中，所述二次调频策略为采用二次调频实现频率的无差调节，包括：确定微电网中发电机组的发出功率和电力系统中的负荷功率；当负荷增加时，经过一次调频后，得到频率的第一偏差；经过二次调频，增加发电机组的功率，得到频率的第二偏差，所述第二偏差小于所述第一偏差。

在本实施例中，在孤岛运行状态下，通过自适应虚拟阻抗方式，调节虚拟阻抗，实现无功功率的分配按照微电网的额定容量进行分配。

在本实施例中，自适应虚拟阻抗方式包括：

获取各个逆变器之间的无功信息，计算各个微电网车额定功率值；

根据额定功率值进行自适应虚拟阻抗的调节。

在本实施例中，相位调节策略的调整过程为：

其中，Δω为叠加在ω上的同步补偿信号；K_p、K_I分别为相位比例和积分系数，ω为逆变器角频率，Δθ为电网相位和逆变器相位之间的差。

在本实施例中，将微电网车等效为电路中的电压源。

本实施例的具体实现方式为：

在本实施例中，采用的是基于虚拟同步发电机的电网系统，将储能车等效为电路中的电压源，其主电路结构和控制框图，如图1所示。

图1中，U_dc为直流母线侧电压；e_a、e_b和e_c为逆变器桥臂中点电压；i_La、i_Lb和i_Lc为滤波器的电流；R_f、L_f和C_f是滤波器的电阻、电感和电容；i_a、i_b和i_c是逆变器的输出电流；Z_g是线路阻抗；P_o，Q_o分别为有功功率和无功功率测量值；U^*为逆变器输出电压参考值。虚拟同步发电机控制的实质是一种模拟同步发电机的控制策略。同步虚拟同步控制得到逆变器输出电压幅值和相位参考值，经过电压电流双闭环控制和PWM调制器后得到逆变器输出电压。

在本实施例中，虚拟同步发电机功频控制器设计为：选取同步发电机的磁极对数为1，在考虑虚拟惯量和阻尼系数的前提下，VSG本体模型的转子运动方程如式(1)：

式中：J为虚拟惯量，D为阻尼系数；ω、δ和ω₀分别为VSG的角频率、角度和电网的额定频率；P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率；T_m、T_e分别为机械转矩和电磁转矩。

采用有功-频率控制的目的是在负荷发生波动时，通过虚拟惯量、阻尼系数以及下垂特性对电网的暂态过程进行优化控制。在系统负载有功功率变化，频率出现偏差时，可以通过有功-频率下垂控制VSG虚拟机械转矩调整有功功率输出，使系统重新达到能量平衡。

根据式(1)可知VSG有功环控制框图，如图2所示。

在本实施例中，VSG励磁控制器的设计为：无功功率主要与输出电压幅值有关，当无功负荷在一定范围内变化时，可以通过调节无功功率来实现电压幅值的控制，维持端口电压维持在一定范围内；控制方程为：

式中：U₀为空载输出电压的幅值；Q^*为无功功率参考值；Q为无功功率实际值；n为下垂控制系数；K_Q为积分系数。

引入积分调压环节，可并网运行时，无功调节更加精确；在孤岛运行时，将积分系数K_Q设为0，以负载调节输出电压；控制框图如图3所示.

在本实施例中，单台微电网车并网/孤岛无缝切换为：

要实现在VSG并离网无缝切换控制策略，关键在于实现在并入电网之前VSG系统输出的电压幅值、频率和相位都与电网电压一致；为实现这一点需要在并网之前做预同步处理，以进一步提高供电的可靠性和稳定性。

在本实施例中，以a相为例，VSG的输出电压幅值是U_o，电网的电压幅值为U_pcc，假设幅值相同，两者电压差为：

通过公式(3)可知，当VSG输出电压和电网电压存在偏差时，会导致在公共耦合点处产生最大电压偏差达到2U。在进行预同步直接接入电网的情况下，会产生较大的冲击电流，使电压改变，导致切换失败。

在本实施例中，在电力系统中的频率调节主要通过一次调频和二次调频来实现最终的频率无差控制，其中一次调频是有差调节，二次是无差调节。实现无差调节，在本实施例中，预同步采用二次调频实现频率的无差调节，其调节原理如下图4所示。

图中：P_G、P_L分别为发电机组的发出功率、电力系统中负荷功率。起始状态为C点，当负荷增加时，系统经过一次调频后，运行点移动到点C'；当频率的偏差Δf'>±0.2Hz时，需要二次调频保证频率的偏移量，增发发电机组的功率，使运行点从C'移动到C"，经过二次调频之后频率偏差由Δf'到了Δf"(Δf"<Δf')，显著提高了系统的运行质量。

假设系统不进行二次调节，只采取一次调频手段，频率阶跃响应输出特性如下：

通过上式的分析可知，参数D、J、K_a影响系统的响应快慢；参数D、K_a影响系统的偏移幅度。且一次调频不能实现系统频率的无差变化。

在本实施例中，VSG预同步设置为：并网前需要实现电网的相位一致，相位预同步可消除逆变器和电网之间的相位差。

如图5所示，逆变器输出电压矢量为U_o，角频率ω，θ为相位，电网电压矢量为U_g，角频率为ω_g，θ_g为相位角，Δθ为电网相位和逆变器相位之间的差。将Δθ放入PI部分，PI的输出是角频率的补偿。调整过程为：

其中Δω为叠加在ω上的同步补偿信号；K_p、K_I分别为相位比例和积分系数。

由矢量图可以看出来，当Δθ为0时逆变器输出电压在q轴上的投影为0，因此可以通过控制U_o在q轴分量为0来实现同步。

并离网无缝切换控制策略：

在本实施例中，采用的控制策略的有功_频率控制方式，相比于以前的控制策略，图6中运行方式转换开关档位分别为孤岛、预同步、并网3种运行方式下的控制策略。

在本实施例中，当为孤岛运行模式下，S₁、S₃处于打开状态，S₂处于W_n的位置，孤岛模式下为存在虚拟惯量的一次调频控制策略。当有并网计划时，S₁、S₃开关闭合，S₂拨到W_g的位置，进入预同步模态。在预同步环节，由于采用二次调频策略以及相位PI调节策略，保证并网时逆变器和电网频率和相位一致。并网结束后断开S₁、S₃。

图7中运行方式转换档位4～6分别为孤岛、预同步、并网3种运行方式。孤岛运行时，S₅闭合S₄断开，采用在本实施例提出的电压补偿策略，保证了电能质量。当有并网计划时，断开S₅、闭合S₄，进入预同步模式。在预同步运行下，S₄的闭合保证并网时逆变器与电网电压幅值的一致。当满足并网条件后，断开S₄、S₅，闭合S₆，进入并网模式。

多车孤岛运行控制策略及参数设计:

在本实施例中，微电网车在孤岛运行时，逆变器等效输出阻抗呈感性时，对应传统下垂控制方程为：

由于系统达到稳态时，其频率处处相等，故由式(6)可得m₁P₁＝m₂P₂＝…m_iP_i恒成立。即传统下垂控制能够按频率下垂系数m_i的反比对负荷有功功率进行精确分配。相比频率而言，电压属于“局部变量”，故无功功率受到等效输出阻抗等参数差异的影响，故不能按比例精确分配。

为此，将虚拟阻抗方法引入下垂控制环中，其基本思想是通过引入虚拟阻抗使得多逆变器的阻抗得以匹配，从而提高无功功率分配精度。但是，由于线路阻抗未知，虚拟阻抗的值不好确定。因此，在本实施例中，提出一种自适应虚拟阻抗方式，通过自适应调节虚拟阻抗使得无功功率分配精度提高。控制框图如图8所示。

利用微电网车之间的通信系统进行相互通信，获取各个逆变器之间的无功信息，计算各个微电网车额定功率值：

自适应虚拟阻抗为：

Q_{ref_i}不断随着通信系统进行调整，不断调整虚拟阻抗值，进而提高无功功率分配精度。

在本实施例中，引入自适应虚拟阻抗提高功率分配精度，但是线路阻抗以及虚拟阻抗会加大线路的电压降落，进而影响到交流母线的电压质量。为此在本实施例中，引入交流母线电压无偏差控制策略。

在下垂控制表达式中增加补偿项ΔU，即：

理想情况下，交流母线电压U_PCC应为额定值U^* _pcc，由此定义电压偏差为：

为了消除偏差ΔU，补偿项εU应为：

当K_vp、K_vi选取适当值，可以使电压偏差在有限时间内收敛为0。

采用电压无偏差策略调节后，当负荷发生突变时，交流母线端电压始终维持在额定值，保证了用户侧电能质量。

在本实施例中，主要对有功率环的参数虚拟惯量和阻尼系数进行具体的设计。根据公式(1)和图1，化简分析可知输出和输入之间的传递关系，如公式(12):

其中K＝1/(2πf₀D+K_a)，τ＝J2πf₀/(2πf₀D+K_a)，K_a为一次调频系数。

对本系统，通过设定电网频率的变化范围为1Hz，有功功率的额定值为10000W。稳态下，根据可知阻尼系数的计算方式。

在阻尼系数D已知情况下，选择功率环的带宽频率为30Hz，通过公式(13)，可以计算虚拟惯量。这里选取阻尼系数为5，一阶调频系数为2，则虚拟惯量为0.17。

为了验证本实施例中的方法，进行仿真分析，如下：

仿真电路参数的设置，在本实施例中，针对针对微电网车的实际应用场景进行仿真分析，首先搭建图1所示的主电路以及控制系统。电路的设计参数表1所示：

表1主电路及控制电路参数

场景一，离网运行模式下，负荷突变仿真：

针对季节性用电负荷陡增的问题，为保证微电网车以更加灵活、机动的方式应对负荷的突变。假设1s时增加负荷，对比传统方法和在本实施例所提出方法的波形图。

如图9和图10所示为离网情况下，当无功负荷突变时逆变器输出无功功率和公共点电压幅值变化图。在0-1s无功负荷为0，在1s时无功负荷突增5000var，由图9可以看出，由于公共点电压随着负荷的增加而降低，低于电压额定值，根据负载特性，用户侧电能质量较差。

图11为采用在本实施例提出的无静差电压补偿方法后的逆变器输出无功功率和公共点电压波形图。采用在本实施例提出方法后，当负荷发生突变，公共点电压幅值出现轻微的波动，大部分时间稳定在公共电压幅值，从而保证了公共负荷，提高了用电侧的电能质量。

场景二，离网运行模式下多微电网车供电系统：

仿真模拟线阻抗不匹配时，多微电网为公共负载供电。由于线路阻抗不匹配导致功率不能按照微电网车的额定容量进行分配。为简化分析，假设两个微电网车额定容量相等，线路参数L_line1＝0.001H，L_line2＝0.006H.

场景二总仿真时间为2s，仿真结果如图所示。

由图12和图13可知，采用传统下垂控制后，有功分配与线路阻抗无关，逆变器间有功负荷均分，无功分配与线路阻抗有关，逆变器间不能均分无功负荷；加入自适应虚拟阻抗后，图14和图15所示，有功功率在波动后很快趋于稳定，无功功率则趋于均分。仿真结果验证了采用自适应虚拟阻抗法在等容量微电网车并联时具有良好的控制效果。

场景三，微电网车并离网无缝切换：

仿真模拟微电网发电车与电网进行无缝切换，验证微电网移动车即插即用的特质。

0-2s微电网车带本地负荷工作在孤岛模式，2s时刻合上并网开关，不经预同步过程直接并入电网。由图12～14可知，电网输出用功功率达到了20kW，对电网造成巨大的功率冲击。并网瞬间，并网电流也达到100A，在实际运行设备中，会造成电流超过限值，使保护动作。直接并网对负载正常、安全运行十分不利。

逆变器在0-1s工作在孤岛模式，当电网有并网需求时，1s进入预同步模式，可以看出在预同步阶段，逆变器输出电压幅值、相位、工作频率逐渐与电网一致，在2s时退出预同步模式，进入并网模式。可以看出，并离网切换过程中，逆变器的冲击电流远小于不使用预同步时的冲击电流。由图可知，在整个并离网切换过程中，逆变器的有功功率、电流，并网电流在经过极小的波动后，逐渐达到稳定，能够保证正常地工作。并离网过程中，没有冲击的产生，不会对直流侧储能装置造成不良影响。

实施例2：

本实施例提供了一种微电网车并离网运行模式切换的控制系统，包括孤岛运行控制模块、预同步调节模块和并网控制模块；

所述孤岛运行控制模块，被配置为：用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

所述预同步调节模块，被配置为：进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位PI调节策略，对微电网进行调节；

所述并网控制模块，被配置为：逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

实施例4：

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，包括：

用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位调节策略，对微电网进行调节；

逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

2.如权利要求1所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，所述电压补偿控制策为交流母线电压无偏差控制策略，包括：

在下垂控制表达式中增加补偿项，使电压偏差在有限时间内收敛为0，当负荷发生突变时，交流母线端电压始终维持在额定值。

3.如权利要求1所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，所述二次调频策略为采用二次调频实现频率的无差调节，包括：确定微电网中发电机组的发出功率和电力系统中的负荷功率；当负荷增加时，经过一次调频后，得到频率的第一偏差；经过二次调频，增加发电机组的功率，得到频率的第二偏差，所述第二偏差小于所述第一偏差。

4.如权利要求1所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，在孤岛运行状态下，通过自适应虚拟阻抗方式，调节虚拟阻抗，实现无功功率的分配按照微电网的额定容量进行分配。

5.如权利要求4所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，自适应虚拟阻抗方式包括：

获取各个逆变器之间的无功信息，计算各个微电网车额定功率值；

根据额定功率值进行自适应虚拟阻抗的调节。

6.如权利要求1所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，相位调节策略的调整过程为：

其中，Δω为叠加在ω上的同步补偿信号；K_p、K_I分别为相位比例和积分系数，ω为逆变器角频率，Δθ为电网相位和逆变器相位之间的差。

7.如权利要求1所述的一种微电网车并离网运行模式切换的控制方法，其特征在于，将微电网车等效为电路中的电压源。

8.一种微电网车并离网运行模式切换的控制系统，其特征在于，包括孤岛运行控制模块、预同步调节模块和并网控制模块；

所述孤岛运行控制模块，被配置为：用一次调频控制策略和电压补偿控制策略，对孤岛运行的微电网进行控制；

所述预同步调节模块，被配置为：进入预同步调节环节，采用二次调频策略以及相位PI调节策略，对微电网进行调节；

所述并网控制模块，被配置为：逆变器和电网的频率及相位一致时，进行并网。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-7任一项所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-7任一项所述的微电网车并离网运行模式切换的控制方法的步骤。

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