CN116316728A - 一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明用来解决离网转并网的无缝切换，具体的技术方案是提供了一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：储能系统先对电网锁相，得到电网的角度；把电网角度给离网设备输出电压进行电压变换的闭环控制，得到输出侧和外电网侧的角频率差；离网设备基于角频率差控制输出电压的频率，并在输出电压不断的调整后，把输出侧和外电网侧的相角差控制到一定范围之内，完成外电网相位的追踪。本发明通过两次闭环锁相，使得离网设备能够自动调节输出频率实现外电网的自动跟踪，实现无冲击离网转并网的无缝切换。

Description

一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法
技术领域
本发明涉及一种解决离网转换到并网相位追踪的方法，属于新能源储能技术并网发电技术领域。
背景技术
随着新能源光伏储能系统的发展，以光伏储能系统为代表的分布式发电己被广泛应用于电网组成中。储能系统可以进行并网运行和离网运行。在外电网正常条件下，离网运行的系统可以切换到并网模式。为了减少电流的冲击，防止损坏开关器件和本地负载，需要把离网运行的相位调节到和外电网一致。储能系统需要用一种算法来自动调节输出电压的相位。
现有具有并网离网切换的储能系统，在离网运行切换到并网运行时，外电网的相位和本地离网系统的不一致。直接闭合切换开关，会引起很大的冲击电流，严重时损坏设备。
为解决上述问题，通常的做法是储能变流器先停止运行，本地负载停电，再把切换开关吸合上，储能变流器再运行。该解决方案的缺点是：本地的负载需要先停电再上电，不能实现本地离网供电和外网供电的无缝切换。
发明内容
本发明的目的是：提供一种在本地负载不停电的情况下，实现离网到并网的自动相位追踪方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其中，离网运行时，由储能系统为本地负载供电；并网运行时，可以由外电网为本地负载供电，也可以由储能系统为本地负载供电，通过所述自动离网转并网相位追踪方法实现在控制系统控制下的自动离网转并网，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、控制系统对外电网锁相，得到外电网的锁相角；
步骤2、把外电网的锁相角给储能系统，用外电网的锁相角对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换，获得储能系统输出电压的电压无功分量Uq；
步骤3、对电压无功分量Uq进行闭环控制，使得电压无功分量Uq为0，进而得到储能系统的输出侧和外电网侧的角频率差Δω；
步骤4、获得预先设定的储能系统离网时输出的角频率ωset与角频率差Δω的差值，基于该差值控制储能系统的输出电压；
步骤5、若储能系统输出电压的相位和外电网的相位误差在预先设定的范围之内，则完成相位跟踪，否则，返回步骤1。
优选地，步骤1中，获得外电网的锁相角包括以下步骤：
步骤101、对外电网电压进行Clark变换后，再进行Park变换；
步骤102、经过PI闭环调节滤除上一步所得信号的Q轴分量Vq，得到误差角频率ΔωGrid；
步骤103、误差角频率ΔωGrid加上基频的角频率ωGrid后再进行积分，即可得到外电网的锁相角θp。
优选地，步骤101中，所述Clark变换为等幅值的Clark变换，或为等功率的Clark变换。
优选地，步骤102中，通过下式控制同步旋转坐标系下的外电网电压信号的Q轴分量Vq为0：
Figure BDA0004125912620000021
式中：
Figure BDA0004125912620000022
是一阶惯性滤波，其中，τ表示时间常数，S表示拉普拉斯算子；/>
Figure BDA0004125912620000023
是PI控制的传递函数，其中，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数。
优选地，步骤2中，用外电网的锁相角对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换时，先对储能系统的输出电压进行Clark变换后，再用外电网的锁相角θp对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换。
优选地，步骤2中，所述用外电网的锁相角θp对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换如下式所示：
Figure BDA0004125912620000031
式中，Um为储能系统的输出侧相电压幅值，Ud为储能系统输出电压的电压有功分量，Uq为储能系统输出电压的电压无功分量。
优选地，步骤3中，采用下式对电压无功分量Uq进行闭环控制，使得电压无功分量Uq为0，进而得到储能系统的输出侧和外电网侧的角频率差Δω：
Figure BDA0004125912620000032
式中，
Figure BDA0004125912620000033
是一阶惯性滤波，其中，τ表示时间常数，S表示拉普拉斯算子；/>
Figure BDA0004125912620000034
是PI控制的传递函数，其中，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数。
优选地，所述步骤4包括以下步骤：
步骤401、计算得到实际输出角频率ωout，如下式所示：
ωout＝ωset-Δω
步骤402、控制系统利用实际输出角频率ωout控制储能系统的输出电压。
优选地，步骤401中，计算所述实际输出角频率ωout时，先将所述角频率差Δω取负号后，再与所述角频率ωset相加。
优选地，步骤401中，计算所述实际输出角频率ωout时，直接将所述角频率ωset减去所述角频率差Δω。
本发明用来解决离网转并网的无缝切换。在本发明所公开的技术方案中，通过两次闭环锁相，使得离网设备能够自动调节输出频率实现外电网的自动跟踪，实现无冲击离网转并网的无缝切换。
附图说明
图1为微网系统原理图；
图2示意了实施例公开的控制原理，图中，Vm为外电网的相电压幅值；
图3示意了实施例的基本流程；
图4示意了利用本实施例公开的方法调整前切换开关两侧的电压相位不一致；
图5示意了利用本实施例公开的方法调整后切换开关两侧的电压相位一致。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实施例公开了一种微网系统切换到并网系统的解决方案，所针对的微网系统如图1所示一般包括储能变流器或其他离网设备、本地负载、切换开关(可以是接触器或固态开关等可控开关)等。本实施例以离网设备为储能变流器来对本发明所公开的技术方案做进一步说明。
并网运行时，切换开关吸合，本地负载连接到电网，储能变流器充电或者放电。在离网运行时，切换开关断开，电池通过储能变流器放电给本地负载供电。在离网运行时，外电网正常情况下，可以转换到并网运行。
在本发明所公开的技术方案中：外电网正常时，本地负载由电池供电，也可以由电网供电。
需要离网运行时，切换开关断开，电池通过储能变流器给本地负载供电。
准备并网运行时，控制系统(用于控制储能变流器以及切换开关)对外电网侧锁相。用外电网的角度对储能变流器的输出电压进行闭环控制，得到储能变流器的输出侧和外电网侧的角频率差值(或角速度)。储能变流器通过调整输出的频率来改变输出电网的相位。通过双边锁相，快速准确完成电网相位的跟踪。储能变流器把输出电压的相位调整到和外电网的相同，完成外电网相位的自动追踪。
以三相电网的储能系统为例，本实施例公开的方案包括以下步骤：
第一步：由控制系统对外电网进行锁相，得到外电网的锁相角θp，具体包括以下步骤：
步骤101、对外电网电压进行Clark变换(可以采用等幅值变换，也可以采用等功率变换)后，再进行Park变换。
步骤102、经过PI闭环调节滤除上一步所得信号的Q轴分量Vq，得到误差角频率ΔωGrid。
本实施例中，通过下式控制同步旋转坐标系下的外电网电压信号的Q轴分量Vq为0：
Figure BDA0004125912620000051
式中：
Figure BDA0004125912620000052
是一阶惯性滤波，其中，τ表示时间常数，S表示拉普拉斯算子；/>
Figure BDA0004125912620000053
是PI控制的传递函数，其中，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数。
步骤103、误差角频率ΔωGrid加上基频的角频率ωGrid后再进行积分，即可得到外电网的锁相角θp，如下式所示：
θp＝∫ω'dt＝∫(ωGrid+ΔωGrid)dt
式中，ω′是外电网的角频率。
应当注意的是，本领域技术人员也可以采用其他类似的方法获得外电网的锁相角θp也可以。
第二步、输出电压的变换
对储能变流器的输出电压进行Clark变换，再用外电网的锁相角θp对储能变流器的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换，如下式所示：
Figure BDA0004125912620000054
式中，Um为储能变流器的输出侧相电压幅值，Ud为储能变流器输出电压有功分量，Uq为储能变流器输出电压无功分量。
第三步：对Uq进行闭环控制：
通过下列控制外电网同步旋转坐标系下的储能变流器的输出Uq为0，实现储能变流器输出电压调节频率的计算：
Figure BDA0004125912620000055
式中，Δω是储能变流器电压输出侧和外电网角频率的差值。
第四步：控制储能变流器的输出电压：
将第三步获得的Δω先取负号，得到-Δω后，再把-Δω加给储能变流器；或者储能变流器直接减去Δω：
ωout＝ωset-Δω
式中，ωout是实际输出角频率,ωset是预先设置的储能变流器离网时输出的角频率。
储能变流器利用实际输出角频率ωout控制输出电压。
第五步：判断是否完成相位跟踪
储能变流器根据实际输出角频率ωout调节输出电压的相位后，判断输出电压的相位和外电网的相位误差是否在一定范围之内，若是，则实现输出电压相位和外电网的相位基本一致，否则，返回第一步。
在30KW的储能变流器上和切换开关配合测试，采用上述方法调整前如图4所示切换开关两侧的电压相位不一致，而采用上述方法调整后，如图5所示切换开关两端电压的相位几乎一致。

Claims (10)

1.一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其中，离网运行时，由储能系统为本地负载供电；并网运行时，可以由外电网为本地负载供电，也可以由储能系统为本地负载供电，通过所述自动离网转并网相位追踪方法实现在控制系统控制下的自动离网转并网，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、控制系统对外电网锁相，得到外电网的锁相角；
步骤2、把外电网的锁相角给储能系统，用外电网的锁相角对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换，获得储能系统输出电压的电压无功分量Uq；
步骤3、对电压无功分量Uq进行闭环控制，使得电压无功分量Uq为0，进而得到储能系统的输出侧和外电网侧的角频率差Δω；
步骤4、获得预先设定的储能系统离网时输出的角频率ωset与角频率差Δω的差值，基于该差值控制储能系统的输出电压；
步骤5、若储能系统输出电压的相位和外电网的相位误差在预先设定的范围之内，则完成相位跟踪，否则，返回步骤1。
2.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤1中，获得外电网的锁相角包括以下步骤：
步骤101、对外电网电压进行Clark变换后，再进行Park变换；
步骤102、经过PI闭环调节滤除上一步所得信号的Q轴分量Vq，得到误差角频率ΔωGrid；
步骤103、误差角频率ΔωGrid加上基频的角频率ωGrid后再进行积分，即可得到外电网的锁相角θp。
3.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤101中，所述Clark变换为等幅值的Clark变换，或为等功率的Clark变换。
4.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤102中，通过下式控制同步旋转坐标系下的外电网电压信号的Q轴分量Vq为0：
Figure FDA0004125912610000021
式中：
Figure FDA0004125912610000022
是一阶惯性滤波，其中，τ表示时间常数，S表示拉普拉斯算子；/>
Figure FDA0004125912610000023
是PI控制的传递函数，其中，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数。
5.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤2中，用外电网的锁相角对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换时，先对储能系统的输出电压进行Clark变换后，再用外电网的锁相角θp对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换。
6.如权利要求5所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤2中，所述用外电网的锁相角θp对储能系统的输出电压进行外电网锁相角同步旋转坐标变换如下式所示：
Figure FDA0004125912610000024
式中，Um为储能系统的输出侧相电压幅值，Ud为储能系统输出电压的电压有功分量，Uq为储能系统输出电压的电压无功分量。
7.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤3中，采用下式对电压无功分量Uq进行闭环控制，使得电压无功分量Uq为0，进而得到储能系统的输出侧和外电网侧的角频率差Δω：
Figure FDA0004125912610000025
式中，
Figure FDA0004125912610000026
是一阶惯性滤波，其中，τ表示时间常数，S表示拉普拉斯算子；/>
Figure FDA0004125912610000027
是PI控制的传递函数，其中，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数。
8.如权利要求1所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤401、计算得到实际输出角频率ωout，如下式所示：
ωout＝ωset-Δω
步骤402、控制系统利用实际输出角频率ωout控制储能系统的输出电压。
9.如权利要求8所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤401中，计算所述实际输出角频率ωout时，先将所述角频率差Δω取负号后，再与所述角频率ωset相加。
10.如权利要求8所述的一种基于双边锁相的自动离网转并网相位追踪方法，其特征在于，步骤401中，计算所述实际输出角频率ωout时，直接将所述角频率ωset减去所述角频率差Δω。
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