一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法与流程

本发明涉及微电网或分布式发电系统领域，特别涉及一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法。

背景技术：

随着分布式发电技术的发展,传统的集中式发电系统正在向分布式发电系统转型。分布式发电系统接近负载,供电可靠性高,可以为边远山区或商业区供电,减少了输电损耗。有力的缓解了我国的能源问题,提高了供电可靠性。

分布式发电系统主要由分布式电源、储能装置、负载和电网组成,由于储能逆变器具有削峰填谷的功能,在分布式发电系统中得到了广泛的应用。由于光伏发电、风力发电等分布式系统具有随机性、间歇性的特点,因此为了维持分布式发电系统孤岛运行时频率稳定、功率平衡和电压稳定,就需要在系统中加入储能环节。储能电源的并网/离网切换动态过程直接影响到敏感负荷的供电质量。因此对储能逆变器的控制就尤为重要。

目前，围绕微网无缝切换技术已开展大量研究。由于并网/离网转换前后控制对象发生变化，并网状态和离网状态控制策略的不同，电网故障时不能快速脱网，因此切换过渡过程较长，冲击较大，对敏感负荷的供电质量也有较大影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的不足,提出了一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法，其可以实现并、离网状态及其之间的自动平滑切换。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法,包括控制系统、储能装置,当逆变器处于并网状态时,采用双闭环前馈解耦控制系统，电流内环控制电感电流，d轴直流电压外环稳定逆变器直流侧电压，q轴电网无功电流外环保证系统对电网呈现单位功率因数；

当逆变器处于离网状态时，负荷端电压由逆变器维持，控制模型需考虑滤波电容和负荷的影响，采用双闭环前馈解耦控制，旋转坐标系与并网时一致，电感电流内环提高动态响应速度，并具有限流作用，d轴电容电压外环保障负荷端电压质量，q轴电压外环给定值为0，保证从并网切换到离网后负载电压相位不变；

当逆变器处于并网状态与离网状态之间时,切换过程分3个阶段完成，并在两种工作状态间自动无缝切换；

其中离网状态包括主动离网和被动离网。

进一步的，所述的储能装置采用蓄电池组，所述控制系统包括开关管T₁、T₂、电感L_d，以及直流电容C_d构成Buck/Boost变换器；VT1～VT6构成三相电压源型逆变器；LC构成滤波器，R为电感内阻，带敏感负荷Z，经过反并联晶闸管开关S1、S2、S3与电网连接。

进一步的，所述的逆变器直流侧电压由蓄电池组及Buck/Boost电路维持。

进一步的，所述的储能装置在电网正常情况下工作于并网模式，作为电网可调度负荷，补偿本地无功负荷，使系统对电网呈现单位功率因数；在电网需要检修或异常情况下，固态开关S1～S3迅速断开，储能装置工作于离网模式，保障本地敏感负荷的供电；电网恢复正常后，闭合固态开关，恢复到并网工作模式。

进一步的，包括主动离网切换控制，该主动离网切换控制是在电网电压正常情况下进行的，当需要主动离网时，控制器控制Buck/Boost电路维持直流母线电压为额定值，并不断检测电网电流，直至电网电流减小到0，当电网电流下降至0时自然断开，此时撤消固态开关驱动信号，将控制器转换到离网运行模式，实现无缝切换。

进一步的，包括被动离网切换控制，该被动离网切换控制是指电网发生故障时为保护微网而自身被迫与电网断开连接，此种情况下电网电压异常，要求在最短时间内切断电网，恢复敏感负荷的供电，采用滞环电流控制的方法迫使电网电流迅速回零，使晶闸管开关关断，控制系统检测到晶闸管关断后，迅速将控制器切换到离网工作模式，切换过程完成。

进一步的，在电网电压恢复正常后，由控制系统需要检测电网电压相位，若与逆变器输出电压相差不足而导致冲击电流，则可以直接触发S1～S3导通完成并网；若相差较大，采取调整逆变器输出电压频率的方法，电压频率的调节范围应符合电能质量关于频率的相关规定，主动调整其相位使之与电网电压相同，然后再切换。

本发明的优点和有益效果：

①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②对于主动离网切换，逆变器在并网固态开关断开前逐渐承担全部负荷功率，能够有效减小过渡过程，减小对敏感负荷的影响，此过程实现了无缝无冲击切换；③对于被动离网切换，采用滞环电流控制方法能够加速电网脱离，缩短切换过渡过程此过程实现了无缝无冲击切换；④对于存在初始相位差的并网切换，采取调整逆变器输出频率缩小相位差的方法能够有效地减小并网冲击，此过程实现了无缝无冲击切换；④利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，大大提高了该控制系统的可靠性。

附图说明

附图1为本发明所涉一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法的储能装置示意图。

附图2为本发明所涉一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法的逆变器并网控制仿真模型示意图。

附图3为本发明所涉一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法的逆变器离网控制仿真模型示意图。

附图4为本发明所涉一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法的逆变器主动离网过程示意图。

附图5为本发明所涉一种储能逆变器并离网无缝切换控制方法的逆变器被动离网过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明包括控制系统、储能装置,当逆变器处于并网状态时,采用双闭环前馈解耦控制系统(参见图2)，电流内环控制电感电流，d轴直流电压外环稳定逆变器直流侧电压，q轴电网无功电流外环保证系统对电网呈现单位功率因数；

当逆变器处于离网，负荷端电压由逆变器维持，控制模型需考虑滤波电容和负荷的影响。采用双闭环前馈解耦控制(参见图3)，旋转坐标系与并网时一致。电感电流内环提高动态响应速度，并具有限流作用，d轴电容电压外环保障负荷端电压质量，q轴电压外环给定值为0，保证从并网切换到离网后负载电压相位不变，而逆变器直流侧电压由蓄电池组及Buck/Boost电路维持；

当逆变器处于并网状态与离网状态之间时,切换过程分3个阶段完成，其可在两种工作状态间自动无缝切换。

作为上述技术方案的改进,储能装置采用蓄电池组，所述控制系统包括开关管T₁、T₂、电感L_d，以及直流电容C_d构成Buck/Boost变换器；VT1～VT6构成三相电压源型逆变器；LC构成滤波器，R为电感内阻，带敏感负荷Z，经过反并联晶闸管开关S1、S2、S3与电网连接。

参见附图1，作为上述技术方案的改进,储能装置在电网正常情况下工作于并网模式，作为电网可调度负荷，补偿本地无功负荷，使系统对电网呈现单位功率因数；在电网需要检修或异常情况下，固态开关S1～S3迅速断开，储能装置工作于离网模式，保障本地敏感负荷的供电；电网恢复正常后，闭合固态开关，恢复到并网工作模式。

作为上述技术方案的改进,主动离网切换控制是在电网电压正常情况下进行的。切换过程分3个阶段完成，结合图1和图4所示，图中i_inv＝i_L-i_C为逆变器输出电流。假定切换前储能装置释放能量，则负荷功率由电网和逆变器共同承担。当需要主动离网时，控制器控制Buck/Boost电路维持直流母线电压为额定值，在图2中i^*_Ld不再由直流母线电压环给出，而是由控制器直接给定，且从接收到转换命令后的初始值开始线性增加，并不断检测电网电流，直至电网电流减小到0，增加的斜率不应过小使转换过程过长，也不应过大使控制器不能跟随指令电流。当电网电流下降至0时自然断开，此时撤消固态开关驱动信号，将控制器转换到离网运行模式，实现无缝切换。切换过程的中间阶段电网没有退出，仍然给负荷提供电压支撑，以减小切换过程对负荷端电压的影响；否则，由于控制器切换后需要调节时间，调节过程中负荷端电压质量难以保证。

作为上述技术方案的改进,被动离网切换控制是指电网发生故障时为保护微网而自身被迫与电网断开连接，此种情况下电网电压异常，要求在最短时间内切断电网，恢复敏感负荷的供电。由于晶闸管不能控制关断，必须等待电流自然过零，因此负荷端电压故障时间较长，为加速晶闸管的关断，缩短过渡过程，减小对负荷的影响，采用滞环电流控制的方法迫使电网电流迅速回零，其切换过程如图5所示。切换过程分为3个阶段，假设电网在t₁时刻发生故障，控制系统在t₂时刻检测到故障信号，同时撤消晶闸管驱动信号，(t₂-t₁)为检测时间；在t₂时刻以前，采用并网模式控制器，此后，切换到滞环电流控制模式，其电流指令值为负荷电流i_Z，根据KCL定律，若控制使得i_inv＝i_Z，则电网电流i_g＝0，由于滞环电流控制快速跟踪电流，能够加速电网电流回零，使晶闸管开关关断；在t3时刻控制系统检测到晶闸管关断，迅速将控制器切换到离网工作模式，切换过程完成。实际系统中，采用定频滞环电流控制固定功率器件的开关频率，由于变换器在该模式下工作时间只有几ms，因此开关损耗不是主要矛盾，可设置一个较小的电流环宽。

作为上述技术方案的改进,在电网电压恢复正常后，需要将储能装置从离网状态恢复到并网状态。恢复后的电网电压幅值、频率和相位可能与逆变器输出电压的不同。幅值和频率差别一般不大，而相位可能相差较大，因此控制系统需要检测电网电压相位。若与逆变器输出电压相差不足而导致冲击电流，则可以直接触发S1～S3导通完成并网；若相差较大，直接并网将产生冲击电流，严重时可能损坏设备。为了使电网电压与逆变器输出电压同相位，采取调整逆变器输出电压频率的方法，电压频率的调节范围应符合电能质量关于频率的相关规定，主动调整其相位使之与电网电压相同，然后再切换。例如电网和逆变器初始输出电压频率均为50Hz，相位差180,现将逆变器输出频率调整为50.5Hz,若忽略调整频率时相位的突变,则经过t＝180/[(50.5-50)×360]＝1s后，电网电压与逆变器输出电压同相，此时触发S1～S3导通，逆变器切换到并网运行模式，完成转换。

本发明的工作原理是：在电网电压正常情况下若需要主动离网切换，则采取并网固态开关分断前逆变器逐步承担全部敏感负荷功率的方法，以减小切换过渡过程；对于电网电压发生跌落时被动离网，则采用滞环电流控制的切换方法，加速逆变器脱网，减小对敏感负荷的冲击。并网切换时，若存在初始相位差，采用频率滑差的方法实现零相位差无缝切换。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。