基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法与流程

本发明涉及一种储能变流器平滑切换方法，特别是一种基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法。

背景技术：

随着新能源分布式发电渗透率的逐步深入，限电问题严重，同时，为提升用户侧关键负荷使用电能的稳定性及电网故障时用电持续性，微电网系统的重要性逐渐显现。微电网系统的主要组成部分包括，储能装置、各分布式发电单元、智能开关柜、低压电网、本地负荷。其中，智能开关柜是连接本地微电网与大电网间的关键设备。通常情况下，为实现微网系统中储能变流器的并离网切换功能，智能开关柜中一般可选配半导体类型的开关，如静态开关，或机械式开关，如接触器。接触器属于机械式开关，本身动作时间较长，对于要求较低，电压跌落不大或允许恢复时间在百毫秒级的工况下，可选用有成本优势的接触器；而静态开关属于半导体功率器件，其动作时间较快，适用于关键性负荷的可靠供电。

关于微网系统中储能变流器的并离网控制策略大多基于特殊的系统拓扑结构，例如搭配各种不同微源或交直流混合型微网系统，各种不同优化的控制算法，例如改进的下垂控制、模糊滑模控制、pq/vf、虚拟同步电机等，及混合储能系统，例如锂电池、超级电容器、飞轮作为储能介质的混合储能协调控制，都在改善储能变流器并离网切换过程平滑性起到较好的作用。然而，当电网电压或频率发生变化，并触发并离网切换条件时，大部分现有技术，在并网离网算法切换及控制智能开关柜中的切换开关时，未充分考虑并离网切换的暂态过程，实际应用中可能引起切换过程的电压电流波形畸变较严重，尤其在严苛工况下，甚至切换失败。

现有技术虽对微网系统拓扑、及并离网控制算法提出很多优化及改进方法，但均未详细分析并离网切换的暂态过程，进而从该暂态过程寻求进一步提升切换平滑性。通常情况下，智能开关柜中采用接触器或静态开关，而两者的闭合断开状态与其对应的反馈信号实际上并不同步，存在一定的时间差。另外，诸如现有技术提到的并网运行与离网运行间相互切换时，两种算法的切换时刻、相位锁定等因素都决定了并离网切换暂态过程的复杂性。若不考虑切换情况下开关并离网暂态过程，尤其在并离网切换前后使用两种不同的控制算法时，不仅在直流侧将可能引起较大波动，而且将使交流侧切换过程的储能变流器输出电压电流波形畸变而触发停机故障。例如，在soc较低时满功率充电，且接入满负荷的情况下发生电网故障，由并网运行切换至离网运行后，未等到智能开关中的接触器断开，而快速恢复储能变流器输出电压，此时触发电池欠压的机率较高，以致触发电池bms三级告警而停机，另外，交流侧储能变流器输出电压不断升高，与有故障的电网电压压差迅速增大，伴随储能变流器输出电流迅速增大以致触发硬件过流关机的风险较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法，考虑并离网暂态过程从而使整个切换过程更加平滑。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：并网转离网切换，储能变流器初始状态为并网运行，工作于电流源模式；

1.1电网故障检测延迟时段：电网在a1时刻出现故障；经过故障检查延时间，于b1时刻判断电网故障，同时发出接触器断开指令，将并网算法切换至离网算法；

1.2并网转离网算法切换至实际接触器断开时段：c1时刻接触器实际切除；

1.3接触器实际断开至接触器反馈断开状态时段：d1时刻检测出接触器对应的反馈信号；

1.4接触器反馈断开状态时段：储能变流器输出电压目标值以一定的速度恢复离网运行电压指令至额定值；

步骤二：离网转并网切换，储能变流器初始状态为离网运行，工作于电压源模式；

2.1电网恢复正常并开始锁相至锁相完成时段：电网在a2时刻故障恢复，并自动开始以电网为基准进行锁相；经过锁相延迟时间，于b2时刻锁相成功，同时发出接触器闭合指令，但仍保持离网算法；

2.2发出接触器闭合指令至接触器反馈闭合状态信号时段：c2时刻接触器反馈信号显示已闭合，实际仍处于断开状态，该时段仍保持离网算法；

2.3接触器反馈闭合状态开始至接触器实际闭合时段：延迟一段时间后，于d2时刻接触器实际闭合，时刻d2无法直接检测；

2.4接触器实际闭合阶段：在时刻c2基础上取一定延迟，确保在接触器实际闭合之后，将离网算法切换至并网算法。

进一步地，所述1.1具体为电网在a1时刻出现故障，经过故障检查延时间，于b1时刻判断电网故障，同时发出接触器断开指令，将并网算法切换至离网算法，即切换为电压源模式，此时储能变流器输出电压目标值应与电网侧保持一致，并确保初始相位一致，且以额定频率进行离网控制，避免接触器两侧的电压源存在明显压差而引起并网电流冲击。

进一步地，所述1.2具体为c1时刻接触器实际切除，该时刻无法直接检测，因此在c1时刻前，储能变流器输出电压不能开始恢复，避免储能变流器输出电压与有故障电网电压间快速增大的压差而引起的较大的电流冲击。

进一步地，所述1.3中，检测到的接触器d1时刻的断开反馈信号滞后接触器c1时刻的实际断开动作。

进一步地，所述1.4具体为利用d1时刻的反馈信号作为储能变流器输出电压指令恢复标志，储能变流器输出电压目标值以一定的速度恢复离网运行电压指令至额定值。

进一步地，所述2.1具体为电网在a2时刻故障恢复，并自动开始以电网为基准进行锁相；经过锁相延迟时间，于b2时刻锁相成功，同时发出接触器闭合指令，但仍保持离网算法，此时储能变流器输出电压目标值与电网侧保持一致，避免接触器两侧的电压源存在明显压差在接触器闭合时引起并网电流冲击，确保储能变流器实现平滑切换。

进一步地，所述2.4具体为根据实测数据，在时刻c2基础上取一定延迟，并确保在接触器实际闭合之后，将离网算法切换至并网算法，此时储能变流器工作于电流源模式，以离网时有功功率与无功功率功率为初始状态，系统有功功率与无功功率可由当前值以一定的速度恢复至并网运行功率指令。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明结合切换开关自身特性，将并离网转换暂态过程分段处理，可进一步改善系统的并离网切换过程的可靠性、平滑性，适应实际工况的复杂性；

2、本发明不改变原微网系统的组成部分,及不影响发挥原有相关技术优势，对不同微网系统拓扑、单相或三相储能变流器、不同闭环控制算法、不同的切换开关具有普适性；

3、本发明尤其适用于切换前后采用两种不同算法的情形，而对于采用统一的算法，例如下垂控制、虚拟同步电机算法，也可利用该切换开关自身特性作为关键逻辑判定的依据。

附图说明

图1是本发明的基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种基于并离网暂态过程分段控制的储能变流器平滑切换方法，包含以下步骤：

步骤一：并网转离网切换，储能变流器初始状态为并网运行，工作于电流源模式。

1.1电网故障检测延迟时段（时刻a1至b1）：电网在a1时刻出现故障；经过故障检查延时间，于b1时刻判断电网故障，同时发出接触器断开指令，将并网算法切换至离网算法，即切换为电压源模式，但此时储能变流器输出电压目标值应与电网侧保持一致，并确保初始相位一致，且以额定频率进行离网控制，避免接触器两侧的电压源存在明显压差而引起并网电流冲击。

1.2并网转离网算法切换至实际接触器断开时段（时刻b1至c1）：c1时刻接触器实际切除，虽从该时刻起离网控制环中，储能变流器输出电压目标值可以一定的速度恢复离网运行电压指令至额定值，但该时刻无法直接检测。若在c1时刻前，储能变流器输出电压开始恢复，由于储能变流器输出电压与有故障电网电压间快速增大的压差，将引起较大的电流冲击。

1.3接触器实际断开至接触器反馈断开状态时段（时刻c1至d1）：d1时刻可检测出该接触器对应的反馈信号。从图中可以看出，接触器断开反馈信号(d1时刻)滞后接触器实际断开动作（c1时刻）。

1.4接触器反馈断开状态时段（时刻d1之后）：储能变流器输出电压目标值以一定的速度恢复离网运行电压指令至额定值；利用d1时刻的反馈信号作为储能变流器输出电压指令恢复标志，储能变流器输出电压目标值以一定的速度恢复离网运行电压指令至额定值。

步骤二：离网转并网切换，储能变流器初始状态为离网运行，工作于电压源模式；

2.1电网恢复正常并开始锁相至锁相完成时段（时刻a2至b2）：电网在a2时刻故障恢复，并自动开始以电网为基准进行锁相；经过锁相延迟时间，于b2时刻锁相成功，同时发出接触器闭合指令，但仍保持离网算法，此时储能变流器输出电压目标值应与电网侧保持一致，避免接触器两侧的电压源存在明显压差在接触器闭合时引起并网电流冲击，这是确保储能变流器实现平滑切换的关键。

2.2发出接触器闭合指令至接触器反馈闭合状态信号时段（时刻b2至c2）：虽然c2时刻接触器反馈信号显示已闭合，但实际仍处于断开状态。在该阶段仍保持2.1中的离网算法。

2.3接触器反馈闭合状态开始至接触器实际闭合时段（时刻c2至d2）：延迟一段时间后，于d2时刻接触器才实际闭合。该时刻d2为离网算法切换至并网算法的最佳时刻。而时刻d2无法直接检测，但程序中应考虑从c2至d2间的延迟。否则，此时切换算法，并尝试将有功功率与无功功率恢复至对应功率指令值，将破坏此时维持负荷正常运行所需的功率平衡，引起储能变流器输出电压突变，同样伴随着较大的电流冲击，以致系统切换失败。

2.4接触器实际闭合阶段（时刻d2之后）：根据实测数据，在时刻c2基础上取一定延迟，并确保在接触器实际闭合之后，将离网算法切换至并网算法，此时储能变流器工作于电流源模式，以离网时有功功率与无功功率功率为初始状态，系统有功功率与无功功率可由当前值以一定的速度恢复至并网运行功率指令，后期可根据后台下发的功率指令进行调节，以确保系统切换暂态过程稳定。

图1的实施例中所示的时间为接触器af1250-30-11的典型值。而静态开关属于半导体功率器件，动作速度较快，约在微秒级，而控制算法中断服务程序周期约在百微秒级。本发明的方法实际控制静态开关时，与其反馈信号的搭配较接触器简单，本发明方法可以简化如下：

并网转离网过程中，在b1时刻，检测出电网故障后，即可断开静态开关，并切换至离网算法，当其反馈信号显示其断开后，恢复离网运行电压指令至额定值。b1时刻之前与接触器方案处理方式相同。

离网转并网过程中，在b2时刻锁相成功，并发出静态开关闭合指令后，当其反馈信号显示其闭合后，将离网算法切换至并网算法，功率可由当前值以一定的速度恢复并网运行功率指令至额定值。b2时刻之前与接触器方案处理方式相同。

本发明在不改变原微网系统的组成部分,及不影响发挥原有相关技术优势的情况下，结合切换开关自身特性，将并离网转换暂态过程分段处理，可进一步改善系统的并离网切换过程，因此该策略对不同微网系统拓扑、单相或三相储能变流器、不同闭环控制算法、不同的切换开关具有普适性。尤其适用于切换前后采用两种不同算法的情形，而对于采用统一的算法，例如下垂控制、虚拟同步电机算法，也可利用该切换开关自身特性作为关键逻辑判定的依据。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。