一种储能变流器系统及其并网转离网控制方法与流程

1.本发明涉及一种储能变流器系统及其并网转离网控制方法，属于电网中储能变流器控制技术领域，具体涉及储能变流器并网模式转离网模式无缝切换控制技术领域。


背景技术：

2.随着现代社会的不断发展，现代社会对电力的依赖性日益增强，对供电可靠性的要求也越来越高，对某些场合保证电力的持续供应有极其重要的意义，例如：上海世博会、亚运会等大型重要会场的电力供应；医院、电力、通讯、机场等一级负荷，一旦短时断电则会导致大型场所照明失电、手术中断、通讯故障等诸多问题。面对这些需求，应急供电技术的发展显得极其重要。
3.基于挂靠配电网储能变流器的控制策略设计，利用储能装置承担应急供电的功能，采用相应的控制策略控制储能变流器，使其在识别出电网断电时，将储能变流器工作模式从并网工作平滑过渡到离网工作，提高了供电的可靠性以及供电质量。该方法具有低成本、易于控制等优点，具有较高的工程应用价值，能带来较好的经济效益。
4.储能技术的日益发展，被大量应用来提升配电网的容量以及解决电能质量问题。而储能变流器在配电网的应用对应急供电提供了便利，当上级电网断电时，可依靠储能变流器出力，承担负载的功率需求。储能变流器主要有两种运行模式：并网运行模式与离网运行模式(孤岛运行)。通常情况下，储能变流器工作在并网模式，与大电网相连并网运行并进行功率交换；当检测到大电网发生故障、电压跌落或者停电检修时，将储能变流器转入离网运行模式，由储能变流器向负荷供电，提高微电网本地负荷供电的可靠性。
5.储能变流器除了以上两种主要运行状态以外，还存在两种运行状态之间进行过渡的过程。为保证本地重要负荷的供电不受影响，在储能变流器运行状态切换时，储能变流器输出的电压、频率和相位等不能发生大的突变以保证电能质量，即实现运行模式的无缝切换，所以作为储能变流器的逆变系统的控制方法，对于负载供电的可靠性和供电质量有比较大的影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种储能变流器系统及其并网转离网控制方法，用以实现负荷供电的无缝平滑过渡，解决负载供电可靠性差、供电质量低的问题。
7.为实现上述目的，本发明的方案包括：
8.本发明的一种储能变流器系统，包括一端用于连接储能模块的逆变器，所述逆变器的另一端用于与主电网并联后为负载系统供电；还包括控制器，所述控制器执行如下方法步骤以实现并网模式转离网模式的无缝切换方法：
9.1)实时监测主电网相位；
10.2)当判断需要将储能变流器的工作模式从并网模式转换为离网模式时，控制储能变流器内部相位生成器继承离网瞬间主电网相位进行工作；
11.3)储能变流器的控制策略从并网控制策略转换为离网控制策略。
12.本发明针对现代社会对电力的依赖性日益增强，对供电可靠性的要求也越来越高的问题，提出了一种带有并网模式转离网模式无缝切换控制方法的储能变流器，利用储能装置承担应急供电的功能，采用相应的控制策略控制储能逆变器，使其在识别出电网断电时，将储能逆变器工作模式从并网工作平滑过渡到离网工作，提高了供电的可靠性以及供电质量。
13.具体的，储能变流器在并网模式下通过锁相法由大电网来维持频率的稳定，在转变工作模式时，由于离网后无法通过锁相得到电网相位，通过继承电网实时相位的控制方式，保证了工作模式转换时相位不发生突变，保障了供电的质量。
14.本发明通过控制策略，规避了工作模式硬切换时带来的电能质量问题，控制方便，效果突出，具有较高的实用价值与经济效益。
15.进一步，步骤1)中还采样电网信息，并用于储能变流器的并网控制策略中；所述电网信息包括逆变器输出电流ic，所述并网控制策略采用电流单环闭环控制。
16.进一步，步骤1)中，利用锁相环测得主电网输出相位ωt；步骤2)中，所述相位生成器以角速度ω继续工作。
17.进一步，步骤1)中，所述电网信息还包括变流器输出电压uc；所述离网控制策略采用电压电流双环控制。
18.进一步，利用帕克变换将uc、ic变换到以角频率ω旋转的dq坐标系上，得到u
cdq
、i
cdq
；其中i
cdq
作为电压电流双环控制中电流环dq轴的电流反馈值，u
cdq
作为电压电流双环控制中电压环dq轴的电压反馈值。
19.进一步，步骤1)中，所述电网信息还包括主电网输出电流ig；步骤3)中，储能变流器的控制策略从电流单环闭环控制转换为电压电流双环控制时，将并网控制策略电流单环闭环控制的电流参考值加上i
gdq
作为电压环中pi控制器的输出初始值；其中i
gdq
为利用帕克变换将ig变换到以角频率ω旋转的dq坐标系上得到的。
20.本发明的储能变流器在并网模式下通过大电网来维持电压幅值的稳定，在转变工作模式时，需要依靠储能变流器自身支撑电压幅值，向增加的电压外环在启动瞬间提供电流内环参考值和电网输出电流值，本控制方法通过复位pi控制器的方式，在失去电网输出电流时保障了转换过程中的电压电流双闭环输出电流值的稳定，保障了电能质量。
21.进一步，所述电压电流双环控制的控制环还包括负序环，负序环电流环指令和负序环电压环指令设为0；还利用帕克变换将uc、ic变换到以角频率-ω旋转的负序dq坐标系上，得到u
cdq_n
、i
cdq_n
；其中i
cdq_n
作为负序环中电流负序环dq轴的电流反馈值，u
cdq_n
作为负序环中电压负序环dq轴的电压反馈值。
22.进一步，步骤3)中，储能变流器的控制策略从电流单环闭环控制转换为电压电流双环控制时，将0作为电压负序环中pi控制器的输出初始值。
23.负序环电流环指令值设为0，用于保证并网模式下储能变流器只输出正序电流，从而不影响电网的电能质量；负序环电压环指令值设为0，用于保证离网带不平衡负载的情况下储能变流器仍能提供稳定的正序电压，保证负载的电能质量。
24.进一步，步骤1)中，所述电网信息还包括主电网输出电压ug；利用u
gdq
求得主电网相电压幅值，其中u
gdq
为利用帕克变换将ug变换到以角频率ω旋转的dq坐标系上得到的；储
能变流器的工作模式从并网模式转换为离网模式的判断条件为：当主电网相电压幅值下降超过设定阈值。
25.本发明针对模态识别采用被动型检测技术，采样电网电压，进行dq变换后得到d轴与q轴分量，从而计算出电网电压幅值。当检测到电压幅值跌落超过阈值时，即判断上级电源出现了失电的情况，产生工作模式转换信号，控制储能变流器的模态切换。
26.本发明的一种储能变流器的并网转离网控制方法，包括如上所述的并网模式转离网模式的无缝切换方法的方法步骤。
附图说明
27.图1是带有储能装置的电网系统拓扑结构图；
28.图2是电网系统各采样值正序dq变换示意图；
29.图3是电网系统各采样值负序dq变换示意图；
30.图4是本发明储能变流器系统正序环控制框图；
31.图5是本发明储能变流器系统负序环控制框图；
32.图6是本发明储能变流器系统孤岛检测控制框图；
33.图7(甲)是不采取任何措施时，并离网切换储能变流器相位变化示意图；
34.图7(乙)是应用本发明相位继承控制策略时，并离网切换储能变流器相位变化示意图；
35.图8(甲)是仿真中储能变流器硬切换时输出电压示意图；
36.图8(乙)是仿真中储能变流器硬切换时输出电流示意图；
37.图8(丙)是仿真中采用本发明的并网转离网控制方法时储能变流器输出电压示意图；
38.图8(丁)是仿真中采用本发明的并网转离网控制方法时储能变流器输出电流示意图；
39.图9是采用本发明的并网转离网控制方法的实验结果示意图。
40.图9中：1为负载电压波形，2为负载电流波形，3为电网电压波形，4为波形上对应的电网断电时刻。
具体实施方式
41.首先对本发明提出的储能变流器并网转离网控制方法进行理论分析。
42.该方法针对的系统为一个带有储能装置的三相配电网系统，在两相旋转坐标系(dq坐标系)下对储能变流器进行控制。在进行dq变换的过程中，参考相位决定了dq坐标系将以多少角频率旋转。正序量的dq的变换以电网电压相位ωt为参考，得到的是以角频率ω旋转的dq坐标系；而负序量的dq变换则以-ωt为参考相位，得到的是以角频率-ω旋转的dq坐标系。
43.在储能变流器的控制环中，工作在并网模式时为单电流环控制，在离网模式时为电压电流双环控制。本发明的一种储能变流器系统及其并网模式转离网模式无缝切换控制方法中，其实现并网模式转离网模式无缝切换的工作原理为：
44.(1)无缝切换的技术要求包括两方面：模态识别技术与多模态切换技术。模态识别
技术指的是快速、精确识别当前配变运行模态，判断是否需要转换工作模式；多模态切换技术指的是在识别上级电源失电的情况下，可以快速切换其自身运行模态，同时减小切换过程中的母线电压、频率波动，平滑实现向应急模态的过渡，从而降低上级电源失电对网内设备的影响。
45.(2)模态识别技术采用被动型检测技术，采样电网电压，进行dq变换后得到d轴与q轴分量，从而计算出电网电压幅值。当检测到电压幅值跌落超过阈值时，即判断上级电源出现了失电的情况，产生工作模式转换信号，控制储能变流器的模态切换。
46.(3)针对离网后无法通过锁相得到电网相位，通过继承离网瞬间电网实时相位的控制方式，保证了工作模式转换时相位不发生突变，降低了母线相位的波动，保障了供电的质量。
47.(4)pi控制器中的复位信号是解决切换模式时电压波动的关键点，以d轴控制为例对其工作过程进行详述。当配电网正常供电时，配电网与储能变流器共同向负荷供电。负载的有功功率po可以表示为：
48.po＝pg+pc49.其中，pg为配电网向负荷提供的有功功率，pc为储能变流器向负荷提供的有功功率。
50.d轴中的电流对应于有功功率，因此可以得到方程：
51.i
od
＝i
gd
+i
cd
52.其中，i
od
为流过负载电流的d轴分量，i
gd
为电网电流的d轴分量，i
cd
为储能变流器输出电流的d轴分量。
53.工作模式切换信号作为电压环pi控制器中的复位信号，并网模式电流单环的给定值i
*
与电网电流的和作为电压环pi控制器的初始值信号。此时，电压环的pi控制器不工作，只输出给定的初始值i
uo
。
54.i
uo
＝i
gd
+i
*
＝i
gd
+i
cd
55.当主电网发生故障时，储能变流器由电流源切换至电压源，进入离网模式，电压环的pi控制器正常工作。在这种情况下，负载的有功功率由储能变流器提供：
[0056][0057]
其中，p
′c为离网模式下储能变流器向负荷提供的有功功率，i
′
cd
为离网模式下储能变流器输出电流的d轴分量。
[0058]
由于pi控制器中存在复位信号，电流环的指令值没有出现突变，因此负载电压不会波动，实现了并离网模态间的无缝转换。正序环q轴与负序环的控制同理。
[0059]
(5)负序环电流环指令值设为0，用于保证并网模式下储能变流器只输出正序电流，从而不影响电网的电能质量；负序环电压环指令值设为0，用于保证离网带不平衡负载的情况下储能变流器仍能提供稳定的正序电压，保证负载的电能质量。
[0060]
结合上述理论分析的结果，可以实现本发明的一种储能变流器及其并网转离网控制方法，下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0061]
系统实施例：
[0062]
如图1所示的一种带有储能装置的电网系统，包括由主电网、负荷和储能装置构成的配电网系统，储能装置包括储能蓄电池、作为储能变流器的逆变器和滤波电路。通过在配
电网中挂靠储能变流器，当主电网故障时，通过sts静态转换开关切断主电网供电，利用本发明的储能变流器并网模式转离网模式无缝切换控制方法，实现储能装置对负荷的应急供电。
[0063]
储能变流器输出电流为ic，储能变流器输出电压为uc，主电网输出电流为ig，主电网输出电压为ug；储能变流器并网模式下，通过负荷的电流io＝ig+ic。
[0064]
储能变流器通过如下控制策略以实现并网模式转离网模式的无缝切换方法：
[0065]
1)在主电网正常，储能变流器并网模式下，实时采样主电网电网电压ug、主电网电网电流ig、储能变输出电压uc、储能变输出电流ic。采样所得数据经过后续处理，应用于控制策略中。
[0066]
2)利用锁相环pll，测得主电网输出电压的相位ωt，为之后的坐标变换做准备。
[0067]
3)如图2所示，利用帕克变换将电网电压ug、电网电流ig和储能变输出电流ic和储能变输出电压uc变换到以角频率ω旋转的正序dq坐标系上，分别得到u
gd
x
_p
、i
gdq_p
、i
cdq_p
、u
cdq_p
。同理如图3，将储能变输出电流ic和储能变输出电压uc变换到以角频率-ω旋转的负序dq坐标系上，得到i
cdq_n
、u
cdq_n
。
[0068]
所属领域技术人员应当明了，帕克变换后在dq坐标系上应当得到在d轴上的坐标和在q轴上的坐标两个值，因此电网电压正序分量u
gdq_p
包括d轴分量u
gd_p
及q轴分量u
gq_p
，电网电流正序分量i
gdq_p
包括d轴分量i
gd_p
及q轴分量i
gq_p
，储能变输出电压正序分量u
cdq_p
包括d轴分量u
cd_p
及q轴分量u
cq_p
，储能变输出电流正序分量i
cdq_p
包括d轴分量i
cd_p
及q轴分量i
cq_p
。同理，储能变输出电压负序分量u
cdq_n
包括d轴分量u
cd_n
及q轴分量u
cq_n
，储能变输出电流负序分量i
cdq_n
包括d轴分量i
cd_n
及q轴分量i
cq_n
。
[0069]
4)设计储能变流器控制环，并网模式下采用电流单环控制，控制环分为正序环与负序环，以储能变输出电流经帕克变换后的分量i
cdq_p
作为正序环的电流反馈值，以储能变输出电流参考值i
dq_ref
作为正序环的给定值；以储能变输出电流经帕克变换后的负序分量i
cdq_n
作为负序环的电流反馈值，以0作为负序环的给定值。
[0070]
离网模式采用电压电流双环控制，控制环分为正序环与负序环，分别在正、负序dq坐标系下建立。正序环结构框图如图4所示，其中i
cdq_p
作为电流正序环dq轴的电流反馈值，u
cdq_p
作为电压正序环dq轴的电压反馈值。负序环结构框图如图5所示，i
cdq_n
作为电流负序环dq轴电流反馈值，u
cdq_
n作为电压负序环dq轴电压反馈值。
[0071]
图4中，控制框图里的两个切换模块s置于图中下位时为并网模式下的电流闭环；当检测到配电网孤岛运行时，孤岛检测信号触发切换模块s置于图中上位，同时复位电压环pi调节器。
[0072]
图5中，控制框图里的两个切换模块s置于图中下位时为并网模式下的电流闭环；当检测到配电网孤岛运行时，孤岛检测信号触发切换模块s置于图中上位，同时复位电压环pi调节器。
[0073]
5)如图6所示，利用u
gd_p
和u
gq_p
求得配电网相电压幅值um，当um下降超过设定阈值时，发出储能变流器并网模式转离网模式启动信号(即孤岛检测信号)。
[0074]
6)接收到并网模式转离网模式启动信号后，储能变流器内部相位生成器继承离网瞬间电网相位，并以角速度ω继续工作。
[0075]
7)接收到启动信号后，储能变流器控制策略从电流环控制转换为电压电流双环控
制，同时在正序环中，将储能变流器输出电流参考值i
dq_ref
加上电网电流经帕克变换后的分量i
gdq_p
作为初始值赋予电压控制环中pi调节器中，作为电压环pi控制器的初始输出值；图中u
*
为电压外环的给定值，根据负荷确定。
[0076]
在负序环中，将0作为电压控制环中pi调节器初始输出值，0作为电压控制环的给定值。
[0077]
本发明针对现代社会对电力的依赖性日益增强，对供电可靠性的要求也越来越高的问题，基于挂靠配电网储能变流器的控制策略提出了一种储能变流器系统，利用储能装置承担应急供电的功能，采用相应的控制策略控制储能逆变器，使其在识别出电网断电时，将储能逆变器工作模式从并网工作平滑过渡到离网工作，提高了负荷供电的可靠性以及供电质量。
[0078]
方法实施例：
[0079]
本发明的一种储能变流器并网转离网控制方法的步骤如下：。
[0080]
1)在主电网正常，储能变流器并网模式下，实时采样主电网电网电压ug、主电网电网电流ig、储能变输出电压uc、储能变输出电流ic。采样所得数据经过后续处理，应用于控制策略中。
[0081]
2)利用锁相环pll，测得主电网输出电压的相位ωt，为之后的坐标变换做准备。
[0082]
3)如图2所示，利用帕克变换将电网电压ug、电网电流ig和储能变输出电流ic和储能变输出电压uc变换到以角频率ω旋转的正序dq坐标系上，分别得到u
gdq_p
、i
gdq_p
、i
cdq_p
、u
cdq_p
。同理如图3，将储能变输出电流ic和储能变输出电压uc变换到以角频率-ω旋转的负序dq坐标系上，得到i
cdq_n
、u
cdq_n
。
[0083]
所属领域技术人员应当明了，帕克变换后在dq坐标系上应当得到在d轴上的坐标和在q轴上的坐标两个值，因此电网电压正序分量u
gdq_p
包括d轴分量u
gd_p
及q轴分量u
gq_p
，电网电流正序分量i
gdq_p
包括d轴分量i
gd_p
及q轴分量i
gq_p
，储能变输出电压正序分量u
cdq_p
包括d轴分量u
cd_p
及q轴分量u
cq_p
，储能变输出电流正序分量i
cdq_p
包括d轴分量i
cd_p
及q轴分量i
cq_p
。同理，储能变输出电压负序分量u
cdq_n
包括d轴分量u
cd_n
及q轴分量u
cq_n
，储能变输出电流负序分量i
cdq_n
包括d轴分量i
cd_n
及q轴分量i
cq_n
。
[0084]
4)设计储能变流器控制环，并网模式下采用电流单环控制，控制环分为正序环与负序环，以储能变输出电流经帕克变换后的分量i
cdq_p
作为正序环的电流反馈值，以储能变输出电流参考值i
dq_ref
作为正序环的给定值；以储能变输出电流经帕克变换后的负序分量i
cdq_n
作为负序环的电流反馈值，以0作为负序环的给定值。
[0085]
离网模式采用电压电流双环控制，控制环分为正序环与负序环，分别在正、负序dq坐标系下建立。正序环结构框图如图4所示，其中i
cdq_p
作为电流正序环dq轴的电流反馈值，u
cdq_p
作为电压正序环dq轴的电压反馈值。负序环结构框图如图5所示，i
cdq_n
作为电流负序环dq轴电流反馈值，u
cdq_n
作为电压负序环dq轴电压反馈值。
[0086]
下面通过搭建的仿真模型，对本发明储能变流器系统及并网模式转离网模式无缝切换控制方法进行仿真验证。
[0087]
如图7(甲)所示，仿真模拟无离网瞬时相位继承拓扑的输出电压相位ωt，当0.2s上级电源失电时，储能变流器内部相角生成器开始工作，与电网电压相位不连续导致变流器输出ωt紊乱；图7(乙)，仿真模拟有离网瞬时相位继承拓扑的输出电压相位ωt，当上级
电源失电时，储能变流器内部相角生成器开始工作，继承离网瞬间电网电压相位后继续工作，变流器输出ωt连续，证明了相位继承控制的有效性。
[0088]
图8(甲)、图8(乙)、图8(丙)和图8(丁)为采用无缝切换控制策略前后的仿真结果。
[0089]
图8(甲)和图8(乙)是硬切换(即未采用无缝切换控制策略)控制时的储能变流器输出电压与输出电流，可以看出在0.25s离网发生时，储能变流器输出电压与输出电流出现较大波动，波动经过约0.13s后恢复稳定；图8(丙)和图8(丁)是采取本控制方法时的储能变流器输出电压与输出电流，可以看出在0.25s离网发生时，储能变流器输出电压与输出电流出现极为微小的波动，且波动时间极短，可以近似忽略。通过对比证明了本无缝切换控制方法的准确性与可靠性。
[0090]
图9为实验结果波形图，其中波形1为负载电压，波形3为电网电压(波形4处电网断电前电网电压3与负载电压1波形重合)，波形2为负载电流，在图示波形4处电网突然断电的瞬间，储能变流器迅速、平滑地完成了模态切换，耗时约20ms，负载电压仅出现轻微跌落，负载电流保持连续完好。实验结果进一步证明了本无缝切换控制方法的准确性与可靠性。
[0091]
综上所述，在本发明所述的控制策略下，在检测到上级电源失电后，储能变流器内部相位生成器继承离网瞬间电网相位，同时复位电压控制环中pi控制器，从而实现储能工作模式从并网模式到离网模式的无缝切换，提高配网供电的可靠性，同时在切换过程中降低母线电压频率波动，提升了供电质量。在该方法下，利用储能变流器可以实现工作模式无缝切换，对储能变流器应急供电的应用有较大的促进作用。该方法切实可行，具有较强的工程应用价值，能产生较好的经济效益。