基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子设备控制领域，尤其涉及一种基于变流器输出电流的分布式 电源切换控制方法。
【背景技术】
[0002] 当电网发生故障时，引起电网断路器跳闸，原并网运行的分布式电源系统处在孤 岛运行状态，形成分布式电源带当地负载独立工作的情况，这种情况具有突发性和随机性， 称为非计划孤岛。由于非计划孤岛的不确定性，如何保证非计划孤岛切换过程中的稳定供 电显得十分重要。
[0003] 在孤岛发生时，分布式电源从电流源控制向电压源控制的切换，保证负载供电电 压不变；当电网恢复供电时，分布式电源从电压源控制向电流源控制的切换控制，实现并网 运行。
[0004] 非计划孤岛下电网断电造成的无功不平衡，可以通过改进锁相环来限制其引起的 频率畸变；非计划孤岛下电网断电造成的有功不平衡，可以通过改变逆变器输出有功来限 制其引起的电压畸变。要改变逆变器输出功率，一种方法是直接改变参考电流值，另一种方 法则从保证给负载供电的电压不畸变出发，控制参考电压。
[0005] 传统情况下，分布式电源的变流器在并网运行时可采用下垂控制，在孤网运行时 可采用恒压恒频（V/F)控制。孤岛现象发生和电网恢复供电时要进行并网/孤岛切换。目前 在非计划孤岛情况下，已有两种方法来实现并网转孤网的无缝切换：已有技术[1]，见IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS第23 卷第3 期出版的"Indirect Current Control Algorithm for Utility Interactive Inverters in Distributed Generation Systems'，， 依据单相分布式电源的LCL滤波器矢量关系，提出了以控制电容电压来控制流入电网电流 的间接控制策略，在并网转孤网时通过对电容电压的限幅，来保证公共连接点（PCC点）电 压在一定的范围内；已有技术[2]，见ffiEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS第29卷 第 7 期出版的''Indirect Current Control Based Seamless Transfer of Three-phase Inverter in Distributed Generation"，该技术方法不依赖于LCL滤波器矢量关系，通过 对电流控制器输出的限幅完成切换时PCC点电压控制，属于三相的间接电流控制方法；已 有技术[1]和[2]均可称为间接电流控制。但是[1]中间接电流控制依赖于所提出的单相 拓扑以及LCL滤波器矢量关系。[2]中分布式电源并网转孤网时基于电网电流的控制会迅 速启动电压限幅器，应用了电网阻抗参数来进行解耦控制，并通过流入电网的指令电流形 成电流闭环来实现切换控制，在已知流入电网电流指令的情况下应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，提出一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法， 用于解决非计划孤岛发生时分布式电源无缝切换和电网恢复时分布式电源无缝切换的问 题，实现切换时PCC点电压的平滑过渡。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是通过对变流器输出电流的控制来启 动电压限幅器以实现在切换过程中供电电压不畸变。其特征在于在分布式电源变流器的电 感电流内环控制的基础上增加电压外环、前馈电压环和电感电流外环，并且应用电压限幅 器实现分布式电源从电流源控制向电压源控制的切换控制和从电压源控制向电流源控制 的切换控制；在非计划孤岛发生时变流器输出电流产生突变，变流器输出电流的参考值与 实际值比较产生差值，该差值经过PI控制器放大后启动电压限幅器，实现电流源控制向电 压源控制的切换；当电网恢复供电后，电压限幅器失去作用，实现电压源控制向电流源控制 的切换；前馈电压环直接作用于调制波，提高切换控制的响应速度。
[0008] 其中，所述变流器输出电流参考值与实际值比较产生差值经过PI控制器放大，PI 控制器参数可根据切换前后供电电压质量的要求和电压环的响应速度要求进行修改。
[0009] 所述前馈电压环直接作用于调制波并提高切换速度，前馈电压环PI控制器参数 由切换速度的要求确定，可与电压外环的PI控制器参数不同。
[0010] 所述同步旋转坐标系电压限幅器设计依据IEEE Std_1547 2003标准。
[0011] 本发明具有以下有益效果：本发明通过变流器输出电流参考值与实际值的差值间 接启动电压限幅器来控制分布式电源系统的PCC点电压，孤岛时实现电流源控制向电压源 控制的无缝切换，电网恢复供电后实现电压源控制向电流源控制的无缝切换，保障负载供 电的电压质量；该控制方法只与分布式电源变流器自身参数有关，控制方法不受电网参数 的影响。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的分布式电源变流器系统示意图； 图2为本发明的控制结构示意图； 图3为本发明的含有电流环和电压环的总体控制框图； 图4为本发明的启动环控制系统框图； 图5为基于电流组合无缝切换的PCC点电压仿真图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0014] 图1为本发明的分布式电源变流器系统示意图。变流器为三相电压型变流器，直 流侧的电压恒定，6个IGBT采用PffM控制，通过变流器输出交流电压。并网时，变流器输出 的功率一部分供给负载，一部分返回电网；孤网时，变流器输出的功率全部供给负载。选用 LC滤波器，三相并网型变流器流出的电流为电感电流为iia，iib，4,滤波电容电流为i Ca、 "负载电流为4、4、并网时电网电流为心"，同时PCC点电压称为公共 连接点电压，其值也等于滤波电容两端电压。
[0015] 图2为本发明的控制结构示意图。通过坐标变换将三相对称静止坐标系转换成以 电网基波频率同步旋转坐标系横轴（d轴）和同步旋转坐标系纵轴（q轴)，其中电感电流参 考值(变流器输出电流参考值)、电感电流在旋转坐标系横轴下分别为尤，纵轴下分别 为PCC点电压在旋转坐标系横轴下为W jtu^纵轴下为，电感电流内环控制器为 /5Z1，电压外环控制器为/?，前馈电压环控制器为/?。并网运行时变流器控制为电流源，此 时电压限幅器不起作用，变流器输出电流参考值与实际值的差值在并网时恒等于零；而在 孤网时变流器输出电流实际值变小，此时变流器输出电流参考值与实际值产生差值，该差 值经过控制器（/?)放大后启动限幅器，电压指令迅速达到限幅器上限或者下限，进而启动 电压外环。同时，依据IEEE Std_1547 2003标准，设计电压限幅器（凡)，以此来钳位PCC点 电压。
[0016] 图3为本发明的含有电流环和电压环的总体控制框图。电感电流 内环PI控制器为G (6·)，与电流内环级联的电压外环PI控制器为(6·)，与电流内环并联的 前馈电压环PI控制器为W，其中心w为变流器等效增益，女iP、&i/ 为PI调节器的参数，兄为滤波电感内阻，4·为滤波电感，为滤波电容，4为负载电流，之 为电网电流。
[0017] 由图3求出电感电流开环传递函数如式（1)，电感电流闭环传递函数如式（2)，电 压外环的开环传递函数如式（3)，含有前馈电压环的电压开环传递函数如式（4)所示。
图4为本发明的启动环控制系统框图。其中??4(6·)为启动环控制器，€(6·)为图3对 应的闭环传递函数式，如式（5)所示。
[0020] 由图4推出启动环Zi到Zc的开环传递函数以6·)，有式（6)成立。
[0021] G6(s)= G4(s)G5(s) Ci s (6) 根据式（1)、（2)、（3)、（4)、（5)、（6)中的传递函数表达式中截止频率和切换效果确定
[0022] 当非计划孤岛发生时变流器输出电流参考值与实际值的差值出现阶跃变化，启动 环将以特别大倍数的速度放大这种变化，直到达到电压限幅器限值，PI控制器参数可根据 切换前后供电电压质量的要求和电压环的响应速度要求进行设计。
[0023] 图5为在主电路参数设定情况下，基于变流器输出电流控制的无缝切换控制方法 仿真结果。其中切换时间为0.225s。从图中可以看到，基于变流器输出电流控制的方法可 以满足非计划孤岛下的无缝切换，PCC点电压只有较小的畸变，使得PCC点电压能尽量平滑 地过渡，以满足电网掉电后负载仍能正常工作。
【主权项】
1. 一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法，其特征在于在分布式电源变 流器的电感电流内环控制的基础上增加电压外环、前馈电压环和电感电流外环，并且应用 电压限幅器实现分布式电源从电流源控制向电压源控制的切换控制和从电压源控制向电 流源控制的切换控制；在非计划孤岛发生时变流器输出电流产生突变，变流器输出电流的 参考值与实际值产生差值，该差值经过PI控制器放大后启动电压限幅器，实现电流源控制 向电压源控制的切换；当电网恢复供电后，电压限幅器失去作用，实现电压源控制向电流源 控制的切换；前馈电压环直接作用于调制波，提高切换控制的响应速度。2. 根据权利要求1所述的一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法，变流 器输出电流参考值与实际值比较产生差值经过PI控制器放大，PI控制器参数可根据切换 前后供电电压质量的要求和电压环的响应速度要求进行修改。3. 根据权利要求1所述的一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法，前馈 电压环直接作用于调制波并提高切换速度，前馈电压环PI控制器参数由切换速度的要求 确定，可与电压外环的PI控制器参数不同。4. 根据权利要求1所述的一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法，同步 旋转坐标系电压限幅器设计依据IEEE Std_1547 2003标准。
【专利摘要】本发明属于电力电子设备控制领域，尤其涉及种一种基于变流器输出电流的分布式电源切换控制方法，在分布式电源变流器的电感电流内环控制的基础上增加前馈电压环和电压外环，并且应用电压限幅器实现分布式电源从电流源控制向电压源控制的切换控制和从电压源控制向电流源控制的切换控制。在非计划孤岛发生时变流器输出电流突变，变流器输出电流的参考值与实际值产生差值，该差值经过PI控制器放大后启动电压限幅器，实现电流源控制向电压源控制的切换；当电网恢复供电后，电压限幅器失去作用，实现电压源控制向电流源控制的切换。从仿真结果可知该方法能够很好地实现PCC点电压的平滑过渡,并且该方法只与分布式电源自身参数有关。
【IPC分类】H02J3/38
【公开号】CN105098829
【申请号】CN201510189487
【发明人】赵国鹏, 王彦杰, 韩民晓
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年4月21日