微电网系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种微电网系统，包括蓄电池、储能变流器、监测电路以及可控开关。微电网系统在并网模式时，储能变流器在电流内环单元的控制下输出恒定的功率，电压外环单元在并网模式下不参与控制，但仍然处于运行状态，其根据电压外环单元的四个输入信号，预先生成出微电网系统并网切孤岛模式的电流环给定信号。微电网系统由并网模式切换至孤岛模式时，电压外环单元投入运行，电流内环单元根据电压外环单元输出的预先估算出来的电流环给定信号控制储能变流器输出电压和频率恒定。上述微电网系统，电压外环单元在模式切换前后控制其输出的电流环给定信号相同，可以实现并网/孤岛模式无缝切换。
【专利说明】
微电网系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及供电电源技术领域，特别是涉及一种微电网系统。
【背景技术】
[0002]微电网系统是包括分布式发电装置、储能变流器和负荷，并具有一定自我调节和控制能力的小型配电子网。它既可以并网模式运行，也能够在电网出现故障时以孤岛模式运行。微电网技术推动了可再生能源利用和分布式发电的发展，备受世界各国重视。
[0003 ]在微电网系统中，储能变流器是整个微电网系统的核心，在并网模式运行时存储能量，在孤岛模式运行时作为微电网系统的主电源，为整个微电网系统提供电压和频率的支撑。目前微电网系统的核心问题是如何降低微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击从而实现无缝切换，然而在传统的技术中要实现无缝切换仍然存在技术上的难点，甚至可能导致微电网系统失稳。
【实用新型内容】
[0004]基于此，针对上述如何降低微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击，本实用新型提供一种微电网系统，能够降低微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击，实现并网/孤岛模式无缝切换。
[0005]—种微电网系统，包括蓄电池，还包括储能变流器、监测电路以及可控开关;所述可控开关连接于市电和交流母线之间；所述储能变流器分别与所述蓄电池、所述交流母线连接;所述监测电路分别与所述储能变流器、所述可控开关连接；
[0006]所述监测电路用于对市电的运行状态进行监测并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号;所述可控开关用于在所述第一监测信号的控制下导通，从而使得所述微电网系统与市电并网运行进入并网模式;所述可控开关还用于在所述第二监测信号的控制下断开，从而使得所述微电网系统独立向负载供电，进入孤岛模式；
[0007]所述储能变流器包括主电路和控制电路;所述主电路用于对所述蓄电池的输出电压进行处理以并网或向负载供电；所述控制电路用于对所述主电路的输出进行控制;所述控制电路包括电压外环单元、模式切换开关以及电流内环单元；
[0008]所述电流内环单元的第一输入端与所述储能变流器的输出端连接，以接收储能变流器的输出电流反馈值;所述电流内环单元的第二输入端与所述模式切换开关的固定端连接;所述电流内环单元的输出端与所述主电路连接;所述模式切换开关的第一触点用于接收电流内环给定电流值；
[0009]所述电压外环单元的第一输入端与所述储能变流器的输出端连接，以接收储能变流器的输出电压反馈值;所述电压外环单元的第二输入端用于接收电压外环给定电压值；所述电压外环单元的第三输入端通过所述可控开关与市电连接，以接收市电电流值;所述电压外环单元的第四输入端用于接收所述电流内环给定电流值;所述电压外环单元的输出端与所述模式切换开关的第二触点连接;所述电压外环单元用于根据所述电压外环单元的第四输入端输入的电流内环给定电流值、电压外环单元的第三输入端输入的市电电流值、电压外环单元的第二输入端输入的电压外环给定电压值以及电压外环单元的第一输入端输入的储能变流器的输出电压反馈值形成微电网系统并网切孤岛模式的电流环给定信号；
[0010]模式切换开关用于在第一监测信号的控制下接通第一触点，电流内环单元根据第一触点输入的电流内环给定电流值和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，以控制储能变流器输出恒定的功率;模式切换开关还用于在第二监测信号的控制下接通第二触点，电流内环单元根据所述电压外环单元输出的电流环给定信号和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，以控制储能变流器的输出电压和频率恒定。
[0011]在其中一个实施例中，所述主电路包括变流器;所述控制电路还包括驱动信号发生器;所述驱动信号发生器连接于所述电流内环单元的输出端和所述变流器的控制端之间；所述驱动信号发生器用于根据所述控制信号生成相应的驱动信号，以对所述变流器进行控制。
[0012]在其中一个实施例中，所述主电路还包括滤波电路;所述滤波电路连接于所述变流器的输出端和交流母线之间，用于对变流器的输出进行滤波处理。
[0013]在其中一个实施例中，所述电流内环单元包括相互串联的电流环加法器和电流环控制器;所述电流环加法器的输出端与所述电流环控制器连接，所述电流环控制器的输出端与所述驱动信号发生器连接;所述电流环加法器用于对第一输入端和第二输入端的两个输入信号进行相减得到误差信号；所述电流环控制器用于根据所述误差信号形成控制信号。
[0014]在其中一个实施例中，所述电压外环单元包括相互串联的第一电压环加法器、电压环控制器以及第二电压环加法器;所述电压环控制器连接于所述第一电压环加法器和所述第二电压环加法器之间；所述第一电压环加法器用于根据所述第一输入端和所述第二输入端输入的电压信号进行相减得到电压误差值;所述电压环控制器用于根据所述电压误差值生成控制量;所述第二电压环加法器用于对所述第三输入端输入的市电电流值、第四输入端输入的电流内环给定值以及所述控制量生成电流环给定信号。
[0015]在其中一个实施例中，所述电流环控制器和所述电压环控制器均为PI调节器。
[0016]在其中一个实施例中，所述电流内环单元还包括第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块和两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块;所述电流环加法器包括电流环d轴加法器和电流环q轴加法器;所述电流环控制器包括电流环d轴控制器和电流环q轴控制器;所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端与所述储能变流器的输出端连接，所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述电流环d轴加法器和电流环q轴加法器连接;所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对所述储能变流器输出的三相电流进行转换以生成d轴电流和q轴电流;所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块的输入端分别与所述电流环d轴控制器和电流环q轴控制器的输出端连接，所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块的输出端与所述驱动信号发生器连接;所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块用于将所述电流环d轴控制器输出的量以及所述电流环q轴控制器输出的量转换成三相调制信号，输出给所述驱动信号发生器，用以生成所述变流器的驱动控制信号；
[0017]所述电压外环单元还包括第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块和第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块;所述第一电压环加法器包括第一电压环d轴加法器和第一电压环q轴加法器;所述电压环控制器包括电压环d轴控制器和电压环q轴控制器;所述第二电压环加法器包括第二电压环d轴加法器和第二电压环q轴加法器;所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端与所述储能变流器的输出端连接，所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述第一电压环d轴加法器、所述第一电压环q轴加法器的输入端连接;所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对所述储能变流器输出的三相电压进行转换以生成d轴电压和q轴电压;所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端用于接收市电电流；所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述第二电压环d轴加法器、所述第二电压环q轴加法器连接;所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对市电的三相电流进行转换以生成d轴电流和q轴电流;所述电流内环给定电流值包括电流内环d轴给定电流值和电流内环q轴给定电流值;所述电压外环给定电压值包括电压外环d轴给定电压值和电压外环q轴给定电压值；
[0018]所述模式切换开关包括d轴模式切换开关和q轴模式切换开关;所述d轴模式切换开关连接于所述电流环d轴加法器和第二电压环d轴加法器之间；所述q轴模式切换开关连接于电流环q轴加法器和第二电压环q轴加法器之间。
[0019]在其中一个实施例中，所述微电网系统还包括光伏发电组件;所述光伏发电组件包括光伏电池组件和与之连接的光伏逆变器;所述光伏发电组件用于将光能转换为电能后给负载供电，并在产生的电能大于负载需求电量时输出给电网或者所述蓄电池。
[0020]上述微电网系统中的监测电路在市电正常时控制可控开关导通且控制模式切换开关接通第一触点，微电网系统进入并网模式，电流内环单元根据电流内环给定电流值和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，控制微电网系统的储能变流器有恒定的功率输出；电压外环单元在并网模式下不参与控制，但仍然处于运行状态，其根据电压外环单元的四个输入信号，即电流内环给定电流值、市电电流值、电压外环给定电压值以及储能变流器的输出电压反馈值形成微电网系统并网切孤岛模式的电流环给定信号。监测电路在监测到市电异常时，控制可控开关断开且控制模式切换开关接通第二触点，微电网系统由并网模式切换至孤岛模式时，电流内环单元根据电压外环单元输出的电流环给定信号和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，以控制储能变流器的输出电压和频率恒定。上述微电网系统，电压外环单元在模式切换前后其输出的电流环给定信号相同，没有大的突变，降低了微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击，实现了并网/孤岛模式无缝切换。
【附图说明】
[0021]图1为一实施例的微电网系的结构不意图；
[0022]图2为图1所示实施例的微电网系统中的储能变流器的电路框图；
[0023]图3为图2所示实施例中的电压外环单元的电路原理图；
[0024]图4为图2所示实施例中的电流内环单元的电路原理图；
[0025]图5为一实施例中的微电网系统中的储能变流器的电路原理图；
[0026]图6为图5所示中的微电网系统在并网/孤岛无缝切换过程的效果示意图。
【具体实施方式】
[0027]为了更清楚的解释本实用新型提供的微电网系统，以下结合实施例作具体的说明。
[0028]—种微电网系统能够工作于并网模式和孤岛模式，其结构示意图如图1所示。该微电网系统包括蓄电池5000、储能变流器1000、可控开关2000、光伏发电组件3000、监测电路(图中未示)及主控制器(图中未示)。其中，可控开关2000—端与市电连接，另一端通过PCC(公共连接点)接入交流母线。储能变流器1000—端与蓄电池连接，另一端与交流母线连接。监测电路分别与储能变流器1000、可控开关2000连接。
[0029]监测电路用于对市电的运行状态进行监测并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号。在本实施例中，市电正常是指市电的电压处于稳定状态，不会发生急剧变化(短时间内电压有较大的提升或者下降)且能够正常输出给负载进行供电；市电异常则是指市电的电压处于不稳定状态或者中断(即不能正常输出给负载供电)状态。
[0030]可控开关2000用于在第一监测信号的控制下导通，从而使得微电网系统与市电并网运行进入并网模式，且可控开关2000还用于在第二监测信号的控制下断开，从而使得该微电网系统独立向负载4000供电，进入孤岛模式。
[0031]光伏发电组件3000用于将光能转换为电能后给负载4000供电，并在产生的电能大于负载4000需求电量时输出给电网或者蓄电池，其包括光伏电池组件和光伏逆变器。
[0032]主控制器用于获取负载的重要级别，并在微电网系统处于孤岛模式时根据负载4000的重要级别进行电能分配。通常情况下，负载4000包括重要负载和可控负载。
[0033]上述微电网系统，监测电路在市电正常时输出第一监测信号，控制可控开关2000闭合，微电网系统工作于并网模式。微电网系统工作于并网模式时，光伏发电组件3000及电网同时给负载4000供电。若光伏发电组件3000输出的功率大于负载4000功率，则光伏发电组件3000将多余的电能输出至电网或对通过储能变流器1000对蓄电池5000进行充电，进而使得蓄电池5000能够存储能量。监测电路在市电异常时输出第二监测信号，控制可控开关2000断开，微电网系统工作于孤岛模式。储能变流器1000从并网模式快速切换至孤岛模式，从而为整个微电网系统提供恒定的电压和频率的支撑。这时负载4000由光伏发电组件3000和蓄电池5000同时供电。主控制器还会对负载4000的功率进行检测，并在检测到负载4000功率大于光伏发电组件3000和蓄电池500的输出功率之和(即负载4000功率超出了光伏发电组件3000和蓄电池5000的供电承受能力)时，将可控负载切除，从而只对重要负载进行供电，以确保重要负载的持续供电。
[0034]在其他的实施例中，微电网系统还可以采用其他分布式能源如柴油发电机、风能发电系统等替换本实施例中的光伏发电组件，或者与本实施例中的光伏发电组件共同设置在微电网系统中，以提供较强的供能能力。
[0035]上述储能变流器1000在并网模式下采用PQ控制策略，在孤岛模式下采用VF控制策略从而为整个微电网系统提供电压和频率的支撑，保证负载4000不间断供电。其中，储能变流器1000根据能量守恒原则，在并网模式下就已经预先采取了能够避免储能变流器1000由并网模式切换至孤岛模式时出现切换冲击的相关措施，以下将详细介绍储能变流器1000的相关原理。
[0036]图2为图1中的储能变流器1000的电路框图。参见图2，储能变流器1000包括主电路1100和控制电路1200。主电路1100用于对蓄电池5000的输出电压进行处理以向电网或者负载4000供电。主电路1100包括变流器1110及滤波电路1120。滤波电路1120连接于变流器1110的输出端和PCC点之间，用于对变流器1110的输出进行滤波处理。具体的，滤波电路1120为LC滤波电路。在本实施例中，变流器1110为双向变流器。在并网模式时，当蓄电池5000的储能低于预设值时，市电或者光伏发电组件3000经由变流器1110对蓄电池5000进行充电，以补充蓄电池5000的能量损失。在孤岛模式时，变流器1110用于对蓄电池5000的输出电能进行转换后给负载4000供电。
[0037]控制电路1200是上述PQ控制策略和VF控制策略的主要执行电路，用于对主电路1100的输出进行控制。控制电路1200包括驱动信号发生器1210、电流内环单元1220、模式切换开关1230及电压外环单元1240。
[0038]电压外环单元1240的第一输入端与变流器1110的输出端连接，以接收变流器1110的输出电压反馈值U。电压外环单元1240的第二输入端用于接收电压外环给定电压值Uref'电压外环单元1240的第三输入端接入交流母线，并通过可控开关2000与市电连接，以接收市电电流值Ig。电压外环单元1240的第四输入端用于接收电流内环给定电流值Ire3f*。电压外环单元1240的输出端与模式切换开关1230的第二触点2连接。电压外环单元1240用于对电压外环给定电压值Uref*和变流器1110的输出电压反馈值U进行相减后取得电压误差值后经由电压环控制器处理生成控制量，并将该控制量与电流内环给定电流值IrZ以及市电电流值Ig进行相加从而得到电流环给定信号u?。
[0039]电压外环单元1240的电路原理图如图3所示。参见图3，电压外环单元1240包括相互串联的第一电压环加法器310、电压环控制器320以及第二电压环加法器330。其中，电压环控制器320连接于第一电压环加法器310和第二电压环加法器330之间。第一电压环加法器310用于根据电压外环单元1240的第一输入端输入的变流器1110的输出电压反馈值U和第二输入端输入的电压外环给定电压值UrZ进行相减得到电压误差值。电压环控制器320用于根据该电压误差值生成控制量A U。第二电压环加法器330用于对电压外环单元1240的第三输入端输入的市电电流值Ig、第四输入端输入的电流内环给定电流值Iref*以及电压环控制器320生成的控制量Au进行相加得到并网切孤岛模式时的电流环给定信号uv。。因此，电流环给定信号Uv。为:
[0040]Uvo= Δ U+Iref*+Igo
[0041]其中，△ u、Ire3f*等均表示由电压或者电流得到的控制量，并不表示电流值或者电压值。电压外环单元1240—直处于工作状态，因此在并网时能够提前估算出微电网系统在并网切孤岛模式时需要承担的负载功率。
[0042]参见图2，电流内环单元1220的第一输入端与储能变流器1000的输出端连接，以接收储能变流器1000的输出电流反馈值I。电流内环单元1220的第二输入端与模式切换开关1230的固定端连接，以接收固定端传送来的电流信号I*。电流内环单元1220的输出端通过驱动信号发生器1210与变流器1110连接。模式切换开关1230的第一触点I用于接收电流内环给定电流值Iref'模式切换开关1230的第二触点2用于接收电压外环单元1240输出的电流环给定信号uv。。
[0043I电流内环单元1220的具体结构如图4所示。参见图4，电流内环单元1220包括相互串联的电流环加法器410和电流环控制器420。电流环加法器410的输出端与电流环控制器420连接，电流环控制器420的输出端与驱动信号发生器1210连接。电流环加法器410用于对第一输入端和第二输入端的两个输入信号进行相减得到误差信号，而电流环控制器420用于根据该误差信号形成控制信号u。，进而控制储能变流器1000的输出。在本实施例中，电流环控制器420和电压外环控制器320均为PI调节器。具体地，当模式切换开关1230在第一监测信号的控制下接通第一触点I时，即微电网系统处于并网模式时，电流环加法器410的第二输入端输入的电流信号I*为电流内环给定电流值Iref'电流环加法器410对电流内环给定电流值Ire/和变流器1110的输出电流反馈值I进行相减后得到误差信号，电流环控制器420用于根据该误差信号生成控制信号U。。当模式切换开关1230在第二监测信号的控制下由第一触点I切换至接入第二触点2时，也即微电网系统从并网模式切至孤岛模式时，电流环加法器410的第二输入端输入的电路信号I*为电压外环单元1240输出的电流环给定信号Uv。。和并网时第二输入端输入的电流内环给定电流值IrZ比较，在模式切换时瞬间多出了预估计量为:
[0044]Uv0-1ref*= ( A U+Iref*+Ig) —Iref*= A U+Ig,
[0045]从而维持了模式切换前后储能变流器1000输出功率大小不变，克服了常规电压环瞬间投入时造成调节器输出饱和，导致输出电流突变引起的系统保护。电流环加法器410对电压外环单元1240输出的电流环给定信号u?和变流器1110的输出电流反馈值I进行相减后得到误差信号，电流环控制器420用于根据该误差信号生成控制信号U。。
[0046]驱动信号发生器1210用于根据电流环控制器420输出的控制信号U。生成驱动信号，以对变流器1110进行控制。在一实施例中，驱动信号发生器1210为SPWM信号发生器，变流器1110为PWM变流器。
[0047]上述微电网系统中的监测电路在市电正常时控制可控开关2000导通且控制模式切换开关1230接通第一触点I，微电网系统进入并网模式，电流内环单元1220根据电流内环给定电流值Ire/和储能变流器的输出电流反馈值I生成控制信号u。，控制微电网系统的储能变流器1000有恒定的功率输出。电压外环单元1240在并网模式下不参与控制，但仍然处于运行状态，其对电压外环给定电压值Ure/和变流器1110的输出电压反馈值U进行相减后取得电压误差值后经由电压环控制器320处理生成控制量△ U，并将电压控制量△ u与电流内环给定电流值Ir J以及市电电流值Ig进行相加从而得到电流环给定信号u?。监测电路在监测到市电异常时，控制可控开关2000断开且控制模式切换开关1230接通第二触点2，微电网系统由并网模式切换至孤岛模式时，电流内环单元1220根据电压外环单元1240输出的电流环给定信号u?和储能变流器1000的输出电流反馈值I生成控制信号u。，以控制储能变流器1000的输出电压和频率丨旦定。上述微电网系统，电压外环单兀1240在模式切换前后其输出的电流环给定信号u?相同，没有大的突变，降低了微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击，实现了并网/孤岛模式无缝切换。
[0048]图5为一实施例中的微电网系统的电路原理图。在本实施例中，为确保储能变流器的输出功率满足实际负载需求，控制电路分别对无功功率和有功功率部分进行处理以获取相应的有功和无功部分控制信号，以对储能变流器的输出进行控制。因此，电流内环单元1220包括d轴支路和q轴支路，电压外环单元1240同样包括d轴支路和q轴支路。模式切换开关包括d轴模式切换开关SWl和q轴模式切换开关SW2。其中d轴模式切换开关SWl连接于电流内环单元的d轴支路和电压外环单元的d轴支路之间，q轴模式切换开关SW2则连接于电流内环单元的q轴支路和电压外环单元的q轴支路之间。
[0049]在本实施例中，电压外环单元1240还包括第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块(即abc/dq转换模块)340和第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块(SPabc/dq转换模块)350，且第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块340和第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块350均用于实现abc三相静止坐标系至dq两相旋转坐标系的转换。第一电压环加法器310包括第一电压环d轴加法器312和第一电压环q轴加法器314。电压环控制器320包括电压环d轴控制器322和电压环q轴控制器324，第二电压环加法器330包括第二电压环d轴加法器332和第二电压环q轴加法器334。电压外环给定电压值Uref*包括电压外环d轴给定电压值Udref*和电压外环q轴给定电压值Uqref'第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块340的输入端(即电压外环单元1240的第一输入端)与变流器1110的输出端连接，第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块340的输出端分别与第一电压环d轴加法器312、第一电压环q轴加法器314的输入端连接。第一电压环d轴加法器312、第一电压环q轴加法器314的另一输入端(即电压外环单元1240的第二输入端)分别用于接收电压外环d轴给定电压值Udre/和电压外环q轴给定电压值Uqref'第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块350的输入端(即电压外环单元1240的第三输入端)通过可控开关2000与市电连接，用于接收市电电流值。具体来说，第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块350的输入端接入PCC点电网侧的三相电网电流(igA、igB以及igC)。第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块350的输出端分别与第二电压环d轴加法器332、第二电压环q轴加法器334连接。同时，第二电压环d轴加法器332、第二电压环q轴加法器334均还具有另外两个输入端，其中一个输入端分别连接电压环d轴控制器322、电压环q轴控制器324的输出端，另一输入端(即电压外环单元1240的第四输入端)分别接入电流内环d轴给定电流值IdrZ和电流内环q轴给定电流值Iqrrf'第一电压环d轴加法器312依次与电压环d轴控制器322、第二电压环d轴加法器332连接形成电压外环单元1240的d轴支路。第一电压环q轴加法器314依次与电压环q轴控制器324、第二电压环q轴加法器334连接形成电压外环单元1240的q轴支路。
[0050]第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块340用于接收变流器1110的三相输出电压值ua、Ub、Uc，并将ua、Ub、Uc由abc 二相静止坐标系转换为dq两相旋转坐标系，从而生成d轴电压Ud、q轴电压Uq，再将生成的d轴电压Ud、q轴电压Uq分别送至第一电压环d轴加法器312、第一电压环q轴加法器314。第一电压环d轴加法器312对输入的d轴电压Ud和电压外环d轴给定电压值UdrZ进行相减得到电压误差信号。电压环d轴控制器322根据第一电压环d轴加法器312输出的电压误差信号生成控制量Δω。第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块350接收PCC点电网侧的三相电网电流igA、igB、igC，并将三相电网电流igA、igB、igC由abc三相静止坐标系转换为dq两相旋转坐标系得出市电的d轴电流Igd、q轴电流Igq。再将得至Ij的d轴电流Igd、q轴电流Igq输出至第二电压环d轴加法器332、第二电压环q轴加法器334。第二电压环d轴加法器332对输入端输入的电流内环d轴电流给定值Idref'市电的d轴电流Igd以及电压环d轴控制器322输出的控制量Δ Ud进行相加，得到给定电流信号uvcb，uvd。= AUd+Igd+Idrrf*。第一电压环q轴加法器314、电压环q轴控制器324以及第二电压环q轴加法器334形成的q轴支路的工作原理与d轴支路的工作原理相同，此处不赘述。[0051 ]具体地，电流内环单元1220还包括第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块(S卩abc/dq转换模块)430和两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块(S卩dq/abc转换模块)440。第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块430用于实现abc三相静止坐标系至dq两相旋转坐标系的转换，即对变流器1110输出的三相电流(ia、ib以及U进行转换以生成d轴电流Id和q轴电流Iq。两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块440用于实现dq两相旋转坐标系至abc三相静止坐标系的转换。电流环加法器410包括电流环d轴加法器412和电流环q轴加法器414。电流环控制器420包括电流环d轴控制器422和电流环q轴控制器424。电流内环给定电流值I rrf*包括电流内环d轴给定电流值I drrf*和电流内环q轴给定电流值Iqref'其中，电流环d轴加法器412与电流环d轴控制器422串联形成电流内环单元1220的d轴支路。电流环q轴加法器414和电流环q轴控制器424串联形成电流内环单元1220的q轴支路。
[0052]具体地，第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块430的输入端与变流器1110的输出端连接，第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块430的输出端分别与电流环d轴加法器412和电流环q轴加法器414连接。两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块440的输入端分别与电流环d轴控制器422和电流环q轴控制器424的输出端连接，两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块440的输出端与驱动信号发生器(SPWM) 1210连接。信号发生器1210连接于电流内环单元1220的输出端和变流器1110的控制端之间。在本实施例中，电流环d轴加法器412对输入的d轴电流Id和d轴模式切换开关SWl的固定端输入的电流信号I/进行相减得到误差信号。具体地，当d轴模式切换开关SWl接通第一触点I时，固定端输出的电流信号I/为电流环d轴给定电流值Idrrf*;当d轴模式切换开关SWl接通第二触点2时，固定端输出的电流信号I/为电压外环单元1240输出的电流环给定信号uvd。。电流环d轴控制器422根据电流环d轴加法器412输出的误差信号生成d轴控制信号Ud。。电流内环单元1220的q轴支路的工作过程与d轴支路相同。因此，电流环q轴控制器424同样生成q轴控制信号uq。。两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块440则用于对d轴控制信号Ud。和q轴控制信号uq。进行转换生成三相调制信号(Varef、Vbref和VCTef)。驱动信号发生器1210根据两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块440输出的三相调制信号生成相应的驱动信号，以对变流器1110进行控制。
[0053]上述微电网系统的工作过程如下:
[0054](一)并网模式
[0055]当监测电路监测到市电正常供电时，生成第一监测信号。可控开关2000在第一监测信号的控制下导通，从而使得微电网系统进入并网模式。并网模式时，负载由电网和微电网系统同时供电。微电网系统在并网模式时，采用PQ控制策略，即控制变流器1110输出恒定的功率。微电网系统还会在光伏发电组件3000的发电量大于负载的功率时并入电网或者给蓄电池5000充电。同时，(1轴模式切换开关SWl和q轴模式切换开关SW2在第一监测信号的控制下接通第一触点I，d轴模式切换开关SWl、q轴模式切换开关SW2的固定端传来的信号I/、I q*则分别为电流内环d轴给定电流值I drrf*、电流内环q轴给定电流值I qrrf*。因此电流环d轴加法器412、电流环q轴加法器414得出的误差信号是将电流内环d轴给定电流值Idref'电流内环q轴给定电流值IqrZ分别与变流器1110的d轴电流Id、q轴电流Iq相减而得出。这时，电流环d轴控制器322和电流环q轴控制器324根据相应加法器输出的误差信号生成控制信号Ud。和uq。。驱动信号生成器1210则根据该控制信号生成三相调制信号给变流器1110，以控制变流器1110输出恒定的功率。
[0056]在并网模式时，电压外环单元1240不参与变流器1110的输出控制，但仍然处于运行状态。电压外环单元1240在并网模式下会预先计算出电流环给定信号u?(即uvd。= A Ud+Igd+Idref*, Uvqo= A Uq+Igq+Iqref*)，以在并网/孤岛模式切换时及孤岛模式下向电流内环单元I 220提供给定电流信号U?。
[0057](二)并网切换孤岛模式
[0058]监测电路在监测到市电异常时输出第二监测信号。可控开关2000在第二监测信号的控制下断开，从而使得微电网系统独立向负载4000供电，整个微电网系统由并网模式切换至孤岛模式。储能变流器1000采用电压外环电流内环的控制策略(S卩VF控制策略)，进而输出恒定的电压和频率。d轴模式切换开关SWl和q轴模式切换开关SW2在第二监测信号的控制下由接通第一触点I的状态切换至接通第二触点2的状态，储能变流器1000即采取电压外环电流内环的控制策略。此时d轴模式切换开关SWl和q轴模式切换开关SW2的固定端传来的电流信号l/、Iq*分别为第二电压环d轴加法器332、第二电压环q轴加法器334输出的电流环给定信号(即Uvd。= A Ud + Igd + Idref*,Uvqo= A Uq+Igq+Iqref*)。即，在模式切换前(即并网模式)电压外环单元1240已经预算出电流环给定信号Uv。，因此在模式切换前后，电压外环单元1240的输出信号大小不变。并且，在模式切换时瞬间多出了预估计量Au+Ig，从而维持了模式切换前后变流器1110输出功率大小不变，克服了常规电压环瞬间投入时造成调节器输出饱和，导致输出电流突变引起的系统保护。
[0059]上述微电网系统，电压外环单元1240在模式切换前后输出的电流环给定信号u?不变，且在切换瞬间及切换后输出给电流内环单元1220。具体地，并网时，电压外环单元1240输出的电流环给定信号Uv。为:Uvd。= A Ud+Igd+Idref*,Uvqo= A Uq+Igq+I qrrf*。当模式切换开关1230选通第二接触点2时，模式切换开关1230的固定端输出给电流内环单元1220的电流信号I *由原来的电流环d轴给定电流值I drrf*和电流环q轴给定电流值I qrrf*变为电流环给定信号Uvd。和给定电流信号Uvq。。与原来的电流内环给定电流值I drrf*、I qrrf*相比，相当于在模式切换瞬间多了预估计量Aud+Igd(或Auq+Igq)，使得模式切换前后电压外环单元1240稳态输出，并维持了模式切换前后储能变流器1000输出功率的大小不变，克服了常规电压外环单元瞬时投入时造成的调节器输出饱和，导致输出电流突变引起的系统保护，从而实现了系统的从并网且孤岛模式的无缝切换。
[0060]接下以d轴为例说明本实施例在模式切换瞬间实现无缝切换的原理。
[0061]微电网系统并网运行时，d轴模式切换开关SWl的固定端传来的电流信号I/为电流内环给定电流值Idref'这时电压外环单元1240虽然不参与控制储能变流器1000，但自身仍在运行。在并网模式下，电压外环d轴给定电压值Udref*和储能变流器1000的d轴电压Ud基本相等，因此电压外环d轴给定电压值Udrrf*减去d轴电压Ud而得出的电压误差值较小，再经过电压环d轴控制器322运算后得出的控制量Δ Ud ? 0，故这时电压外环单元1240输出的电流环给定信号Uvd。为:
[0062]Uvdo= A Ud+Igd+Idref*=Igd+Idref* (I)
[0063]上式说明，在并网模式下电压外环单元1240输出的电流环给定信号Uvd。相当于储能变流器1000输出的d轴电流Id和市电的d轴电流Igd之和。若储能变流器1000并网空载运行时，储能变流器1000输出的d轴电流Id = 0，这时市电的d轴电流Igd即等于负载电流。
[0064]因此，在并网模式切换孤岛模式瞬间，要实现无缝平滑切换，必须要维持切换前后储能变流器1000输出功率和负载4000功率大小不变。那么按照切换前后功率平衡原理，孤岛模式下储能变流器1000的输出功率PpcsiS等于并网模式下储能变流器1000的输出功率Ppcso和电网给负载4000提供的功率Pg之和，即:
[0065]Ppcsi = Pg+Ppcso (2)
[0066]那么对应转换到d轴电流为:
[0067]Id=Igd+Idref* = Uvd。(3)
[0068]由公式(I)和(3)可知，公式(I)、(3)分别为电压外环单元1240在模式切换前、后输出的电流环给定信号uvd。，且均为Igd+Idref*，因此在模式切换前后电压外环单元1240稳态输出，保证了电压外环单元1240的输出在模式切换前后没有大的突变，避免了由电压外环单元1240输出饱和而引起的电流振荡保护。
[0069]举例来说，假设模式切换前储能变流器1000并网输出功率OkW，电网给负载4000输出 1kW，即 Idref*= Id = O，Igd= 10，则Uvd。= Igd+Idref*= 1，说明电压外环单元 1240 已提前估算出储能变流器1000在由并网切换至孤岛模式后需要承担原来由电网给负载4000输出的这一部分功率(即1kW)。当电网断开后电网输出给负载4000的功率为OkW，而电网原来给负载4000提供的1kW功率应全部转移为由储能变流器1000向负载4000提供。
[0070]故在并网切换至孤岛模式瞬间，电网功率为OkW，电压外环单元1240投入，S卩电压外环单元1240与电流内环单元1220通过模式切换开关1230接通。由于电压外环单元1240已提前计算出电流环给定信号1^。=1^+1<^/=10，因此只要模式切换开关1230接通第二触点，电压外环单元1240提前计算出的uvd。即可作为电流内环单元1220的给定电流信号，并控制储能变流器1000在切换瞬间及切换后均向负载4000提供1kW功率，从而维持了模式切换前后对负载4000供电功率大小一致的状态，且电压外环单元1240切换前后稳态输出，实现了并网/孤岛无缝平滑切换。
[0071]图6为本实施例中的微电网系统在并网/孤岛无缝切换过程的效果示意图。图中以A相为例说明切换过程。其中Upcca为PCC点A相电网电压，igA为A相电网电流，iU为A相负载4000电流，iA为A相储能变流器1000输出电流。在to时刻之前，储能变流器1000工作于并网模式，储能出力很小，主要由电网给负载4000供电，因此负载4000电流iLA几乎等于电网电流igA，即iLA? igA。在to时刻，电网断开，电网电流igA为零，储能变流器1000从并网模式切换到孤岛模式，该时刻由储能变流器1000作为主电源给负载4000供电，此时负载4000电流iLA完全等于储能变流器1000的输出电流值iA，S卩iu=iA，因此实现了并网模式到孤岛模式切换前后给负载4000供电电流的大小始终保持不变，且在切换前后平滑过渡，解决了常规并网至孤岛模式切换方式会导致输出电流突变引起系统保护的问题，从而保证了微电网系统内负载4000的持续供电。
[0072](三)孤岛模式
[0073]当市电异常时，在监测电路的控制下，可控开关2000断开，模式切换开关1230接通第二触点，这时微电网系统脱离电网。储能变流器1000在切换完成后，采用恒压/恒频(VF控制)控制，即电压外环电流内环的控制策略。
[0074]在具体实施中，由于电网断电，这时电网停止向负载4000供电，同时d轴、q轴给定电流值I dref *、I qref *也停止接入，因此电压外环单元I 240输出的电流环给定信号为Uvd。= A Ud+ Igd+Idref*= A Ud+O+O= Δ Ud , Uvqo = A Uq+Igq+Iqref*= A Uq+0+0 = A Uq，故电压外环单元I 240
输出的电流环给定信号△ Ud和A Uq作为电流内环单元1220新的给定电流信号，并与对应的储能变流器1000的电流反馈信号Id、Iq进行相减后得出误差信号，再将误差信号送入电流环d轴控制器和电流环q轴控制器，经电流环d轴控制器和电流环q轴控制器运算后输出控制信号Ud。和uq。，再将控制信号Ud。和uq。由dq两相旋转坐标系到abc三相静止坐标系转换后分别得到三相调制信号￥—,Vbref^ref,最后进行SPffM调制，产生驱动信号实现对储能变流器1000的控制。在孤岛模式下主要由储能变流器1000作为主电源给负载4000供电，此时负载4000电流iu完全等于储能变流器1000输出电流值iA，即Ila= U。
[0075]在该微电网系统中，电压外环单元1240在模式切换前后其输出的电流环给定信号相同，没有大的突变，降低了微电网系统由并网模式切换为孤岛模式时造成的切换冲击，实现了并网/孤岛模式无缝切换。
[0076]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0077]以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种微电网系统，包括蓄电池，其特征在于，还包括储能变流器、监测电路以及可控开关;所述可控开关连接于市电和交流母线之间;所述储能变流器分别与所述蓄电池、所述交流母线连接;所述监测电路分别与所述储能变流器、所述可控开关连接； 所述监测电路用于对市电的运行状态进行监测并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号;所述可控开关用于在所述第一监测信号的控制下导通，从而使得所述微电网系统与市电并网运行进入并网模式;所述可控开关还用于在所述第二监测信号的控制下断开，从而使得所述微电网系统独立向负载供电，进入孤岛模式； 所述储能变流器包括主电路和控制电路;所述主电路用于对所述蓄电池的输出电压进行处理以并网或向负载供电；所述控制电路用于对所述主电路的输出进行控制;所述控制电路包括电压外环单元、模式切换开关以及电流内环单元； 所述电流内环单元的第一输入端与所述储能变流器的输出端连接，以接收储能变流器的输出电流反馈值;所述电流内环单元的第二输入端与所述模式切换开关的固定端连接；所述电流内环单元的输出端与所述主电路连接;所述模式切换开关的第一触点用于接收电流内环给定电流值； 所述电压外环单元的第一输入端与所述储能变流器的输出端连接，以接收储能变流器的输出电压反馈值;所述电压外环单元的第二输入端用于接收电压外环给定电压值;所述电压外环单元的第三输入端通过所述可控开关与市电连接，以接收市电电流值;所述电压外环单元的第四输入端用于接收所述电流内环给定电流值;所述电压外环单元的输出端与所述模式切换开关的第二触点连接;所述电压外环单元用于根据所述电压外环单元的第四输入端输入的电流内环给定电流值、电压外环单元的第三输入端输入的市电电流值、电压外环单元的第二输入端输入的电压外环给定电压值以及电压外环单元的第一输入端输入的储能变流器的输出电压反馈值形成微电网系统并网切孤岛模式的电流环给定信号； 模式切换开关用于在第一监测信号的控制下接通第一触点，电流内环单元根据第一触点输入的电流内环给定电流值和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，以控制储能变流器输出恒定的功率;模式切换开关还用于在第二监测信号的控制下接通第二触点，电流内环单元根据所述电压外环单元输出的电流环给定信号和储能变流器的输出电流反馈值生成控制信号，以控制储能变流器的输出电压和频率恒定。2.根据权利要求1所述的微电网系统，其特征在于，所述主电路包括变流器;所述控制电路还包括驱动信号发生器;所述驱动信号发生器连接于所述电流内环单元的输出端和所述变流器的控制端之间；所述驱动信号发生器用于根据所述控制信号生成相应的驱动信号，以对所述变流器进行控制。3.根据权利要求2所述的微电网系统，其特征在于，所述主电路还包括滤波电路;所述滤波电路连接于所述变流器的输出端和交流母线之间，用于对变流器的输出进行滤波处理。4.根据权利要求2所述的微电网系统，其特征在于，所述电流内环单元包括相互串联的电流环加法器和电流环控制器;所述电流环加法器的输出端与所述电流环控制器连接，所述电流环控制器的输出端与所述驱动信号发生器连接;所述电流环加法器用于对第一输入端和第二输入端的两个输入信号进行相减得到误差信号;所述电流环控制器用于根据所述误差信号形成控制信号。5.根据权利要求4所述的微电网系统，其特征在于，所述电压外环单元包括相互串联的第一电压环加法器、电压环控制器以及第二电压环加法器;所述电压环控制器连接于所述第一电压环加法器和所述第二电压环加法器之间；所述第一电压环加法器用于根据所述第一输入端和所述第二输入端输入的电压信号进行相减得到电压误差值;所述电压环控制器用于根据所述电压误差值生成控制量;所述第二电压环加法器用于对所述第三输入端输入的市电电流值、第四输入端输入的电流内环给定值以及所述控制量生成电流环给定信号。6.根据权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述电流环控制器和所述电压环控制器均为PI调节器。7.根据权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述电流内环单元还包括第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块和两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块;所述电流环加法器包括电流环d轴加法器和电流环q轴加法器;所述电流环控制器包括电流环d轴控制器和电流环q轴控制器;所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端与所述储能变流器的输出端连接，所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述电流环d轴加法器和电流环q轴加法器连接;所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对所述储能变流器输出的三相电流进行转换以生成d轴电流和q轴电流;所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块的输入端分别与所述电流环d轴控制器和电流环q轴控制器的输出端连接，所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块的输出端与所述驱动信号发生器连接;所述两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块用于将所述电流环d轴控制器输出的量以及所述电流环q轴控制器输出的量转换成三相调制信号，输出给所述驱动信号发生器，用以生成所述变流器的驱动控制信号； 所述电压外环单元还包括第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块和第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块;所述第一电压环加法器包括第一电压环d轴加法器和第一电压环q轴加法器;所述电压环控制器包括电压环d轴控制器和电压环q轴控制器;所述第二电压环加法器包括第二电压环d轴加法器和第二电压环q轴加法器;所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端与所述储能变流器的输出端连接，所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述第一电压环d轴加法器、所述第一电压环q轴加法器的输入端连接;所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对所述储能变流器输出的三相电压进行转换以生成d轴电压和q轴电压;所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输入端用于接收市电电流;所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端分别与所述第二电压环d轴加法器、所述第二电压环q轴加法器连接;所述第三三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于对市电的三相电流进行转换以生成d轴电流和q轴电流;所述电流内环给定电流值包括电流内环d轴给定电流值和电流内环q轴给定电流值;所述电压外环给定电压值包括电压外环d轴给定电压值和电压外环q轴给定电压值； 所述模式切换开关包括d轴模式切换开关和q轴模式切换开关;所述d轴模式切换开关连接于所述电流环d轴加法器和第二电压环d轴加法器之间；所述q轴模式切换开关连接于电流环q轴加法器和第二电压环q轴加法器之间。8.根据权利要求1所述的微电网系统，其特征在于，所述微电网系统还包括光伏发电组件;所述光伏发电组件包括光伏电池组件和与之连接的光伏逆变器;所述光伏发电组件用于将光能转换为电能后给负载供电，并在产生的电能大于负载需求电量时输出给电网或者所述蓄电池。
【文档编号】H02J3/38GK205429759SQ201620102662
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年2月1日
【发明人】张涛, 于玮, 徐海波, 苏建徽
【申请人】易事特集团股份有限公司