专利名称：一种微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法
技术领域：
本发明涉及微电网的运行与控制，具体涉及一种微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法。
背景技术：
微电网是由分布式电源、储能单元、负荷以及控制保护装置组成的集合，是一个能够自我控制、保护和管理的自治系统。微电网有并网和孤网两种运行模式，并网模式是指在正常情况下，微电网与大电网并网运行，向电网提供多余的电能或由电网补充自身发电量的不足。孤网模式是指当检测到大电网故障或电能质量不满足要求时，微电网可以与大电网断开形成孤网模式，由分布式电源向微电网内的负荷提供高可靠性和高质量电能。当检测到大电网状态恢复正常后，微电网将同期并网运行。因此，微电网的并网与孤网双模式自动切换是实现微电网灵活可靠运行的关键技术。运行于并网模式时，微电网内部的分布式电源以大电网作为参考电源并网运行； 运行于孤网模式时，要求系统内部有一个电源为系统提供参考电压和频率信号，充当微电网的参考电源，此电源即为微电网的主网单元。微电网的双模式切换主要依靠主网单元的控制实现。目前，国内外能够实现微电网并网与孤网双模式切换的技术分以下几种(1)以柴油发电机或燃气轮机等常规电源作为主网单元。以常规电源作为主网单元，对化石燃料资源的依赖程度大，容易造成环境污染，而且独立运行时为保持微电网的稳定运行，风电和光伏等间歇性新能源所占的比例不能太大或必须停运，影响了微电网节能环保的作用。(2)以储能单元作为主网单元。目前小容量的单相储能双模式换流器技术较成熟， 某些微电网采用三个单相储能换流器组成三相系统的主网单元，通过三个单相换流器模式切换的协调配合实现微电网的双模式切换。虽然储能换流器运行灵活、响应快，但三个换流器的并网/孤网双模式切换过程中的同步配合成为系统切换的一个制约因素，目前采用该技术的微电网规模只能做到数十千瓦。(3)依靠运行模式控制器和储能主网单元实现。运行模式控制器根据实时的电网状态确定微电网的运行模式，向储能主网单元下达模式切换指令，储能主网单元根据模式切换指令完成P-Q和V-F的双模式切换。由于通信技术存在一定的时间延时，且模式切换过程中需要微电网启停，因此采用该技术实现微电网并网/孤网双模式切换过程中需要短暂的停电，完成的是一种有缝切换。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，根据大电网不同的实时运行状态，提供一种实现微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法，该控制方法在实现微电网与主电网进行能量互补的同时，进一步提高微电网供电的可靠性，可以实现以储能单元作为微电网主网单元的微电网并网与孤网双模式的自动无缝切换运行。
为实现微电网并网与孤网双模式自动无缝切换，需要解决大电网实时运行状态快速准确识别、储能双模式换流器P-Q模式与V-F模式的平滑切换、以及微电网平稳同期并网三大技术问题。(1)电网状态快速准确识别方法微电网在实现并网/孤网双模式切换过程中，快速准确识别大电网的运行状态是实现自动无缝切换的关键技术之一。本发明利用主网单元储能双模式换流器完成大电网运行状态识别，由储能双模式换流器直接采集大电网信息进行状态识别，储能双模式换流器根据识别结果，实现自身运行模式的灵活可靠切换，同时通过就地控制信号实现微电网与大电网联络开关的通断，完成微电网运行模式的自动无缝切换，避免了控制过程中的通信环节，能够有效提高微电网的双模式切换速度。本发明分析微电网内电源与负载匹配程度与电压和频率等特征状态的对应关系， 开展被动式的识别方法研究工作；分析锁相环输出偏差与主动式识别方法的相互关系，开展基于锁相技术的主动式识别方法研究工作。为了克服被动式识别技术存在较大盲区和主动式识别技术影响储能双模式换流器输出电能质量的缺点，研究“主动被动混合式”电网状态快速准确识别方法，从而提高电网状态识别速度、降低识别过程对系统电能质量和稳定性的影响。(2)双模式储能换流器模式平滑切换技术在微电网并网运行时，微电网的电压和频率参考信号由大电网提供，微电网内的所有分布式电源和储能单元全部运行于P-Q模式；在微电网孤网运行时，双模式储能单元是微电网的主网单元，运行于V-F模式，为微电网提供电压和频率参考信号，微电网内的其他分布式电源运行于P-Q模式。储能双模式换流器工作在P-Q模式时，控制模型输入量为有功和无功功率参考值，采用功率外环和电流内环的控制结构；储能双模式换流器工作在V-F模式时，控制模型输入量为系统电压和频率参考值，采用电压外环和电流内环的控制结构。由于储能双模式换流器采用电力电子技术，过流能力弱，在实现双模式切换过程中容易由于控制不当造成过流，使双模式换流器退出运行导致微电网瘫痪。因此建立适用于双模式换流器的“外环并行，内环归一化”的控制模型，是微电网并网与孤网自动无缝切换技术研究的关键技术之
ο(3)微电网平稳同期并网技术当大电网状态恢复正常后，微电网与大电网经过一个同期调节过程，当满足同期条件时，微电网并网运行。微电网的同期过程利用储能双模式换流器实现。储能双模式换流器通过比较联络开关两端微电网电压矢量和大电网电压矢量偏差，调节储能双模式换流器输出电压矢量，进而调节微电网电压矢量，直至微电网电压矢量与大电网电压矢量满足并网条件时，闭合联络开关实现微电网同期并网。微电网在同期过程中，系统内其他分布式电源始终以P-Q模式并网运行，由功角特性调节原理可知，微电网母线电压矢量突变会引起其他分布式电源脱网，此外，微电网微小的同期偏差会引起各分布式电源很大的电流冲击，导致各分布式电源脱网。因此，本发明提供的基于储能双模式换流器电压矢量定向同期调节的微电网同期技术，实现微电网平稳CN 102545260 A
同期并网。本发明的目的是采用下述技术方案实现的一种微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括用储能双模式换流器作为主网单元；识别电网状态，根据识别的电网状态进行储能双模式换流器模式平滑切换；或微电网平稳同期并网。本发明提供的一种优选的技术方案是所述识别电网状态包括判断电网是否出现故障；所述识别电网状态方法包括基于锁相环的频率扰动主动式识别、电源-负载不匹配特征信号被动识别和主动被动混合式的状态识别。本发明提供的第二优选的技术方案是所述基于锁相环的频率扰动主动识别包括对系统锁相环环节增加频率扰动的有差锁相识别。本发明提供的第三优选的技术方案是根据系统电压幅值和频率的特性信号对所述电源-负载不匹配特征信号进行被动识别。本发明提供的第四优选的技术方案是所述主动被动混合式的状态识别是基于锁相环的频率扰动主动式识别和电源-负载不匹配特征信号被动识别综合识别。本发明提供的第五优选的技术方案是所述储能双模式换流器的模式包括P-Q模式、V-F模式和归一化模式；所述P-Q模式、V-F模式和归一化模式分别采用P-Q控制模型、 V-F控制模型和归一化控制模型。本发明提供的第六优选的技术方案是所述储能双模式换流器的P-Q控制模型采用功率外环和电流内环双闭环的控制模型，所述储能双模式换流器的P-Q控制模型的输入量为有功和无功功率参考值。本发明提供的第七优选的技术方案是所述储能双模式换流器的V-F控制模型采用电压外环和电流内环双闭环的控制模型，所述储能双模式换流器的V-F控制模型的输入量为电压和频率参考值。本发明提供的第八优选的技术方案是所述储能双模式换流器的归一化模型采用 P-Q模式和V-F模式供电流内环以及P-Q模式的功率外环和V-F模式的电压外环并行的结构。本发明提供的第九优选的技术方案是所述微电网平稳同期并网的过程是V-F模式储能双模式换流器与分布式电源的P-Q模式储能双模式换流器的同期调节过程；所述微电网平稳同期调节包括电压矢量频率同期调节、电压矢量相位同期调节和电压矢量幅值同期调节。与现有技术相比，本发明达到的有益效果是1、本发明提供的控制方法应用于并网型微电网，实现微电网并网模式与孤网模式之间的自动无缝切换，避免目前微电网双模式切换时需要停电的弊端，提高微电网供电可
靠性；2、本发明提供的控制方法应用于多能互补共交流母线型孤立微电网，如风光水储、风光柴储、风光储等多源互补型孤立微电网，实现储能主网与同步发电机主网之间的自动无缝切换，提高孤立微电网的供电可靠性和控制的灵活性；3、本发明提供的控制方法用于实现微电网中的电能全部由风电和光伏等新能源提供，由储能单元实现主网单元，微电网中无需柴油发电机等同步发电机，提高了微电网的节能环保效益；4、本发明提供的控制方法有效降低微电网由孤网模式向并网模式切换时的冲击， 避免由于切换冲击导致的风电、光伏等电源脱网问题；5、本发明提供的控制方法实现大电网运行状态的快速、准确检测，当大电网故障 或电能质量不满足要求时，实现微电网与大电网的自动断开运行，提高微电网运行的可靠 性。
图1是本发明的微电网并网与孤网自动无缝切换原理图；图2是本发明的主动被动混合式电网状态识别原理框图；图3是本发明的储能双模式换流器归一化控制模型原理框图；图4是本发明的微电网同期调节原理图；图5是本发明的基于电压矢量定向微电网同期控制原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的详细说明。本发明提供一种实现微电网并网与孤网自动无缝切换控制方法，工作原理图如图 1所示。本发明的微电网并网与孤网自动无缝切换方法涉及的系统包括光伏发电系统、风 力发电系统、储能主网单元、微电网负荷、滤波补偿装置、联络开关和同步发电机。由联络开 关通断指令发送给联络开关，通过比较微电网电压与大电网电压的电压偏差，把微电网电 压反馈信号和大电网电压反馈信号通过联络开关传递给储能主网单元。本发明首先进行电网状态的快速准确识别，然后根据识别出的电网状态进行双模 式储能换流器平滑切换或微电网平稳同期并网；进行电网状态识别是判断电网是否出现故 障。(一 )电网状态识别方法包括如下几种1. 1基于锁相环的频率扰动主动式识别包括如下步骤①初始化每个工频周期锁相角度的初始值θ0 = 0 ；(1)
权利要求
1.一种微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法，其特征在于，所述方法包括用储能双模式换流器作为主网单元；识别电网状态，根据识别的电网状态进行储能双模式换流器模式平滑切换；或微电网平稳同期并网。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述识别电网状态包括判断电网是否出现故障；所述识别电网状态方法包括基于锁相环的频率扰动主动式识别、电源-负载不匹配特征信号被动识别和主动被动混合式的状态识别。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述基于锁相环的频率扰动主动识别包括对系统锁相环环节增加频率扰动的有差锁相识别。
4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，根据系统电压幅值和频率的特性信号对所述电源-负载不匹配特征信号进行被动识别。
5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述主动被动混合式的状态识别是基于锁相环的频率扰动主动式识别和电源-负载不匹配特征信号被动识别综合识别。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述储能双模式换流器的模式包括P-Q 模式、V-F模式和归一化模式；所述P-Q模式、V-F模式和归一化模式分别采用P-Q控制模型、V-F控制模型和归一化控制模型。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述储能双模式换流器的P-Q控制模型采用功率外环和电流内环双闭环的控制模型，所述储能双模式换流器的P-Q控制模型的输入量为有功和无功功率参考值。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述储能双模式换流器的V-F控制模型采用电压外环和电流内环双闭环的控制模型，所述储能双模式换流器的V-F控制模型的输入量为电压和频率参考值。
9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述储能双模式换流器的归一化模型采用P-Q模式和V-F模式供电流内环以及P-Q模式的功率外环和V-F模式的电压外环并行的结构。
10.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述微电网平稳同期并网的过程是 V-F模式储能双模式换流器与分布式电源的P-Q模式储能双模式换流器的同期调节过程； 所述微电网平稳同期调节包括电压矢量频率同期调节、电压矢量相位同期调节和电压矢量幅值同期调节。
全文摘要
本发明涉及微电网的运行与控制，具体涉及一种微电网并网与孤网自动无缝切换的控制方法。该控制方法包括用储能双模式换流器作为主网单元；识别电网状态，根据识别的电网状态进行储能双模式换流器模式平滑切换；或微电网平稳同期并网；本发明提供的方案在实现微电网与主电网进行能量互补的同时，进一步提高微电网供电的可靠性，可以实现以储能单元作为微电网主网单元的微电网并网/孤网双模式的自动无缝切换运行。
文档编号H02J3/38GK102545260SQ201210011880
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者何国庆, 刘纯, 李光辉, 郭立东, 鲍薇 申请人:中国电力科学研究院