专利名称：Pcs有功无功控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种PCS有功无功控制系统。
背景技术：
众所周知，风能、太阳能等间歇式电源并网及输配技术是目前能源领域的发展主题之一。与此相应，电池储能系统的也应用引起了广泛关注。电池储能系统的一个重要组成部分就是PCS (Power Conversion System,能量转换系统)。PCS装置已广泛应用于太阳能、风能等分布式发电技术中，并逐渐在飞轮储能、超级电容器、电池储能等小容量双向功率传递的储能系统中得到青睐。通过PCS可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，实现在正常或孤岛运行方式下的电气量控制等。PCS的一个重要作用就是在并网情况下，根据电网、负载的功率流动情况，吸收或者输出给定功率。例如，当电网功率过剩，PCS就吸收功率；电网功率不足，PCS就输出功率。其目的是始终保证储能系统和电网之间功率的动态平衡。为此，研究PCS的有功无功控制至关重要。PCS有功无功控制主要目标是在并网情况下提供期望的有功或者无功功率。传统的含单电感滤器的PCS，虽然结构简单，但滤波效果不好；含LCL滤波器的PCS滤波效果较前者好，但对于大容量情况，要求的直流侧电压较高，不利于直流侧电池组件串并联。PCS也称为能量转换系统，顾名思义，其可实现储能和电网之间的能量互动。为增强PCS输出性能，现大多PCS都配备了 LCL型滤波器或者隔离变压器等装置。为此，PCS的模型将变为高阶的数学模型，采用传统的功率外环、电流内环的双闭环控制不仅控制复杂，需要较多电压电流传感器，且增加了 PI控制器数量，调试困难，工程应用相当不便。
实用新型内容本实用新型是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种PCS有功无功控制系统，以保证PCS在并网情况下稳定输出期望的有功和无功，实现功率的解耦控制，符合工程需求。本实用新型为解决技术问题采用以下技术方案。PCS有功无功控制系统，其结构特点是，包括电流发生器、锁相环、网侧电压变换器、三相电流变换器、电压互感器、电流互感器、第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、坐标变换器和SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)发生器；所述电压互感器连接在电网的隔离变压器的高压侧，所述网侧电压变换器和锁相环均与所述电压互感器相连接；所述网侧电压变换器和锁相环之间也相互连接；所述电流互感器连接在电网的PCS逆变器的输出侧，所述三相电流变换器与所述电流互感器相连接；所述三相电流变换器与锁相环之间也相互连接；所述电流发生器的输入端与所述网侧电压变换器的输出端相连接；所述电流发生器的两个输出端分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接，所述三相电流变换器的两个输出端也分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接；所述坐标变换器的输出端与所述SVPWM发生器相连接；所述SVPWM发生器的输出端与电网的功率开关管相连接；所述坐标变换器还与所述锁相环相连接。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在:本实用新型的PCS有功无功控制系统，采用LCR-型PCS拓扑，不仅具有良好的滤波效果，且能降低直流侧电压的要求。但此种拓扑的数学模型阶数较高，如严格采用其数学模型进行功率外环、电流内环的双闭环控制，不仅增加控制难度，且控制性能会大幅度下降。本实用新型的PCS有功无功控制系统，采用简化的降阶模型和电流单环控制策略，简化控制结构的同时也能保证良好的控制性能，可显著提高控制性能和实用价值。本实用新型的PCS有功无功控制系统的控制方法，包括模型降阶、坐标变换、电流外环控制以及SVPWM调制等步骤，突破了传统LCR-T型PCS有功无功控制采用高阶模型或功率外环、电流内环组成的双环控制的局限，将高阶模型进行简化，控制结构变得简单；采用单级式的电流闭环控制，控制策略更为简化；可实现有功无功的解耦控制，实现能量的双向流动；具有良好的控制性能:即使在直流侧电压存波动情况下，也可实现有功无功的解耦控制，使PCS稳定输出或者吸收指定的有功功率和无功功率，实现能量的双向流动。其具有控制简单、动态响应快、输出并网电流正弦度度高等优势，有利于工程应用。
图1为本实用新型的PCS有功无功控制系统的结构框图。图2为本实用新型的PCS电压频率控制系统的控制方法的流程图。图3为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况I条件下有功功率波形图。图4为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况I条件下无功功率波形图。图5为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况2条件下有功功率波形图。图6为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况2条件下无功功率波形图。图7为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况2条件下直流侧电压波形图。图8为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况3条件下有功功率波形图。图9为对本实用新型的PCS有功无功控制系统及方法进行测试时工况3条件下无功功率波形图。图10为LCR-型PCS拓扑简图。图11为LCR-T型PCS的单相等效电路模型。图12为阻抗网络的化简图。[0027]图13为模型降阶后的LCR-T型PCS的单相等效电路模型。图14为模型降阶后的LCR-型PCS拓扑简图。以下通过具体实施方式
，并结合附图对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
参见图1，PCS有功无功控制系统，包括电流发生器、锁相环、网侧电压变换器、三相电流变换器、电压互感器、电流互感器、第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、坐标变换器和SVPWM发生器； 所述电压互感器连接在电网的隔离变压器的高压侧，所述网侧电压变换器和锁相环均与所述电压互感器相连接；所述网侧电压变换器和锁相环之间也相互连接；所述电流互感器连接在电网的PCS逆变器的输出侧，所述三相电流变换器与所述电流互感器相连接；所述三相电流变换器与锁相环之间也相互连接；所述电流发生器的输入端与所述网侧电压变换器的输出端相连接；所述电流发生器的两个输出端分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接，所述三相电流变换器的的两个输出端也分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接；所述坐标变换器的输出端与所述SVPWM发生器相连接；所述SVPWM发生器的输出端与电网的功率开关管相连接；所述坐标变换器还与所述锁相环相连接。电压互感器在电网的隔离变压器T的高压侧采集获得采样电压Va、Vb和Vc，所述网侧电压变换器和锁相环均连接在电压互感器的输出端。网侧电压变换器为abc/ dq变换器，用于对三相米样电压Va、Vb和Vc进行abc/dq变换,获得米样电压的d轴分量Vd和q轴分量Vq，并将VcUVq传送给电流发生器。锁相环PLL用于跟踪采样电压的相位并实时获取采样电压的相位Θ，并将相位Θ分别传送给网侧电压变换器和三相电流变换器。电流发生器根据给定的有功功率Pref、无功功率Qref、Vd、Vq以及变压器低压侧与高压侧之变比K，获取外环电流控制所需的参考电流idMf和i_f，并将所述参考电流idMf和i_f分别传送给第一比例积分控制器和第二比例积分控制器。电流互感器连接在电网的PCS逆变器的输出侧，用于采集三相电流ia、ib、i。。三相电流变换器连接在电流互感器的输出端，用于对三相采样电流ia、ib、i。进行abc/dq变换，获得采样电流的d轴分量id和q轴分量i,，并将所述d轴分量id和q轴分量i,分别传送给第一比例积分控制器和第二比例积分控制器。第一比例积分控制器和第二比例积分控制器根据参考电流和ivef、id、iq计算获得参量Vdr和Vqr，然后将参量Vdr和Vqr传送给坐标变换器。坐标变换器为dq/α β变换器，用于把两个直流分量d、q转变成两个同步旋转交流分量α和β，坐标变换器将Vdr和Vqr转换为参量Va和νβ后发送给SVPWM发生器，作为SVPWM发生器的输入信号，SVPWM采用常规的两电平七段式方式，最终产生控制电网的功率开关管的PWM控制信号，实现PCS有功无功的解耦控制。坐标变换器的坐标变换过程中需使用的相位是锁相环PLL获取的变压器高压侧电压相位信息Θ。PCS有功无功控制方法，包括如下步骤:步骤1:模型降阶；LCR-T型PCS是指含有LCR滤波器和隔离型变压的能量转换系统。一般情况下，其模型对应为5阶模型，控制相对复杂。模型降阶的数学本质是:将LCR-T型PCS传递函数进行零极点对消；物理本质是:在低频信号下，忽略滤波电容支路和激磁电感支路，并利用等效电感来代替原阻抗网络，即将滤波器电感与隔离变压器原副边电感之和等效为一个总电感，便于简化控制且能获得良好的控制效果。但在控制过程中仍需考虑隔离变压器引起的电压电流数值变化以及电压电流相移等特征。步骤2:采集电气参数；电压采样:利用电压互感器实时采集隔离变压器高压侧的三相电压Va、Vb和Vc ；电流采样:利用电流互感器实时采集PCS逆变器输出侧的三相电流ia、ib、i。。由网侧电压变换器对三相电压Va、Vb和Vc进行abc/dq变换，获得采样电压的d轴分量Vd和q轴分量Vq，并将Vd、Vq传送给电流发生器。三相电流变换器连接在电流互感器的输出端，用于对三相采样电流ia、ib、i。进行abc/dq变换，获得采样电流的d轴分量id和q轴分量i,，并将所述d轴分量id和q轴分量i,分别传送给第一比例积分控制器和第二比例积分控制器。步骤3:获取采样电压的相位Θ，并将相位Θ分别发送给网侧电压变换器和三相电流变换器；利用锁相环PLL，跟踪变压器高压侧电压相位，实时获取变压器高压侧电压相位信息Θ，用于高压侧三相电压的坐标变换中。根据变压器低压侧和高压侧的连接方式，可得到电压相移Φ，进而求得低压侧电压相位信息6，用于PCS输出侧的三相电流坐标变换中。例如，变压器为Λ/Yn连接，则φ = π/6，6 = θ-φ=θ-π/6。锁相环PLL将Θ直接发送给网侧电压变换器，通过Θ获得将低压侧电压相位信息6，将6传送给三相电流变换器。步骤4:对三相采样电压Va、Vb、Vc和三相采样电流ia、ib、i。进行坐标变换，将交流分量a、b和c变换为直流分量d和q，得到采样电压Va、Vb、Vc的d轴分量Vd和q轴分量Vq和采样电流ia、ib、i。的d轴分量id和q轴分量i,；对三相电 压和三相电流进行abc到dq坐标变换，把三个交流分量a、b、c转变成两个直流分量d、q,该变换满足如下式(I)数学关系:
权利要求1.PCS有功无功控制系统，其特征是，包括电流发生器、锁相环、网侧电压变换器、三相电流变换器、电压互感器、电流互感器、第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、坐标变换器和SVPWM发生器； 所述电压互感器连接在电网的隔离变压器的高压侧，所述网侧电压变换器和锁相环均与所述电压互感器相连接；所述网侧电压变换器和锁相环之间也相互连接； 所述电流互感器连接在电网的PCS逆变器的输出侧，所述三相电流变换器与所述电流互感器相连接；所述三相电流变换器与锁相环之间也相互连接； 所述电流发生器的输入端与所述网侧电压变换器的输出端相连接；所述电流发生器的两个输出端分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接，所述三相电流变换器的两个输出端也分别通过第一比例积分控制器和第二比例积分控制器与坐标变换器相连接； 所述坐标变换器的输出端与所述SVPWM发生器相连接；所述SVPWM发生器的输出端与电网的功率开关管相连接；所述坐标变换器还与所述锁相环相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种PCS有功无功控制系统，包括电流发生器、锁相环、网侧电压变换器、三相电流变换器、电压互感器、电流互感器、两个比例积分控制器、坐标变换器和SVPWM发生器，通过上述组件产生控制电网的功率开关管的PWM控制信号，进而实现PCS有功无功的解耦控制。控制方法包括模型降阶、坐标变换、电流外环控制以及SVPWM调制等步骤。本实用新型的PCS有功无功控制系统，具有使PCS稳定输出或者吸收指定的有功功率和无功功率、实现能量的双向流动等优点。
文档编号H02J3/18GK203071585SQ20132009628
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者王斌, 赵丰富, 陈晓东, 郑凤英, 马玉, 程兰芳, 程建洲, 郑天文, 崔文琦, 王捷 申请人:安徽省电力公司宣城供电公司, 北京华腾开元电气有限公司