基于自适应模式切换的下垂控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自适应模式切换的下垂控制方法。它包括在系统频率正常条件下的三相微网储能逆变器的dq旋转坐标系下的下垂控制方法，在系统频率出现大波动条件下的三相微网储能逆变器的dq旋转坐标系下的恒电流控制方法，以及不同系统频率条件下的下垂控制模式与恒电流控制模式的自适应切换方法。它既兼顾了微网储能逆变器在系统频率正常情况下的并联均流特性，又保证了系统频率出现大波动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，防止了储能电池的过冲或者过放，从而大大地延长了储能电池的使用寿命；它可以广泛地应用于微网储能逆变器并网运行的系统中。
【专利说明】基于自适应模式切换的下垂控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于自适应模式切换的下垂控制方法，适用于需要与微电网并联 运行或者与大电网并网运行的微网储能逆变器。
【背景技术】
[0002] 近年来，下垂控制值ROCP)技术作为一种新型的分布式发电控制技术，受到了学 者的大量关注。基于DROOP的微网储能逆变器可W实现并网模式与孤岛并联运行模式之间 的切换，而且不需要改变控制结构。储能电池在可再生能源微网的运行控制过程中具有重 要的作用，可W作为微网稳定运行的组网电源，维持系统的电压和频率稳定，并可W实现微 网离网-并网两种模式的无缝切换，但是它的价格昂贵且其寿命有限。为了延长储能电池 的寿命，既要在系统频率正常的情况下保证并联微网储能逆变器的均流，又能保持在系统 频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，W防止储能电池的过冲与过放。
[000引 为此，人们做了各种研究，如题为"Indirect current control algorithm for utility interactive inverters indistributed generation systems"， Hyosung Kim， Taesik Yu，Sewan Choi，《IEEE Transactions on Power Electronics》，2008,23 (3)， 1342-1347("分布式发电系统中间接电流控制算法在并网逆变器中的应用"，《IE邸学 报-电力电子期刊》2008年第23卷第3期第1342?1347页）的文章；该文提出了采用间 接电流控制的办法来实现模式切换，该种控制方案增加了额外的隔离变压器，导致成本较 局。
[0004] 题为"Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications"，Chen，Chien-Liang，Yubin Wang，et al，《IEEE Transactions on Power Electronics》，2010,25(l)，6-15("并联逆变器的无缝模式切换技术在微网应用中的设 计"，《IE邸学报-电力电子期刊》2010年第25卷第1期第6?5页）的文章；该文提出了 一种采用网络通讯线实现微网逆变器并网与孤岛模式之间无缝切换的解决方案，该种控制 方案增加了控制的复杂程度，致使其稳定性降低。
[0005] 题为"Control for grid-connected and intentional islanding operations of distributed power generation"，Balaguer，I. J.，Qin Lei，et al,《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2011，58(l)，147-157("分布式发电的并网 与故意孤岛运行模式的控制方法"，《IE邸学报-工业电子期刊》2011年第58卷第1期第 147?157页）的文章；该文提出了一种电网故障时的模式切换技术，但是由于没有考虑储 能电池的出力状况，因而会影响储能电池的寿命。
[0006] 题为"A novel seamless transfer control strategy based on voltage amplitude regulation for utility-interconnected fuel cell inverters with an LCL-filter", Guoqiao Shen， Dehong Xu， Xiaoming Yuan, 《Power Electronics Specialists Conference 2006. PESC》，2006, 37th. I邸E，2006,1-6 ("-种新的基于电压幅 值控制的带有IXL滤波器的并网燃料电池逆变器的无缝切换控制策略"，《第S十走届电力 电子专家会议》2006年第6期第1?6页）的文章；该文提出了采用输出电压幅值调节来 实现模式的无缝切换，但没有考虑系统频率大扰动情况下储能电池的充放电情况。
[0007] 综上所述，现有技术均未设及在微网储能逆变器并网运行的系统中，在系统的频 率发生波动时，既能保证系统频率正常情况下并联微网储能逆变器的均流，又能保持系统 频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行，来防止储能电池过冲或者过放W延长 储能电池的寿命。
【发明内容】
[000引本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对微网储能逆变 器与微电网或者大电网并联运行时，在系统的频率出现大幅度波动的情况下储能电池会出 现过冲或过放的问题，提供一种既能保证系统频率正常情况下并联微网储能逆变器的均 流，又能保持系统频率大幅扰动情况下微网储能逆变器的恒功率运行W延长储能电池的寿 命的基于自适应模式切换的下垂控制方法。
[0009] 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于自适应模式切换的下垂控 制方法包括微网储能逆变器的输出电容电压的采集，特别是主要步骤如下：
[0010] 步骤1，先采集微网储能逆变器的输出电容电压U。。，Utb，U。。、电网电压Ugw Ugb，Ug。、 桥臂侧电感电流Ih，Ilb，II。和输出电流I。。，I"b，I。。，再将其经单同步旋转坐标变换得到输出 电容电压的dq分量Utd，U。。、桥臂侧电感电流的dq分量Iid，Ii。和输出电流的dq分量I "d，I。。；
[0011] 步骤2,先根据步骤1中得到的电网电压UgwUgb，Ug。，经单同步坐标系软件锁相环 得到电网电压的dq分量Ugd，Ug。、电网的频率fg和相角0 g，再根据步骤1得到的桥臂侧电感 电流Ii。，Iib，Ii。，经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角e g定向的桥臂侧电感电流的dq 分里 Ildl, Ilql;
[001引步骤3,先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量Utd，U。。和输出电流的dq分 量I?d，I。。，经有功功率计算方程和无功功率计算方程分别得到平均有功功率P和平均无功 功率，再根据得到的平均有功功率P和微网储能逆变器给定的有功功率指令Puf、微网储 能逆变器给定的角频率指令有功下垂系数m，经有功功率-频率下垂控制方程得到微 网储能逆变器的角频率《，角频率《经积分得到微网储能逆变器的矢量角0 ;
[0013] 步骤4,根据步骤3中得到的平均无功功率e和微网储能逆变器给定的无功功率指 令Quf、额定输出电压Uuf、无功下垂系数n，经无功功率-幅值下垂控制方程得到微网储能 逆变器电容电压的dq分量基准信号Uduf，Uquf;
[0014] 步骤5,先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量Ucd，U。。和步骤4中的电 容电压的dq分量基准信号Uduf，Uquf，通过电压控制方程得到电感电流的dq分量指令信号 /；：/?/；；，再根据电感电流的dq分量指令信号记，馬和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量 Iid，Ii。，通过电流比例控制方程得到控制信号叫，U。；
[00巧]步骤6,先根据步骤5中得到的控制信号叫，U。，W及步骤3中得到的矢量角0，经 单同步旋转坐标反变换得到基于下垂模式并网控制的S相桥臂电压控制信号Ug，Ub，U。，再 由=相桥臂电压控制信号叫，也&生成微网储能逆变器逆变桥开关管的5￥?￥1控制信号； [0016] 步骤7,先根据步骤2中得到的基于电网相角0g定向的桥臂侧电感电流的dq分 量Iidi，Iw和根据限定功率值pt，Q%分别计算得到桥臂侧电感电流的dq分量参考值， 再通过电流比例积分控制方程得到恒电流源模式并网的控制信号Udi，Uqi;
[0017] 步骤8,先根据步骤2中得到的电网相角0 g，W及步骤7中的控制信号Udi，Uqi， 经单同步旋转坐标反变换得到基于恒电流源模式并网控制的=相桥臂电压控制信号 山，Ubi，山，再由立相桥臂电压控制信号山，Ubi，山生成微网储能逆变器逆变桥开关管的 SVPWM控制信号；
[001引步骤9,先根据步骤2中得到的电网频率fg<49. 5监或fg>50. 5监，即I Afgl > 0. 5监，通过幅值锁存控制器锁存得到电压控制方程的dq分量输出值，再经相位同步 控制器完成矢量角0至电网相角的跟踪，W实现下垂模式并网到恒电流源单位功率因 数模式并网的无缝切换；
[0019] 步骤10,先根据步骤2中得到的电网频率49. 5监《50. 5监，即 Afgl《0. 5监，通过相角锁存控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值0 ' g， 再经相位同步控制器完成电网相角0g与矢量角0的相位同步，之后，经数值缓起控制器 完成桥臂侧电感电流的dq分量参考值分别至电压控制方程的dq分量输出值心g的 过渡，W实现恒电流源模式并网到下垂模式并网的无缝切换。
[0020] 作为基于自适应模式切换的下垂控制方法的进一步改进：
[0021] 优选地，步骤3中的有功功率计算方程式为
[0022]
【权利要求】
1. 一种基于自适应模式切换的下垂控制方法，包括微网储能逆变器的输出电容电压的 采集，其特征在于主要步骤如下： 步骤1，先采集微网储能逆变器的输出电容电压Uea，Ueb，U。。、电网电压uga，ugb，ug。、桥臂 侧电感电流Ila，Ilb，Ii。和输出电流IM，1&，I。。，再将其经单同步旋转坐标变换得到输出电容 电压的dq分量U#U。,、桥臂侧电感电流的dq分量Ild，Ilq和输出电流的dq分量I_I。,； 步骤2,先根据步骤1中得到的电网电压Uga，Ugb，Ug。，经单同步坐标系软件锁相环得到 电网电压的dq分量Ugd，Ugq、电网的频率fg和相角0g，再根据步骤1得到的桥臂侧电感电流 Ila，Ilb，Ii。，经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角0g定向的桥臂侧电感电流的dq分量 Ildl，Ilql; 步骤3,先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U#U。,和输出电流的dq分量U，I。,，经有功功率计算方程和无功功率计算方程分别得到平均有功功率歹:和平均无功功 率5 ,再根据得到的平均有功功率^和微网储能逆变器给定的有功功率指令PMf、微网储能 逆变器给定的角频率指令、有功下垂系数m，经有功功率-频率下垂控制方程得到微网 储能逆变器的角频率《，角频率《经积分得到微网储能逆变器的矢量角0 ; 步骤4,根据步骤3中得到的平均无功功率^和微网储能逆变器给定的无功功率指令 QMf、额定输出电压UMf、无功下垂系数n，经无功功率-幅值下垂控制方程得到微网储能逆 变器电容电压的dq分量基准信号UdMf，UqMf; 步骤5,先根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U&U。,和步骤4中的电容电压 的dq分量基准信号UdMf，UqMf，通过电压控制方程得到电感电流的dq分量指令信号， 再根据电感电流的dq分量指令信号沁和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量Ild，Ilq， 通过电流比例控制方程得到控制信号Ud，Uq; 步骤6,先根据步骤5中得到的控制信号Ud，Uq，以及步骤3中得到的矢量角0，经单同 步旋转坐标反变换得到基于下垂模式并网控制的三相桥臂电压控制信号Ua，Ub，U。，再由三 相桥臂电压控制信号Ua，Ub，U。生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信号； 步骤7,先根据步骤2中得到的基于电网相角0g定向的桥臂侧电感电流的dq分量 Ildl，Ilql和根据限定功率值P'Q%分别计算得到桥臂侧电感电流的dq分量参考值?，再 通过电流比例积分控制方程得到恒电流源模式并网的控制信号Udl，Uql; 步骤8,先根据步骤2中得到的电网相角0g，以及步骤7中的控制信号Udl，Uql，经单同 步旋转坐标反变换得到基于恒电流源模式并网控制的三相桥臂电压控制信号Ual，Ubl，Ucl， 再由三相桥臂电压控制信号Ual，Ubl，1生成微网储能逆变器逆变桥开关管的SVPWM控制信 号； 步骤9,先根据步骤2中得到的电网频率fg< 49. 5HZ或fg>50. 5HZ，通过幅值锁存控 制器锁存得到电压控制方程的dq分量输出值，再经相位同步控制器完成矢量角0 至电网相角0g的跟踪，以实现下垂模式并网到恒电流源单位功率因数模式并网的无缝切 换； 步骤10,先根据步骤2中得到的电网频率49. 5HZ<fg> 50. 5HZ，通过相角锁存控制 器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值0' g，再经相位同步控制器完成电网相角 08与矢量角0的相位同步，之后，经数值缓起控制器完成桥臂侧电感电流的dq分量参考 值丨分别至电压控制方程的dq分量输出值％，％的过渡，以实现恒电流源模式并网到 下垂模式并网的无缝切换。
2. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤3中的 有功功率计算方程式为
式中的为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、t为一阶低通滤 波器的时间常数、s为拉普拉斯算子。
3. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤3中的 有功功率-频率下垂控制方程式为
式中的为微网储能逆变器给定有功功率指令P时的额定角频率、m为有功下垂 系数。
4. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤4中的 无功功率-幅值下垂控制方程式为
式中的UMf为微网储能逆变器给定无功功率指令Q时的额定输出电压、n为无功下垂 系数。
5. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤5中的 电压控制方程式为
式中的Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数； 电流比例控制方程式为
式中的K为比例控制系数。
6. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤7中的 的计算方程式为
式中的1^为限定的有功功率值、Q#为限定的无功功率值。
7. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤7中的 电流比例积分控制方程式为
式中的Kn为积分控制系数。
8. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤9中的 幅值锁存控制器的控制方程式为
式中的％，％为电压控制方程的输入误差强制为〇时，电压控制方程的dq分量输出 值。
9. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤9中的 相位同步控制器的控制方程式为
式中的0 ' 8为相位同步控制器锁存电网单同步坐标系软件锁相环的输出值。
10. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤10中 的相角锁存控制器的控制方程式为
式中的0' 8为电网单同步坐标系软件锁相环的输入误差强制为〇时，电网单同步坐 标系软件锁相环的输出，Ugq为电网电压的q轴无功分量、K&为电网单同步坐标系软件锁相 环的积分系数、为电网额定角频率。
11. 根据权利要求1所述的基于自适应模式切换的下垂控制方法，其特征是步骤10中 的数值缓起控制器的控制方程式为
式中的AUd，AUq为数值缓起控制器给定的步长值，当数值缓起控制器的目标值大于 初始给定值时，步长为正值，反之，为负值。
【文档编号】H02M7/5395GK104485689SQ201410767545
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】张兴, 石荣亮, 徐海珍, 刘芳, 胡超, 李文超, 毛福斌, 郭礼治 申请人:合肥工业大学