微电网中储能变流器的控制装置及方法与流程

本发明主要涉及微电网控制领域，尤其涉及一种微电网中储能变流器的控制装置及方法。

背景技术：

微网中，分布式电源通常是通过基于电力电子技术的储能变流器进行电能转换后接入微网中进行能量交换的。储能变流器包括dc/ac，dc/dc等多种形式。

对于稳态运行下储能变流器的控制策略，主要分为以输出有功功率/无功功率为目标的pq控制模式、提供稳定交流母线电压支撑为目标的vf控制模式，以及根据传统发电机输出有功功率/频率以及无功功率/电压之间的线性关系而引申而来的下垂控制模式等。

下垂控制模式多以逆变器出口电压为控制目标，由于线路电压跌落的原因，会导致储能变流器的机端输出电压不稳定，其参考电压很难维持在统一幅值上，直接影响了微网母线电压的稳定性，导致电能质量降低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供微电网中储能变流器的控制装置及方法，以提高微网母线电压的稳定性，提升电能质量。

为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种微电网中储能变流器的控制装置，所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述储能变流器通过变压器连接至微电网的公共母线，所述控制装置包括：下垂控制器，所述下垂控制器根据所述储能变流器输出的无功电流iq对所述储能变流器的目标输出电压ucref进行下垂控制，以及根据所述储能变流器输出的有功功率p对所述储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；双环控制器，所述双环控制器根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出电压ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e，输出稳定的母线电压um。

在本发明的一实施例中，所述下垂控制器进行下垂控制所采用的公式为：

ωref＝ω^*-mp

其中，ucref为储能变流器的目标输出电压，为母线空载额定电压，xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，iq为储能变流器输出的无功电流，ωref为目标输出角频率，ω^*为额定角频率，p为储能变流器输出的有功功率。

在本发明的一实施例中，所述下垂控制器进行下垂控制所采用的公式为：

ωref＝ω^*-m(p-pref)

其中，ucref为储能变流器的目标输出电压，为母线空载额定电压，xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，iq为储能变流器输出的无功电流，ωref为目标输出角频率，ω^*为额定角频率，p为储能变流器输出的有功功率，pref为储能变流器的目标输出有功功率，iqref为储能变流器的目标输出无功电流。

在本发明的一实施例中，对所述滤波电感的输出电流i1、所述储能变流器的输出电压uc和所述储能变流器的目标输出电压ucref进行abc/dq坐标转换得到i1d、i1q、ucd、ucq、ucdref和ucqref，所述双环控制器包括依次连接的第一加法器、第一pi控制器、第二加法器、第三加法器、第二pi控制器和第四加法器，以及依次连接的第五加法器、第三pi控制器、第六加法器、第七加法器、第四pi控制器和第八加法器，所述第一加法器的正输入端输入ucdref，负输入端输入ucd，所述第一加法器的输出端输入所述第一pi控制器，所述第一pi控制器的输出端输入所述第二加法器的第一正输入端，所述第二加法器的负输入端输入ucqωc，所述第二加法器的输出端输入第三加法器的正输入端，所述第三加法器的负输入端输入i1d，所述第三加法器的输出端输入所述第二pi控制器，所述第二pi控制器的输出端输入所述第四加法器的第一正输入端，所述第四加法器的第二正输入端输入ucd，所述第四加法器的负输入端输入i1qωl1，所述第四加法器输出电动势ed，所述第五加法器的正输入端输入0，负输入端输入ucq，所述第五加法器的输出端输入所述第三pi控制器，所述第三pi控制器的输出端输入所述第六加法器的第一正输入端，所述第六加法器的第二正输入端输入ucdωc，所述第六加法器的输出端输入所述第七加法器的正输入端，所述第七加法器的负输入端输入i1q，所述第七加法器的输出端输入所述第四pi控制器，所述第四pi控制器的输出端输入所述第八加法器的第一正输入端，所述第八加法器的第二正输入端输入ucq，所述第八加法器的第三正输入端输入i1dωl1，所述第八加法器输出电动势eq。

在本发明的一实施例中，对所述储能变流器的输出电流i2进行abc/dq坐标转换得到i2d、i2q，所述第二加法器还包括一第二正输入端，所述第二加法器的第二正输入端输入i2d，所述第六加法器还包括一第三正输入端，所述第六加法器的第三正输入端输入i2q。

本发明的另一方面提供一种微电网中储能变流器的控制方法，所述储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，所述储能变流器通过变压器连接至微电网的公共母线，所述控制方法包括：根据所述储能变流器输出的无功电流iq对所述储能变流器的目标输出电压ucref进行下垂控制，以及根据所述储能变流器输出的有功功率p对所述储能变流器的目标输出角频率ωref进行下垂控制；根据所述滤波电感的输出电流i1、所述下垂控制器的目标输出电压ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，所述储能变流器根据所述驱动信号调整所述三相逆变电路的电动势e，输出稳定的母线电压um。

在本发明的一实施例中，进行下垂控制所采用的公式为：

ωref＝ω^*-mp

其中，ucref为储能变流器的目标输出电压，为母线空载额定电压，xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，iq为储能变流器输出的无功电流，ωref为目标输出角频率，ω^*为额定角频率，p为储能变流器输出的有功功率。

在本发明的一实施例中，进行下垂控制所采用的公式为：

ωref＝ω^*-m(p-pref)

其中，ucref为储能变流器的目标输出电压，为母线空载额定电压，xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，iq为储能变流器输出的无功电流，ωref为目标输出角频率，ω^*为额定角频率，p为储能变流器输出的有功功率，pref为储能变流器的目标输出有功功率，iqref为储能变流器的目标输出无功电流。

在本发明的一实施例中，对所述滤波电感的输出电流i1、所述储能变流器的输出电压uc和所述储能变流器的目标输出电压ucref进行abc/dq坐标转换得到i1d、i1q、ucd、ucq、ucdref和ucqref，所述双环控制器包括依次连接的第一加法器、第一pi控制器、第二加法器、第三加法器、第二pi控制器和第四加法器，以及依次连接的第五加法器、第三pi控制器、第六加法器、第七加法器、第四pi控制器和第八加法器，所述第一加法器的正输入端输入ucdref，负输入端输入ucd，所述第一加法器的输出端输入所述第一pi控制器，所述第一pi控制器的输出端输入所述第二加法器的第一正输入端，所述第二加法器的负输入端输入ucqωc，所述第二加法器的输出端输入第三加法器的正输入端，所述第三加法器的负输入端输入i1d，所述第三加法器的输出端输入所述第二pi控制器，所述第二pi控制器的输出端输入所述第四加法器的第一正输入端，所述第四加法器的第二正输入端输入ucd，所述第四加法器的负输入端输入i1qωl1，所述第四加法器输出电动势ed，所述第五加法器的正输入端输入0，负输入端输入ucq，所述第五加法器的输出端输入所述第三pi控制器，所述第三pi控制器的输出端输入所述第六加法器的第一正输入端，所述第六加法器的第二正输入端输入ucdωc，所述第六加法器的输出端输入所述第七加法器的正输入端，所述第七加法器的负输入端输入i1q，所述第七加法器的输出端输入所述第四pi控制器，所述第四pi控制器的输出端输入所述第八加法器的第一正输入端，所述第八加法器的第二正输入端输入ucq，所述第八加法器的第三正输入端输入i1dωl1，所述第八加法器输出电动势eq。

在本发明的一实施例中，对所述储能变流器的输出电流i2进行abc/dq坐标转换得到i2d、i2q，所述第二加法器还包括一第二正输入端，所述第二加法器的第二正输入端输入i2d，所述第六加法器还包括一第三正输入端，所述第六加法器的第三正输入端输入i2q。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供一种微电网中储能变流器的控制装置及方法，通过根据储能变流器输出的无功电流iq对储能变流器的输出电压uc进行下垂控制，并根据下垂控制输出的电压uc生成驱动信号，储能变流器根据驱动信号调整三相逆变电路的电动势e，输出稳定的母线电压um，可以提高微网母线电压的稳定性，提升电能质量。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是一种微电网的结构示意图；

图2是根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置的示意图；

图3是根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图；

图4是根据本发明的另一实施例的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图；

图5a-5d根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置的仿真结果的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

图1是一种微电网的结构示意图。如图1所示，微电网系统100包括储能变流器110、变压器120、开关130和公共母线140。储能变流器110包括依次连接的直流电源111、三相逆变电路112、滤波电感113和滤波电容114。滤波电感113和滤波电容114组成lc滤波电路。变压器120与储能变流器110连接，储能变流器110通过开关130接入公共母线140。对于图1中的微电网结构，目前有使其稳态运行的储能变流器控制策略，该控制策略一般为下垂控制策略，下垂控制策略公式为：

ωref＝ω^*-mp(1)

其中，ωref为储能变流器110的目标输出角频率，ω^*为储能变流器110的额定角频率，ucref为储能变流器110控制的目标输出电压，为储能变流器110的额定出口电压，m、n为下垂系数，p、q分别为储能变流器110输出的有功功率和无功功率。该下垂控制策略的基准电压选择为储能变流器的lc滤波电路的出口电压uc，由于线路电压跌落的原因，会导致储能变流器的机端输出电压不稳定，其参考电压很难维持在统一幅值上，直接影响了微网母线电压的稳定性，导致电能质量降低。

本发明的实施例对图1中的微电网系统的储能变流器的控制策略进行了改进，在控制策略中引进了微电网母线电压作为控制策略的参数之一，能够更精确地控制微电网母线电压。

图2是根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置的示意图。如图2所示，微电网结构200包括储能变流器210、变压器220、开关230和公共母线240。储能变流器210包括依次连接的直流电源211、三相逆变电路212、滤波电感213和滤波电容214。滤波电感213和滤波电容214组成lc滤波电路。变压器220与储能变流器210连接，储能变流器210通过开关230接入公共母线240。图2中储能变流器210的控制装置包括下垂控制器210a和双环控制器210b。下垂控制器210a能根据储能变流器210输出的无功电流iq对储能变流器210的目标输出电压ucref进行下垂控制，以及能根据储能变流器210输出的有功功率p对储能变流器210的目标输出角频率ωref进行下垂控制。双环控制器210b能根据滤波电感的输出电流i1、下垂控制器210a的目标输出电压ucref和目标输出角频率ωref生成驱动信号，储能变流器210根据驱动信号调整三相逆变电路212的电动势e，输出稳定的母线240电压um。

在本发明一实施例中，储能变流器输出至母线的有功方程和无功方程分别为：

公式(3)、(4)中，p为储能变流器输出的有功功率，q为储能变流器输出的无功功率，uc为储能变流器的输出电压，um为母线电压，xt为路线总感抗，δ为uc和um两电压的相角差。

由公式(4)变换可得公式(5)如下：

公式(5)中，iq为储能变流器输出的无功电流。从公式(5)可以看出，iq可以替代q来对uc进行控制，因此从公式(5)结合下垂控制策略公式(2)可以得出公式(6)如下：

公式(6)中，为母线240空载额定电压，um为母线电压值，y为下垂系数。由公式(5)、(6)可得出公式(7)如下：

根据上述公式推导，本发明的一实施例对现有的下垂控制策略中的无功功率调节公式(2)进行了改善，本发明的一实施例中的下垂控制器进行下垂控制所采用的公式为：

ω＝ω^*-mp(9)

根据公式(8)、(9)，下垂控制器210a通过测量储能变流器210输出的无功电流iq和有功功率p，即可计算出输出电压uc和输出角频率ω，双环控制器210b根据滤波电感的输出电流i1、下垂控制器输出的电压uc、角频率ω、参考电压ucref和参考角频率ωref生成驱动信号，储能变流器根据驱动信号调整三相逆变电路的电动势e，输出稳定的母线电压um。

在本发明的另一实施例中，下垂控制策略在公式(8)、(9)的基础上引入了iqref作为储能变流器输出的无功电流iq的目标值，引入pref作为储能变流器输出的有功功率p的目标值，改进后的下垂控制器进行下垂控制所采用的公式为：

ω＝ω^*-m(p-pref)(11)

公式(10)、(11)中，uc为储能变流器的输出电压，为母线空载额定电压，xt为路线总感抗，m和y为下垂系数，iq为储能变流器输出的无功电流，ω为角频率，ω^*为额定角频率，p为储能变流器输出的有功功率。

根据公式(10)、(11)，下垂控制器210a通过测量储能变流器210输出的无功电流iq和有功功率p，即可计算出输出电压uc和输出角频率ω，双环控制器210b根据滤波电感的输出电流i1、下垂控制器输出的电压uc、角频率ω、参考电压ucref和参考角频率ωref生成驱动信号，储能变流器根据驱动信号调整三相逆变电路的电动势e，输出稳定的母线电压um。

图3是根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图。如图3所示，为了对微电网系统进行控制，需要将滤波电感的输出电流i1、储能变流器输出电压uc进行abc/dq坐标转换得到i1d、i1q和ucd、ucq，双环控制器300包括依次连接的第一加法器311、第一pi控制器321、第二加法器312、第三加法器313、第二pi控制器322和第四加法器314，以及依次连接的第五加法器315、第三pi控制器323、第六加法器316、第七加法器317、第四pi控制器324和第八加法器318。

第一加法器311的正输入端输入ucref，负输入端输入ucd，第一加法器311的输出端输入第一pi控制器321，第一pi控制器321的输出端输入第二加法器312的第一正输入端，第二加法器312的负输入端输入ucqωc，第二加法器312的输出端输出的信号为i1dref，该信号输入第三加法器313的正输入端，第三加法器313的负输入端输入i1d，第三加法器313的输出端输入第二pi控制器322，第二pi控制器322的输出端输入第四加法器314的第一正输入端，第四加法器314的第二正输入端输入ucd，第四加法器314的负输入端输入i1qωl1，第四加法器314输出电动势ed。

第五加法器315的正输入端输入0，负输入端输入ucq，第五加法器315的输出端输入第三pi控制器323，第三pi控制器323的输出端输入第六加法器316的第一正输入端，第六加法器316的第二正输入端输入ucdωc，第六加法器316的输出端输出的信号为i1qref，该信号输入第七加法器317的正输入端，第七加法器317的负输入端输入i1q，第七加法器317的输出端输入第四pi控制器324，第四pi控制器324的输出端输入第八加法器318的第一正输入端，第八加法器318的第二正输入端输入ucq，第八加法器318的第三正输入端输入i1dωl1，第八加法器318输出电动势eq。

通过双环控制器300的控制，可以使得ucd接近目标输出电压ucref，同时ucq接近0。双环控制器中的控制参数可以根据控制策略的需求进行变换。为了加快对于外部负载突变的响应速度，在本发明另一实施例中，双环控制器在图3的基础上引入了储能变流器的输出电流i2为新的控制参数。

图4是根据本发明的另一实施例的储能变流器的控制装置中双环控制器的逻辑框图。

如图4所示，对储能变流器的输出电流i2进行abc/dq坐标转换得到i2d、i2q。第二加法器312还包括一第二正输入端，第二加法器312的第二正输入端输入i2d。第六加法器316还包括一第三正输入端，第六加法器316的第三正输入端输入i2q。

图5a-5d根据本发明的一实施例的储能变流器的控制装置的仿真结果的示意图。在图5a-5d所示的仿真结果的仿真实验中，储能变流器的额定功率为500kw，滤波电感l为0.2mh，滤波电容c为0.5μf，路线总感抗xt为0.06mh，储能变流器的有功负载为150kw，储能变流器的无功负载为100kvar，在图5a-5d中的0.5s时并入储能变流器的所有负载。如图5a-5d所示，在离网模式下，采用本发明的一实施例的储能变流器的控制装置对母线电压um进行控制，母线电压um无明显的波动，输出状态稳定。

本发明采用的一种微电网中储能变流器的控制装置，其采用的下垂控制策略选用微电网的母线电压作为电压基准值实现功率解耦，能够保证无功功率按比例分配，具有精确控制微电网母线电压、微电网母线电压输出稳定、不受线路电压跌落影响的优点。

本发明还提供一种微电网中储能变流器的控制方法，储能变流器包括依次连接的直流电源、三相逆变电路、滤波电感和滤波电容，储能变流器通过变压器连接至微电网的公共母线。该控制方法可以在上文所述的控制装置上实现，此处不再赘述。

本发明采用的一种微电网中储能变流器的控制方法，其采用的下垂控制策略选用微电网的母线电压作为电压基准值实现功率解耦，能够保证无功功率按比例分配，具有精确控制微电网母线电压、微电网母线电压输出稳定、不受线路电压跌落影响的优点。

“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

在此使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的方法所执行的操作。应当理解的是，前面的操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。