一种光储微电网系统平滑切换控制方法

本发明属于工业控制领域，主要涉及一种光储微电网系统平滑切换控制方法。

背景技术：

1、目前，天然气、煤、石油等化石能源物质的枯竭，以及消耗能源时所造成的环境污染成为了全世界两大重要问题。随着分布式能源的快速发展，其低成本，发电方式灵活，环保等优秀特点成为了解决能源问题的有效办法。全世界建立了大量的光伏电站、风电场、风光柴储等大型集中式新能源电站，迄今为止，光伏和风电的发展最为强势，前景最为广阔，近几年光伏发电和风力发电装机容量增长迅速。合理利用新能源将成为21世纪电力行业主要技术发展的重中之重。但是集中型新能源电站仍有很多问题亟待解决，例如分布式电源发电受环境因素影响较大，具有间歇性随机性，易对发电输出功率产生不良影响；电能远距离运输成本较高；能量密度较低；弃风弃光；现有电网无法承受大规模新电源并入等问题。

2、为了最大程度的发挥出分布式能源的优势，同时不断优化分布式发电系统，减小分布式能源并网对电力网络造成的不良影响，获得更高的经济性和效益，美国可靠性技术解决方案协会(certs)研究得出了微电网这个概念。微电网是一种由分布式电源、用电负载、储能装置、能量转换模块以及监测系统组成的新型结构电网。它可将不同种类的分布式电源统一管理，既能并入大电网辅助运行，又可以作为独立的系统进行供电，保证了本地负载工作的可靠性。微电网解决了分布式电源并网时产生的问题，减少了对电网的不利影响。偏远山区和海岛的供电稳定性也因微电网而更加可靠，同时节约了能源并改善了生态环境。也降低了电网末端用户对电网的依赖。微电网在保证用户的用电安全的同时，还提高了电能质量降低了电力运输成本。

3、微电网和大电网并网运行时，由大电网和微电网为负载协同供电，微电网会将多余电能通过储能装置回馈给大电网；如果大电网需要维修或其他原因与微电网解列，此时通过微电网系统内分布式能源以及储能系统来提供用电负载所需电能。

4、当微电网由孤岛模式切换为并网模式时，需要减小其对电网造成震荡。当微电网由并网模式切换为孤岛模式时，需要确保不会影响负载用电。要保证微电网在两种模式之间可以平滑切换，最大限度降低模式切换时对整个系统的负面影响。所以说，对微电网运行以及运行过程中控制方法的研究有着重要的理论价值和实际意义。

5、cn115065090a，一种风光储微电网的并离网平滑切换控制方法及系统，光伏并网逆变器部分采用双级式结构，前级dcdc变换器采用boost电路，与mppt算法共同实现最大功率点跟踪。风力发电部分采用永磁直驱式风力发电模型，永磁同步发电机发出的交流电先整流，再经过dcdc电路然后进行并网，dcdc电路同样采取boost升压电路。蓄电池部分采用基于下垂控制的并网逆变器，与风光并联实现能量互补。光伏和风力的逆变器均采用基于电网电压定向的矢量控制，用来稳定直流侧电压。针对风光储并离网切换冲击电流较大的问题，本发明采用基于单锁相环的预同步方法，来实现平滑并离网切换。仿真表明，本发明在孤岛、并网下均可以稳定运行并实现互补，且实现了并离网的平滑切换。

6、一种风光储微电网的并离网平滑切换控制方法及系统，其中蓄电池部分采用基于下垂控制的并网逆变器，与风光并联实现能量互补。光伏和风力的逆变器均采用基逆变器采用基于电网电压定向的矢量控制，用来稳定直流侧电压。针对风光储并离网切换冲击电流较大的问题，

7、缺陷与不足：然而下垂控制是一种有差控制，这种控制适用于对等控制中多分布式电源协同工作，而在孤岛运行的主从控制中的主控电源为混合储能系统，一旦微电网受到干扰，功率出现较大的偏差，下垂控制无法通过自身调节维持电能的输出质量。

8、本发明的克服方法：使用恒压恒频(v/f)控制的目的是不管微电网中的功率发生什么样的变化，总有个或者多个分布式电源可以根据功率变化调整自身输出，作为主控装置极大地提高了微电网系统电压和频率的稳定性。

9、一种光储微电网系统平滑切换控制方法，在微电网孤岛状态时采用恒压恒频(v/f)控制，通过控制调整自身的信号来调节系统电压和频率的策略符合孤岛模式的运行需求。孤岛向并网切换时，采用相位预同步的控制方法，避免冲击电流的产生。同时在微电网并网操作时增加预同步处理，有效消除了配电网冲击，离网时增加幅值跟踪，能够降低电压频率的波动，实现微电网的平滑切换。

10、本发明请求保护一种光储微电网系统平滑切换控制方法，属于工业控制领域。选取带有lc型滤波器的三相电压并网逆变器作为研究对象，深入研究并选择了微电网不同运行模式下逆变器的控制方法。使用带正反馈的主动移频法进行孤岛检测；运行模式切换时使用了改进的四开关控制结构；并网向孤岛切换时，采用状态跟随的控制方法，提高微电网系统电压和频率的稳定性；孤岛向并网切换时，采用相位预同步的控制方法，避免冲击电流的产生。孤岛运行时。本发明可以实现模式切换的平滑过渡，系统拥有较好的稳定性。同时在微电网并网操作时增加预同步处理，能够有效消除配电网冲击，离网时增加幅值跟踪，能够降低电压频率的波动，实现微电网的平滑切换。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种光储微电网系统平滑切换控制方法。本发明的技术方案如下：

2、一种光储微电网系统平滑切换控制方法，其包括以下步骤：

3、建立微电网的带有lc型滤波器的三相电压并网逆变器数学模型；

4、建立主从控制结构的微电网，并选择并网和孤岛模式下的控制方法；pq控制结构模型主要由三个部分组成：软件锁相环，dq变换以及功率计算控制，最后经过电流控制实现pq控制。

5、使用带正反馈的主动移频法进行孤岛检测；运行模式切换时使用了改进的四开关控制结构；并网向孤岛切换时，采用状态跟随的控制方法；孤岛向并网切换时，采用相位预同步的控制方法，孤岛运行时，采用v/f控制使微电网系统稳定运行于孤岛状态。

6、进一步的，所述建立微电网的带有lc型滤波器的三相电压并网逆变器数学模型，具体包括：

7、分布式电源直流母线电压udc，直流测电容c，直流电压通过三相电压逆变器转换为交流电，通过lc型滤波器将滤波后的交流电由输电线路输送给大电网，rload为线路阻抗；根据基尔霍夫电流定律以及电压定律可得，lc滤波器电感lg以及电容cg关于电压和电流的方程：

8、

9、

10、ua、ub、uc分别为三相逆变器的输出电压，usa、usb、usc分别为三相逆变器滤波后的交流电压；

11、lc滤波器输出端空载状态下的传递函数及幅频特性分别为：

12、

13、

14、uo为lc滤波器输出端空载状态下的输出电压，s为复变量，ω为频率；

15、经过计算得出对数幅频特性：

16、

17、从而可得转折频率ωc为：

18、

19、将ωc的取值范围定在开关频率的1/10～1/5；

20、在并网状态下逆变器的输出电流ial会因为电容cg的影响而和输入到电网中的电流igrid之间产生相位差θ；

21、

22、uag为电容输出电压，ic为电容输出电流。

23、进一步的，所述pq控制器的设计步骤具体包括：

24、pq控制即恒功率控制，其控制方式是使分布式电源输出的有功功率p以及无功功率q以参考功率为基准进行恒定输出；pq控制需要保持稳定的频率和电压，在并网运行时，由大电网为微电网提供频率和电压支持，在孤岛运行时由主控单元提供频率和电压支持；可通过调节逆变器的电压电流直接对系统输出功率进行控制，d-q旋转坐标系下逆变器输出的有功功率p和无功功率q的表达式为：

25、

26、其中，ed、eq为在d-q坐标轴上电网电压的等效分量，id、iq为在d-q坐标轴上电感电流的等效分量；

27、由有功功率p和无功功率q的表达式结合给定有功功率pref、无功功率qref可推导出d-q坐标轴上的电流参考值idref、iqref：

28、

29、pref为有功功率，qref表示无功功率；

30、经过计算推导可将对逆变器输出功率的控制变换为对电流的控制，通过计算得出参考电流完成pq控制；

31、ud和uq的求解过程中电流的d轴和q轴分量相互耦合，通过解耦控制可得电感电流双闭环控制表达式：

32、

33、usd为ud经过解耦控制后的d轴分量，usq为ud经过解耦控制后的d轴分量，

34、kp为比例调节系数，ki为积分调节系数；

35、pq控制结构模型包括：软件锁相环，dq变换以及功率计算控制，最后经过电流控制实现pq控制。

36、进一步的，在许多控制系统中,功率计算以及内环控制器均需要坐标变换,因而需要坐标变换的角度；目前提取相角的技术有多种,锁相环技术是使用最普遍的相位同步方法；

37、当满足uαsinθ＝uβcosθ时(其中uα、uβ为ua、ub经过坐标系变换得到的输出电压)pi调节器的输入信号u为零,控制器达到稳态,输出频率为分布式电源系统所接交流母线处电压的频率输出角度为d轴与a轴间夹角θ,从而实现“锁相”目的；

38、dq变换又叫派克变换；具体是指将定子的a，b，c三相电流投影到随着转子旋转的直轴(d轴)，交轴(q轴)与直于dq平面的零轴(0轴)上去，从而实现了对定子电感矩阵的对角化；

39、功率计算控制是指电源发出的有功功率以及无功功率要和采用pq控制策略设置的参考功率相同。

40、进一步的，所述逆变器稳定控制，具体包括：

41、将采集到的三相电压转换到d-q旋转坐标系下，得到ed和eq结合功率参考值pref、qref通过计算得到电压外环控制的电流参考值idref、iqref；根据电感电流双闭环控制表达式，电流参考值分别与电感电流经过坐标变换后生成d-q旋转坐标系下的电流id以及iq相比较，经由电流矢量pi控制器和电流解耦控制得到输出电压参考值并分别和ud和uq相加从而得到电压控制信号usd、usq，再经过坐标变换转换为abc坐标系下的参考值并通过spwm调制，最终输出驱动控制信号改变逆变器的状态，保证逆变器向电网输出恒定的功率。

42、进一步的，所述两相旋转d-q坐标系，具体包括：

43、abc坐标系与d-q同步旋转坐标系的转换公式为：

44、

45、

46、通过分析坐标系间的转换公式可以得出其空间关系。

47、进一步的，所述的孤岛检测具体包括：

48、微电网系统处于并网模式时，有主动切换和被动切换两种切换状态；主动切换为计划性孤岛，计划孤岛发生时微电网系统可根据负载不同的运行状况选择恰当的切换时机，保持微电网稳定运行；而被动切换是大电网意外断开和微电网的连接，也叫作非计划性孤岛；

49、通过公共连接点pcc连接大电网与微电网使其处于并网运行模式，二者共同支撑负载所需电能，能得到负载功率的计算公式：

50、

51、上式中，ug表示pcc点处电压，ω表示大电网电压角频率，p表示微电网对负载输出有功功率，q表示微电网对负载输出无功功率，l表示滤波电感，c表示滤波电容，δp表示大电网对负载输出有功功率，δq表示大电网对负载输出无功功率，pload表示负载有功功率，qload表示负载无功功率；断开pcc点处开关令微电网处于孤岛模式独立运行，此时由微电网单独提供负载消耗的全部功率，负载功率的计算公式为：

52、

53、式中：u′g为交流母线电压，ω′为角频率；对上述公式进行推断可得，若微电网系统中负载功率为大电网和微电网输出功率之和，当微电网处于孤岛模式时，系统的输出功率就不能够维持负载正常运行，导致系统中的频率和电压产生较大波动；当检测到pcc点处电压和频率的波动越过一定界限时即可认定为产生孤岛效应。

54、进一步的，所述的孤岛检测方法，具体包括：

55、采用的孤岛检测方法为包含正反馈的主动移频检测法，使频率产生偏移而对逆变器输出电流施加周期性扰动以实现检测，该算法的表达式为：

56、cfn＝cfn-1+l(δωn)

57、式中，cfn为循环至第n个周期的斩波率，l(δωn)表示pcc点处频率偏移的正反馈函数；使用正反馈控制的原理对逆变器输出的电流和功率进行调节，输出电压降低，逆变器将同时减小电流和功率大小；并网模式下，公共连接点处电压频率由大电网提供支撑；孤岛模式下，系统无功功率不平衡，在公共连接点出处发生频率偏移，此时频率偏移无法被检测出，但其偏移量会因为正反馈的影响而随时间累加，最终达到一个可被检测出来的阈值，系统随之反应切换至孤岛模式。

58、进一步的，所述改进的平滑切换控制方法，具体包括：

59、在传统的控制器切换方法的基础上引入了并/离网切换前后状态跟随的方法，并网模式时，k1和k4闭合，k2和k3断开，这时储能逆变器采用的是pq控制，系统的电压和频率由大电网提供支撑，使用负反馈信号将v/f控制器与pq控制器的输出相叠加作为v/f控制器的输入信号，再通过pi控制器进行无差调节后使v/f控制器与pq控制器的输出状态维持相同；当转为孤岛模式时，打开k1和k4，闭合k2和k3，这个时候pq控制器切离运行，v/f控制器加入到系统中，由于v/f控制器的输出状态与切换前的pq控制输出状态保持一致，减少了逻辑开关动作导致的系统振荡，实现了微电网并网到孤岛模式的平滑切换。

60、进一步的，所述改进的平滑切换控制方法孤岛模式切换到并网模式，具体包括：

61、当微电网需要和大电网再并网时，在并网前需要先进行预同步控制，使微电网调整逆变器的输出从而追踪到大电网的电压和相位，满足并网条件完成并网；

62、首先通过pll锁相环追踪得到大电网的电压相位，然后将得到的大电网电压相位值θg与逆变器输出电压的参考相位值θinv对比获得相位差δθ，相位差通过pi调节器处理可以得到角频率的补偿值ωc；

63、ωc的计算公式如下所示：

64、

65、如果θg>θinv，则补偿值ωc>0，角频率随着补偿而逐渐升高，相位追踪过程就是通过调整相位补偿值ωc使逆变器输出电压相位逐渐接近大电网电压相位直至相位值相同，最终实现相位预同步的效果；最后得到的使相位差为0的角频率补偿值ωc经过积分计算，与2π取模当成输出相角值，通过不断地反馈调节最后发射出并网信号，完成并网。

66、本发明的优点及有益效果如下：

67、本发明提出了一种光储微电网系统平滑切换控制方法，选取光储微电网系统作为研究对象，其中光伏发电作为分布式电源具有经济环保等特点，微电网可以充分利用其发电优势，同时避免分布式电源直接并入大电网造成不良影响，并根据自身特点与大电网形成互补，使供电方式更为灵活稳定。混合储能系统可以解决光伏发电易受外界环境影响导致供电不稳定的问题，提高微电网的稳定性。本发明相比传统的孤岛检测方法，选择了包含正反馈的主动移频检测法进行孤岛检测，检测效果更为准确。经过对比分析后，对于主从结构的微电网中的主逆变器在并网时采取pq控制，孤岛时采取v/f控制；从逆变器始终保持pq控制不变。本发明在微电网并网操作时增加了预同步处理，有效消除配电网冲击，离网时增加幅值跟踪，降低电压频率的波动，能够很好地实现微电网稳定运行，平滑切换。

68、一种光储微电网系统平滑切换控制方法在并网运行时，选择了使用包含dq坐标系下的pi控制的pq恒功率控制策略，提高并网时主逆变器的输出的稳定性；带正反馈的主动移频法进行孤岛检测；运行模式切换时使用了改进的四开关控制结构；并网向孤岛切换时，采用状态跟随的控制方法，提高微电网系统电压和频率的稳定性；孤岛向并网切换时，采用相位预同步的控制方法，避免冲击电流的产生。为确保微电网平滑切换的关键因素是使模式切换前后的电压幅值、相位以及频率维持稳定状态，本发明使用锁相环帮助微电网从并网模式切换到孤岛模式过程中电压的相位和幅值保持稳定。在传统的控制器切换方法的基础上引入了并/离网切换前后状态跟随的方法。在微电网并网操作时增加预同步处理，有效消除配电网冲击，离网时增加幅值跟踪，降低电压频率的波动，实现了微电网的平滑切换。