本發(fā)明屬于并網(wǎng)逆變器控制研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)及策略。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境和能源危機(jī)的日益加深，新能源發(fā)電得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，而并網(wǎng)逆變器是新能源發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送電能的必不可少的接口設(shè)備，并網(wǎng)逆變器的性能將會對發(fā)電系統(tǒng)以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。

在電網(wǎng)正常時，并網(wǎng)逆變器應(yīng)能夠并網(wǎng)運行，與電網(wǎng)共同為負(fù)載供電，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式發(fā)電單元應(yīng)該立即與電網(wǎng)斷開，并且單獨為負(fù)載供電，形成孤島運行。在電網(wǎng)恢復(fù)之后，重新并網(wǎng)運行。因此，并網(wǎng)逆變器應(yīng)該具備并網(wǎng)及孤島運行能力，并且可實現(xiàn)兩種模式之間的無縫切換，保證本地重要負(fù)載的供電質(zhì)量不受影響。按照控制方式的不同，并網(wǎng)逆變器可以分為電流控制型和電壓控制型兩種。目前普遍的無縫切換控制策略可分為以下三類：1.混合電壓電流模式控制；2.電壓模式控制；3.間接電流控制。在混合電壓電流模式控制中，并網(wǎng)時逆變器控制為電流源，孤島時逆變器控制為電壓源，因此存在兩套控制系統(tǒng)，在并網(wǎng)和孤島運行發(fā)生轉(zhuǎn)換時，由于孤島檢測時間的存在，負(fù)載電壓會存在一段失控時間，負(fù)載電壓質(zhì)量受到孤島檢測快速性的影響。在電壓模式控制中，無論在并網(wǎng)或者孤島模式，逆變器均采用下垂控制，以電壓源運行，但是由于下垂控制中功率環(huán)的存在，無論在孤島或并網(wǎng)模式，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性均比較慢。在間接電流控制中，并網(wǎng)運行時逆變器控制成電流源，當(dāng)孤島發(fā)生時，不需要改變控制結(jié)構(gòu)，逆變器自動切換為電壓源，因此負(fù)載電壓質(zhì)量可以得到提高，但是在并網(wǎng)運行時，電流外環(huán)對注入電網(wǎng)電流峰值進(jìn)行調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)較差。因此有人提出一種改進(jìn)間接電流控制克服其動態(tài)特性差的缺點，但是當(dāng)采用該控制方法時，微網(wǎng)系統(tǒng)在孤島運行時采用單主多從的結(jié)構(gòu)，一旦主逆變器出現(xiàn)故障，整個微網(wǎng)系統(tǒng)無法工作，系統(tǒng)可靠性較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述改進(jìn)間接電流控制中主逆變器出現(xiàn)故障整個微網(wǎng)系統(tǒng)無法工作的問題，提供一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)及策略，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器在并網(wǎng)模式和孤島模式之間的無縫切換，提高了切換過程中的負(fù)載電壓質(zhì)量，并且在孤島模式時，微網(wǎng)系統(tǒng)可以以多主多從結(jié)構(gòu)運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

為了達(dá)到上述目的，一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)包括三相逆變器，三相逆變器的輸出端連接lc濾波器，lc濾波器的電容cf并聯(lián)有負(fù)載，lc濾波器下游通過線路阻抗lg連接并網(wǎng)開關(guān)si，并網(wǎng)開關(guān)si下游通過電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su連接電網(wǎng)。

所述逆變器包括兩臺主逆變器和兩臺從逆變器，兩臺主逆變器和兩臺從逆變器并聯(lián)運行。

一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)的控制策略為：

當(dāng)電網(wǎng)正常時，并網(wǎng)開關(guān)si和電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su均閉合，微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行，主逆變器中流過并網(wǎng)電感l(wèi)g的電流igx(x＝a,b,c)跟隨其指令值，使主逆變器輸出給定的有功及無功功率；

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su立即斷開，微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)分離，微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間的功率流動減小為0，因此主逆變器中流過并網(wǎng)電感l(wèi)g的電流會偏離指令值。在d軸中，pi控制器gig的輸出會保持增加或減少，達(dá)到限幅器的上限值vdmax或下限值vdmax，同理q軸中pi控制器輸出達(dá)到限幅器的下限值vqmin或上限值vdmax，當(dāng)d軸限幅器的輸出達(dá)到其限幅值之后，將數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2選為下垂控制無功功率環(huán)生成的電壓指令值edroop，同步控制信號使各臺主逆變器控制模塊中的d軸限幅器的輸出均達(dá)到上限值之后，統(tǒng)一把數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2由vigdout切換為edroop，即完成孤島模式的切換。

在孤島模式時，逆變器基于下垂控制，以電壓源模式運行，在采用多主多從結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)中，多臺主逆變器均采用基于下垂控制以電壓源模式運行，使多臺主逆變器之間無通訊線的功率均分。

當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su自動閉合，進(jìn)行負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓的預(yù)同步控制，當(dāng)二者實現(xiàn)電壓幅值和相位的同步后，并網(wǎng)開關(guān)si閉合，逆變器重新并網(wǎng)運行，完成并網(wǎng)模式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用獨特的控制結(jié)構(gòu)，采用電容電流內(nèi)環(huán)，電容電壓環(huán)以及并網(wǎng)電流環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，同時還包括獨特的鎖相環(huán)模塊以及相角選擇模塊和下垂控制模塊，可以實現(xiàn)并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)孤島運行時逆變器自動由電流源控制切換為基于下垂控制的電壓源控制，提高了并網(wǎng)到孤島模式的轉(zhuǎn)換過程中的負(fù)載電壓質(zhì)量。

本發(fā)明的方法通過由并網(wǎng)運行切換為孤島運行再切換為并網(wǎng)運行的過程，實現(xiàn)并網(wǎng)模式時基于間接電流控制的電流源型逆變器到孤島模式時基于下垂控制的電壓源型逆變器的自動切換，提高了并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島過程中的負(fù)載電壓質(zhì)量，并提高了孤島運行時微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。實現(xiàn)孤島運行時多臺主逆變器之間的無需快速通訊線的功率均分。由于在孤島運行時存在多臺主逆變器為微網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓幅值和頻率支撐，即使某臺主逆變器發(fā)生故障也不會影響微網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。所以該控制方法可以提高微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的主電路圖；

圖2為本發(fā)明主控制框圖；

圖3為本發(fā)明帶頻率限幅器的鎖相環(huán)；

圖4為本發(fā)明的相角選擇模塊；

圖5為本發(fā)明孤島運行時下垂控制框圖；

圖6為本發(fā)明微網(wǎng)系統(tǒng)的電路圖；

圖7為本發(fā)明的仿真波形圖；其中，(a)為整個微網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中a相負(fù)載電壓波形，(b)為0.4s電網(wǎng)發(fā)生故障時，三相負(fù)載電壓的波形，(c)為1.2s電網(wǎng)恢復(fù)，三相負(fù)載電壓的波形，(d)為整個運行過程中，電網(wǎng)電壓幅值eg以及控制變量edroop和vigdout的波形；

圖8為孤島運行轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行之前，負(fù)載電壓與電網(wǎng)電壓幅值及相位預(yù)同步過程中的仿真波形；(a)為相角預(yù)同步過程波形，(b)為幅值預(yù)同步過程波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)包括三相逆變器，三相逆變器的輸出端連接lc濾波器，lc濾波器的電容cf并聯(lián)有負(fù)載，lc濾波器下游通過線路阻抗lg連接并網(wǎng)開關(guān)si，并網(wǎng)開關(guān)si下游通過電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su連接電網(wǎng)，逆變器包括兩臺主逆變器和兩臺從逆變器，兩臺主逆變器和兩臺從逆變器并聯(lián)運行。

一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換控制系統(tǒng)的控制策略為，當(dāng)電網(wǎng)正常時，并網(wǎng)開關(guān)si和電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su均閉合，逆變器并網(wǎng)運行，流過并網(wǎng)電感l(wèi)g的電流igx(x＝a,b,c)為并網(wǎng)電流，完成并網(wǎng)模式；

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su立即斷開，通過孤島檢測算法確定孤島發(fā)生后，并網(wǎng)開關(guān)si斷開，分布式發(fā)電單元處于孤島運行，完成孤島模式；

當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su自動閉合，進(jìn)行負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓的預(yù)同步控制，當(dāng)二者實現(xiàn)電壓幅值和相位的同步后，并網(wǎng)開關(guān)si閉合，逆變器重新并網(wǎng)運行，完成并網(wǎng)模式。

分布式發(fā)電單元共包括四種運行狀態(tài)：并網(wǎng)模式，并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)孤島模式的轉(zhuǎn)換過程，孤島模式，孤島模式轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式的轉(zhuǎn)換過程。

1、并網(wǎng)模式

當(dāng)電網(wǎng)正常時，并網(wǎng)開關(guān)和電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)均閉合，逆變器基于間接電流控制，控制為電流源。圖2所示的控制結(jié)構(gòu)由電容電流內(nèi)環(huán)，電容電壓環(huán)以及并網(wǎng)電流外環(huán)構(gòu)成，在并網(wǎng)模式時，三個控制環(huán)共同發(fā)揮作用，控制開關(guān)s1，s4，s5斷開，數(shù)據(jù)選擇器s2與vigdout相連接，數(shù)據(jù)選擇器s3與θgrid相連接。分布式發(fā)電系統(tǒng)控制為電流源向電網(wǎng)注入有功及無功功率，并且注入的有功和無功功率由電流參考值igrefd和igrefq決定。此時電網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器gig調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流，使其跟蹤指令值，因此調(diào)節(jié)器之后的限幅器不能限制其輸出。

2、并網(wǎng)模式向孤島模式轉(zhuǎn)換

在并網(wǎng)模式下，分布式發(fā)電單元向電網(wǎng)注入的有功及無功功率分別為式(1)，(2)。

為了分析方便，假定并網(wǎng)時，分布式發(fā)電單元向電網(wǎng)注入的有功及無功功率均為正值。首先以圖1所示單臺分布式發(fā)電單元進(jìn)行分析。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su立即斷開，流過并網(wǎng)電感l(wèi)g的電流迅速減小為0。并網(wǎng)電流ig的d軸分量igd由正值減為0，q軸分量igq由負(fù)值增加為0。在d軸中，pi控制器gig的輸出會保持增加，達(dá)到限幅器的上限值vdmax，在q軸中，pi控制器gig的輸出會保持減小，達(dá)到限幅器的下限值vqmin。限幅器上下限值的選取非常重要，在之后會有詳細(xì)說明。當(dāng)d軸限幅器的輸出達(dá)到其上限值之后，將數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2選為下垂控制無功功率環(huán)生成的電壓指令值edroop，由于微網(wǎng)系統(tǒng)中存在多臺主逆變器，因此為了使得各臺主逆變器同時切換為下垂控制，需要增加一個同步控制信號，當(dāng)各臺主逆變器控制模塊中的d軸限幅器的輸出均達(dá)到上限值之后，統(tǒng)一把數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2由vigdout切換為edroop。因為圖5(b)所示的下垂控制框圖中幅值給定值e0等于vdmax(幅值給定值e0也可能等于d軸限幅器下限值vdmin，取決于并網(wǎng)運行時的有功功率流向，如果由分布式發(fā)電單元流向電網(wǎng)，即pg>0，那么e0等于vdmax；如果由電網(wǎng)流向分布式發(fā)電單元，即pg<0，那么e0等于vdmin。并且由于圖5(b)中的下垂系數(shù)kq很小，所以由vigdout到edroop的轉(zhuǎn)換是平滑的。然后圖5(a)中的邏輯開關(guān)s4閉合使得下垂控制產(chǎn)生的相角值θdroop與pll模塊產(chǎn)生的θgrid同步，經(jīng)過圖4相角選擇模塊的自動判斷，當(dāng)二者的差值小于某個閾值時，認(rèn)為二者已經(jīng)同步，圖4中的數(shù)據(jù)選擇器s3選為θdroop。此時，由間接電流控制到下垂控制的切換完成。

并網(wǎng)模式時，電網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器gig應(yīng)該能夠正?？刂齐娋W(wǎng)電流，因此限幅器不能限制其輸出，d軸限幅器上限值vdmax應(yīng)該大于電網(wǎng)電壓幅度，同時它又不能遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓幅度，否則負(fù)載電壓幅度將遠(yuǎn)離額定值。因此，d軸限幅器上限值vdmax選擇為電網(wǎng)電壓幅度最大值。根據(jù)ieee標(biāo)準(zhǔn)ieeestd.1547-2003，電網(wǎng)電壓最大值為1.1p.u.,所以vdmax可以由式(3)表示，其中vn是額定相電壓。

同理可得d軸限幅器下限值vdmin選擇為電網(wǎng)電壓幅度最小值，如式(4)所示。

為了使負(fù)載電壓幅度在正常范圍內(nèi)，q軸限幅器的上限值vqmax應(yīng)該遠(yuǎn)小于d軸限幅器上限vdmax，在這里將其設(shè)定為額定電網(wǎng)電壓幅度的10％。q軸限幅器的下限值應(yīng)與上限值關(guān)于0對稱，因此vqmin設(shè)定為額定電網(wǎng)電壓幅度的-10％。

當(dāng)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示時，存在多臺主逆變器及從逆變器，此時主逆變器并網(wǎng)電流(并網(wǎng)電流為分布式發(fā)電單元與pcc點之間的電流)在電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su斷開后不為0，但是由于微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)分離，微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間的功率流動減小為0，因此主逆變器中流過并網(wǎng)電感l(wèi)g的電流會偏離指令值。在d軸中，pi控制器gig的輸出會保持增加或減少，達(dá)到限幅器的上限值vdmax或下限值vdmax，同理q軸中pi控制器輸出達(dá)到限幅器的下限值vqmin或上限值vdmax，當(dāng)d軸限幅器的輸出達(dá)到其限幅值之后，將數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2選為下垂控制無功功率環(huán)生成的電壓指令值edroop，如果經(jīng)過一段設(shè)定時間t后d軸限幅器仍未達(dá)到其限幅值，同樣將數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2選為下垂控制無功功率環(huán)生成的電壓指令值edroop，同步控制信號使各臺主逆變器控制模塊同時把數(shù)據(jù)選擇開關(guān)s2由vigdout切換為edroop，即完成孤島模式的切換。

3、孤島模式

在孤島模式時，逆變器基于下垂控制，以電壓源模式運行。在采用多主多從結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)中，多臺主逆變器均可以采用此控制策略，在孤島時基于下垂控制以電壓源模式運行，實現(xiàn)多臺主逆變器之間無通訊線的功率均分。多主多從結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)可以提高微網(wǎng)系統(tǒng)可靠性。

4、孤島模式向并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換

當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常以后，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su自動閉合，在并網(wǎng)開關(guān)si閉合之前，需要首先進(jìn)行負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓的預(yù)同步控制。

電網(wǎng)恢復(fù)后pll模塊自動跟蹤電網(wǎng)電壓相位，閉合開關(guān)s4，使得θdroop與θgrid同步，同步完成后，相角選擇模塊自動將s3與θgrid相連接。之后閉合開關(guān)s5和s1，使得edroop和vigdout均與電網(wǎng)電壓幅值eg同步。之后將數(shù)據(jù)選擇器s2與vigdout相連接，斷開開關(guān)s5和s1。

具體的，本發(fā)明在仿真軟件pscad中搭建了如圖1所示的并網(wǎng)逆變器模型作為多主多從結(jié)構(gòu)微網(wǎng)系統(tǒng)中的主逆變器，實現(xiàn)了2臺主逆變器，2臺從逆變器的并聯(lián)運行。仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)表示整個微網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中a相負(fù)載電壓波形，圖7(b)表示0.4s電網(wǎng)發(fā)生故障時，三相負(fù)載電壓的波形，圖7(c)表示1.2s電網(wǎng)恢復(fù)，三相負(fù)載電壓的波形，圖7(d)表示整個運行過程中，電網(wǎng)電壓幅值eg以及控制變量edroop和vigdout的波形。仿真開始時，電網(wǎng)正常運行，分布式發(fā)電單元向電網(wǎng)注入有功及無功功率，在0.4s時刻，電網(wǎng)發(fā)生故障，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)su立即斷開，根據(jù)上文分析，d軸限幅器輸出達(dá)到上限值而q軸限幅器輸出達(dá)到下限值，因此在仿真波形圖7(a)中可以看到0.4s后由并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)孤島運行時，負(fù)載電壓幅值會增加一定程度，但仍處在運行標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，由圖7(b)可以清楚的看到并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行時，負(fù)載三相電壓均增大一定程度。當(dāng)1.2s時刻電網(wǎng)恢復(fù)，電網(wǎng)保護(hù)開關(guān)自動閉合，經(jīng)過負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓幅值及相位的預(yù)同步之后，閉合并網(wǎng)開關(guān)，微網(wǎng)系統(tǒng)重新并網(wǎng)運行。由圖7(a)及圖7(c)可以看到孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行時，負(fù)載電壓恢復(fù)至額定值。由圖7(b)及圖7(c)可看出無論由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行或是孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行的過程中，負(fù)載電壓質(zhì)量均可以得到保證。圖7(d)表示整個運行過程中，電網(wǎng)電壓幅值eg以及控制變量edroop和vigdout的波形。由圖7(d)可以看到0.42s附近，vigdout的值與edroop的值近似相等，因此由間接電流控制到下垂控制可以平滑切換；1.4s附近，vigdout,edroop的值都和eg的值近似相等，因此由下垂控制到間接電流控制可以平滑切換。圖8給出了在預(yù)同步過程中相位同步以及幅值同步的過程。

本發(fā)明中給出一種基于間接電流控制和下垂控制的無縫切換方法。為了驗證控制方法的可行性，作者在仿真軟件pscad中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果證明了該控制方法可以實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行和孤島運行之間的無縫切換，在切換過程中負(fù)載電壓可以得到保證，并且在孤島運行時，微網(wǎng)系統(tǒng)中存在多臺主逆變器為系統(tǒng)提供電壓支撐，提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。該方法正確、可靠，為工程應(yīng)用提供了很好的參考價值。