基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统及策略

摘要

本发明公开了一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统及策略，采用独特的控制结构，采用电容电流内环，电容电压环以及并网电流环的三环控制结构，同时还包括独特的锁相环模块以及相角选择模块和下垂控制模块，可以实现并网运行转孤岛运行时逆变器自动由电流源控制切换为基于下垂控制的电压源控制，提高了并网到孤岛模式的转换过程中的负载电压质量。

说明书

技术领域

本发明属于并网逆变器控制研究领域，具体涉及一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统及策略。

背景技术

随着环境和能源危机的日益加深，新能源发电得到了越来越多的关注和应用，而并网逆变器是新能源发电系统向电网输送电能的必不可少的接口设备，并网逆变器的性能将会对发电系统以及电网的稳定性产生重要的影响。

在电网正常时，并网逆变器应能够并网运行，与电网共同为负载供电，当电网发生故障时，分布式发电单元应该立即与电网断开，并且单独为负载供电，形成孤岛运行。在电网恢复之后，重新并网运行。因此，并网逆变器应该具备并网及孤岛运行能力，并且可实现两种模式之间的无缝切换，保证本地重要负载的供电质量不受影响。按照控制方式的不同，并网逆变器可以分为电流控制型和电压控制型两种。目前普遍的无缝切换控制策略可分为以下三类：1.混合电压电流模式控制；2.电压模式控制；3.间接电流控制。在混合电压电流模式控制中，并网时逆变器控制为电流源，孤岛时逆变器控制为电压源，因此存在两套控制系统，在并网和孤岛运行发生转换时，由于孤岛检测时间的存在，负载电压会存在一段失控时间，负载电压质量受到孤岛检测快速性的影响。在电压模式控制中，无论在并网或者孤岛模式，逆变器均采用下垂控制，以电压源运行，但是由于下垂控制中功率环的存在，无论在孤岛或并网模式，系统的动态响应特性均比较慢。在间接电流控制中，并网运行时逆变器控制成电流源，当孤岛发生时，不需要改变控制结构，逆变器自动切换为电压源，因此负载电压质量可以得到提高，但是在并网运行时，电流外环对注入电网电流峰值进行调节，动态响应较差。因此有人提出一种改进间接电流控制克服其动态特性差的缺点，但是当采用该控制方法时，微网系统在孤岛运行时采用单主多从的结构，一旦主逆变器出现故障，整个微网系统无法工作，系统可靠性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述改进间接电流控制中主逆变器出现故障整个微网系统无法工作的问题，提供一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统及策略，能够实现逆变器在并网模式和孤岛模式之间的无缝切换，提高了切换过程中的负载电压质量，并且在孤岛模式时，微网系统可以以多主多从结构运行，提高了系统的可靠性。

为了达到上述目的，一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统包括三相逆变器，三相逆变器的输出端连接LC滤波器，LC滤波器的电容C_f并联有负载，LC滤波器下游通过线路阻抗L_g连接并网开关S_i，并网开关S_i下游通过电网保护开关S_u连接电网。

所述逆变器包括两台主逆变器和两台从逆变器，两台主逆变器和两台从逆变器并联运行。

一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统的控制策略为：

当电网正常时，并网开关S_i和电网保护开关S_u均闭合，微网系统并网运行，主逆变器中流过并网电感L_g的电流i_gx(x＝a,b,c)跟随其指令值，使主逆变器输出给定的有功及无功功率；

当电网发生故障时，电网保护开关S_u立即断开，微网系统与大电网分离，微网系统与大电网之间的功率流动减小为0，因此主逆变器中流过并网电感L_g的电流会偏离指令值。在D轴中，PI控制器G_IG的输出会保持增加或减少，达到限幅器的上限值V_dmax或下限值V_dmax，同理Q轴中PI控制器输出达到限幅器的下限值V_qmin或上限值V_dmax，当D轴限幅器的输出达到其限幅值之后，将数据选择开关S₂选为下垂控制无功功率环生成的电压指令值E_droop，同步控制信号使各台主逆变器控制模块中的D轴限幅器的输出均达到上限值之后，统一把数据选择开关S₂由V_IGdout切换为E_droop，即完成孤岛模式的切换。

在孤岛模式时，逆变器基于下垂控制，以电压源模式运行，在采用多主多从结构的微网系统中，多台主逆变器均采用基于下垂控制以电压源模式运行，使多台主逆变器之间无通讯线的功率均分。

当电网恢复后，电网保护开关S_u自动闭合，进行负载电压和电网电压的预同步控制，当二者实现电压幅值和相位的同步后，并网开关S_i闭合，逆变器重新并网运行，完成并网模式。

与现有技术相比，本发明采用独特的控制结构，采用电容电流内环，电容电压环以及并网电流环的三环控制结构，同时还包括独特的锁相环模块以及相角选择模块和下垂控制模块，可以实现并网运行转孤岛运行时逆变器自动由电流源控制切换为基于下垂控制的电压源控制，提高了并网到孤岛模式的转换过程中的负载电压质量。

本发明的方法通过由并网运行切换为孤岛运行再切换为并网运行的过程，实现并网模式时基于间接电流控制的电流源型逆变器到孤岛模式时基于下垂控制的电压源型逆变器的自动切换，提高了并网转孤岛过程中的负载电压质量，并提高了孤岛运行时微网系统的可靠性。实现孤岛运行时多台主逆变器之间的无需快速通讯线的功率均分。由于在孤岛运行时存在多台主逆变器为微网系统提供电压幅值和频率支撑，即使某台主逆变器发生故障也不会影响微网系统的正常运行。所以该控制方法可以提高微网系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的主电路图；

图2为本发明主控制框图；

图3为本发明带频率限幅器的锁相环；

图4为本发明的相角选择模块；

图5为本发明孤岛运行时下垂控制框图；

图6为本发明微网系统的电路图；

图7为本发明的仿真波形图；其中，(a)为整个微网系统运行过程中A相负载电压波形，(b)为0.4s电网发生故障时，三相负载电压的波形，(c)为1.2s电网恢复，三相负载电压的波形，(d)为整个运行过程中，电网电压幅值E_g以及控制变量E_droop和V_IGdout的波形；

图8为孤岛运行转并网运行之前，负载电压与电网电压幅值及相位预同步过程中的仿真波形；(a)为相角预同步过程波形，(b)为幅值预同步过程波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统包括三相逆变器，三相逆变器的输出端连接LC滤波器，LC滤波器的电容C_f并联有负载，LC滤波器下游通过线路阻抗L_g连接并网开关S_i，并网开关S_i下游通过电网保护开关S_u连接电网，逆变器包括两台主逆变器和两台从逆变器，两台主逆变器和两台从逆变器并联运行。

一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换控制系统的控制策略为，当电网正常时，并网开关S_i和电网保护开关S_u均闭合，逆变器并网运行，流过并网电感L_g的电流i_gx(x＝a,b,c)为并网电流，完成并网模式；

当电网发生故障时，电网保护开关S_u立即断开，通过孤岛检测算法确定孤岛发生后，并网开关S_i断开，分布式发电单元处于孤岛运行，完成孤岛模式；

当电网恢复后，电网保护开关S_u自动闭合，进行负载电压和电网电压的预同步控制，当二者实现电压幅值和相位的同步后，并网开关S_i闭合，逆变器重新并网运行，完成并网模式。

分布式发电单元共包括四种运行状态：并网模式，并网模式转孤岛模式的转换过程，孤岛模式，孤岛模式转并网模式的转换过程。

1、并网模式

当电网正常时，并网开关和电网保护开关均闭合，逆变器基于间接电流控制，控制为电流源。图2所示的控制结构由电容电流内环，电容电压环以及并网电流外环构成，在并网模式时，三个控制环共同发挥作用，控制开关S₁，S₄，S₅断开，数据选择器S₂与V_IGdout相连接，数据选择器S₃与θ_grid相连接。分布式发电系统控制为电流源向电网注入有功及无功功率，并且注入的有功和无功功率由电流参考值i_grefd和i_grefq决定。此时电网电流调节器G_IG调节电网电流，使其跟踪指令值，因此调节器之后的限幅器不能限制其输出。

2、并网模式向孤岛模式转换

在并网模式下，分布式发电单元向电网注入的有功及无功功率分别为式(1)，(2)。

为了分析方便，假定并网时，分布式发电单元向电网注入的有功及无功功率均为正值。首先以图1所示单台分布式发电单元进行分析。当电网发生故障时，电网保护开关S_u立即断开，流过并网电感L_g的电流迅速减小为0。并网电流i_g的d轴分量i_gd由正值减为0，q轴分量i_gq由负值增加为0。在D轴中，PI控制器G_IG的输出会保持增加，达到限幅器的上限值V_dmax，在Q轴中，PI控制器G_IG的输出会保持减小，达到限幅器的下限值V_qmin。限幅器上下限值的选取非常重要，在之后会有详细说明。当D轴限幅器的输出达到其上限值之后，将数据选择开关S₂选为下垂控制无功功率环生成的电压指令值E_droop，由于微网系统中存在多台主逆变器，因此为了使得各台主逆变器同时切换为下垂控制，需要增加一个同步控制信号，当各台主逆变器控制模块中的D轴限幅器的输出均达到上限值之后，统一把数据选择开关S₂由V_IGdout切换为E_droop。因为图5(b)所示的下垂控制框图中幅值给定值E₀等于V_dmax(幅值给定值E₀也可能等于D轴限幅器下限值V_dmin，取决于并网运行时的有功功率流向，如果由分布式发电单元流向电网，即P_g>0，那么E₀等于V_dmax；如果由电网流向分布式发电单元，即P_g<0，那么E₀等于V_dmin。并且由于图5(b)中的下垂系数k_q很小，所以由V_IGdout到E_droop的转换是平滑的。然后图5(a)中的逻辑开关S₄闭合使得下垂控制产生的相角值θ_droop与PLL模块产生的θ_grid同步，经过图4相角选择模块的自动判断，当二者的差值小于某个阈值时，认为二者已经同步，图4中的数据选择器S₃选为θ_droop。此时，由间接电流控制到下垂控制的切换完成。

并网模式时，电网电流调节器G_IG应该能够正常控制电网电流，因此限幅器不能限制其输出，D轴限幅器上限值V_dmax应该大于电网电压幅度，同时它又不能远大于电网电压幅度，否则负载电压幅度将远离额定值。因此，D轴限幅器上限值V_dmax选择为电网电压幅度最大值。根据IEEE标准IEEE>dmax可以由式(3)表示，其中V_n是额定相电压。

同理可得D轴限幅器下限值V_dmin选择为电网电压幅度最小值，如式(4)所示。

为了使负载电压幅度在正常范围内，Q轴限幅器的上限值V_qmax应该远小于D轴限幅器上限V_dmax，在这里将其设定为额定电网电压幅度的10％。Q轴限幅器的下限值应与上限值关于0对称，因此V_qmin设定为额定电网电压幅度的-10％。

当微网结构如图6所示时，存在多台主逆变器及从逆变器，此时主逆变器并网电流(并网电流为分布式发电单元与PCC点之间的电流)在电网保护开关S_u断开后不为0，但是由于微网系统与大电网分离，微网系统与大电网之间的功率流动减小为0，因此主逆变器中流过并网电感L_g的电流会偏离指令值。在D轴中，PI控制器G_IG的输出会保持增加或减少，达到限幅器的上限值V_dmax或下限值V_dmax，同理Q轴中PI控制器输出达到限幅器的下限值V_qmin或上限值V_dmax，当D轴限幅器的输出达到其限幅值之后，将数据选择开关S₂选为下垂控制无功功率环生成的电压指令值E_droop，如果经过一段设定时间T后D轴限幅器仍未达到其限幅值，同样将数据选择开关S₂选为下垂控制无功功率环生成的电压指令值E_droop，同步控制信号使各台主逆变器控制模块同时把数据选择开关S₂由V_IGdout切换为E_droop，即完成孤岛模式的切换。

3、孤岛模式

在孤岛模式时，逆变器基于下垂控制，以电压源模式运行。在采用多主多从结构的微网系统中，多台主逆变器均可以采用此控制策略，在孤岛时基于下垂控制以电压源模式运行，实现多台主逆变器之间无通讯线的功率均分。多主多从结构的微网可以提高微网系统可靠性。

4、孤岛模式向并网模式转换

当电网恢复正常以后，电网保护开关S_u自动闭合，在并网开关S_i闭合之前，需要首先进行负载电压和电网电压的预同步控制。

电网恢复后PLL模块自动跟踪电网电压相位，闭合开关S₄，使得θ_droop与θ_grid同步，同步完成后，相角选择模块自动将S₃与θ_grid相连接。之后闭合开关S₅和S₁，使得E_droop和V_IGdout均与电网电压幅值E_g同步。之后将数据选择器S₂与V_IGdout相连接，断开开关S₅和S₁。

具体的，本发明在仿真软件PSCAD中搭建了如图1所示的并网逆变器模型作为多主多从结构微网系统中的主逆变器，实现了2台主逆变器，2台从逆变器的并联运行。仿真结果如图7所示，其中图7(a)表示整个微网系统运行过程中A相负载电压波形，图7(b)表示0.4s电网发生故障时，三相负载电压的波形，图7(c)表示1.2s电网恢复，三相负载电压的波形，图7(d)表示整个运行过程中，电网电压幅值E_g以及控制变量E_droop和V_IGdout的波形。仿真开始时，电网正常运行，分布式发电单元向电网注入有功及无功功率，在0.4s时刻，电网发生故障，电网保护开关S_u立即断开，根据上文分析，D轴限幅器输出达到上限值而Q轴限幅器输出达到下限值，因此在仿真波形图7(a)中可以看到0.4s后由并网运行转孤岛运行时，负载电压幅值会增加一定程度，但仍处在运行标准范围之内，由图7(b)可以清楚的看到并网转孤岛运行时，负载三相电压均增大一定程度。当1.2s时刻电网恢复，电网保护开关自动闭合，经过负载电压和电网电压幅值及相位的预同步之后，闭合并网开关，微网系统重新并网运行。由图7(a)及图7(c)可以看到孤岛转并网运行时，负载电压恢复至额定值。由图7(b)及图7(c)可看出无论由并网转孤岛运行或是孤岛转并网运行的过程中，负载电压质量均可以得到保证。图7(d)表示整个运行过程中，电网电压幅值E_g以及控制变量E_droop和V_IGdout的波形。由图7(d)可以看到0.42s附近，V_IGdout的值与E_droop的值近似相等，因此由间接电流控制到下垂控制可以平滑切换；1.4s附近，V_IGdout,E_droop的值都和E_g的值近似相等，因此由下垂控制到间接电流控制可以平滑切换。图8给出了在预同步过程中相位同步以及幅值同步的过程。

本发明中给出一种基于间接电流控制和下垂控制的无缝切换方法。为了验证控制方法的可行性，作者在仿真软件PSCAD中搭建了仿真模型，仿真结果证明了该控制方法可以实现微网系统并网运行和孤岛运行之间的无缝切换，在切换过程中负载电压可以得到保证，并且在孤岛运行时，微网系统中存在多台主逆变器为系统提供电压支撑，提高了微网系统的可靠性。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。