基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法。它包括在系統(tǒng)頻率正常條件下的三相微網(wǎng)儲能逆變器的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的下垂控制方法，在系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大波動條件下的三相微網(wǎng)儲能逆變器的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的恒電流控制方法，以及不同系統(tǒng)頻率條件下的下垂控制模式與恒電流控制模式的自適應(yīng)切換方法。它既兼顧了微網(wǎng)儲能逆變器在系統(tǒng)頻率正常情況下的并聯(lián)均流特性，又保證了系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大波動情況下微網(wǎng)儲能逆變器的恒功率運行，防止了儲能電池的過沖或者過放，從而大大地延長了儲能電池的使用壽命；它可以廣泛地應(yīng)用于微網(wǎng)儲能逆變器并網(wǎng)運行的系統(tǒng)中。
【專利說明】基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，適用于需要與微電網(wǎng)并聯(lián) 運行或者與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行的微網(wǎng)儲能逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，下垂控制值ROCP)技術(shù)作為一種新型的分布式發(fā)電控制技術(shù)，受到了學(xué) 者的大量關(guān)注?；贒ROOP的微網(wǎng)儲能逆變器可W實現(xiàn)并網(wǎng)模式與孤島并聯(lián)運行模式之間 的切換，而且不需要改變控制結(jié)構(gòu)。儲能電池在可再生能源微網(wǎng)的運行控制過程中具有重 要的作用，可W作為微網(wǎng)穩(wěn)定運行的組網(wǎng)電源，維持系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定，并可W實現(xiàn)微 網(wǎng)離網(wǎng)-并網(wǎng)兩種模式的無縫切換，但是它的價格昂貴且其壽命有限。為了延長儲能電池 的壽命，既要在系統(tǒng)頻率正常的情況下保證并聯(lián)微網(wǎng)儲能逆變器的均流，又能保持在系統(tǒng) 頻率大幅擾動情況下微網(wǎng)儲能逆變器的恒功率運行，W防止儲能電池的過沖與過放。
[000引 為此，人們做了各種研究，如題為"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("分布式發(fā)電系統(tǒng)中間接電流控制算法在并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用"，《IE邸學(xué) 報-電力電子期刊》2008年第23卷第3期第1342?1347頁）的文章；該文提出了采用間 接電流控制的辦法來實現(xiàn)模式切換，該種控制方案增加了額外的隔離變壓器，導(dǎo)致成本較 局。
[0004] 題為"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("并聯(lián)逆變器的無縫模式切換技術(shù)在微網(wǎng)應(yīng)用中的設(shè) 計"，《IE邸學(xué)報-電力電子期刊》2010年第25卷第1期第6?5頁）的文章；該文提出了 一種采用網(wǎng)絡(luò)通訊線實現(xiàn)微網(wǎng)逆變器并網(wǎng)與孤島模式之間無縫切換的解決方案，該種控制 方案增加了控制的復(fù)雜程度，致使其穩(wěn)定性降低。
[0005] 題為"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("分布式發(fā)電的并網(wǎng) 與故意孤島運行模式的控制方法"，《IE邸學(xué)報-工業(yè)電子期刊》2011年第58卷第1期第 147?157頁）的文章；該文提出了一種電網(wǎng)故障時的模式切換技術(shù)，但是由于沒有考慮儲 能電池的出力狀況，因而會影響儲能電池的壽命。
[0006] 題為"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 ("-種新的基于電壓幅 值控制的帶有IXL濾波器的并網(wǎng)燃料電池逆變器的無縫切換控制策略"，《第S十走屆電力 電子專家會議》2006年第6期第1?6頁）的文章；該文提出了采用輸出電壓幅值調(diào)節(jié)來 實現(xiàn)模式的無縫切換，但沒有考慮系統(tǒng)頻率大擾動情況下儲能電池的充放電情況。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)均未設(shè)及在微網(wǎng)儲能逆變器并網(wǎng)運行的系統(tǒng)中，在系統(tǒng)的頻 率發(fā)生波動時，既能保證系統(tǒng)頻率正常情況下并聯(lián)微網(wǎng)儲能逆變器的均流，又能保持系統(tǒng) 頻率大幅擾動情況下微網(wǎng)儲能逆變器的恒功率運行，來防止儲能電池過沖或者過放W延長 儲能電池的壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服上述各種技術(shù)方案的局限性，針對微網(wǎng)儲能逆變 器與微電網(wǎng)或者大電網(wǎng)并聯(lián)運行時，在系統(tǒng)的頻率出現(xiàn)大幅度波動的情況下儲能電池會出 現(xiàn)過沖或過放的問題，提供一種既能保證系統(tǒng)頻率正常情況下并聯(lián)微網(wǎng)儲能逆變器的均 流，又能保持系統(tǒng)頻率大幅擾動情況下微網(wǎng)儲能逆變器的恒功率運行W延長儲能電池的壽 命的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法。
[0009] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：基于自適應(yīng)模式切換的下垂控 制方法包括微網(wǎng)儲能逆變器的輸出電容電壓的采集，特別是主要步驟如下：
[0010] 步驟1，先采集微網(wǎng)儲能逆變器的輸出電容電壓U。。，Utb，U。。、電網(wǎng)電壓Ugw Ugb，Ug。、 橋臂側(cè)電感電流Ih，Ilb，II。和輸出電流I。。，I"b，I。。，再將其經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出 電容電壓的dq分量Utd，U。。、橋臂側(cè)電感電流的dq分量Iid，Ii。和輸出電流的dq分量I "d，I。。；
[0011] 步驟2,先根據(jù)步驟1中得到的電網(wǎng)電壓UgwUgb，Ug。，經(jīng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán) 得到電網(wǎng)電壓的dq分量Ugd，Ug。、電網(wǎng)的頻率fg和相角0 g，再根據(jù)步驟1得到的橋臂側(cè)電感 電流Ii。，Iib，Ii。，經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到基于電網(wǎng)相角e g定向的橋臂側(cè)電感電流的dq 分里 Ildl, Ilql;
[001引步驟3,先根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓的dq分量Utd，U。。和輸出電流的dq分 量I?d，I。。，經(jīng)有功功率計算方程和無功功率計算方程分別得到平均有功功率P和平均無功 功率，再根據(jù)得到的平均有功功率P和微網(wǎng)儲能逆變器給定的有功功率指令Puf、微網(wǎng)儲 能逆變器給定的角頻率指令有功下垂系數(shù)m，經(jīng)有功功率-頻率下垂控制方程得到微 網(wǎng)儲能逆變器的角頻率《，角頻率《經(jīng)積分得到微網(wǎng)儲能逆變器的矢量角0 ;
[0013] 步驟4,根據(jù)步驟3中得到的平均無功功率e和微網(wǎng)儲能逆變器給定的無功功率指 令Quf、額定輸出電壓Uuf、無功下垂系數(shù)n，經(jīng)無功功率-幅值下垂控制方程得到微網(wǎng)儲能 逆變器電容電壓的dq分量基準(zhǔn)信號Uduf，Uquf;
[0014] 步驟5,先根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓的dq分量Ucd，U。。和步驟4中的電 容電壓的dq分量基準(zhǔn)信號Uduf，Uquf，通過電壓控制方程得到電感電流的dq分量指令信號 /；：/?/；；，再根據(jù)電感電流的dq分量指令信號記，馬和步驟1中的橋臂側(cè)電感電流的dq分量 Iid，Ii。，通過電流比例控制方程得到控制信號叫，U。；
[00巧]步驟6,先根據(jù)步驟5中得到的控制信號叫，U。，W及步驟3中得到的矢量角0，經(jīng) 單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到基于下垂模式并網(wǎng)控制的S相橋臂電壓控制信號Ug，Ub，U。，再 由=相橋臂電壓控制信號叫，也&生成微網(wǎng)儲能逆變器逆變橋開關(guān)管的5￥?￥1控制信號； [0016] 步驟7,先根據(jù)步驟2中得到的基于電網(wǎng)相角0g定向的橋臂側(cè)電感電流的dq分 量Iidi，Iw和根據(jù)限定功率值pt，Q%分別計算得到橋臂側(cè)電感電流的dq分量參考值， 再通過電流比例積分控制方程得到恒電流源模式并網(wǎng)的控制信號Udi，Uqi;
[0017] 步驟8,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)相角0 g，W及步驟7中的控制信號Udi，Uqi， 經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到基于恒電流源模式并網(wǎng)控制的=相橋臂電壓控制信號 山，Ubi，山，再由立相橋臂電壓控制信號山，Ubi，山生成微網(wǎng)儲能逆變器逆變橋開關(guān)管的 SVPWM控制信號；
[001引步驟9,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)頻率fg<49. 5監(jiān)或fg>50. 5監(jiān)，即I Afgl > 0. 5監(jiān)，通過幅值鎖存控制器鎖存得到電壓控制方程的dq分量輸出值，再經(jīng)相位同步 控制器完成矢量角0至電網(wǎng)相角的跟蹤，W實現(xiàn)下垂模式并網(wǎng)到恒電流源單位功率因 數(shù)模式并網(wǎng)的無縫切換；
[0019] 步驟10,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)頻率49. 5監(jiān)《50. 5監(jiān)，即 Afgl《0. 5監(jiān)，通過相角鎖存控制器鎖存電網(wǎng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的輸出值0 ' g， 再經(jīng)相位同步控制器完成電網(wǎng)相角0g與矢量角0的相位同步，之后，經(jīng)數(shù)值緩起控制器 完成橋臂側(cè)電感電流的dq分量參考值分別至電壓控制方程的dq分量輸出值心g的 過渡，W實現(xiàn)恒電流源模式并網(wǎng)到下垂模式并網(wǎng)的無縫切換。
[0020] 作為基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法的進一步改進：
[0021] 優(yōu)選地，步驟3中的有功功率計算方程式為
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，包括微網(wǎng)儲能逆變器的輸出電容電壓的 采集，其特征在于主要步驟如下： 步驟1，先采集微網(wǎng)儲能逆變器的輸出電容電壓Uea，Ueb，U。。、電網(wǎng)電壓uga，ugb，ug。、橋臂 側(cè)電感電流Ila，Ilb，Ii。和輸出電流IM，1&，I。。，再將其經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出電容 電壓的dq分量U#U。,、橋臂側(cè)電感電流的dq分量Ild，Ilq和輸出電流的dq分量I_I。,； 步驟2,先根據(jù)步驟1中得到的電網(wǎng)電壓Uga，Ugb，Ug。，經(jīng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)得到 電網(wǎng)電壓的dq分量Ugd，Ugq、電網(wǎng)的頻率fg和相角0g，再根據(jù)步驟1得到的橋臂側(cè)電感電流 Ila，Ilb，Ii。，經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到基于電網(wǎng)相角0g定向的橋臂側(cè)電感電流的dq分量 Ildl，Ilql; 步驟3,先根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓的dq分量U#U。,和輸出電流的dq分量U，I。,，經(jīng)有功功率計算方程和無功功率計算方程分別得到平均有功功率歹:和平均無功功 率5 ,再根據(jù)得到的平均有功功率^和微網(wǎng)儲能逆變器給定的有功功率指令PMf、微網(wǎng)儲能 逆變器給定的角頻率指令、有功下垂系數(shù)m，經(jīng)有功功率-頻率下垂控制方程得到微網(wǎng) 儲能逆變器的角頻率《，角頻率《經(jīng)積分得到微網(wǎng)儲能逆變器的矢量角0 ; 步驟4,根據(jù)步驟3中得到的平均無功功率^和微網(wǎng)儲能逆變器給定的無功功率指令 QMf、額定輸出電壓UMf、無功下垂系數(shù)n，經(jīng)無功功率-幅值下垂控制方程得到微網(wǎng)儲能逆 變器電容電壓的dq分量基準(zhǔn)信號UdMf，UqMf; 步驟5,先根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓的dq分量U&U。,和步驟4中的電容電壓 的dq分量基準(zhǔn)信號UdMf，UqMf，通過電壓控制方程得到電感電流的dq分量指令信號， 再根據(jù)電感電流的dq分量指令信號沁和步驟1中的橋臂側(cè)電感電流的dq分量Ild，Ilq， 通過電流比例控制方程得到控制信號Ud，Uq; 步驟6,先根據(jù)步驟5中得到的控制信號Ud，Uq，以及步驟3中得到的矢量角0，經(jīng)單同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到基于下垂模式并網(wǎng)控制的三相橋臂電壓控制信號Ua，Ub，U。，再由三 相橋臂電壓控制信號Ua，Ub，U。生成微網(wǎng)儲能逆變器逆變橋開關(guān)管的SVPWM控制信號； 步驟7,先根據(jù)步驟2中得到的基于電網(wǎng)相角0g定向的橋臂側(cè)電感電流的dq分量 Ildl，Ilql和根據(jù)限定功率值P'Q%分別計算得到橋臂側(cè)電感電流的dq分量參考值?，再 通過電流比例積分控制方程得到恒電流源模式并網(wǎng)的控制信號Udl，Uql; 步驟8,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)相角0g，以及步驟7中的控制信號Udl，Uql，經(jīng)單同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到基于恒電流源模式并網(wǎng)控制的三相橋臂電壓控制信號Ual，Ubl，Ucl， 再由三相橋臂電壓控制信號Ual，Ubl，1生成微網(wǎng)儲能逆變器逆變橋開關(guān)管的SVPWM控制信 號； 步驟9,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)頻率fg< 49. 5HZ或fg>50. 5HZ，通過幅值鎖存控 制器鎖存得到電壓控制方程的dq分量輸出值，再經(jīng)相位同步控制器完成矢量角0 至電網(wǎng)相角0g的跟蹤，以實現(xiàn)下垂模式并網(wǎng)到恒電流源單位功率因數(shù)模式并網(wǎng)的無縫切 換； 步驟10,先根據(jù)步驟2中得到的電網(wǎng)頻率49. 5HZ<fg> 50. 5HZ，通過相角鎖存控制 器鎖存電網(wǎng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的輸出值0' g，再經(jīng)相位同步控制器完成電網(wǎng)相角 08與矢量角0的相位同步，之后，經(jīng)數(shù)值緩起控制器完成橋臂側(cè)電感電流的dq分量參考 值丨分別至電壓控制方程的dq分量輸出值％，％的過渡，以實現(xiàn)恒電流源模式并網(wǎng)到 下垂模式并網(wǎng)的無縫切換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟3中的 有功功率計算方程式為
式中的為陷波器需要濾除的諧波角頻率、Q為陷波器的品質(zhì)因數(shù)、t為一階低通濾 波器的時間常數(shù)、s為拉普拉斯算子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟3中的 有功功率-頻率下垂控制方程式為
式中的為微網(wǎng)儲能逆變器給定有功功率指令P時的額定角頻率、m為有功下垂 系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟4中的 無功功率-幅值下垂控制方程式為
式中的UMf為微網(wǎng)儲能逆變器給定無功功率指令Q時的額定輸出電壓、n為無功下垂 系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟5中的 電壓控制方程式為
式中的Kp為比例控制系數(shù)、Ki為積分控制系數(shù)； 電流比例控制方程式為
式中的K為比例控制系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟7中的 的計算方程式為
式中的1^為限定的有功功率值、Q#為限定的無功功率值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟7中的 電流比例積分控制方程式為
式中的Kn為積分控制系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟9中的 幅值鎖存控制器的控制方程式為
式中的％，％為電壓控制方程的輸入誤差強制為〇時，電壓控制方程的dq分量輸出 值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟9中的 相位同步控制器的控制方程式為
式中的0 ' 8為相位同步控制器鎖存電網(wǎng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的輸出值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟10中 的相角鎖存控制器的控制方程式為
式中的0' 8為電網(wǎng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的輸入誤差強制為〇時，電網(wǎng)單同步坐 標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的輸出，Ugq為電網(wǎng)電壓的q軸無功分量、K&為電網(wǎng)單同步坐標(biāo)系軟件鎖相 環(huán)的積分系數(shù)、為電網(wǎng)額定角頻率。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模式切換的下垂控制方法，其特征是步驟10中 的數(shù)值緩起控制器的控制方程式為
式中的AUd，AUq為數(shù)值緩起控制器給定的步長值，當(dāng)數(shù)值緩起控制器的目標(biāo)值大于 初始給定值時，步長為正值，反之，為負(fù)值。
【文檔編號】H02M7/5395GK104485689SQ201410767545
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】張興, 石榮亮, 徐海珍, 劉芳, 胡超, 李文超, 毛福斌, 郭禮治 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)