基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于變流器輸出電流的分布式 電源切換控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，引起電網(wǎng)斷路器跳閘，原并網(wǎng)運(yùn)行的分布式電源系統(tǒng)處在孤 島運(yùn)行狀態(tài)，形成分布式電源帶當(dāng)?shù)刎?fù)載獨(dú)立工作的情況，這種情況具有突發(fā)性和隨機(jī)性， 稱為非計(jì)劃孤島。由于非計(jì)劃孤島的不確定性，如何保證非計(jì)劃孤島切換過程中的穩(wěn)定供 電顯得十分重要。
[0003] 在孤島發(fā)生時(shí)，分布式電源從電流源控制向電壓源控制的切換，保證負(fù)載供電電 壓不變；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，分布式電源從電壓源控制向電流源控制的切換控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng) 運(yùn)行。
[0004] 非計(jì)劃孤島下電網(wǎng)斷電造成的無功不平衡，可以通過改進(jìn)鎖相環(huán)來限制其引起的 頻率畸變；非計(jì)劃孤島下電網(wǎng)斷電造成的有功不平衡，可以通過改變逆變器輸出有功來限 制其引起的電壓畸變。要改變逆變器輸出功率，一種方法是直接改變參考電流值，另一種方 法則從保證給負(fù)載供電的電壓不畸變出發(fā)，控制參考電壓。
[0005] 傳統(tǒng)情況下，分布式電源的變流器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可采用下垂控制，在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí) 可采用恒壓恒頻（V/F)控制。孤島現(xiàn)象發(fā)生和電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)要進(jìn)行并網(wǎng)/孤島切換。目前 在非計(jì)劃孤島情況下，已有兩種方法來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的無縫切換：已有技術(shù)[1]，見IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS第23 卷第3 期出版的"Indirect Current Control Algorithm for Utility Interactive Inverters in Distributed Generation Systems'，， 依據(jù)單相分布式電源的LCL濾波器矢量關(guān)系，提出了以控制電容電壓來控制流入電網(wǎng)電流 的間接控制策略，在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)通過對(duì)電容電壓的限幅，來保證公共連接點(diǎn)（PCC點(diǎn)）電 壓在一定的范圍內(nèi)；已有技術(shù)[2]，見ffiEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS第29卷 第 7 期出版的''Indirect Current Control Based Seamless Transfer of Three-phase Inverter in Distributed Generation"，該技術(shù)方法不依賴于LCL濾波器矢量關(guān)系，通過 對(duì)電流控制器輸出的限幅完成切換時(shí)PCC點(diǎn)電壓控制，屬于三相的間接電流控制方法；已 有技術(shù)[1]和[2]均可稱為間接電流控制。但是[1]中間接電流控制依賴于所提出的單相 拓?fù)湟约癓CL濾波器矢量關(guān)系。[2]中分布式電源并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)基于電網(wǎng)電流的控制會(huì)迅 速啟動(dòng)電壓限幅器，應(yīng)用了電網(wǎng)阻抗參數(shù)來進(jìn)行解耦控制，并通過流入電網(wǎng)的指令電流形 成電流閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)切換控制，在已知流入電網(wǎng)電流指令的情況下應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，提出一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法， 用于解決非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí)分布式電源無縫切換和電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)分布式電源無縫切換的問 題，實(shí)現(xiàn)切換時(shí)PCC點(diǎn)電壓的平滑過渡。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是通過對(duì)變流器輸出電流的控制來啟 動(dòng)電壓限幅器以實(shí)現(xiàn)在切換過程中供電電壓不畸變。其特征在于在分布式電源變流器的電 感電流內(nèi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加電壓外環(huán)、前饋電壓環(huán)和電感電流外環(huán)，并且應(yīng)用電壓限幅 器實(shí)現(xiàn)分布式電源從電流源控制向電壓源控制的切換控制和從電壓源控制向電流源控制 的切換控制；在非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí)變流器輸出電流產(chǎn)生突變，變流器輸出電流的參考值與 實(shí)際值比較產(chǎn)生差值，該差值經(jīng)過PI控制器放大后啟動(dòng)電壓限幅器，實(shí)現(xiàn)電流源控制向電 壓源控制的切換；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，電壓限幅器失去作用，實(shí)現(xiàn)電壓源控制向電流源控制 的切換；前饋電壓環(huán)直接作用于調(diào)制波，提高切換控制的響應(yīng)速度。
[0008] 其中，所述變流器輸出電流參考值與實(shí)際值比較產(chǎn)生差值經(jīng)過PI控制器放大，PI 控制器參數(shù)可根據(jù)切換前后供電電壓質(zhì)量的要求和電壓環(huán)的響應(yīng)速度要求進(jìn)行修改。
[0009] 所述前饋電壓環(huán)直接作用于調(diào)制波并提高切換速度，前饋電壓環(huán)PI控制器參數(shù) 由切換速度的要求確定，可與電壓外環(huán)的PI控制器參數(shù)不同。
[0010] 所述同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電壓限幅器設(shè)計(jì)依據(jù)IEEE Std_1547 2003標(biāo)準(zhǔn)。
[0011] 本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明通過變流器輸出電流參考值與實(shí)際值的差值間 接啟動(dòng)電壓限幅器來控制分布式電源系統(tǒng)的PCC點(diǎn)電壓，孤島時(shí)實(shí)現(xiàn)電流源控制向電壓源 控制的無縫切換，電網(wǎng)恢復(fù)供電后實(shí)現(xiàn)電壓源控制向電流源控制的無縫切換，保障負(fù)載供 電的電壓質(zhì)量；該控制方法只與分布式電源變流器自身參數(shù)有關(guān)，控制方法不受電網(wǎng)參數(shù) 的影響。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的分布式電源變流器系統(tǒng)示意圖； 圖2為本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的含有電流環(huán)和電壓環(huán)的總體控制框圖； 圖4為本發(fā)明的啟動(dòng)環(huán)控制系統(tǒng)框圖； 圖5為基于電流組合無縫切換的PCC點(diǎn)電壓仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0014] 圖1為本發(fā)明的分布式電源變流器系統(tǒng)示意圖。變流器為三相電壓型變流器，直 流側(cè)的電壓恒定，6個(gè)IGBT采用PffM控制，通過變流器輸出交流電壓。并網(wǎng)時(shí)，變流器輸出 的功率一部分供給負(fù)載，一部分返回電網(wǎng)；孤網(wǎng)時(shí)，變流器輸出的功率全部供給負(fù)載。選用 LC濾波器，三相并網(wǎng)型變流器流出的電流為電感電流為iia，iib，4,濾波電容電流為i Ca、 "負(fù)載電流為4、4、并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)電流為心"，同時(shí)PCC點(diǎn)電壓稱為公共 連接點(diǎn)電壓，其值也等于濾波電容兩端電壓。
[0015] 圖2為本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)示意圖。通過坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以 電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系橫軸（d軸）和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系縱軸（q軸)，其中電感電流參 考值(變流器輸出電流參考值)、電感電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系橫軸下分別為尤，縱軸下分別 為PCC點(diǎn)電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系橫軸下為W jtu^縱軸下為，電感電流內(nèi)環(huán)控制器為 /5Z1，電壓外環(huán)控制器為/?，前饋電壓環(huán)控制器為/?。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)變流器控制為電流源，此 時(shí)電壓限幅器不起作用，變流器輸出電流參考值與實(shí)際值的差值在并網(wǎng)時(shí)恒等于零；而在 孤網(wǎng)時(shí)變流器輸出電流實(shí)際值變小，此時(shí)變流器輸出電流參考值與實(shí)際值產(chǎn)生差值，該差 值經(jīng)過控制器（/?)放大后啟動(dòng)限幅器，電壓指令迅速達(dá)到限幅器上限或者下限，進(jìn)而啟動(dòng) 電壓外環(huán)。同時(shí)，依據(jù)IEEE Std_1547 2003標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)電壓限幅器（凡)，以此來鉗位PCC點(diǎn) 電壓。
[0016] 圖3為本發(fā)明的含有電流環(huán)和電壓環(huán)的總體控制框圖。電感電流 內(nèi)環(huán)PI控制器為G (6·)，與電流內(nèi)環(huán)級(jí)聯(lián)的電壓外環(huán)PI控制器為(6·)，與電流內(nèi)環(huán)并聯(lián)的 前饋電壓環(huán)PI控制器為W，其中心w為變流器等效增益，女iP、&i/ 為PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，兄為濾波電感內(nèi)阻，4·為濾波電感，為濾波電容，4為負(fù)載電流，之 為電網(wǎng)電流。
[0017] 由圖3求出電感電流開環(huán)傳遞函數(shù)如式（1)，電感電流閉環(huán)傳遞函數(shù)如式（2)，電 壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（3)，含有前饋電壓環(huán)的電壓開環(huán)傳遞函數(shù)如式（4)所示。
圖4為本發(fā)明的啟動(dòng)環(huán)控制系統(tǒng)框圖。其中??4(6·)為啟動(dòng)環(huán)控制器，€(6·)為圖3對(duì) 應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)式，如式（5)所示。
[0020] 由圖4推出啟動(dòng)環(huán)Zi到Zc的開環(huán)傳遞函數(shù)以6·)，有式（6)成立。
[0021] G6(s)= G4(s)G5(s) Ci s (6) 根據(jù)式（1)、（2)、（3)、（4)、（5)、（6)中的傳遞函數(shù)表達(dá)式中截止頻率和切換效果確定
[0022] 當(dāng)非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí)變流器輸出電流參考值與實(shí)際值的差值出現(xiàn)階躍變化，啟動(dòng) 環(huán)將以特別大倍數(shù)的速度放大這種變化，直到達(dá)到電壓限幅器限值，PI控制器參數(shù)可根據(jù) 切換前后供電電壓質(zhì)量的要求和電壓環(huán)的響應(yīng)速度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0023] 圖5為在主電路參數(shù)設(shè)定情況下，基于變流器輸出電流控制的無縫切換控制方法 仿真結(jié)果。其中切換時(shí)間為0.225s。從圖中可以看到，基于變流器輸出電流控制的方法可 以滿足非計(jì)劃孤島下的無縫切換，PCC點(diǎn)電壓只有較小的畸變，使得PCC點(diǎn)電壓能盡量平滑 地過渡，以滿足電網(wǎng)掉電后負(fù)載仍能正常工作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法，其特征在于在分布式電源變 流器的電感電流內(nèi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加電壓外環(huán)、前饋電壓環(huán)和電感電流外環(huán)，并且應(yīng)用 電壓限幅器實(shí)現(xiàn)分布式電源從電流源控制向電壓源控制的切換控制和從電壓源控制向電 流源控制的切換控制；在非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí)變流器輸出電流產(chǎn)生突變，變流器輸出電流的 參考值與實(shí)際值產(chǎn)生差值，該差值經(jīng)過PI控制器放大后啟動(dòng)電壓限幅器，實(shí)現(xiàn)電流源控制 向電壓源控制的切換；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，電壓限幅器失去作用，實(shí)現(xiàn)電壓源控制向電流源 控制的切換；前饋電壓環(huán)直接作用于調(diào)制波，提高切換控制的響應(yīng)速度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法，變流 器輸出電流參考值與實(shí)際值比較產(chǎn)生差值經(jīng)過PI控制器放大，PI控制器參數(shù)可根據(jù)切換 前后供電電壓質(zhì)量的要求和電壓環(huán)的響應(yīng)速度要求進(jìn)行修改。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法，前饋 電壓環(huán)直接作用于調(diào)制波并提高切換速度，前饋電壓環(huán)PI控制器參數(shù)由切換速度的要求 確定，可與電壓外環(huán)的PI控制器參數(shù)不同。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法，同步 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電壓限幅器設(shè)計(jì)依據(jù)IEEE Std_1547 2003標(biāo)準(zhǔn)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備控制領(lǐng)域，尤其涉及種一種基于變流器輸出電流的分布式電源切換控制方法，在分布式電源變流器的電感電流內(nèi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加前饋電壓環(huán)和電壓外環(huán)，并且應(yīng)用電壓限幅器實(shí)現(xiàn)分布式電源從電流源控制向電壓源控制的切換控制和從電壓源控制向電流源控制的切換控制。在非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí)變流器輸出電流突變，變流器輸出電流的參考值與實(shí)際值產(chǎn)生差值，該差值經(jīng)過PI控制器放大后啟動(dòng)電壓限幅器，實(shí)現(xiàn)電流源控制向電壓源控制的切換；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，電壓限幅器失去作用，實(shí)現(xiàn)電壓源控制向電流源控制的切換。從仿真結(jié)果可知該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)PCC點(diǎn)電壓的平滑過渡,并且該方法只與分布式電源自身參數(shù)有關(guān)。
【IPC分類】H02J3/38
【公開號(hào)】CN105098829
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510189487
【發(fā)明人】趙國鵬, 王彥杰, 韓民曉
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年4月21日