一种基于储能单元中逆变器的微电网并网控制方法

摘要

本发明公开了一种基于储能单元中逆变器的微电网并网控制方法，其特征在于：微电网在并网前各并列运行的逆变电源均采用下垂控制策略，采用下垂控制策略的逆变电源是采用对等控制的运行模式，微电网与工频电网间使用静态开关作为并网合闸开关，微电网并网控制方法是：测量并计算微电网与工频电网间公共耦合点两侧的电压幅值差和频率差；加入储能单元进行调节以满足电压幅值和频率约束条件；测量公共耦合点两侧的电压相角，调节储能单元使电压相角差满足电压相角约束条件；当满足所有约束条件时闭合并网开关；开关闭合后切换储能单元的逆变器控制策略完成并网的全部过程。本发明方法能够减小并网时所带来的冲击，使微电网平滑并入工频电网。

说明书

技术领域

本发明涉及逆变器控制和并网领域，具体为一种控制储能单元中的逆变器实现微电网并 网的方法。

背景技术

传统的电力系统中，并网条件是等待并网的电网和工频电网在公共耦合点两端满足电压 幅值差值、电压相角差值、频率差值均小于一定范围，保证合闸时无过大冲击电流，在并网 合闸后，能够使待并电网迅速进入同步运行。但是微电网中包含有大量的逆变电源和电力电 子装置，致使微电网的惯性较弱，微电网的抗扰动能力弱，在满足上述要求时并网，电压和 功率可能会大幅震荡，甚至导致微电网的崩溃。所以在微电网并网的过程中需要采取一定的 措施来保证系统平滑并网。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于储能单元中逆变器的微 电网并网控制方法，以期减小并网时所带来的冲击，达到微电网平滑并入工频电网的目的。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明基于储能单元中逆变器的微电网并网控制方法的特点是：所述微电网在并网前各 并列运行的逆变电源均采用下垂控制策略，所述采用下垂控制策略的逆变电源是采用对等控 制的运行模式，所述微电网与工频电网间使用静态开关作为并网合闸开关，所述微电网并网 控制方法按如下步骤进行：

步骤1、测量微电网与工频电网之间公共耦合点两侧的电压幅值和频率，计算微电网与 工频电网之间的电压幅值差和频率差，设置微电网的并网约束条件一为：

①电压幅值约束条件：并网时，微电网与工频电网在公共耦合点两侧的电压幅值差值处 在设定的范围内；

②频率约束条件：并网时，微电网与工频电网在公共耦合点两侧的频率差值处在设定的 范围内；

步骤2、在预并网的微电网公共交流母线上加入一个可以实现电压频率恢复控制功能的 储能单元；所述储能单元中逆变器按如下方式进行控制：

①当所述电压幅值差和频率差满足并网约束条件一中电压幅值约束条件和频率约束条件 时，储能单元执行原有的PQ控制策略；

②当所述电压幅值差和频率差不满足并网约束条件一中电压幅值约束条件或频率约束条 件时，启动所述储能单元的电压频率恢复功能，由所述储能单元对所述微电网系统进行有功 功率和无功功率补偿，调节微电网的电压幅值和频率，使电压幅值差和频率差满足并网约束 条件一中电压幅值约束条件和频率约束条件；

步骤3、测量微电网与工频电网之间公共耦合点两侧的电压相角并计算电压相角差，设 置微电网并网约束条件二为：并网时，频率高的电压向量超前于频率低的电压向量，并且微 电网与工频电网在公共耦合点处的电压相角差值处在设定范围内，所述约束条件二为电压相 角约束条件；

在保证所述频率差满足所述频率约束条件的基础上，根据所述电压相角差，调节所述储 能单元对所述微电网输出的有功功率，使所述电压相角差满足并网约束条件二；

步骤4、当同时满足并网约束条件一和并网约束条件二时，闭合预并网微电网的并网开 关；

步骤5、将所述储能单元中逆变器的控制策略转换为PQ控制策略，完成整个的并网过程。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明针对微电网中含有大量的逆变电源和电力电子装置、惯性较弱的特点，提出一种 基于储能单元中逆变器的并网控制方法，在微电网的共交流母线上加入一个可以实现电压频 率恢复控制功能的储能单元，通过控制储能单元可以调整微电网电压与频率，以保证微电网 系统电压幅值和频率满足合闸要求。在合闸要求上增加电压相角约束条件，通过微电网合闸 约束条件进行合闸与传统电力系统合闸约束条件进行合闸比，系统出现的电压和频率波动减 小。微电网系统中包含有调频调压的储能单元，在微电网与电网合闸后，储能单元无需再承 担调频调压的功能，其逆变器控制模式将转换为纯功率控制。最终实现微电网平滑并网的目 的，降低微电网并网时的波动。

附图说明

图1为本发明的微电网预并网时各逆变电源的下垂控制器结构示意图。

图2为本发明中涉及的具有电压频率恢复功能的储能单元逆变器控制结构示意图。

图3为本发明并网可行性区域分析图。

图4为本发明实例所涉及的微电网系统结构。

具体实施方式

本实施例基于储能单元中逆变器的微电网并网控制的方法是：微电网在并网前各并列运 行的逆变电源均采用下垂控制策略，采用下垂控制策略的逆变电源是采用对等控制的运行模 式，微电网系统采用对等控制的运行模式是指微电网系统中的各逆变电源在地位上是同等的； 各逆变电源根据输出能力向负荷供电，输出能力具体是其下垂控制中的下垂增益系数。

下垂控制如式(1)和（2）：

ω=ω^*-k_p(P-P^*)    （1）

E=E^*-k_q(Q-Q^*)    （2）

式（1）和式（2）中，P^*、Q^*为有功功率和无功功率参考值；P、Q为实际逆变电源 的有功功率和无功功率输出值；ω^*、E^*为运行在有功功率和无功功率参考值点时逆变电源 的角频率和电压幅值；ω、E为实际逆变电源的角频率和电压幅值；k_p、k_q分别为有功下 垂系数和无功下垂系数。下垂控制策略控制如图1所示，图1中，逆变电源的下垂控制分为 两部分：有功-频率下垂控制部分和无功-电压下垂控制部分。当微电网采用对等控制模式， 各逆变电源采用下垂控制时，即可根据各逆变电源的下垂控制系数进行功率的合理分配。

微电网与工频电网间使用静态开关作为并网合闸开关，微电网并网控制方法按如下步骤 进行：

步骤1、测量微电网与工频电网之间公共耦合点两侧的电压幅值和频率，计算微电网与 工频电网之间的电压幅值差和频率差，设置微电网的并网约束条件一为：

①电压幅值约束条件：并网时，微电网与工频电网在公共耦合点两侧的电压幅值差值处 在设定的范围内；

②频率约束条件：并网时，微电网与工频电网在公共耦合点两侧的频率差值处在设定的 范围内；

步骤2、在预并网的微电网公共交流母线上加入一个可以实现电压频率恢复控制功能的 储能单元；引入的储能单元的逆变器控制结构如图2所示；储能单元可以工作在两种方式： 当开关m和开关n均指向1时储能单元为PQ控制方式，当开关m和开关n均指向2时储能单 元为电压频率恢复控制方式。储能单元中逆变器按如下方式进行控制：

①当电压幅值差和频率差满足并网约束条件一中电压幅值约束条件和频率约束条件时， 此时图2中开关m和开关n同时指向1，有功功率偏差量ΔP和无功功率偏差量ΔQ均为0， 储能单元执行原有的PQ控制策略，即根据设定的有功功率值和无功功率值控制储能单元进行 功率输出。将设定的有功功率值P_set和无功功率值Q_set与有功功率的实际值P和无功功率的实 际值Q相比较，经PI调节后分别得到内环电流d轴的参考值和q轴参考值分别与d轴 电流的实际值i_d和q轴电流的实际值i_q比较，经PI调节后得到u_sd和u_sq，再经过坐标变换， 由两相同步旋转坐标系转换为三相静止坐标系下的调制波u_sa、u_sb、u_sc，经过正弦脉宽调制 即得到逆变桥的驱动信号。

②当所述电压幅值差和频率差不满足并网约束条件一中电压幅值约束条件或频率约束 条件时，启动所述储能单元的电压频率恢复功能,此时图2中开关m开关n同时指向2,由所 述储能单元对所述微电网系统进行有功功率和无功功率补偿，以调节微电网的电压幅值和频 率，使电压幅值差和频率差满足并网约束条件一中电压幅值约束条件和频率约束条件；在电 压频率恢复控制方式下，采用典型的三环控结构，即参考电压/频率外环、有功/无功中环和 电流内环。控制模块采用具体方式是：首先检测公共耦合点微电网侧电压的实际值U_m和频率 f_m与给定的电压U^*和频率f^*相比较并经PI调节后，产生有功、无功的偏差值，将其与有功、 无功的设定量P_set和Q_set一起组成功率中环的参考值，再与有功功率的实际值P和无功功率的 实际值Q相比较，经PI调节后分别得到内环电流d轴的参考值和q轴参考值分别与d 轴电流的实际值i_d以及q轴电流的实际值i_q比较，经PI调节后得到u_sd和u_sq，再经过坐标变 换，由两相同步旋转坐标系转换为三相静止坐标系下的调制波u_sa、u_sb、u_sc，经过正弦脉宽 调制即得到逆变桥的驱动信号。当微电网准备与工频电网进行并网操作时，频率参考值f^*一 般取50Hz，电压参考值的标幺值U^*一般取1。

步骤3、测量微电网与工频电网之间公共耦合点两侧的电压相角并计算电压相角差，设 置微电网并网约束条件二为：并网时，频率高的电压向量超前于频率低的电压向量，并且微 电网与工频电网在公共耦合点处的电压相角差值处在设定范围内，约束条件二为电压相角约 束条件；

在保证频率差满足所述频率约束条件的基础上，根据电压相角差，调节所述储能单元对 微电网输出的有功功率，使电压相角差满足并网约束条件二；

在传统电力系统发电机并网时，只要求公共耦合点处的电压相角差值在一定范围内，对 电压向量超前、滞后并无要求。而在本实施例中并网时，要求频率高的电压向量超前于频率 低的电压向量。具体的并网区域分析如图3所示：以工频电网电压向量V_grid作为参考向量保 持不动，当微电网的频率大于工频电网频率，如图3中(A)图所示，微电网电压向量相当于以 逆时针旋转，反之，微电网电压向量相发当于以顺时针旋转，如图3中(B)图所示。由于电 力系统中功频静特性的关系决定了功率会从频率高的一侧流向频率低的一侧，最终到达功率 平衡点，且有功功率会从相角超前端流向相角滞后端，而且逆变器和发电机相比惯性极弱几 乎可以忽略，频率稳定性差，容易发生阶跃性波动。因此，在并网时刻，必须保证频率高的 电压向量超前频率低的电压向量，反之，则会在合闸的瞬间电流流向突然反向，出现冲击电 流，频率和功率都会出现尖峰和波动，以致影响系统的动态特性和稳定性。以图3中(A)图为 例，假设区域1和4已都满足上述的传统并网条件，考虑到上述功频静特性可以得出：区域 1为理想的并网区域。即需要保证频率高的电压向量超前频率低的电压向量。由上述得图3 中(A)图区域1为理想的并网区域，图3中(B)图中区域4为理想并网区域。

执行此步骤时，图2中开关m指向3，开关n保持步骤2中的位置不变。储能单元为相 角差调节控制模式，假设频率约束条件中允许的频率偏差为Δf，工频电网频率为f₀，设定 f₁=f₀-Δ_f和f₂=f₀+Δ_f。当微电网频率大于工频电网频率时，并且电压相角差不满足并网 约束条件二时，选择f₂为参考频率，使微电网逆时针方向加速进入图3中(A)图的区域1；当 微电网频率小于工频电网频率时，并且电压相角差不满足并网约束条件二时，选择f₁为参考 频率，使微电网顺时针方向加速进入图3中(B)图的区域4；。将上述参考频率与系统的实际 频率f_m进行比较并经PI调节后，产生有功功率偏差值ΔP，与有功功率的设定量P_set一起组 成有功功率的参考值，控制储能单元输出微电网的有功功率，经过一段时间后，频率高的电 压向量将会超前于频率低的电压向量，并且微电网与工频电网在公共耦合点处的电压相角差 值处在设定范围内。

步骤4、当同时满足并网约束条件一和并网约束条件二时，闭合预并网微电网的并网开 关；

储能单元的逆变器经过步骤2和步骤3后，能够使微电网满足并网约束条件一和并网约 束条件二，发出合闸脉冲，闭合并网开关K。

步骤5、将所述储能单元中逆变器的控制策略转换为PQ控制策略，完成整个的并网过程。

当并网开关K闭合后，图2中开关m和开关n同时指向1，所述储能单元的逆变器控制 模式转换为PQ控制模式。