基于相角估算的微电网逆变器离并网无缝切换控制方法

摘要

本发明涉及一种基于相角估算的微电网逆变器离并网无缝切换控制方法。使用储能系统作为主电源，包括储能电池、变流器、PCS模式控制器。在并网模式下使用PQ控制，孤岛模式下使用V/F控制。从并网至孤岛切换过程中电压幅值参考值由离网前电网相电压峰值给定，电压相角参考值由离网前电网角频率平均值和离网时刻的瞬时相角计算得到。从孤岛至并网切换过程中，利用基于电网电压瞬时值的相角估计算法更改逆变器V/F模式中相角参考值，快速跟踪电网相角，在PLL稳定锁相后，使用精准的电压相角代替估算值。通过叠加频率干扰量判断微网是否并网完成，更改相应控制模式，实现无缝切换。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，尤其是含分布式电源的微电网离/并网无 缝切换技术，具体的说是一种基于相角估算的微电网逆变器离并网无缝切换控 制方法。

背景技术

随着分布式发电和现代电力系统的发展。微电网作为一种新型的配电解决 方案而被提出。它不仅能提高供电质量和可靠性.而且可以减轻能源和环境压 力，因此赢得了越来越广泛的重视。微电网系统由分布式新能源发电、储能和 本地负载组成。其中储能设备与可再生能源发电技术相结合.可以提高电能质 量、系统的稳定性和资源利用率，在微电网并网时平抑新能源发电输出功率的 间歇性、波动性。

目前，微网主要工作在并网或孤岛两种运行模式下，正常情况下，微网与 公共电网并联运行，当公共电网发生故障或电能质量不满足负荷要求时，微网 能够快速断开电网的连接，过渡到孤岛运行状态，以保证微网区域内重要负荷 的持续供电。当微网运行与不同模式下时其内部变换器的控制方式不同。如何 在两种模式间实现无缝切换，使得微网的运行模式切换对负载及电网的扰动最 小，是实现分布式能源利用率最大化的关键控制技术。无缝切换是指在快速的 切换过程中微电网电压、频率平滑过渡，能够运行于标准规定的范围内，保证 微电网系统内的敏感负荷正常运行。

发明内容

为了解决微电网在运行过程中发生并网/孤岛转换时,对系统内敏感负荷提 供连续可高的供电，本发明提出一种基于相角估算的微电网逆变器离并网无缝 切换控制方法，缩短切换时间，同时避免在逆变器输出相角与大电网相角不完 全同步情况下实施并网时出现的过电流现象。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于相角估算的微电网 逆变器离并网无缝切换控制方法，包括：

在微电网处于并网到孤岛切换模式过程中，进行PQ控制算法至V/F控制算法 的转变，给定V/F控制算法中电压幅值与电压相角的参考量；

在微电网处于孤岛到并网切换模式过程中，首先利用基于电网电压瞬时值 的相角估计算法估算逆变器V/F模式中相角参考值，从而跟踪电网相角；在PLL 稳定锁相后，再用PLL锁定的电压相角值代替估算值，完成相角的跟踪；当逆变 输出满足并网条件后，闭合PCC处断路器；通过向参考角频率叠加干扰量的方法 来判断微电网是否已经完全并联于电网上，若已经闭合完成，则转换逆变控制 器模式至PQ控制算法，完成孤岛至并网的切换，否则微网仍工作于V/F模式。

所述V/F控制算法中电压幅值的参考量由离网前安装在公共耦合点上的电 压传感器测量的电网相电压峰值给定。

所述V/F控制算法中电压相角的参考量由离网前电网的角频率平均值和离 网时刻的瞬时相角计算得到：

θ_ref＝∫ω_gdt+θ₀(1)

其中，θ_ref为电压相角的参考量，ω_g为离网前电网的角频率平均值，t为时 间，θ₀为离网时刻的瞬时相角。

所述利用基于电网电压瞬时值的相角估计算法估算逆变器V/F模式中相角 参考值，包括以下步骤：

设电网线电压表示为$U_{\mathrm{ab}}=\sqrt{2}{u}_{l-l}\cos \left({\theta }_g\right),U_{\mathrm{bc}}=\sqrt{2}{U}_{l-l}\cos ({\theta }_g-\frac{2}{3}\pi ),$其中，U_ab为 AB相间的电压，U_bc为BC相间的电压，U_l-l为线电压的有效值，θ_g为；

则估算电网相角值表示为：

${\tilde{\theta }}_g=\arccos \left(\frac{U_{\mathrm{ab}}}{\sqrt{2}{U}_{l-l}}\right),0<{\tilde{\theta }}_g<\pi ,$或${\tilde{\theta }}_g=-\arccos \left(\frac{U_{\mathrm{ab}}}{\sqrt{2}{U}_{l-l}}\right),-\pi <{\tilde{\theta }}_g<0$

通过判断sgn(U_ab+2U_bc)的值，即可判定出相角估计值的范围，当 sgn(U_ab+2U_bc)＝1时，当sgn(U_ab+2U_bc)＝-1时

所述并网条件为：

逆变器与电网间相角差在允许范围内，同时，线电流 I_l-l<△I_th。

本发明具有以下优点及有益效果：

1)在孤岛至并网过程中，使用基于电网电压瞬时值估算得到的电网电压相 角作为逆变器相角指令值，缩短了相角跟踪速度，避免了PLL锁相至稳定状态 而造成的长时等待，同时避免由于逆变器输出与电网相位角不同而造成的并网 过电流，实现快速稳定的无缝切换。

2)通过软件算法判定PCC是否已经完全闭合，避免由于PCC处断路器物理 开关动作时间与控制器软件模式控制切换时间不同步而造成的切换异常现象。

3)只通过使用一组电压和电流传感器测量PCC点处电网电压、电流值来判 断PCC点处电网状态，不使用静态开关，降低了成本，同时简化了对PCC点的 控制。

附图说明

图1是本发明主回路连接电路图；

图2是微网由并网模式启动工作的流程示意图；

图3是由并网模式过渡于孤岛模式的无缝切换流程示意图；

图4是由孤岛模式过渡至并网模式的无缝切换流程示意图；

图中：1主电网，2电压传感器，3电流传感器，4并网断路器，5负载，6 储能系统(由储能电池、变流器、PCS控制器组成)，7相角估算环节，8PCC 闭合判断环节，9并网完成判断环节。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

在图1中，在并网公共耦合点(PCC)处安装断路器K1，负责实施微电网的并 网和离网操作。逆变控制器不需要获取K1的状态。在PCC网侧安装电压传感器 PT1、电流传感器CT1，分别测量电网电压和流过PCC点的电流值。无缝切换的 关键在于对储能系统(主电源)工作模式的切换过程。

使用电压传感器PT1测量三相电网电压的线电压，并输入给控制器中PLL 锁相环中，由锁相环获取电网角频率和实时相角值，存储在控制器单元中。

使用Mode标记微电网运行模式，当Mode值为+1，-1，0时，分别代表微电 网运行于并网模式、孤岛模式、孤岛至并网等待模式。

微电网处于并网模式。当PCC点断路器K1闭合，微电网并联于电网上时， 逆变器工作于电流源方式，使用PQ控制方法，逆变电源输出恒定的有功功率和 无功功率，电压幅值和频率由大电网维持。PQ控制算法在很多文献中均有详细 的描述，本发明中不再做赘述。

微电网处于孤岛模式。当PCC点断路器K1断开，微电网与电网不连接而独 立运行，逆变电源工作于电压源方式，使用V/F控制方法，给定逆变控制器输入 电压和相角的参考值，使逆变器输出连续稳定的电压，减小对敏感负荷的扰动。

微电网处于并网到孤岛切换模式。当电网电压幅值或电压频率超过允许范 围时，大电网已不能向负荷提供高智能的电能，此时微电网根据电能相关标准 需要快速断开与大电网的连接，独立向负荷供电。从并网至孤岛的切换过程中 逆变控制器需要进行PQ至V/F控制算法的转变，即刻给定V/F控制算法中电压幅 值与初相角的参考量。其中电压幅值由离网前PT1测量的电网相电压峰值给定， 电压相角值由离网前电网的角频率平均值和离网时刻的瞬时相角计算得到。

θ_ref＝∫ω_gdt+θ₀(1)

微电网处于孤岛到并网切换模式。当检测到电网恢复供电后，利用基于电 网电压瞬时值的相角估计算法更改逆变器V/F模式中相角参考值，快速跟踪电网 相角，在PLL稳定锁相后，再用精准的电压相角值代替估算值，完成相角的跟踪。 当逆变输出满足并网条件后，闭合PCC处断路器，并通过向参考角频率叠加干扰 量的方法来判断微网是否已经完全并联于电网上，若已经闭合完成，则转换逆 变控制器模式至PQ控制算法，完成孤岛至并网的切换，否则微网仍工作于V/F 模式。

如图2所示并网模式下工作流程。判断电网采样线电压幅值、频率是否超 出允许范围，若未超限，微网运行在并网模式下，标记为Mode＝+1，使用PQ控 制算法，根据负荷及储能设备容量等信息，给定P和Q参考值，逆变输出恒定有 功功率和无功功率。同时，锁相环锁存电网电压角频率及实时相角值记录于控 制器存储单元中。

如图3所示，一旦电压幅值或频率超出允许范围，说明大电网不能提供稳 定电压，微网需要断开与大电网的连接，进入孤岛模式，标记为Mode＝-1，更 改控制算法至V/F。由并网转向孤岛过程中，由控制器存储单元中记录的离网 前电网电压角频率平均值和离网瞬间相角值计算得到V/F控制算法中相角参考 值θ_ref，由离网前电网电压峰值作为V/F控制算法中电压幅值参考值V_ref，从而实 现并网至离网的无缝切换过程。

当电网电压恢复到允许范围内时，微电网需要闭合K1,由孤岛模式转换到 并网模式。转换过程如图4所示。若要完成并网操作，需满足逆变器输出电压 与电网电压幅值一致，同时逆变器输出相角θ_ref与电网相角在一定允许范围 内，否则并网操作将会引起瞬时过流现象，对负荷造成明显冲击。大电网恢复 供电时，逆变输出相角与实际电网相角间可能会出现很大误差，需要进行跟踪 调整后才能并网。定义当其值大于并网允许设定值△θ_th时，为了 避免相角差异很大情况下的并网引起瞬态过电流，逆变控制器进入Mode＝0相角 跟踪等待模式。传统控制中需要由PLL锁相环锁相恢复后的电网相角值来调整 逆变控制器的相角参考值，使其逐渐跟踪电网电压相角，减小两者相角差，实 现并网。但这个时间需要花费几个周期锁相环才能稳定锁住电网相角。为了加 速离网到并网转换过程，本发明提出使用相角估算的方法，缩短由于PLL锁相 跟踪相角而造成的并网延迟，实现离网至并网的无缝切换，具体过程为：

(1)由电网线电压瞬时值估算电网相角θ_g，用符号表示相角估计值。如 图4中编号7部分所示。

设电网线电压可表示为$U_{\mathrm{ab}}=\sqrt{2}{u}_{l-l}\cos \left({\theta }_g\right),U_{\mathrm{bc}}=\sqrt{2}{U}_{l-l}\cos ({\theta }_g-\frac{2}{3}\pi ),$

则估算电网相角值表示为

${\tilde{\theta }}_g=\arccos \left(\frac{U_{\mathrm{ab}}}{\sqrt{2}{U}_{l-l}}\right)(0<{\tilde{\theta }}_g<\pi )$或${\tilde{\theta }}_g=-\arccos \left(\frac{U_{\mathrm{ab}}}{\sqrt{2}{U}_{l-l}}\right)(-\pi <{\tilde{\theta }}_g<0)$

通过的正负判断所处范围，因为：

$U_{\mathrm{ab}}+{2U}_{\mathrm{bc}}=\frac{\sqrt{6}}{2}{U}_{l-l}\sin {\tilde{\theta }}_g$

所以只需判断sgn(U_ab+2U_bc)的值，即可判定出的范围。当 sgn(U_ab+2U_bc)＝1时，当sgn(U_ab+2U_bc)＝-1时

通过固定的采样频率，可以估算一系列电网相角根据电网相角变化规律 可知，这些相角估算值应该表现为在0-2π范围内线性增加的特点，如果估测 值出现突变，则认为是异常数据不可取。通过瞬时值估算得到的电压相角值可 作为逆变相角指令值，使逆变器快速跟踪电网电压相角。于此同时，PLL锁相 环也对电网电压进行锁相计算，当锁相环经过几个周期可稳定锁住电网相角 后，估算结束，由实际电网相角锁相值代替

(2)比较逆变器与电网间相角差是否已经满足允许范围，若在 允许范围内则闭合PCC处并网断路器。如图4中编号8部分所示。

(3)判断微网是否已经完全处于并网状态，转换控制算法至PQ控制算法。 如图4中编号9部分所示。通常断路器物理状态切换时间处于毫秒级，而逆变 控制器由软件执行控制模式的转换时间为微秒级，两类切换并非瞬间同时完成。 二者切换的不同步将会出现异常运行状态甚至导致切换失败。控制器判断微网 是否已经并网成功的方法为：向逆变器的电压相角指令值中加入一个高频干扰 量△ω,来判定是否已经并网完成。需要保证这个高频干扰信号的加入对负荷不造 成影响，其幅值取为±0.15％f₀，叠加的频率设定为0.3Hz。若电网处于孤岛模式， 高频干扰的叠加将造成PCC点电压角频率参考量与电网实际角频率之间出现较 大差异；但若电网处于并网模式，叠加了干扰量的PCC点电压角频率参考量与 电网电压角频率几乎相等，因为在并网模式下，电压角频率由大电网维持，不 受微电网的影响。因此可以认为当角频率之差小于模式转换限定值 △ω_th时，微网已经进入并网状态，控制器转换到PQ控制算法，否则仍处于离网 模式中，控制器工作于V/F模式。