专利名称：对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法
技术领域：
本发明涉及分布式发电微网技术领域，具体是一种对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法。
背景技术：
太阳能、风能等可再生能源以其无污染、可再生、分布广等优点将逐渐成为未来世界能源结构的重要组成部分。可再生能源的接入技术也吸引了国内外各研究机构越来越多的关注。微网作为可再生能源接入电网的重要形式之一，是指发电功率在数千瓦至50兆瓦的，布置在用户侧的小型发电系统。微网一般包括分布式电源，储能装置，能量变换装置，负荷，监控和保护装置等。微网是一个能够实现自身控制、管理和保护的自治系统，既可以并网运行，也可以离网运行。当外部电网发生故障或微网需要主动离网运行时，微网应迅速断开并网开关与外部电网脱离，转入离网运行模式；当外部电网恢复正常或微网需要主动并网时，微网应重新并入外部电网。微网运行模式的无缝切换是保证微网稳定运行和供电可靠性的关键。目前国内外学者提出的微网模式切换控制方法主要有两种:I)基于主从控制的无缝切换控制方法，采用主从控制的微网离网运行时，只有单一的电源为整个微网提供恒定的电压频率参考，主电源控制模式为电压控制；并网运行时，所有的分布式电源都采用PQ控制，基本控制模式为电流控制。因此当其进行无缝切换控制时，主电源需要从离网时的电压频率控制切换为并网时的PQ控制，由于控制模式切换和运行模式切换不同步，并网瞬间容易出现较大的电流冲击。2)基于对等控制的无缝切换控制方法，常见的对等控制方法为下垂控制。基于下垂控制的微网离网运行时，有两台以上的主电源为微网提供恒定的电压频率参考，并网和离网时的基本控制模式都是电压控制。因而基于下垂控制的微网进行模式切换控制时，其底层控制方法不变，不需要控制模式的切换，其可以方便地实现微网并网转离网的切换，而离网转并网时，只需采取一定的预同步控制就可以减小切换过程的电流冲击。基于下垂控制的微网不仅易于实现微网运行模式的无缝切换，当微网中任何一台主电源故障时，其他主电源可以继续为微网供电，供电可靠性很高。而且采用下垂控制时通过改变各个主电源的下垂系数可以方便地实现有无功负荷的合理分配。
发明内容
本发明的目的是提供一种对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，它能够方便地实现微网并网运行到离网运行的切换，同时减小由离网运行到并网运行切换瞬间的功率冲击。本发明通过以下技术方案实现上述目的:一种对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，包括如下步骤:(I)微网并网转离网的切换:当微网中的逆变器采用下垂控制时，直接断开微网的静态开关实现并网转离网的操作，各逆变器根据下垂控制曲线和本地负荷进行微网电压频率和幅值的调整，转到离网运行时，外环有功和无功控制不再起作用，切换前的有功、无功功率环PI结果保存下来作为P-f、Q-E曲线初值的一部分。(2)离网转并网的切换:先采用电压\频率恢复控制，所述电压\频率恢复控制是指通过微网模式切换控制器，利用静态开关两侧的电压幅值差和频率差进行PI调节，得到电压幅值改变量和频率改变量，与原有下垂曲线电压幅值参考值和频率参考值叠加得到新的参考值，平移下垂曲线，最终使整个系统稳定在新的运行点上，(3)离网转并网时采用改进的相位控制，所述改进的相位控制是指通过微网模式切换控制器根据微网母线与配电网母线的相位差主动进行PI调节，得到频率改变量fim2，与第一阶段的频率参考值叠加得到新的参考值，若微网母线电压相位滞后于配电网母线电压相位，则finc;2大于O ;若微网母线电压相位超前于配电网母线电压相位，则fim2小于0，微网与配电网之间的母线电压相位差都不断缩小，当相位差满足并网条件时，改进的相位控制结束，频率增量finc;2置为O。所述下垂控制是指微网中多个逆变器并联运行时，通过模拟传统同步发电机的运行特性，人为地使逆变电源的频率和电压幅值根据其输出有功功率和无功功率按照一定的比例进行调整，以使各个逆变电源能够按照各自的容量分配有功和无功负荷。所述微网中的逆变器在并网和离网模式时均采用电压控制手段。所述控制方法采用三层控制结构，第一层控制为各个微网逆变器的下垂控制，主要用于响应快速的负荷变化并实现各逆变器间有功和无功出力的合理分配，第二层控制为模式切换控制，主要用于实现微网的运行模式切换，由微网模式切换控制器实现，第三层控制为经济调度控制，由中央控制器实现，主要是根据发电计划、无功优化和负荷预测结果，计算各个逆变器的最优有功和无功出力，通过通信网络下发到底层微网逆变器中，所述中央控制器是指对整个微网进行检测和控制信息处理的计算机。所述微网逆变器采用三环结构，其中，内环为电压环，由逆变器端口电压幅值反馈和PI控制组成；中间环为基于Q-E下垂曲线和基于p-f的计算环节；外环为有功功率和无功功率环，由逆变器输出有功功率、无功功率和PI控制组成。无功功率外环通过反馈调节实现逆变器输出无功功率的精确控制，消除了馈线压降的影响。有功功率外环则可以实现并网模式下对有功功率的精确调节。本发明突出的技术效果在于:利用分布式电源底层控制方法不变的特点，方便地实现微网并网运行到离网运行的切换，同时通过第二层的电压频率恢复控制和改进的相位控制，减小由离网运行到并网运行切换瞬间的功率冲击。不仅实现了微网内分布式电源的灵活接入，而且使整个微网实现了即插即用的功能。
图1为本发明典型微网系统结构图。图2为本发明微网系统分层控制结构图。图3为本发明功率传输与电压相量图。图4为本发明下垂控制均流过程示意图。
图5为本发明并网时的Q-E下垂控制示意图。图6为本发明并网时的下垂控制结构图。图7为本发明电压频率恢复控制示意图。图8为本发明离网转并网时的模式切换控制框图。
具体实施例方式以下通过附图和实施例对本发明申请的技术方案作进一步说明。典型微网系统结构如图1所示,微网中的风力发电系统、光伏发电系统、储能系统经过各自的逆变器将可再生能源转换成工频交流电，再通过馈线连接到统一的微网交流母线处。其中，所有储能并网用的微网逆变器采用下垂控制策略，负责为微网独立运行时提供电压\频率参考，并实现了有功和无功出力的合理分配；风力发电和光伏发电系统的逆变器采用电流控制，实时跟踪风机和光伏电池的最大出力，实现可再生能源的高效利用。微网中的负荷分为本地负荷与微网负荷，本地负荷接在逆变器出口处，微网负荷直接接在微网母线处。静态开关STS的闭合与断开分别对应微网的并网运行模式和离网运行模式。微网中的模式切换控制器通过采样STS两侧电压信号，并对STS和微网逆变器进行控制以实现微网运行模式的无缝切换。如图2所示，本发明借鉴大电网传统的调频结构，提出基于下垂控制的微网分层控制结构:第一层控制为各个微网逆变器的下垂控制，主要用于响应快速的负荷变化并实现各逆变器间有无功出力的合理分配，控制速度最快；
第二层控制为模式切换控制，主要用于实现微网的运行模式切换，该层控制由微网模式切换控制器实现，控制速度比第一层控制略慢；第三层控制为经济调度控制，由中央控制器实现，微网系统中央控制器是指对整个微网进行检测和控制信息处理的计算机，主要是根据发电计划、无功优化和负荷预测结果，计算各个微网逆变器的最优有功和无功出力，通过通信网络下发到底层逆变器中，该层控制周期最长。对于不同的控制目标可以采用不同速率的通信通道，这种分层处理有利于多个控制目标的实现和微网经济效益的提高。底层下垂控制，即第一层控制，是指微网中多逆变电源并联运行时，通过模拟传统同步发电机的运行特性，人为地使逆变电源的频率和电压幅值根据其输出有功功率和无功功率按照一定的比例进行调整，以使各个逆变电源能够按照各自的容量分配有无功负荷。本发明所述的下垂控制的基本原理:以简单供电系统为例线路传输功率与电压矢量示意图如图3所示。图3中，A端为电源侧，B端为电网侧,取电网侧电压相量为参考方向，其与电源侧电压夹角为I线路阻抗角为Θ。假设功率由A端流向B端。线路传输功率计算公式为:
——* — F-Pjs -Ti *S = P+ jO^U-1 =υ.(---5-)(I)
V 2-e]由于线路阻抗为:Z = R + J-X = Z-COSd + y-Z-sin 0(2)可得有无功功率计算公式，
权利要求
1.一种对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)微网并网转离网的切换:当微网中的逆变器采用下垂控制时，直接断开微网的静态开关实现并网转离网的操作，各逆变器根据下垂控制曲线和本地负荷进行微网电压频率和幅值的调整，转到离网运行时，外环有功和无功控制不再起作用，切换前的有功、无功功率环PI结果保存下来作为P-f、Q-E曲线初值的一部分， (2)离网转并网的切换:先采用电压\频率恢复控制，所述电压\频率恢复控制是指通过微网模式切换控制器，利用静态开关两侧的电压幅值差和频率差进行PI调节，得到电压幅值改变量和频率改变量，与原有下垂曲线电压幅值参考值和频率参考值叠加得到新的参考值，平移下垂曲线，最终使整个系统稳定在新的运行点上， (3)离网转并网时采用改进的相位控制，所述改进的相位控制是指通过微网模式切换控制器根据微网母线与配电网母线的相位差主动进行PI调节，得到频率改变量fim2，与第一阶段的频率参考值叠加得到新的参考值，若微网母线电压相位滞后于配电网母线电压相位，则finc;2大于O ;若微网母线电压相位超前于配电网母线电压相位，则finc;2小于O，微网与配电网之间的母线电压相位差都不断缩小，当相位差满足并网条件时，改进的相位控制结束，频率增量fim2置为O。
2.根据权利要求1所述的对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，其特征在于，所述下垂控制是指微网中多逆变器并联运行时，通过模拟传统同步发电机的运行特性，人为地使逆变电源的频率和电压幅值根据其输出有功功率和无功功率按照一定的比例进行调整，以使各个逆变电源能够按照各自的容量分配有功和无功负荷。
3.根据权利要求1所述的对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，其特征在于，所述微网中的逆变器在并网和离网模式时均采用电压控制手段。
4.根据权利要求1所述的对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，其特征在于，所述控制方法采用三层控制结构，第一层控制为各个微网逆变器的下垂控制，主要用于响应快速的负荷变化并实现各逆变器间有功和无功出力的合理分配，第二层控制为模式切换控制，主要用于实现微网的运行模式切换，由微网模式切换控制器实现，第三层控制为经济调度控制，由中央控制器实现，主要是根据发电计划、无功优化和负荷预测结果，计算各个逆变器的最优有功和无功出力，通过通信网络下发到底层微网逆变器中，所述中央控制器是指对整个微网进行检测和控制信息处理的计算机。
5.根据权利要求1所述的对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，其特征在于，所述微网中的逆变器采用三环结构，其中，内环为电压环，由逆变器端口电压幅值反馈和PI控制组成；中间环为基于Q-E下垂曲线和基于p-f的计算环节；外环为有功功率和无功功率环，由逆变器输出有功功率、无功功率和PI控制组成，无功功率外环通过反馈调节实现逆变器输出无功功率的精确控制，消除了馈线压降的影响，有功功率外环则可以实现并网模式下对有功功率的精确调节。
全文摘要
一种对等模式下基于改进相位控制的微网无缝切换控制方法，属于分布式发电微网技术领域。该方法利用分布式电源在并网运行和独立运行模式下始终采用电压控制的特点，方便地实现微网并网运行模式到离网运行模式的切换，同时通过第二层的电压\频率恢复控制和改进的相位角控制，减小由离网运行到并网运行切换瞬间的功率冲击，不仅实现了微网内分布式电源的灵活接入，而且使整个微网实现了即插即用的功能。
文档编号H02J3/38GK103138290SQ201310053028
公开日2013年6月5日 申请日期2013年2月19日 优先权日2013年2月19日
发明者陈卫东, 王成山, 高立克, 郭力, 孙艺敏, 黄秀琼, 奉斌, 杨艺云 申请人:广西电网公司, 天津大学