一种电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出方法及装置与流程
本发明涉及电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出领域，具体涉及一种基于电压型控制策略的电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出方法及装置。
背景技术：
用电设备的技术更新给供电质量提出了更高的要求，电压暂降是发生频率最高、影响最为严重的电能质量问题之一。尤其是短时电压暂降可导致逻辑可编程控制器、精密机械工具、半导体生产线等敏感负载非正常工作甚至设备损毁，给企业带来巨大经济损失。综合考虑现在电压暂降治理的经济成本和技术难度，安装电压暂降治理装备是敏感用户最常用的电压暂降治理技术，而基于储能设备的并联型电压暂降治理装置因为诸多优势在低压配电领域获得广泛的应用。当电网出现电压暂降等异常情况时，基于储能的并联型电压暂降治理装置需要由并网工作模式变成离网工作模式以保证敏感用户的供电可靠性，此时储能装置对敏感用户的电压和频率起主要支撑作用，切换过程需要保证电压的平滑过渡，避免电压发生突变。
当前，含储能装置的并联型电压暂降治理装置中储能变流器一般根据不同运行模式采用不同控制策略。例如，在并网运行模式下，储能变流器一般直接采用电网频率和电压作为支撑，此时储能变流器运行在电流源模式。这类控制算法称为有功无功pq控制，因为并网时储能变流器与电网相连，因此储能变流器输出电压与频率受电网钳制，此时若要控制储能变流器，只能通过控制有功无功功率来间接对储能变流器的输出电流进行控制，实现了储能变流器输出功率与功率设定值一致的结果；在离网模式下，储能变流器一般使用恒压vf控制，这样选择的原因是，当储能变流器离网运行时，一般都是当做供电电源使用，所以需要向外提供恒压恒频率的vf控制，vf控制一般可分为电压单环控制，电压双闭环控制以及电压电流双闭环控制。最为常见的是电压电流双闭环控制。当电压暂降发生时，储能变流器需要将其运行模式由pq控制切换至vf控制，如切换不当，可能出现由于模式切换造成的冲击电压而影响敏感设备的正常工作。因此敏感负载电压在电压暂降前后保持不变非常重要，因此需要一种控制策略，使得储能变流器能在暂降发生时平滑切换、在暂降发生后柔性退出。
为实现对敏感负载在暂降前后高质量的电能供应，提高储能变流器的切换速度，避免储能变流器对敏感负载提供很大的冲击电流，对储能变流器进行平滑切换和柔性退出控制很有必要。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出方法，以适应储能变流器在治理过程中的各种运行模式，在快速治理电压暂降的基础上，通过控制方法实现储能变流器并网到离网模式时的平滑切换及离网到并网模式下的柔性退出，避免敏感负载在暂降前后受到很大的脉冲电流，从而保证敏感负载用户的用电可靠性。
一种电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出方法，包括以下步骤：
根据储能变流器的输出电压及电网电压判断储能变流器的工作模式，所述工作模式包括并网模式、离网模式和自动同期模式；
当电压暂降发生时，将储能变流器从并网模式切换到离网模式：通过电压控制环使储能变流器输出与暂降前负载电压相同的电压，通过功率控制环和电压控制环使储能变流器输出电流来替代电网电流，然后将市电从电网中切除，完成市电供电向储能变流器供电的平滑切换；
当电压暂降消失时，将储能变流器从离网模式切换到并网模式：通过电压控制环和自动同期控制环使得储能变流器电压和电网电压实现同步，再将市电从电网接入负载，缓步控制储能变流器的电流降低到并网时的电流，完成储能变流器与电网线路的转换，此过程中当储能变流器输出有功和无功功率分别小于阈值时，储能变流器柔性退出并完全由市电供电。
进一步的，还包括步骤：构建拓扑电路，所述拓扑电路包括储能本体、储能变流器、第一隔离开关、第二隔离开关以及晶闸管，电网通过第一隔离开关、晶闸管、第二隔离开关与敏感负载连接，储能本体与储能变流器串接后输出端接入晶闸管与第二隔离开关之间，当电网电压正常时，储能变流器处于离网状态，敏感负载由电网供电，储能变流器输出电流为0。
一种电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出装置，包括工作模式判断单元、电压控制环、功率控制环、自动同期控制环：
工作模式判断单元，用于根据储能变流器的输出电压及电网电压判断储能变流器的工作模式，所述工作模式包括并网模式、离网模式和自动同期控制模式；
电压控制环，用于在判断电压暂降发生时，使储能变流器输出与暂降前负载电压相同的电压，功率控制环和电压控制环使储能变流器输出电流输出电流来替代电网电流，然后将市电从电网中切除，完成市电供电向储能变流器供电的平滑切换；
电压控制环和自动同期控制环，用于在判断电压暂降消失时，使得储能变流器电压和电网电压实现同步，再将市电从电网接入负载，缓步控制储能变流器的电流降低到并网时的电流，完成储能变流器与电网线路的转换，此过程中当储能变流器输出有功和无功功率持续一定时间分别小于阈值时，储能变流器柔性退出并完全由市电供电。
进一步的，用于功率控制环、自动同期控制环、电压控制环的pi控制器的积分环节由s值启用或禁用，s值表示储能变流器不同的工作模式。
进一步的，还包括坐标变换与功率计算单元，用于将储能变流器输出的三相端电压upabc、三相电网电压ugabc以及三相输出电流ipabc，分别经abc/dq坐标变换后得到dq坐标系下的储能变流器输出瞬时有功电压值upd、储能变流器输出瞬时无功电压值upq和电网电压有功分量ugd、电网电压无功分量ugq以及三相输出电流有功分量ipd、三相输出电流无功分量ipd，然后经瞬时有功、无功计算得到瞬时有功p和瞬时无功q的值，计算公式如下所示：
其中用于坐标变换的旋转角度θ表示如下所示：
θ＝∫(ω0+δω+δωsyn)dt
式中，ω0为额定角频率值，δω为功率控制环有功控制部分输出值，δωsyn为自动同期控制环q轴分量控制输出值。
进一步的，所述功率控制环包括有功功率控制环和无功功率控制环，
所述有功功率控制环，用于将瞬时有功功率p经低通滤波器(lpf)后得到plpf，再将有功功率指定值pref与plpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δω值，作为功率控制环有功控制部分输出值，
所述无功功率控制环，用于将瞬时无功功率q经低通滤波器(lpf)后得到qlpf，再将无功功率指定值qref与qlpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δe值，作为功率控制环控制无功部分输出值。
进一步的，自动同期控制环包括有功分量同期控制环和无功分量同期控制环，
所述有功分量同期控制环，用于将电网电压有功分量ugd与储能变流器输出瞬时有功电压值upd进行比较，其差值经pi控制器，输出δesyn值，作为自动同期控制环有功分量控制输出值，
所述无功分量同期控制环，用于将电网电压无功分量ugq与储能变流器输出瞬时无功电压值upq进行比较，其差值经pi控制器，输出δωsyn值，作为自动同期控制环无功分量控制输出值。
进一步的，电压控制环包括有功分量电压控制环和无功分量电压控制环，
所述有功分量电压控制环的指令值
其中，e0为电压前馈值，δe为无功功率控制环输出值，δesyn为自动同期控制环有功分量控制输出值；
有功分量电压控制环，用于将电压有功分量指令值
所述无功分量电压控制环，用于将电压无功分量指令值
与最接近的现有技术比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明相较于其他电压暂降设备及控制方案，减少了电流控制内环，并加入电压同期控制，和功率控制环与电压控制环形成统一架构，使储能变流器在模式切换时有更快反应速度，实验结果表明储能变流器在发生暂降时能在3ms完成平滑切换。
(2)本发明因为控制策略是在一统一架构下，能实现储能变流器在模式切换时更平稳，具有稳定性，避免模式切换不当时，冲击电流的产生，保证供电的可靠性。
(3)该拓扑(基于储能变流器的电压暂降治理设备)能够根据负载灵活的配置储能容量，更能设计冗余设备，进一步提高容错率，全面提高用户侧电能质量。
附图说明
图1是本发明并联型电压暂降治理装置的拓扑电路图；
图2是本发明的控制策略图；
图3是本发明柔性退出有功无功指令变化示意图；
图4是本发明工作模式判断流程图；
图5是本发明柔性退出算法流程图；
图6(a)是本发明电压暂降(0.3pu)的实验波形图，图6(b)是本发明电压暂降(0pu)的实验波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的控制策略如图2所示采用功率控制环42、自动同期控制环43和电压控制环44形成统一架构来避免储能变流器在模式切换时造成的冲击，且减少了离网模式下电流控制环，简化了控制策略的复杂性，缩短模式切换时长，减少模式切换时误差，具有更好的快速性和稳定性。
当电压暂降发生时，敏感负载应由市电切换为储能变流器，储能变流器开始工作，通过控制策略使储能变流器输出电流来替代电网电流，此时电网电流无限接近于零，双向晶闸管门极信号关断，满足晶闸管关断条件，市电从负载回路切除，由储能变流器为负载提供电能。
当电压暂降结束时，敏感负载应由储能装置切换为市电电源，在触发双向晶闸管之前，应控制储能装置交流侧电压与市电进行同期，当两者电压满足同频、同幅、同相条件时，再触发晶闸管导通。晶闸管导通后，若瞬间完成储能装置与市电供电切换，相当于电网电流输出突增的阶跃电流，可能在负载侧引起较大的冲击甚至导致变流器发生谐振，而触发敏感设备或变流器的保护动作，因此在储能装置带负载完成同期后，可缓慢减小储能装置输出的电流，使储能变流器输出电流按一定速率减小空载电流再将储能变流器退出，从而避免冲击电流的产生，该过程称为柔性退出。
本发明实施例提供一种基于电压型控制策略的电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出方法，该方法主要用于并联型电压暂降治理装置，包括以下步骤：
步骤1，构建拓扑电路2：如图1所示，所述拓扑电路包括储能本体21(可以是超级电容、锂离子电池、铅酸电池等储能形式)、储能变流器22、第一隔离开关23、第二隔离开关24、维修旁路开关25以及晶闸管26，电网1通过第一隔离开关23、晶闸管26、第二隔离开关24与敏感负载3连接，电网1与敏感负载3之间还接入维修旁路开关25，储能本体21与储能变流器22串接后输出端接入晶闸管26与第二隔离开关24之间。当电网1的电压正常时，储能变流器22处于并网状态，储能变流器22由功率控制环和电压控制环控制，敏感负载3由电网1供电，储能变流器23输出电流基本为0。
步骤2，储能变流器不同工作模式下平滑切换方法：本发明方法提及的控制策略主要由四部分模块实现(如图2所示)，分别是：坐标变换与功率计算单元41、功率控制环42、自动同期控制环43、电压控制环44，实现了储能变流器在治理电压暂降时各工作模式之间的切换；储能变流器共有3种工作模式，分别是并网模式、离网模式及同期工作模式；对三种工作模式的判断是基于电网电压状态和储能变流器22的输出电压，先设置s值代表储能变流器工作模式，通过电网电压是否正常及电网电压与储能变流器是否同期来赋值给s；
步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1，用于三个控制环(功率控制环42、电压控制环44、自动同期控制环43)的pi控制器的积分环节由s值启用或禁用。s值表示储能变流器22不同的工作模式，s＝1代表变流器工作在并网模式，s＝2代表离网模式，s＝3代表同期模式。通过合理设计pi控制器将不同模式的控制方法集成在一个控制策略中，以便在不同模式之间的控制算法平滑切换。
以功率控制环42的pi控制器为例：
它将pi控制器和比例控制器结合在一起，pi控制器积分部分的使能与否由s值确定。如果储能变流器22处于并网模式，则s将被定义s＝1，用于功率控制环42的pi控制器积分部分将立即启用。同时，使用0作为电压控制环44和自动同期控制环43积分环节的输入，此时，电压控制环44和自动同期控制环43的pi控制器的积分部分将失效。
类似地，如果储能变流器22处于离网模式，s值将被定义为s＝2，用于电压控制环44的pi控制器积分部分将立即启用，同时，使用0作为功率控制环42和自动同期控制环43积分环节的输入，此时，功率控制环42和自动同期控制环43的pi控制器的积分部分将失效。当储能变流器22工作在离网模式时，通过电压控制环42使储能变流器22输出与暂降前负载电压相同的电压，配合晶闸管26门极控制信号将市电从电网1中切除，完成储能变流器22的离网工作。
类似地，如果储能变流器22处于自动同期模式，s值将被定义为s＝3，用于自动同期控制环43的pi控制器积分部分将立即启用，同时，使用0作为功率控制环42和电压控制环44积分环节的输入，此时，功率控制环42和电压控制环44的pi控制器的积分部分将失效。通过电压控制环44上的预同步控制单元，使得储能变流器电压和电网电压实现同步，触发晶闸管26导通，缓步控制储能变流器22的电流降低到并网时的电流，完成储能变流器22与电网1线路的同期工作。
步骤2.2，坐标变换与功率计算单元41中，变流器输出三相端电压upabc，三相电网电压ugabc，以及变流器三相输出电流ipabc，分别经abc/dq坐标变换后得到dq坐标系下的分量upd，upq,和ugd，ugq以及ipd，ipd，然后经瞬时有功、无功计算环节得到瞬时有功p和瞬时无功q的值，计算公式如下所示：
用于坐标变换的旋转角度θ表示如下所示：
θ＝∫(ω0+δω+δωsyn)dt
式中，ω0为额定角频率值，δω为功率控制环有功控制部分输出值，δωsyn为自动同期控制环q轴分量控制输出值。
步骤2.3，功率控制环42由有功、无功控制组成，如图3所示。有功功率控制环将瞬时有功功率p经低通滤波器(lpf)后得到plpf，再将有功功率指定值pref与plpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δω值。无功功率控制环将瞬时无功功率q经低通滤波器(lpf)后得到qlpf，再将无功功率指定值qref与qlpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δe值。
步骤2.4，自动同期控制环由电压有功分量同期和无功分量同期控制组成。有功分量同期控制环将电网电压有功分量ugd与变流器输出瞬时有功电压值upd进行比较，其差值经pi控制器，输出δesyn值。无功分量同期控制环将电网电压无功分量ugq与变流器输出瞬时无功电压值upq进行比较，其差值经pi控制器，输出δωsyn值。
步骤2.5，电压控制环由有功分量电压控制环和无功分量电压控制环组成。有功分量电压控制环的指令值
其中，e0为电压前馈值，δe为无功功率控制环输出值，δesyn为自动同期控制环无功分量控制输出值。
将电压有功分量指令值
该控制策略需持续检测电网电压情况，根据电网电压变化做出快速准确判断是否发生电压暂降。根据持续检测dq坐标系下电网电压与变流器输出电压分量ugd(电网电压有功分量)，ugq(电网电压无功分量)和upd(变流器输出瞬时有功电压值)，upq(变流器输出瞬时无功电压值)，并判断其是否大于等于0.9倍的电网标称电压值(pu)，如下式所示：
如果满足上述公式，则s值定义为s＝1，表示未发生电压暂降，此时敏感负载将通过导通的晶闸管由市电提供，储能变流器处于并网模式。当不满足，则表示此时正发生电压暂降，将快速关断晶闸管的门极信号，敏感负载将由市电供应快速切换到由储能变流器提供电力供应，储能变流器以离网模式运行，并将s值定义为s＝2。一旦电网电压从暂降中恢复到正常范围，并判断是否满足下式：
其中uthd和uthq是自动同期成功的dq分量控制阈值。如果满足上述公式，则表明自动同期控制成功，立即触发晶闸管导通，并将s值定义为s＝1，系统将从由储能变流器供电柔性切换到由市电供电。
本发明提供的基于电压型控制策略的电压暂降装置平滑切换和柔性退出方法，可以实现储能变流器治理暂降过程中与市电的平滑切换和柔性退出，避免了常规储能变流器因没有缓变变流环节,因控制模式的硬切换而引起的电流冲击及功率波动。该发明方法在无需电流内环的基础上统一了控制架构，降低了控制复杂度，基于电压型控制策略也省去了电流内环，另外采用电压型变流器也使得控制更加灵活，响应速度更快，能在更短的时间对暂降进行治理，实验结果表明(如图6(a)和图6(b)所示)，储能变流器在发生暂降时能在3ms完成平滑切换。
以下根据市电输出的电压状况和储能变流器输出电压状况对储能变流器作工作模式的判断，其具体实施步骤如下：
(1)储能变流器根据输出电压及电网电压判断工作模式，并使相应控制模块进行工作。
第一步：持续检测并计算电网电压d轴分量ugd，电网电压q轴分量ugq和储能变流器输出电压d轴分量upd，储能变流器输出电压q轴分量upq；
第二步：判断
第三步：根据ugd，ugq和upd，upq值判断是否在正常范围，若判断结果为是，可能表明未发生暂降，也可能刚自动同期控制成功，然后执行第五步，否则执行第六步；
第四步：置s＝2，电压控制环工作，储能变流器输出与市电幅值频率相等的电压，并关闭晶闸管门极控制信号，并强制关断晶闸管，敏感负载将由市电供应快速切换到由储能变流器提供电力供应，储能变流器以离网模式运行；
第五步：置s＝1，功率控制环和电压控制环工作，通过控制功率控制环的有功功率和无功功率参考值，使储能变流器输出电流减少，并开启晶闸管门极控制信号，变流器执行柔性退出控制，系统从由储能变流器供电柔性切换到由市电供电，储能变流器处于并网模式；
第六步：置s＝3，执行自动同期控制。
上述实施步骤如流程图4所示。
(2)储能变流器柔性退出控制
为实现基于电压控制策略的电压暂降治理装置柔性退出控制方法，如图5所示，设计程序实施步骤如下：
第一步：确定储能变流器当前处于离网运行状态，置s＝2；
第二步：采样电网输出三相交流电压；判断储能变流器当前是否需要执行并离网切换动作；
第三步：如果不需要执行并离网切换动作，则返回第一步；
第四步：如果需要执行并离网切换动作，则进一步判断置是否需要执行同期操作；
第五步：如果需要执行同期操作则置s＝3；否则返回第一步；
第六步：根据当前s的值，重新分配功率控制环、电压控制环以及自动同期控制参数：如果当前s＝3，则将功率控制环积分归零，同时将电压控制环积分使能，且使能同期控制；
第七步：如果同期控制完成，触发晶闸管导通，控制储能变流器输出电流按一定速率从当前值缓慢减少至零；
第八步：判断储能变流器输出电流是否达到并网状态下电流，如果储能变流器输出电流已达到并网状态下电流，置s＝1，切换到并网状态，否则继续减小储能变流器输出电流。
本发明实施例还提供一种电压暂降治理装置平滑切换及柔性退出装置，包括工作模式判断单元、电压控制环、功率控制环、自动同期控制环；
工作模式判断单元，用于根据储能变流器的输出电压及电网电压判断储能变流器的工作模式，所述工作模式包括并网模式、离网模式和自动同期控制模式；
电压控制环，用于在判断电压暂降发生时，使储能变流器输出与暂降前负载电压相同的电压，功率控制环和电压控制环使储能变流器输出电流输出电流来替代电网电流，然后将市电从电网中切除，完成市电供电向储能变流器供电的平滑切换；
电压控制环和自动同期控制环，用于在判断电压暂降消失时，使得储能变流器电压和电网电压实现同步，再将市电从电网接入负载，缓步控制储能变流器的电流降低到并网时的电流，完成储能变流器与电网线路的转换，此过程中当储能变流器输出有功和无功功率持续一定时间分别小于阈值时，储能变流器柔性退出并完全由市电供电。
其中，用于功率控制环、自动同期控制环、电压控制环的pi控制器的积分环节由s值启用或禁用，s值表示储能变流器不同的工作模式。
所述装置还包括坐标变换与功率计算单元，用于将储能变流器输出的三相端电压upabc、三相电网电压ugabc以及三相输出电流ipabc，分别经abc/dq坐标变换后得到dq坐标系下的储能变流器输出瞬时有功电压值upd、储能变流器输出瞬时无功电压值upq和电网电压有功分量ugd、电网电压无功分量ugq以及三相输出电流有功分量ipd、三相输出电流无功分量ipd，然后经瞬时有功、无功计算得到瞬时有功p和瞬时无功q的值，计算公式如下所示：
其中用于坐标变换的旋转角度θ表示如下所示：
θ＝∫(ω0+δω+δωsyn)dt
式中，ω0为额定角频率值，δω为功率控制环有功控制部分输出值，δωsyn为自动同期控制环q轴分量控制输出值。
所述功率控制环包括有功功率控制环和无功功率控制环，
所述有功功率控制环，用于将瞬时有功功率p经低通滤波器(lpf)后得到plpf，再将有功功率指定值pref与plpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δω值，作为功率控制环有功控制部分输出值，
所述无功功率控制环，用于将瞬时无功功率q经低通滤波器(lpf)后得到qlpf，再将无功功率指定值qref与qlpf进行比较，其差值经pi控制器，输出δe值，作为功率控制环控制无功部分输出值。
自动同期控制环包括有功分量同期控制环和无功分量同期控制环，
所述有功分量同期控制环，用于将电网电压有功分量ugd与储能变流器输出瞬时有功电压值upd进行比较，其差值经pi控制器，输出δesyn值，作为自动同期控制环有功分量控制输出值，
所述无功分量同期控制环，用于将电网电压无功分量ugq与储能变流器输出瞬时无功电压值upq进行比较，其差值经pi控制器，输出δωsyn值，作为自动同期控制环无功分量控制输出值。
电压控制环包括有功分量电压控制环和无功分量电压控制环，
所述有功分量电压控制环的指令值
其中，e0为电压前馈值，δe为无功功率控制环输出值，δesyn为自动同期控制环有功分量控制输出值；
有功分量电压控制环，用于将电压有功分量指令值
所述无功分量电压控制环，用于将电压无功分量指令值
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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