微电网系统、功率变换器及其控制方法与流程

本技术涉及电源，尤其涉及一种微电网系统、功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、微电网由分布式发电、用电负荷、监控、保护和自动化装置等组成(必要时含储能装置)，能够基本实现内部电力电量平衡的小型供用电系统。微电网有并网和离网两种运行模式。并网模式是指在正常情况下，微电网与大电网并网运行，向大电网提供多余的电能或由大电网向本地负载供电并向电池充电。离网模式是指当检测到大电网故障或电能质量不满足要求时，微电网与大电网断开形成孤岛状态，由微电网内的分布式电源和储能电池向本地负荷供电。

2、随着微电网接入大电网的配电电压等级和容量提高，微电网及其所有的分布式电源和储能已成为电力系统安全稳定的重要组成部分。在大电网出现故障发生电压跌落时，微电网就立即切换为离网模式独立运行，将会给大电网造成较大的功率扰动。此外，大电网大部分的电压跌落都是暂时性的，即所发生的故障大部分不是永久性故障，在线路断路器断开再自动重合闸后系统可以正常运行。因此，在大电网出现故障的情况下，微电网能够为大电网提供电压支撑，并在线路断路器断开之前完成并离网模式切换尤为重要。

技术实现思路

1、本技术提供了一种微电网系统、功率变换器及其控制方法，可使微电网系统在电网故障时为外部电网提供电压支撑，并在并网开关断开前完成并离网模式切换。

2、第一方面，本技术提供了一种微电网系统，该微电网系统包括至少一个功率变换器、微电网母线和并网开关，功率变换器的输入端和输出端分别连接直流电源和微电网母线，微电网母线通过并网开关连接外部电网。功率变换器在检测到电网发生故障的情况下，处于第一电流源控制模式；并在电网故障的持续时长达到第一时长后，从第一电流源控制模式切换至第一电压源控制模式。其中，电网包括外部电网或者微电网系统，第一电流源控制模式为电流源故障穿越控制模式，第一电压源控制模式为电压源故障穿越控制模式。并网开关在电网发生故障的情况下经过第二时长后断开，第二时长大于第一时长。可以理解的，微电网系统中的各功率变换器在检测到电网发生故障的情况下，通过控制自身处于电流源故障穿越控制模式，并在并网开关断开前控制自身切换至电压源故障穿越控制模式的方式，使得微电网系统在电网故障时为外部电网提供电压支撑，并在并网开关断开前完成并离网模式切换，从而使微电网系统兼顾故障穿越支撑功能和并离网切换功能，保证微电网系统的稳定运行。

3、结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，在第一电流源控制模式下功率变换器基于电网发生故障时微电网母线的电压跌落值控制功率变换器的输出电压，从而对外部电网提供无功电流支撑，实现微电网系统的电流源故障穿越支撑特性。在第一电压源控制模式下功率变换器基于预设电流幅值范围中的最大预设电流幅值控制功率变换器的输出电压，从而对外部电网提供电压和频率支撑，实现微电网系统的电压源故障穿越支撑特性。

4、结合第一方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，功率变换器根据电网发生故障时微电网母线的电压跌落值获得第一参考输出电流值，根据第一参考输出电流值和第一参考角频率值获得第一参考输出调制电压值，并基于第一参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电流源控制模式，从而使得功率变换器基于电压跌落值为外部电网提供一定的电压支撑，进而使得微电网系统在电网故障时能够为外部电网提供电压支撑，实现电流源故障穿越支撑特性。

5、结合第一方面第一种可能的实施方式或者第一方面第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，功率变换器基于最大预设电流幅值和外部电网的等效阻抗角获得第二参考输出电流值，基于第二参考输出电流值和第二参考角频率值获得第二参考输出调制电压值；基于第二参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电压源控制模式。可以理解的，在电网故障的持续时长达到第一时长后，功率变换器从电流源故障穿越控制模式切换至电压源故障穿越控制模式，可减小由于功率变换器在并网开关断开之前没切换至电压源控制模式而导致的微电网系统失稳的风险，从而提高微电网系统的稳定性。

6、结合第一方面第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，功率变换器处于第一电压源控制模式下的初始参考输出电流值和初始参考角频率值分别为切换瞬间功率变换器处于第一电流源控制模式下的第一参考输出电流值和第一参考角频率值，可减小模式切换时电流和电压的波动程度，提高电流和电压在模式切换时的平滑度。

7、结合第一方面至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，功率变换器还在电网发生故障之前处于第二电流源控制模式，其中，在第二电流源控制模式下功率变换器基于参考输出有功电流值和参考输出无功电流值控制功率变换器的输出电压。可以理解的，在电网发生故障之前，微电网系统处于并网模式，各功率变换器均处于第二电流源控制模式，即电流源控制模式下的正常控制模式，有利于提高微电网系统的稳定性。

8、结合第一方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，功率变换器将参考输出有功电流值和参考输出无功电流值确定为第三参考输出电流值，基于第三参考输出电流值和第三参考角频率值获得第三参考输出调制电压值；基于第三参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电流源控制模式。

9、结合第一方面第五种可能的实施方式或者第一方面第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出有功功率值和实际输出有功功率值获得参考输出有功电流值。可以理解的，参考输出有功电流值的获取方式简单，有利于提供功率变换器的工作效率，进而提高微电网系统的工作效率。

10、结合第一方面第五种可能的实施方式或者第一方面第六种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，功率变换器包括直流dc/直流dc电路、直流母线和直流dc/交流ac电路，dc/dc电路的输出端通过直流母线连接dc/ac电路的输入端。功率变换器还基于直流母线的参考母线电压和实际母线电压获得参考输出有功电流值。可以理解的，参考输出有功电流值还可以基于直流母线的母线电压获得，参考输出有功电流值的获取方式多样，灵活性高。

11、结合第一方面第五种可能的实施方式或者第一方面第六种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出无功功率值和实际输出无功功率值获得参考输出无功电流值。可以理解的，参考输出无功电流值的获取方式简单，有利于提供功率变换器的工作效率，进而提高微电网系统的工作效率。

12、结合第一方面第五种可能的实施方式或者第一方面第六种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出电压和实际输出电压获得参考输出无功电流值。可以理解的，参考输出无功电流值还可以基于功率变换器的输出电压获得，参考输出无功电流值的获取方式多样，灵活性高。

13、结合第一方面至第一方面第十种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，功率变换器还在自身处于第一电压源控制模式后，在电网恢复正常的情况下，从第一电压源控制模式切换至第二电压源控制模式，其中，在第二电压源控制模式下功率变换器基于参考电压幅值和参考频率值控制功率变换器的输出电压。进而，在电网恢复正常后，微电网系统能够主动为外部电网提供预设电压频率支撑和预设电压幅值支撑。

14、结合第一方面第十一种可能的实施方式，在第十二种可能的实施方式中，功率变换器根据参考电压幅值和参考频率值获得第四参考输出调制电压值，并根据第四参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电压源控制模式。

15、结合第一方面至第一方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十三种可能的实施方式中，功率变换器在自身的输出电压小于电压阈值或者自身的输出电流大于电流阈值的情况下，确定电网发生故障。可以理解的，功率变换器可以通过自身的输出电压或者输出电流的方式判断电网是否故障，该方式无需与微电网控制器通信，可有效提高功率变换器对电网进行故障检测时的效率。

16、结合第一方面至第一方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十四种可能的实施方式中，功率变换器在微电网母线的电压小于电压阈值的情况下，确定电网发生故障。可以理解的，功率变换器还可以通过微电网母线的电压判断电网是否故障，电网故障判断方式多样，灵活性高。

17、结合第一方面至第一方面第十四种可能的实施方式中的任一种，在第十五种可能的实施方式中，微电网系统还包括微电网控制器，微电网控制器在检测到电网发生故障的情况下，经过第二时长后控制并网开关断开。

18、结合第一方面第十五种可能的实施方式，在第十六种可能的实施方式中，功率变换器还在切换至第二电压源控制模式后，向微电网控制器发送功率变换器的控制模式，其中，在第二电压源控制模式下功率变换器基于参考电压幅值和参考频率值控制功率变换器的输出电压。微电网控制器在并网开关处于断开状态且接收到的功率变换器的控制模式为第二电压源控制模式的情况下，向功率变换器发送同期控制指令，同期控制指令用于控制功率变换器的输出电压幅值与外部电网的电压幅值之间的幅值差值小于幅值差值阈值，以及功率变换器的输出电压相位与外部电网的电压相位之间的相位差值小于相位差值阈值；并在并网开关的第一端电压幅值与第二端电压幅值之间的幅值差值小于幅值差值阈值，且并网开关的第一端电压相位与第二端电压相位之间的相位差值小于相位差值阈值的情况下，微电网控制器控制并网开关闭合。可以理解的，微电网控制器基于并网开关的开关状态和各功率变换器的控制模式，对各功率变换器的控制模式进行调整，以使各功率变换器在微电网系统处于并网模式时运行在电流源控制模式，在微电网系统处于离网模式时运行在电压源控制模式，从而提高微电网系统的稳定性。

19、结合第一方面第十六种可能的实施方式，在第十七种可能的实施方式中，微电网控制器还在并网开关处于闭合状态且接收到的功率变换器的控制模式为第二电压源控制模式的情况下，经过第三时长后向功率变换器发送模式切换指令，模式切换指令用于控制功率变换器切换至第二电流源控制模式，在第二电流源控制模式下功率变换器基于参考输出有功电流值和参考输出无功电流值控制功率变换器的输出电压。可以理解的，微电网控制器基于并网开关的开关状态和各功率变换器的控制模式，对各功率变换器的控制模式进行调整，以使各功率变换器在微电网系统处于并网模式时运行在电流源控制模式，在微电网系统处于离网模式时运行在电压源控制模式，从而提高微电网系统的稳定性。

20、第二方面，本技术提供了一种功率变换器，该功率变换器的输入端和输出端分别连接直流电源和微电网母线，微电网母线通过并网开关连接外部电网。功率变换器在检测到电网发生故障的情况下，处于第一电流源控制模式；在电网故障的持续时长达到第一时长后，从第一电流源控制模式切换至第一电压源控制模式，其中，电网包括外部电网或者微电网母线所在的微电网系统，第一电流源控制模式为电流源故障穿越控制模式，第一电压源控制模式为电压源故障穿越控制模式，第一时长小于第二时长，第二时长为电网发生故障的时刻至并网开关断开的时刻之间的时间间隔。进而，功率变换器在检测到电网发生故障的情况下，通过控制自身处于电流源故障穿越控制模式，并在并网开关断开前控制自身切换至电压源故障穿越控制模式的方式，使得功率变换器在电网故障时为外部电网提供电压支撑，并在并网开关断开前完成并离网模式切换，从而使功率变换器兼顾故障穿越支撑功能和并离网切换功能。

21、结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，在第一电流源控制模式下功率变换器基于电网发生故障时微电网母线的电压跌落值，控制功率变换器的输出电压，从而对外部电网提供无功电流支撑，实现功率变换器的电流源故障穿越支撑特性。在第一电压源控制模式下功率变换器基于预设电流幅值范围中的最大预设电流幅值，控制功率变换器的输出电压，从而对外部电网提供电压和频率支撑，实现功率变换器的电压源故障穿越支撑特性。

22、结合第二方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，功率变换器根据电网发生故障时微电网母线的电压跌落值获得第一参考输出电流值，根据第一参考输出电流值和第一参考角频率值获得第一参考输出调制电压值，并基于第一参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电流源控制模式，从而使得功率变换器在电网故障时基于电压跌落值为外部电网提供一定的电压支撑，进而实现功率变换器的电流源故障穿越支撑特性。

23、结合第二方面第一种可能的实施方式或者第二方面第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，功率变换器基于最大预设电流幅值和外部电网的等效阻抗角获得第二参考输出电流值，基于第二参考输出电流值和第二参考角频率值获得第二参考输出调制电压值；基于第二参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电压源控制模式。可以理解的，在电网故障的持续时长达到第一时长后，功率变换器从电流源故障穿越控制模式切换至电压源故障穿越控制模式，可减小由于功率变换器在并网开关断开之前没切换至电压源控制模式而导致的微电网系统失稳的风险，从而提高功率变换器的稳定性。

24、结合第二方面第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，功率变换器处于第一电压源控制模式下的初始参考输出电流值和初始参考角频率值分别为切换瞬间功率变换器处于第一电流源控制模式下的第一参考输出电流值和第一参考角频率值，可减小模式切换时电流和电压的波动程度，提高电流和电压在模式切换时的平滑度，从而提高功率变换器在模式切换时的稳定性。

25、结合第二方面至第二方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，功率变换器还在电网发生故障之前处于第二电流源控制模式，其中，在第二电流源控制模式下功率变换器基于参考输出有功电流值和参考输出无功电流值控制功率变换器的输出电压。可以理解的，在电网故障之前，微电网系统处于并网模式，功率变换器均处于第二电流源控制模式，即电流源控制模式下的正常控制模式，有利于提高功率变换器的稳定性。

26、结合第二方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，功率变换器将参考输出有功电流值和参考输出无功电流值确定为第三参考输出电流值，基于第三参考输出电流值和第三参考角频率值获得第三参考输出调制电压值；基于第三参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电流源控制模式。

27、结合第二方面第五种可能的实施方式或者第二方面第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出有功功率值和实际输出有功功率值获得参考输出有功电流值。可以理解的，参考输出有功电流值的获取方式简单，有利于提供功率变换器的工作效率。

28、结合第二方面第五种可能的实施方式或者第二方面第六种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，功率变换器包括直流dc/直流dc电路、直流母线和直流dc/交流ac电路，dc/dc电路的输出端通过直流母线连接dc/ac电路的输入端。功率变换器还基于直流母线的参考母线电压和实际母线电压获得参考输出有功电流值。可以理解的，参考输出有功电流值还可以基于直流母线的母线电压获得，参考输出有功电流值的获取方式多样，灵活性高。

29、结合第二方面第五种可能的实施方式或者第二方面第六种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出无功功率值和实际输出无功功率值获得参考输出无功电流值。可以理解的，参考输出无功电流值的获取方式简单，有利于提供功率变换器的工作效率。

30、结合第二方面第五种可能的实施方式或者第二方面第六种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出电压和实际输出电压获得参考输出无功电流值。可以理解的，参考输出无功电流值还可以基于功率变换器的输出电压获得，参考输出无功电流值的获取方式多样，灵活性高。

31、结合第二方面至第二方面第十种可能的实施方式，在第十一种可能的实施方式中，功率变换器还在自身处于第一电压源控制模式后，在电网恢复正常的情况下，从第一电压源控制模式切换至第二电压源控制模式，其中，在第二电压源控制模式下功率变换器基于参考电压幅值和参考频率值控制功率变换器的输出电压。进而，在电网恢复正常后，功率变换器能够主动为外部电网提供预设电压频率支撑和预设电压幅值支撑。

32、结合第二方面第十一种可能的实施方式，在第十二种可能的实施方式中，功率变换器根据参考电压幅值和参考频率值获得获得第四参考输出调制电压值，并根据第四参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电压源控制模式。

33、结合第二方面至第二方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十三种可能的实施方式中，功率变换器在自身的输出电压小于电压阈值或者自身的输出电流大于电流阈值的情况下，确定电网发生故障。可以理解的，功率变换器可以通过自身的输出电压或者输出电流的方式判断电网是否故障，该方式无需与微电网控制器通信，可有效提高功率变换器对电网进行故障检测时的效率。

34、结合第二方面至第二方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十四种可能的实施方式中，功率变换器在微电网母线的电压小于电压阈值的情况下，确定电网发生故障。可以理解的，功率变换器还可以通过微电网母线的电压判断电网是否故障，电网故障判断方式多样，灵活性高。

35、第三方面，本技术提供了一种功率变换器的控制方法，该功率变换器的输入端和输出端分别连接直流电源和微电网母线，微电网母线通过并网开关连接外部电网。该方法包括：功率变换器在检测到电网故障的情况下，处于第一电流源控制模式；在电网故障的持续时长达到第一时长后，从第一电流源控制模式切换至第一电压源控制模式，其中，电网包括外部电网或者微电网母线所在的微电网系统，第一电流源控制模式为电流源故障穿越控制模式，第一电压源控制模式为电压源故障穿越控制模式，第一时长小于第二时长，第二时长为电网发生故障的时刻至并网开关断开的时刻之间的时间间隔。

36、结合第三方面，在第一种可能的实施方式中，在第一电流源控制模式下功率变换器基于电网发生故障时微电网母线的电压跌落值，控制功率变换器的输出电压。在第一电压源控制模式下功率变换器基于预设电流幅值范围中的最大预设电流幅值，控制功率变换器的输出电压。

37、结合第三方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，功率变换器根据电网发生故障时微电网母线的电压跌落值获得第一参考输出电流值，根据第一参考输出电流值和第一参考角频率值获得第一参考输出调制电压值，并基于第一参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电流源控制模式。

38、结合第三方面第一种可能的实施方式或者第三方面第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，功率变换器基于最大预设电流幅值和外部电网的等效阻抗角获得第二参考输出电流值，基于第二参考输出电流值和第二参考角频率值获得第二参考输出调制电压值；基于第二参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第一电压源控制模式。

39、结合第三方面第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，功率变换器处于第一电压源控制模式下的初始参考输出电流值和初始参考角频率值分别为切换瞬间功率变换器处于第一电流源控制模式下的第一参考输出电流值和第一参考角频率值。

40、结合第三方面至第三方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，功率变换器还在电网发生故障之前处于第二电流源控制模式，其中，在第二电流源控制模式下功率变换器基于参考输出有功电流值和参考输出无功电流值控制功率变换器的输出电压。

41、结合第三方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，功率变换器将参考输出有功电流值和参考输出无功电流值确定为第三参考输出电流值，基于第三参考输出电流值和第三参考角频率值获得第三参考输出调制电压值；基于第三参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电流源控制模式。

42、结合第三方面第五种可能的实施方式或者第三方面第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出有功功率值和实际输出有功功率值获得参考输出有功电流值。

43、结合第三方面第五种可能的实施方式或者第三方面第六种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，功率变换器包括直流dc/直流dc电路、直流母线和直流dc/交流ac电路，dc/dc电路的输出端通过直流母线连接dc/ac电路的输入端。功率变换器还基于直流母线的参考母线电压和实际母线电压获得参考输出有功电流值。

44、结合第三方面第五种可能的实施方式或者第三方面第六种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出无功功率值和实际输出无功功率值获得参考输出无功电流值。

45、结合第三方面第五种可能的实施方式或者第三方面第六种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，功率变换器还基于功率变换器的参考输出电压和实际输出电压获得参考输出无功电流值。

46、结合第三方面至第三方面第十种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，功率变换器还在自身处于第一电压源控制模式后，在电网恢复正常的情况下，从第一电压源控制模式切换至第二电压源控制模式，其中，在第二电压源控制模式下功率变换器基于参考电压幅值和参考频率值控制功率变换器的输出电压。

47、结合第三方面第十一种可能的实施方式，在第十二种可能的实施方式中，功率变换器根据参考电压幅值和参考频率值获得第四参考输出调制电压值，并根据第四参考输出调制电压值控制功率变换器的输出电压，以使功率变换器处于第二电压源控制模式。

48、结合第三方面至第三方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十三种可能的实施方式中，功率变换器在自身的输出电压小于电压阈值或者自身的输出电流大于电流阈值的情况下，确定电网发生故障。

49、结合第三方面至第三方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十四种可能的实施方式中，功率变换器在微电网母线的电压小于电压阈值的情况下，确定电网发生故障。

50、应理解的是，本技术上述多个方面的实现和有益效果可互相参考。