基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力電子設備控制領域，尤其涉及一種基于電容電流的微網變流器無 縫切換控制策略。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著能源危機與環境問題的不斷加重，世界各國紛紛將目光投向了環保、 高效、可靠的分布式發電技術，而由小容量分布式電源形成的微網研究更加令人關注。微網 中的分布式電源包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電源、風力發電機、蓄電池和高速飛輪 等，通常需要通過電力電子裝置將微網電源與常規電網并網運行。
[0003] 微網存在兩種典型的運行模式，并網模式和孤島模式。在電網正常時，微網與電網 相連，并向電網注入功率或吸收功率，稱為并網模式；當電網發生故障時，引起電網斷路器 跳閘，原并網運行的微網電源系統處在孤島運行狀態，形成微網電源帶當地負載獨立工作 的情況，稱為孤島模式。為了保證當地負載供電的可靠性，微網系統在這兩種模式之間的無 縫切換具有重要的意義。
[0004] 如何保證并網與孤網之間切換時當地關鍵負載的供電可靠性不受兩種模式切換 的影響，一些學者對其進行了研究。已有兩種方法來實現并網轉孤網的無縫切換：已有技術
[1]，見 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS 第 58 卷第 1 期出版的"Control for Grid-Connected and Intentional Islanding Operations of Distributed Power Generation"，該技術方法采用三相逆變器與電網和關鍵負載相連。在并網模式下，逆變器 控制成電流源，逆變器的輸出電流組成電流環并向電網注入功率；在孤島模式下，以逆變器 的輸出電流作為內環，同時檢測PCC點（公共連接點）電壓構成電壓外環，將逆變器控制為 電壓源，使得關鍵負載不會因為電網掉電而不能正常工作，在檢測到孤島發生后，文中提到 要根據微網電源的容量與負載大小來判斷是否減載，使得邏輯算法復雜，檢測環節增多，而 且切換前后還要改變控制結構來實現無縫切換。已有技術[2]，見IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS第29卷第3 期出版的"A Unified Control Strategy for Three-phase Inverter in Distributed Generation"，該技術方法也可稱為間接電流控制方法，在該方 法中檢測電網電壓，將電網電壓轉變成變流器輸出參考電流，通過改變輸出電流的參考值 來調節變流器輸出的功率，進而實現并網到孤網切換時負載電壓的平滑過渡，而且不需要 在并網和孤網兩個模式間利用開關來進行切換，只有一個控制結構。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于，提出一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略，用 于解決非計劃孤島發生前后微網電源的無縫切換問題，從而實現切換時PCC點電壓的平滑 過渡。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提出的技術方案是一種通過對電容電流的控制來啟動 電流限幅器以實現在切換過程中變流器連接的負載電壓不畸變。其特征在于微網變流器為 三相功率雙向流動的PffM變流器，通過LC濾波器與電網相連；在電感電流控制閉環的基礎 上增加電容電流環，電容電流環包含一個電流限幅器，變流器并網運行時，電流限幅器不起 作用，電感電流控制閉環將變流器控制為電流源；當孤島發生時，電容電流產生突變，電流 限幅器起作用，電容電流經過限幅器后再與電容電流值比較產生差值，該差值經PI調節器 產生電感電流指令，通過改變電感電流保障PCC點電壓穩定，實現PCC點電壓的并網運行模 式與孤網運行模式之間的無縫切換。
[0007] 其中，所述電感電流為變流器輸出的電流，電流方向決定變流器是吸收或者發出 功率。
[0008] 所述電容電流為LC濾波器中流過電容C的電流，電容C的一端即為PCC點。
[0009] 所述電容電流環PI調節器參數根據切換前后供電電壓質量的要求和電流環的響 應速度要求進行設置，電感電流閉環的PI調節器參數由切換前后輸出電流的質量要求進 行設置。
[0010] 本發明具有以下有益效果：通過同步旋轉坐標系下電容電流的突變啟動電流限幅 器來控制微網電源系統的PCC點電壓，實現微網變流器的并網與孤網之間的無縫切換，保 證負載供電電壓質量。該控制方法只有電流參數，并直接對電流進行控制，便于控制。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明的微網變流器系統示意圖； 圖2為本發明的控制結構示意圖； 圖3為本發明的同步坐標系橫軸下含有電容電流環和電感電流環的簡化控制框圖； 圖4為本發明的基于電容電流的無縫切換的PCC點電壓仿真圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0013] 圖1為本發明的微網變流器系統示意圖。變流器為三相電壓型變流器，直流側的 電壓恒定，6個IGBT采用PffM控制，通過變流器輸出交流電壓。并網時，變流器輸出的功率 一部分供給負載，一部分返回電網；孤網時，變流器輸出的功率全部供給負載。選用LC濾波 器，三相并網型變流器流出的電流為電感電流為iu，Λ。，濾波電容電流為4 a、4、負 載電流為^b、4。，并網時電網電流為4、4、同時PCC點電壓稱為公共連接點電 壓，其值也等于濾波電容兩端電壓。
[0014] 圖2為本發明的控制結構示意圖。通過電流互感器檢測LC濾波器的三相電容電 流，以及變流器的三相電感電流，經過旋轉坐標系變換后對應旋轉坐標系下的d軸和q軸分 量。外環為電容電流環，電容電流經過限幅器后與自身比較產生差值，該差值經過電容電流 環PI調節器后產生電感電流指令，作為內環的輸入，電感電流內環經過電感電流PI調節器 后，加上電感電流的耦合分量一起作為控制信號的輸出，該輸出經過坐標反旋轉變換后，生 成六路PffM信號，控制三相變流器的六個開關器件。
[0015] 通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系轉換成與電網基波頻率同步旋轉坐標系橫 軸和同步旋轉坐標系縱軸，其中電感電流、電容電流、電感的參考電流在同步旋轉坐標系橫 軸下分別為iu、4、縱軸分別下為I、 -^Cq ^ -^refLqi 電感電流內環調節器為尸石，電容電 流環調節器為/?，并網運行時控制為電流源，此時電流限幅器不起作用；在非計劃孤島發 生時，PCC點電壓突變，使得同步旋轉坐標系下電容電流突變，啟動電流限幅器，限幅器的上 限值或下限值與電容電流的實際值比較產生差值，經過電容電流環/?控制器放大，產生一 個近似于電壓的調制波進而實現微網電源變流器從電流源控制到電壓源控制的無縫切換， 確保PCC點電壓不發生畸變。
[0016] 圖3為本發明的同步坐標系橫軸下含有電容電流環和電感電流環的簡化控制框 圖。i。/為d軸下電容電流實際值與電容電流經過電流限幅器相減后的差值，&為d軸下 電網電流。電感電流環控制器為(6·)，電容電流環控制器為G 2 (6·)。々1P，々"，先P，々2I為PI 調節器的參數，Zf為濾波電感，Cf為濾波電容。
[0017] 由圖3可求電感電流開環傳遞函數如式（1)，電感電流閉環傳遞函數如式（2)，含 有電容電壓外環的閉環傳遞函數如式（3 )
根據式（2)和（3)中的傳遞函數表達式中的截止頻率和切換效果確定々 1P，々"，々2P，先I 值。
[0018] 圖4為在主電路參數設定情況下，基于控制量電容電流無縫切換控制的切換仿真 結果。其中切換時間為0.225s。從圖中可以看到，基于控制量電容電流的控制可以滿足滿 足非計劃孤島下的無縫切換，PCC點電壓只有較小的畸變。
【主權項】
1. 一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略，其特征在于微網變流器為三 相功率雙向流動的PffM變流器，通過LC濾波器與電網相連；在電感電流控制閉環的基礎上 增加電容電流環，電容電流環包含一個電流限幅器，變流器并網運行時，電流限幅器不起作 用，電感電流控制閉環將變流器控制為電流源；當孤島發生時，電容電流產生突變，電流限 幅器起作用，電容電流經過限幅器后再與電容電流比較產生差值，該差值經PI調節器產生 電感電流指令，通過改變電感電流保障PCC點電壓穩定，實現PCC點電壓的并網運行模式與 孤網運行模式之間的無縫切換。2. 根據權利要求1所述的一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略，電感 電流為變流器輸出的電流，電流方向決定變流器是吸收或者發出功率。3. 根據權利要求1所述的一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略，電容 電流為LC濾波器中流過電容C的電流，電容C的一端即為PCC點。4. 根據權利要求1所述的一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略，電容 電流環PI調節器參數根據切換前后供電電壓質量的要求和電流環的響應速度要求進行設 置，電感電流閉環的PI調節器參數由切換前后輸出電流的質量要求進行設置。
【專利摘要】本發明屬于電力電子設備控制領域，尤其涉及一種基于電容電流的微網變流器無縫切換控制策略,在微網變流器的電感電流控制環的基礎上增加電容電流環，電容電流環包含一個電流限幅器，變流器并網運行時，電流限幅器不起作用，電感電流控制閉環將變流器控制為電流源；當孤島發生時，電容電流產生突變，電容電流經過限幅器后再與電容電流值比較產生差值，該差值經PI調節器產生電感電流指令，通過改變電感電流保障PCC點電壓穩定，實現PCC點電壓的并網運行模式與孤網運行模式之間的無縫切換。本發明應用直接電流控制進行切換。從仿真結果中可以看到，本發明能夠很好地使非計劃孤島下PCC點電壓平滑過渡。
【IPC分類】H02H9/04, H02J3/38, H02J3/00
【公開號】CN105098768
【申請號】CN201510279888
【發明人】趙國鵬, 王彥杰, 韓民曉
【申請人】華北電力大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年5月28日