CN103647345B - 微电源控制器及实现并/离网控制的方法 - Google Patents

微电源控制器及实现并/离网控制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微电源控制器及实现并/离网控制的方法，微电源控制器包括通信模块和测控模块，所述测控模块包括测量模块和控制模块；所述通信模块与所述控制模块以及微电网中央控制器连接，所述测量模块与所述控制模块以及微电网***中的微电源输出线路连接；控制模块根据本地设备信息的实际情况以及微电网中央控制器的控制指令，确定微电网***处于何种运行模式下，自动实现对并/离网的切换和本地设备的控制。本发明提供实时的微电源控制，确保微电网***在离网运行模式下微电源与用户负荷功率的动态匹配，提高微电网的稳定性和可靠性。

Description

微电源控制器及实现并/离网控制的方法
技术领域
本发明属于微电源和微电网控制技术领域，具体涉及微电源控制器及使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法。
背景技术
可再生能源发电（如光伏发电、风力发电）是获取电能的一个重要途径，它们分布并联在传统的电力线上，向用户提供能量。但是，随着数量众多的分布式电源接入现有配电网，传统辐射状的无源配电网络将产生根本性的变化，这些变化将给配电网的安全可靠运行带来威胁。为了协调配电网与分布式电源之间的矛盾，充分利用分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，21世纪初，一些专家学者提出了微型电网的概念，相应地把微电网中的分布式电源叫做微型电源，简称微源。
微电网将分布式电源、负荷、储能及各种控制器结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。它不改变现有配电网络结构，通过对网内的分布式发电电源和负荷的管理消除分布式电源对传统配电网的影响，更好地发挥分布式电源的应用潜能，其相关技术获得了世界很多国家的重视。
微电网在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题。微电网中微电源多样复杂，而且具有独立运行能力，其能实现即插即用和无缝切换的功能，相对大电网可作为一个能够实现自我控制和管理的自治***，这就导致了微电网的控制策略更加复杂。
目前，国外一些国家虽已开展微电网研究，但仅仅完成了微电网的基础理论研究，解决了微电网运行、保护和经济性分析的基本理论问题；国内对微电网的研究虽然取得了一定的进展，但与欧洲、美国及日本等由研究机构、制造厂商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国在研究力量和取得的成果上仍与之存在较大差距。另外，国内外对微电网中微电源控制器的研究多集中于理论研究和仿真分析阶段。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种微电源控制器及实现并/离网控制的方法，提供实时的微电源控制，确保微电网***在离网运行模式下微电源与用户负荷功率的动态匹配，提高微电网的稳定性和可靠性。
本发明所提供的微电源控制器，包括通信模块和测控模块，所述测控模块包括测量模块和控制模块；所述通信模块与所述控制模块以及微电网中央控制器连接，所述测量模块与所述控制模块以及微电网***中的微电源输出线路连接；
所述测量模块用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给所述控制模块；
所述控制模块用于将获取的并/离网开关状态信息和经其处理后的数字量传送给所述通信模块，以及接收所述通信模块传送的微电网中央控制器发出的控制指令，并执行该控制指令；
所述通信模块将从所述控制模块接收的并/离网开关状态信息和数字量传送给微电网中央控制器，以及将微电网中央控制器发出的控制指令传送给所述控制模块。
进一步地，所述测量模块包括互感器板和与所述互感器板连接的AD采样模块；所述互感器板与微电网***中的微电源输出线路连接，所述AD采样模块与所述控制模块连接；所述互感器板用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给所述AD采样模块；所述AD采样模块用于将从所述互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给所述控制模块。
进一步地，所述控制模块采用DSP控制处理模块；DSP控制处理模块对所接收到的数字量进行测频，计算有功功率、无功功率和功率角，以及并/离网双模式切换、有功/无功控制和恒压/恒频控制；
当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，所述DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制；
所述有功/无功控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的有功功率、无功功率作为输入量，将有功功率、无功功率解耦，经PI调节器为电流控制分量提供参考值，电流误差信号在PI调节器作用下为逆变器提供脉宽调制信号，控制逆变器输出指定的有功功率、无功功率；
所述电压/频率控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的电压、频率作为输入量，控制逆变器输出电压、频率恒定。
进一步地，所述DSP控制处理模块在执行微电网中央控制器发出的控制指令之前，所述DSP控制处理模块根据本地实际情况对微电网中央控制器发出的控制指令进行有效性判断，如果该控制指令不被微电源所接受，则不执行该控制指令。DSP控制处理模块根据采集的本地信息和接收到的中央控制器控制指令，确定微电网***处于何种运行模式下，自动实现对运行模式的切换和本地设备的相关控制，以确保本地局部电压稳定。
进一步地，所述通信模块为CAN总线通信模块。对外通过CAN总线来连接，能够有效支持分布式控制或实时控制。
本发明还提供一种使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）由微电源控制器的测量模块检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给所述控制模块；
（2）微电源控制器的控制模块获取并/离网开关状态信息，并将并/离网开关状态信息及数字量通过通信模块传送给微电网中央控制器；
（3）微电网中央控制器根据接收到的并/离网开关状态信息及数字量，发送控制指令给所述微电源控制器；
（4）所述控制模块通过所述通信模块获取控制指令，并执行该控制指令。
进一步地，所述步骤（1）具体为：所述测量模块包括互感器板和与所述互感器板连接的AD采样模块；由互感器板检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给所述AD采样模块；所述AD采样模块将从所述互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给所述控制模块。
进一步地，所述控制模块为DSP控制处理模块；所述步骤（4）进一步分为：
A.并网控制过程：当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，所述DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
B.当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制；
其中，
所述有功/无功控制是指：所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的有功功率、无功功率作为输入量，将有功功率、无功功率解耦，经PI调节器为电流控制分量提供参考值，电流误差信号在PI调节器作用下为逆变器提供脉宽调制信号，控制逆变器输出指定的有功功率、无功功率；
所述电压/频率控制是指：所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的电压、频率作为输入量，控制逆变器输出电压、频率恒定。
进一步地，所述DSP控制处理模块在执行微电网中央控制器发出的控制指令之前，所述DSP控制处理模块根据本地实际情况对微电网中央控制器发出的控制指令进行有效性判断，如果该控制指令不被微电源所接受，则不执行该控制指令。
本发明的有益效果在于：（1）与微电网中央控制器进行信息交换，根据微电网中央控制器的指令调节微电源输出的有功功率和无功功率，改善了***的稳定性和电能质量；（2）对微电网中央控制器指令可以有效判断，提高了微电网***运行的稳定性；（3）对外通过CAN总线来连接，能够有效支持分布式控制或实时控制；（4）对分布式能源的并网接入具有推动作用，一方面在当前政策和技术条件下，积极推进新能源的并网接入，另一方面，随着能源政策的日臻完善和微电网控制技术的逐步发展，可以在现有的理论研究和硬件基础上顺利完成其功能拓展，从而实现分布式能源顺利接入微电网。
附图说明
图1是使用本发明所述微电源控制器的微电网控制***的结构示意图。
图2是本发明所述微电源控制与微电网中央控制器之间的信息流动示意图。
图3是本发明所述有功/无功（P/Q）控制框图。
图4是本发明所述电压/频率（U/f）控制原理图。
图5是本发明所述电压/频率（U/f）控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括通信模块和测控模块，测控模块包括测量模块和控制模块；通信模块与控制模块以及微电网中央控制器连接，测量模块与控制模块以及微电网***中的微电源输出线路连接；测量模块用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给控制模块；控制模块用于将获取的并/离网开关状态信息和经其处理后的数字量传送给通信模块，以及接收通信模块传送的微电网中央控制器发出的控制指令，并执行该控制指令；通信模块将从控制模块接收的并/离网开关状态信息和数字量传送给微电网中央控制器，以及将微电网中央控制器发出的控制指令传送给控制模块。通信模块可以采用CAN总线通信模块，能够有效支持分布式控制或实时控制。
测量模块具体包括互感器板和与互感器板连接的AD采样模块，互感器板与微电网***中的微电源输出线路连接，AD采样模块与控制模块连接；互感器板用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给AD采样模块；AD采样模块用于将从所述互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给控制模块。
控制模块具体为DSP控制处理模块，可以对所接收到的数字量进行测频，计算有功功率、无功功率和功率角，以及并/离网双模式切换、有功/无功控制和恒压/恒频控制。
当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制。
DSP控制处理器根据采集的本地信息和接收到的微电网中央控制器控制指令，确定微电网***处于何种运行模式下，自动实现对运行模式的切换和本地设备的相关控制，以确保本地局部电压稳定；DSP控制处理器能根据本地信息的实际情况对微电网中央控制器的控制指令进行有效性的判断，如果微电网中央控制器发出的指令不被本地微电源接受，则可以不执行该指令。
图2是本发明所提供的微电源控制器与微电网中央控制器之间的信息流动图，微电源控制器通过互感器板采集微电网***中微电源的输出电压、输出电流，AD采样模块对互感器板得到的信息进行采样，将其转换为数字量，交由DSP控制处理模块进行处理，DSP控制处理模块输出采集到的微电源线路信息（微电源的输出电压、电流以及开关状态信息），由CAN总线通信模块发送给微电网中央控制器，并接收微电网中央控制器的控制指令（开关控制指令和功率、电压设定值）。
图3是本发明有功/无功（P/Q）控制框图。有功/无功（P/Q）控制使用预先设定功率参考值（由微电网中央控制器给出）作为输入量。从图3中可知，P/Q控制策略是将有功、无功功率解耦，经PI调节器为电流控制分量提供参考值，电流误差信号在PI调节器作用下为逆变器提供脉宽调制信号。控制电路应用三相锁相环PLL跟踪主网电压的相角，为控制***提供频率支撑。P/Q控制策略适用于并网运行并能稳定输出功率的分布式发电单元。
图4、图5是本发明中恒压/恒频（U/f）控制原理图。逆变器的电压和频率控制主要是为微电网的离网运行提供强有力的电压和频率支撑并具有一定负荷功率的跟随特性。根据图4、图5所示的下垂特性，当微电网负荷发生变化时，将导致频率和电压波动，其波动情况将取决于下垂特性和负荷的U/f敏感度。要使微电网的U/f恢复到额定值，则需要调节微电源的输出。图4、图5所示，微电网的频率控制即是调节微源的输出使微电网频率恢复到额定值。通过向左或向右平行的移动频率下垂曲线保证频率在一个恒定值。类似地，电压控制通过向左或向右调节电压特性维持微网电压在一个恒定值。
本发明所提供的使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法，包括以下步骤：
（1）由微电源控制器的测量模块检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给所述控制模块；
（2）微电源控制器的控制模块获取并/离网开关状态信息，并将并/离网开关状态信息及数字量通过通信模块传送给微电网中央控制器；
（3）微电网中央控制器根据接收到的并/离网开关状态信息及数字量，发送控制指令给所述微电源控制器；
（4）控制模块通过通信模块获取控制指令，并执行该控制指令。
可以使用互感器板检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给AD采样模块；AD采样模块将从互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给控制模块。
控制模块采用DSP控制处理模块；步骤（4）进一步分为：
A.并网控制过程：当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，所述DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
B.当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制。
在DSP控制处理模块执行微电网中央控制器发出的控制指令之前，所述DSP控制处理模块根据本地实际情况对微电网中央控制器发出的控制指令进行有效性判断，如果该控制指令不被微电源所接受，则不执行该控制指令。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (7)

1.一种微电源控制器，其特征在于，包括通信模块和测控模块，所述测控模块包括测量模块和控制模块；所述通信模块与所述控制模块以及微电网中央控制器连接，所述测量模块与所述控制模块以及微电网***中的微电源输出线路连接；
所述测量模块用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给所述控制模块；
所述控制模块用于将获取的并/离网开关状态信息和经其处理后的数字量传送给所述通信模块，以及接收所述通信模块传送的微电网中央控制器发出的控制指令，并执行该控制指令；
所述通信模块将从所述控制模块接收的并/离网开关状态信息和数字量传送给微电网中央控制器，以及将微电网中央控制器发出的控制指令传送给所述控制模块；
所述控制模块为DSP控制处理模块；所述DSP控制处理模块对所接收到的数字量进行测频，计算有功功率、无功功率和功率角，以及并/离网双模式切换、有功/无功控制和恒压/恒频控制；
当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，所述DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制；
所述有功/无功控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的有功功率、无功功率作为输入量，将有功功率、无功功率解耦，经PI调节器为电流控制分量提供参考值，电流误差信号在PI调节器作用下为逆变器提供脉宽调制信号，控制逆变器输出指定的有功功率、无功功率；
所述电压/频率控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的电压、频率作为输入量，控制逆变器输出电压、频率恒定。
2.如权利要求1所述的微电源控制器，其特征在于，所述测量模块包括互感器板和与所述互感器板连接的AD采样模块；所述互感器板与微电网***中的微电源输出线路连接，所述AD采样模块与所述控制模块连接；所述互感器板用于检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给所述AD采样模块；所述AD采样模块用于将从所述互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给所述控制模块。
3.如权利要求1或2所述的微电源控制器，其特征在于，所述DSP控制处理模块在执行微电网中央控制器发出的控制指令之前，所述DSP控制处理模块根据本地实际情况对微电网中央控制器发出的控制指令进行有效性判断，如果该控制指令不被微电源所接受，则不执行该控制指令。
4.如权利要求1或2所述的微电源控制器，其特征在于，所述通信模块为CAN总线通信模块。
5.一种使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）由微电源控制器的测量模块检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为控制模块能够处理的电压信号，将电压信号由模拟量转换成数字量，并将数字量传送给所述控制模块；
（2）微电源控制器的控制模块获取并/离网开关状态信息，并将并/离网开关状态信息及数字量通过通信模块传送给微电网中央控制器；
（3）微电网中央控制器根据接收到的并/离网开关状态信息及数字量，发送控制指令给所述微电源控制器；
（4）所述控制模块通过所述通信模块获取控制指令，并执行该控制指令；
所述控制模块为DSP控制处理模块；所述步骤（4）进一步分为：
A.并网控制过程：当微电网***从并网运行向离网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令，并控制逆变器将微电网中央控制器给定的电压的幅值和相位作为离网运行状态下的电压闭环控制中的幅值和相位参考值，随后逆变器通过电压闭环控制，使输出电压逐步升至负载电压额定值，所述DSP控制处理模块控制逆变器由有功/无功控制切换至电压/频率控制，并随着微电网***负荷变动进行调节；
B.当微电网***从离网运行向并网运行状态切换时，所述DSP控制处理模块接收微电网中央控制器发送的控制指令并监视微电网***的电压，控制逆变器采用电压闭环控制，使输出电压与公共电网电压同步，当检测到逆变器输出电压幅值和相位与公共电网一致时，闭合所述并/离网开关，DSP控制处理模块控制逆变器由电压/频率控制切换至有功/无功控制；
其中，
所述有功/无功控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的有功功率、无功功率作为输入量，将有功功率、无功功率解耦，经PI调节器为电流控制分量提供参考值，电流误差信号在PI调节器作用下为逆变器提供脉宽调制信号，控制逆变器输出指定的有功功率、无功功率；
所述电压/频率控制是指，所述DSP控制处理模块将接收到的微电网中央控制器给定的电压、频率作为输入量，控制逆变器输出电压、频率恒定。
6.如权利要求5所述的使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：所述测量模块包括互感器板和与所述互感器板连接的AD采样模块；由互感器板检测微电源输出线路上的电压和电流，将电流信号转换为所述控制模块能够处理的电压信号，并将其传送给所述AD采样模块；所述AD采样模块将从所述互感器板接收的电压信号由模拟量转换为数字量，并将该数字量传送给所述控制模块。
7.如权利要求5或6所述的使用微电源控制器实现微电网与公共电网并/离网控制的方法，其特征在于，所述DSP控制处理模块在执行微电网中央控制器发出的控制指令之前，所述DSP控制处理模块根据本地实际情况对微电网中央控制器发出的控制指令进行有效性判断，如果该控制指令不被微电源所接受，则不执行该控制指令。
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