CN106684926A - 混合微电网黑启动过程的dc/ac逆变器的预同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，检测母线电压和频率，将检测值设定为恒压恒频控制方法的参考值，使DC/AC逆变器输出电压幅值和频率与母线电压相同，通过电流控制内环、电压控制外环的双闭环控制实现逆变器输出恒压恒频。使用锁相环分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角，通过计算得出相角差，利用相角差计算出输出电压追平相角差需要***零频时间，将V/f控制参考频率设为零，实现逆变器输出电压的相角追平。本发明的预同步控制方法，可以将预同步控制控制在几个周期之内，加快了预同步速度，减小了微电网黑启动的时间，将因微电网故障造成的损失降低到最小。

Description

混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法。

背景技术

近年来，由于能源危机越发严重，电力电子技术、分布式电源(DG)的应用和发展备受瞩目。混合微电网综合了交直流微电网双方的优势，并大量使用了DG，在应用效率以及技术实用性的角度来说，其发展具有十分广阔的前景。但是，由于混合微电网中DG和电力电子变换器的大量使用，使得微电网的稳定性降低，不确定性增加，尤其当微电网由于故障造成全面停电进入全黑状态时，微电网将不易恢复。因此，需要更加有效的微电网保护策略对微电网进行保护，特别是快速有效的黑启动保护策略。当微电网全面崩溃，进入全黑状态时，更加有效快速的黑启动策略和控制方法成为黑启动能否成功的关键。

在混合微电网交流子网串行启动方案中，黑启动过程包括黑启动主电源启动对母线充电、其他非黑启动主电源的并网和负载接入。在主电源启动成功并建立稳定的母线电压环境后，DG输出电压和母线电压在幅值、频率、相角和相位上存在差异。如果在幅值、频率、相角和相位上的差异过大，超出安全范围，直接将DG接入母线会有超出安全范围的冲击电流产生，导致母线电压失衡和DG接入失败。

DG不能顺利接入母线，最终影响微电网黑启动过程，甚至黑启动失败，从而导致长时间、大范围的供电失败，造成巨大的经济损失。因此，需要研究一种快速有效的混合微电网黑启动DC/AC逆变器的预同步控制方法，控制其他DG在接入母线前，将逆变器输出电压幅值、频率、相角同步到交流母线电压可接受的安全范围之内，从而平稳接入。并且尽可能实现快速同步，节约黑启动时间，减少微电网因故障而造成的损失。因此，快速有效的微电网逆变器预同步控制方法对微电网黑启动的成功至关重要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，本发明在DC/AC逆变器传统恒压恒频(V/f)控制基础上通过调节电压和频率给定实现预同步控制。本发明可以缩短预同步时间，提高预同步精度。在本预同步方法的控制下，逆变器输出电压可以近似同步于母线电压，在DG并网过程中减小母线冲击电流，实现平稳并网，安全快速的完成黑启动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，检测母线电压和频率，将检测值设定为恒压恒频控制方法的参考值，使DC/AC逆变器输出电压幅值和频率与母线电压相同，通过电流控制内环、电压控制外环的双闭环控制实现逆变器输出恒压恒频。

分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角，通过计算得出相角差，利用相角差计算出输出电压追平相角差需要***零频时间。

将V/f控制参考频率设为零，实现逆变器输出电压的相角追平。

利用锁相环分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角。

具体包括以下步骤：

(1)检测出母线的电压和频率，并将其作为DC/AC逆变器恒压恒频控制的参考电压、频率；

(2)计算出母线和逆变器输出电压的相角，判断相角差值是否在直接接入范围之内，如在范围之内则将分布式电源直接接入，如超出了直接接入范围则计算出追平相角差值需要***的零频率时间；

(4)在得到分布式电源并网信号后，逆变器输出电压一个周期结束时将频率给定设为零，持续时间为所***的零频率时间；

(5)在零频时间结束后，参考频率恢复电网电压频率；

(6)再次分别计算出母线和逆变器输出电压的相角，判断相角差值是否在可直接接入范围之内，在范围之内则将分布式电源直接接入。

所述步骤(1)中，黑启动主电源对母线充电，以建立稳定的母线环境，分布式电源完成空载追踪，逆变器输出的电压幅值、频率与母线电压相同。

所述步骤(2)中，利用锁相环分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角。

所述步骤(2)中，相角差的计算方式为分布式电源输出电压相角与母线电压相角的差值。

所述步骤(2)中，如果相角差在可以维持***稳定的范围内，则接收到并网信号时直接并网，控制方法由恒压恒频控制转换为恒功率控制。

所述步骤(4)中，所***的零频率时间段的计算方法为：

式中θ为相角差，θ₁为DG输出电压相角，θ₂为母线电压相角。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明简化了DG预同步过程。***零频率时间的预同步控制方法，使得预同步算法更加简便可控；

(2)本发明预同步结果更加精确。相比于传统的预同步控制方法，通过计算得到的零频率时间使得预同步过程中追平相角更加精确，误差更小；

(3)本发明的预同步控制方法，可以将预同步控制控制在几个周期之内，加快了预同步速度，减小了微电网黑启动的时间，将因微电网故障造成的损失降低到最小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为混合微电网结构图；

图2为本发明预同步控制方法结构框图；

图3为本发明预同步控制频率给定输出流程图；

图4(a)为相角差为60°时，采用本发明预同步控制过程DG单相输出电压和交流母线电压仿真图；

图4(b)为相角差为60°时，采用本发明预同步控制过程DG三相输出电压仿真图；

图5(a)为相角差为90°时，采用本发明预同步控制过程DG单相输出电压和交流母线电压仿真图；

图5(b)为相角差为90°时，采用本发明预同步控制过程DG三相输出电压仿真图；

图6(a)为相角差为180°时，采用本发明预同步控制过程DG单相输出电压和交流母线电压仿真图；

图6(b)为相角差为180°时，采用本发明预同步控制过程DG三相输出电压仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

混合微电网的结构图如图1所示，在黑启动开始时开关全部断开，当黑启动主电源对母线充电，并建立稳定的母线环境之后，其他DG并网。

预同步控制分为空载追踪和并联预同步。在空载追踪过程中，DC/AC逆变器被控制在V/f模式下，参考电压和频率分别为母线电压和频率。通过电压电流双闭环PID控制实现逆变器输出恒压恒频，实现输出电压的幅值和频率与母线相同。

当接到并网信号后，逆变器进入并联预同步阶段。图2为其他DG并网预同步控制框图。预同步模块通过PLL检测出逆变器输出相角，通过公式计算出追平相角差所需要***的零频率时间，并输出参考频率。其并网预同步实现具体步骤如下：

(1)黑启动主电源对母线充电，建立一个稳定的母线环境。DG完成空载追踪，逆变器输出的电压幅值、频率与母线电压相同；

(2)通过PLL分别检测出母线和逆变器的输出相角，并计算相角差，相角差计算公式为：

θ＝θ₁-θ₂

式中θ为相角差；θ₁为DG输出电压相角；θ₂为母线电压相角；

(3)如果相角差在可以维持***稳定的范围内，则接收到并网信号时直接并网，控制方法由V/f控制转换为恒功率(P/Q)控制；

(4)如果相角差过大，超出了安全并网的范围，预同步模块计算出追平相角差所需要***的零频率时间，并当一个电压周期结束后，瞬间将参考频率降为零，持续时间为所计算出的零频时间，结束后频率给定恢复到母线频率。所***的零频率时间段为Δt计算公式为：

(5)相角追平后，当接收到并网信号时DG并网，逆变器控制方法由V/f控制转换为P/Q控制。

图3为预同步控制模块频率输出流程框图。

经过预同步模块的预同步控制之后，逆变器输出电压在相位、幅值、频率和相角都与母线电压近似相同，其差值都处于安全并网范围之内，可以实现安全并网。

仿真分析：

表1：仿真参数

仿真分析：

在MATLAB/SIMULINK 2014a中搭建三相桥式PWM逆变器，并搭建控制***使逆变器工作在V/f控制下。并在此基础上添加预同步模块，使用本发明的预同步控制方法进行控制，给定母线额定峰值电压为350V，母线电压相角为0°，在0.1s时，得到并网信号，逆变器输出开始追平相角，使相角差为零。

仿真波形图4(a)-(b)，图5(a)-(b)，图6(a)-(b)分别为当逆变器输出电压和母线电压相角差为60°，90°，180°时，单相电压和三相电压在预同步过程中的波形。从仿真波形中可以看出使用本发明的预同步控制方法，可以很快的追平逆变器输出电压和母线电压之间相角差。从仿真波形中可以看出，使用本发明进行预同步控制之后，波形没有发生畸变，与母线电压基本的完全重合，达到了预同步的预期效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：检测母线电压和频率，将检测值设定为恒压恒频控制方法的参考值，使DC/AC逆变器输出电压幅值和频率与母线电压相同，通过电流控制内环、电压控制外环的双闭环控制实现逆变器输出恒压恒频。

2.如权利要求1所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角，通过计算得出相角差，利用相角差计算出输出电压追平相角差需要***零频时间。

3.如权利要求1所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：将V/f控制参考频率设为零，实现逆变器输出电压的相角追平。

4.如权利要求1所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：利用锁相环分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)检测出母线的电压和频率，并将其作为DC/AC逆变器恒压恒频控制的参考电压、频率；

(2)计算出母线和逆变器输出电压的相角，判断相角差值是否在直接接入范围之内，如在范围之内则将分布式电源直接接入，如超出了直接接入范围则计算出追平相角差值需要***的零频率时间；

(4)在得到分布式电源并网信号后，逆变器输出电压一个周期结束时将频率给定设为零，持续时间为所***的零频率时间；

(5)在零频时间结束后，参考频率恢复电网电压频率；

(6)再次分别计算出母线和逆变器输出电压的相角，判断相角差值是否在可直接接入范围之内，在范围之内则将分布式电源直接接入。

6.如权利要求5所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，黑启动主电源对母线充电，以建立稳定的母线环境，分布式电源完成空载追踪，逆变器输出的电压幅值、频率与母线电压相同。

7.如权利要求5所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，利用锁相环分别检测母线电压和逆变器输出电压的相角。

8.如权利要求5所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，相角差的计算方式为分布式电源输出电压相角与母线电压相角的差值。

9.如权利要求5所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，如果相角差在可以维持***稳定的范围内，则接收到并网信号时直接并网，控制方法由恒压恒频控制转换为恒功率控制。

10.如权利要求5所述的一种混合微电网黑启动过程的DC/AC逆变器的预同步控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，所***的零频率时间段的计算方法为：

$\mathrm{\&Delta;}t=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{f}\&CenterDot;\frac{\left|\mathrm{\&theta;}\right|}{2\mathrm{\&pi;}},& {\mathrm{\&theta;}}_1<{\mathrm{\&theta;}}_2\\ \frac{1}{f}\&CenterDot;(1-\frac{\left|\mathrm{\&theta;}\right|}{2\mathrm{\&pi;}}),& {\mathrm{\&theta;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\right.$

式中θ为相角差，θ₁为DG输出电压相角，θ₂为母线电压相角。