CN114039379B - 一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，属于储能变流器控制领域，包括d轴电压控制器、q轴电压控制器、PWM调制模块、储能变流器、虚拟复阻抗模块、电流变换模块、电压变换模块。本发明在电压控制中加入电压前馈，提高电压控制响应速度，本发明引入的虚拟阻抗在不影响输出电压的幅值和精度前提下，通过设计合理的虚拟阻抗参数，将储能变流器等效输出阻抗设计为纯阻性，减小线路阻抗对功率分配的影响，增加储能变流器并联***的稳定性。

Description

一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***及方法
技术领域
本发明属于储能变流器控制领域，涉及一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***及方法。
背景技术
储能变流器是新能源分布式发电***、大功率UPS供电等微电网储能***的关键设备，实现发电***和电网能量的双向交换。储能变流器有并网模式和离网模式两种工况，离网模式储能变流器作为逆变电源控制输出电压和频率。
在多储能变流器并联***中由于各台储能变流器额定容量、滤波参数的不同会使各逆变器会使逆变器之间出现环流以及功率分配不均的问题。多储能变流器并联的主要方法可分为：主从式并联法、无互联线并联法、分布式并联法、现场总线式并联法等。无互联线并联法中最典型的控制方法是下垂控制策略，但由于下垂控制等效输出阻抗不均等以及储能变流器线路阻抗差异，各并联储能变流器之间易发生环流影响整个***的稳定性。
目前在传统下垂控制策略的基础上，引入一种虚拟阻抗的设计将虚拟电压反馈到输出电压给定，将逆变器等效输出阻抗设计为纯阻性，减小逆变器参数差异和线路阻抗差异对功率分配的影响，但这种方法因为加入虚拟阻抗的大小引起输出电压幅值的跌落，影响输出电压的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***及方法，通过设计控制结构、合理的虚拟阻抗参数，实现储能变流器孤岛模式下单台运行也可以实现多台储能变流器并联功率均分并增加***的稳定性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，包括d轴电压控制器、q轴电压控制器、PWM调制模块、储能变流器、虚拟复阻抗模块、电流变换模块、电压变换模块；
所述d轴电压控制器用于将输入的d轴电压设定值Udref和经所述电压变换模块处理得到的d轴电压ud处理得到d轴电压补偿值
所述电压补偿值和d轴电压设定值Udref计算得到d轴参考电压utd，所述d轴参考电压utd和虚拟复阻抗模块的d轴虚拟阻抗电压uvird计算得到d轴参考电压vd；
所述q轴电压控制器用于将输入的q轴电压设定值Uqref和经所述电压变换模块处理得到的q轴电压uq处理得到q轴电压补偿值
所述q轴电压补偿值和虚拟复阻抗模块的q轴虚拟阻抗电压uvirq计算得到q轴参考电压vq；
所述PWM调制模块用于将输入的最终d轴参考电压vd、q轴参考电压vq和电压矢量角θ计算得到储能变流器的触发脉冲信号；
所述储能变流器输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生输出电压和输出电流；
所述虚拟复阻抗模块用于将输入的d轴电流id和q轴电流iq处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；
所述电流变换模块用于将输入的三相输出电流ia、ib、ic和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电流id和q轴电流iq；
所述电压变换模块用于将输入的三相输出电压ua、ub、uc和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电压ud和q轴电压uq。
进一步，所述d轴电压设定值Udref是通过下垂特性计算得到的电压给定；所述q轴电压设定值Uqref＝0；所述电压矢量角θ的计算公式为：
θ＝∫ωdt
其中，输出电压角频率ω为：
ω＝2*π*f
其中，频率f为给定频率或者由下垂特性计算得到。
进一步，所述虚拟复阻抗模块计算d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq的计算公式为：
其中Rvir是虚拟电阻，Lvir是虚拟电抗，ω输出电压角频率。
进一步，所述电流变换模块计算d轴电流id和q轴电流iq的公式为：
进一步，所述电压变换模块计算d轴电压ud和q轴电压uq的公式为：
另一方面，本发明提供一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法，包括以下步骤：
S1：储能变流器通过输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生三相输出电压ua、ub、uc和三相输出电流ia、ib、ic；
S2：所述三相输出电压ua、ub、uc与电压矢量角θ共同输入电压变换模块，得到d轴电压ud和q轴电压uq；
S3：所述三相输出电流ia、ib、ic与电压矢量角θ共同输入电流变换模块，得到d轴电流id和q轴电流iq；
S4：d轴电流id和q轴电流iq通过虚拟复阻抗模块处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；
S5：d轴电压设定值Udref与d轴电压ud通过d轴电压控制器处理得到d轴电压补偿值
S6：电压补偿值和d轴电压设定值Udref计算得到d轴参考电压utd；d轴参考电压utd和d轴虚拟阻抗电压uvird计算得到d轴参考电压vd；
S7：q轴电压设定值Uqref和q轴电压uq处理得到q轴电压补偿值
S8：q轴电压补偿值和q轴虚拟阻抗电压uvirq计算得到q轴参考电压vq；
S9：将d轴参考电压vd、q轴参考电压vq以及电压矢量角θ输入PWM调制模块，得到储能变流器的触发脉冲信号，输入所述储能变流器。
进一步，所述d轴电压设定值Udref是通过下垂特性计算得到的电压给定；所述q轴电压设定值Uqref＝0；所述电压矢量角θ的计算公式为：
θ＝∫ωdt
其中，输出电压角频率ω为：
ω＝2*π*f
其中，频率f为给定频率或者由下垂特性计算得到。
进一步，所述虚拟复阻抗模块计算d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq的计算公式为：
其中Rvir是虚拟电阻，Lvir是虚拟电抗，ω输出电压角频率。
进一步，所述电流变换模块计算d轴电流id和q轴电流iq的公式为：
进一步，所述电压变换模块计算d轴电压ud和q轴电压uq的公式为：
本发明的有益效果在于：本发明在增加虚拟阻抗后不会造成输出电压的幅值的跌落，在多储能变流器***中实现功率合理分配，增加***的稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法的整体结构框图；
图2为虚拟阻抗的结构框图；
附图标记：101-d轴电压控制器，102-q轴电压控制器，103-PWM调制模块，104-储能变流器，105-虚拟复阻抗模块，106-电流变换模块，107-电压变换模块。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种储能变流器104在孤岛运行模式下的控制***，包括d轴电压控制器101、q轴电压控制器102、PWM调制模块103、储能变流器104、虚拟复阻抗模块105、电流变换模块106、电压变换模块107；
所述d轴电压控制器101用于将输入的d轴电压设定值Udref和经所述电压变换模块107处理得到的d轴电压ud处理得到d轴电压补偿值
所述电压补偿值和d轴电压设定值Udref计算得到d轴参考电压utd，所述d轴参考电压utd和虚拟复阻抗模块105的d轴虚拟阻抗电压uvird计算得到d轴参考电压vd；
所述q轴电压控制器102用于将输入的q轴电压设定值Uqref和经所述电压变换模块107处理得到的q轴电压uq处理得到q轴电压补偿值
所述q轴电压补偿值和虚拟复阻抗模块105的q轴虚拟阻抗电压uvirq计算得到q轴参考电压vq；
所述PWM调制模块103用于将输入的最终d轴参考电压vd、q轴参考电压vq和电压矢量角θ计算得到储能变流器104的触发脉冲信号；
所述储能变流器104输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生输出电压和输出电流；
所述虚拟复阻抗模块105用于将输入的d轴电流id和q轴电流iq处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；
所述电流变换模块106用于将输入的三相输出电流ia、ib、ic和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电流id和q轴电流iq；
所述电压变换模块107用于将输入的三相输出电压ua、ub、uc和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电压ud和q轴电压uq。
如图2所示，d轴电压设定值Udref是通过下垂特性计算得到的电压给定；所述q轴电压设定值Uqref＝0；所述电压矢量角θ的计算公式为：
θ＝∫ωdt
其中，输出电压角频率ω为：
ω＝2*π*f
其中，频率f为给定频率或者由下垂特性计算得到。
虚拟复阻抗模块105计算d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq的计算公式为：
其中Rvir是虚拟电阻，Lvir是虚拟电抗，ω输出电压角频率。
电流变换模块106计算d轴电流id和q轴电流iq的公式为：
所述电压变换模块107计算d轴电压ud和q轴电压uq的公式为：
本发明还提供一种储能变流器104在孤岛运行模式下的控制方法，包括以下步骤：
S1：储能变流器104通过输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生三相输出电压ua、ub、uc和三相输出电流ia、ib、ic；
S2：所述三相输出电压ua、ub、uc与电压矢量角θ共同输入电压变换模块107，得到d轴电压ud和q轴电压uq；
S3：所述三相输出电流ia、ib、ic与电压矢量角θ共同输入电流变换模块106，得到d轴电流id和q轴电流iq；
S4：d轴电流id和q轴电流iq通过虚拟复阻抗模块105处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；
S5：d轴电压设定值Udref与d轴电压ud通过d轴电压控制器101处理得到d轴电压补偿值
S6：电压补偿值和d轴电压设定值Udref计算得到d轴参考电压utd；d轴参考电压utd和d轴虚拟阻抗电压uvird计算得到d轴参考电压vd；
S7：q轴电压设定值Uqref和q轴电压uq处理得到q轴电压补偿值
S8：q轴电压补偿值和q轴虚拟阻抗电压uvirq计算得到q轴参考电压vq；
S9：将d轴参考电压vd、q轴参考电压vq以及电压矢量角θ输入PWM调制模块103，得到储能变流器104的触发脉冲信号，输入所述储能变流器104。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，其特征在于：包括d轴电压控制器、q轴电压控制器、PWM调制模块、储能变流器、虚拟复阻抗模块、电流变换模块、电压变换模块；
所述d轴电压控制器用于将输入的d轴电压设定值Udref和经所述电压变换模块处理得到的d轴电压ud的差值进行转换，得到d轴电压补偿值
将所述电压补偿值和d轴电压设定值Udref求和，得到d轴参考电压utd；将所述d轴参考电压utd和虚拟复阻抗模块的d轴虚拟阻抗电压uvird求和，得到d轴参考电压vd；
所述q轴电压控制器用于将输入的q轴电压设定值Uqref和经所述电压变换模块处理得到的q轴电压uq的差值进行转换，得到q轴电压补偿值
将所述q轴电压补偿值和虚拟复阻抗模块的q轴虚拟阻抗电压uvirq求和，得到q轴参考电压vq；
所述PWM调制模块用于将输入的最终d轴参考电压vd、q轴参考电压vq和电压矢量角θ计算得到储能变流器的触发脉冲信号；
所述储能变流器输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生输出电压和输出电流；
所述虚拟复阻抗模块用于将输入的d轴电流id和q轴电流iq处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；所述虚拟复阻抗模块计算d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq的计算公式为：
其中Rvir是虚拟电阻，Lvir是虚拟电抗，ω输出电压角频率；
所述电流变换模块用于将输入的三相输出电流ia、ib、ic和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电流id和q轴电流iq；
所述电压变换模块用于将输入的三相输出电压ua、ub、uc和输入的电压矢量角θ处理得到d轴电压ud和q轴电压uq。
2.根据权利要求1所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，其特征在于：所述d轴电压设定值Udref是通过下垂特性计算得到的电压给定；所述q轴电压设定值Uqref＝0；所述电压矢量角θ的计算公式为：
θ＝∫ωdt
其中，输出电压角频率ω为：
ω＝2*π*f
其中，频率f为给定频率或者由下垂特性计算得到。
3.根据权利要求1所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，其特征在于：所述电流变换模块计算d轴电流id和q轴电流iq的公式为：
4.根据权利要求1所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制***，其特征在于：所述电压变换模块计算d轴电压ud和q轴电压uq的公式为：
5.一种储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：储能变流器通过输入触发脉冲信号，输出端与电网母线连接产生三相输出电压ua、ub、uc和三相输出电流ia、ib、ic；
S2：所述三相输出电压ua、ub、uc与电压矢量角θ共同输入电压变换模块，得到d轴电压ud和q轴电压uq；
S3：所述三相输出电流ia、ib、ic与电压矢量角θ共同输入电流变换模块，得到d轴电流id和q轴电流iq；
S4：d轴电流id和q轴电流iq通过虚拟复阻抗模块处理得到d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq；所述虚拟复阻抗模块计算d轴虚拟阻抗电压uvird和q轴虚拟阻抗电压uvirq的计算公式为：
其中Rvir是虚拟电阻，Lvir是虚拟电抗，ω输出电压角频率；
S5：计算d轴电压设定值Udref与d轴电压ud的差值，通过d轴电压控制器转换得到d轴电压补偿值
S6：将电压补偿值和d轴电压设定值Udref求和，得到d轴参考电压utd；将d轴参考电压utd和d轴虚拟阻抗电压uvird求和，得到d轴参考电压vd；
S7：计算q轴电压设定值Uqref和q轴电压uq的差值，通过q轴电压控制器转换得到q轴电压补偿值
S8：将q轴电压补偿值和q轴虚拟阻抗电压uvirq求和，得到q轴参考电压vq；
S9：将d轴参考电压vd、q轴参考电压vq以及电压矢量角θ输入PWM调制模块，得到储能变流器的触发脉冲信号，输入所述储能变流器。
6.根据权利要求5所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法，其特征在于：所述d轴电压设定值Udref是通过下垂特性计算得到的电压给定；所述q轴电压设定值Uqref＝0；所述电压矢量角θ的计算公式为：
θ＝∫ωdt
其中，输出电压角频率ω为：
ω＝2*π*f
其中，频率f为给定频率或者由下垂特性计算得到。
7.根据权利要求5所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法，其特征在于：所述电流变换模块计算d轴电流id和q轴电流iq的公式为：
8.根据权利要求5所述的储能变流器在孤岛运行模式下的控制方法，其特征在于：所述电压变换模块计算d轴电压ud和q轴电压uq的公式为：
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