[发明专利]一种储能变流器被动脱网的全无缝切换控制方法

权利要求书

1.一种储能变流器被动脱网的全无缝切换控制方法，其特征在于：采用附加电流环、电压环和电感电流环相结合的三环结构的控制器对储能变流器进行控制；在并网运行时由电感电流内环和附加电流外环调节，实现对输出电流的控制；而孤岛运行时附加电流环退出，由电压外环与电感电流内环调节，实现对输出电压的控制；在孤岛检测期间电压环中控制器输出和附加电流环中控制器输出互相配合，使电感电流环稳定输出，维持逆变器输出额定电压，为负载提供电压支撑；保证储能变流器在发生被动脱网时能无缝切换到孤岛模式；

所述储能变流器包括依次连接的储能电源V_dc，中性点箝位型三电平逆变器，LC滤波器、负载R_Load、并/脱网开关S_u、交流侧电网保护开关STS、电网；储能变流器有三种运行状态：孤岛运行模式，并网运行模式，并网运行模式转孤岛运行模式的情况下，通过控制开关S₁与S₂来选择控制方法；当并脱网开关S_u与交流侧电网保护开关STS断开时，工作于孤岛运行模式，储能变流器向负载提供电能；当并脱网开关S_u与交流侧电网保护开关STS闭合时，工作于并网运行模式，储能变流器与电网连接；具体控制以d轴为例说明如下：

将输出电流的参考值i_dref与输出电流i_od经过控制开关S₁后送入所述附加电流环；经过所述附加电流环中控制器G_Ⅱ后输出ΔI_d与电网电流i_gd相加后接入控制开关S₂；

所述电压环的输出值i_Rd、ΔI_d和电网电流i_gd相加，再加入电容电流i_Cd构成电感电流参考值与此时的电感电流值i_Ld相减送入电感电流环中；经过所述电感电流环中控制器G_Ⅰ后输入SVPWM调制模块；

所述电压环与所述附加电流环及二者互相配合，其中电压环在Ctrl＝0时作为电压控制器，参与电压调节，在Ctrl＝1时作为保持器，维持上一时刻的输出值，电压环中控制器当前输出量i_Rd(t)表示为：

式中，i_Rd(t-1)表示电压环中控制器的前一时刻输出值，u_dref为逆变器输出电压参考值的d轴分量，u_od为逆变器输出电压的d轴分量，G_v为电压控制器，G_v＝k_vp+k_vi/s。

2.根据权利要求1所述的一种储能变流器被动脱网的全无缝切换控制方法，其特征在于：对储能变流器被动脱网的全无缝切换控制方法具体包括以下步骤：

步骤1、孤岛运行情况下，储能变流器的电网侧保护开关STS和开关S_u均断开，此时控制电压环中Ctrl＝0，并且附加电流环中的开关S₁与S₂断开，附加电流环退出运行，由电压外环与电感电流内环共同调节，实现对输出电压的控制；在稳态时，滤波电容器C_f电压和电流之间的关系在d-q轴表示为：

式中，i_Cd、i_Cq为滤波电容电流i_Cabc的dq轴分量，u_od、u_oq为逆变器输出电压u_oabc的dq轴分量，ω为逆变器的角频率，C_f为滤波电容；

则d轴电感电流参考值表示为：

式中，i_Rd是电压环中控制器的输出量，i_Cd为滤波电容电流i_Cabc的d轴分量，ω为逆变器的角频率，C_f为滤波电容，u_oq为逆变器输出电压u_oabc的q轴分量；

其中，电感电流的一部分参考i_Rd是电压环通过调节将输出电压控制到额定电压u_dref，为负载提供额定电压支撑，实现与实际负载电流的匹配；另一部分参考为d轴电容电流的稳态值-ωC_f·u_oq，此部分由q轴输出电压u_oq决定，即取决于q轴输出额定电压u_qref；因此，孤岛情况下电感电流参考值受电压环路的影响，为电压控制；

步骤2、并网运行情况下，假设并网时储能变流器中逆变器的输出功率大于负载功率，储能变流器中的电网侧保护开关STS自动闭合，经过同步并网控制后闭合开关S_u，同时电压环中控制Ctrl＝1，利用电压环中原有的控制器G_V，使电压环中控制器保持孤岛情况下的输出量i_Rd不变，并且控制附加电流环中开关S₁与S₂闭合，此时由附加电流环和电感电流环共同调节，实现对输出电流的控制，则d轴电感电流参考值表示为：

式中，i_Rd是电压环中控制器的输出量，ω为逆变器的角频率，C_f为滤波电容，u_oq为逆变器输出电压u_oabc的q轴分量，i_gd为电网电流i_gabc的d轴分量，ΔI_d为附加电流环中控制器的输出量；

其中，电感电流的第一部分参考i_Rd保持不变；第二部分参考为d轴电容电流的稳态值-ωC_f·u_oq，此部分由q轴输出电压u_oq决定，并网时钳位为电网电压因此不受电压环路的影响；第三部分参考为d轴电网电流前馈i_gd，与d轴输出电流i_od有关；最后一部分参考ΔI_d为d轴附加电流环中控制器的输出量，也与d轴输出电流i_od有关，因此并网情况下，附加电流环能够实现对输出电流的控制；

并网时逆变器工作于电流控制模式，输出给定的有功和无功功率值P_n+jQ_n，电流参考值计算如式(5)：

式中，i_dref、i_qref为逆变器输出电流参考值的dq分量，u_od、u_oq为逆变器输出电压u_oabc的dq轴分量；

步骤3、当电网发生故障时，储能变流器需要从并网运行模式切换到孤岛运行模式，此时电网电流i_gabc为零，此时储能变流器被迫发生脱网；储能变流器中电网侧保护开关STS立刻断开，根据孤岛检测算法开始进行孤岛检测，在此段时间内控制电压环中的Ctrl仍保持为1，电压环中的控制器输出仍保持i_Rd不变，同时控制附加电流环中的开关S₁断开，附加电流环不再进行调节，其输出量保持并网时的ΔI_d不变，使电感电流的给定参考值不变，此时d轴电感电流的参考值由式(4)变为：

式中，i_Rd是电压环中控制器的输出量，ω为逆变器的角频率，C_f为滤波电容，u_oq为逆变器输出电压u_oabc的q轴分量，ΔI_d为附加电流环中控制器的输出量；

若整个过程中负载保持不变，ΔI_d用来作为补偿实际运行中负载电流的波动，但在并网的稳态运行过程中波动很小，因此附加电流环中控制器输出量ΔI_d几乎为零，对系统的影响能够忽略，则式(6)简化为孤岛情况下的式(3)，在孤岛检测时间里i_Rd这部分输出量始终与实际的负载电流控制量匹配，能为负载提供额定电压支撑，避免在孤岛检测期间内电压失控的现象；

若在并网运行中负载发生改变，此时在并网运行中，附加电流环的输出量ΔI_d发生改变，其不仅用来补偿实际运行中负载电流的波动，而且主要用来补偿因负载变化而导致的电网电流变化量，因此在孤岛检测时间内，虽然i_Rd与实际负载电流的控制量不再匹配，但经输出量ΔI_d补偿后，使i_Rd与ΔI_d的和与负载变化后实际负载的电流控制量相匹配，仍能为负载提供电压支撑，维持孤岛检测时间内逆变器额定电压的输出；

孤岛检测结束后控制电压环中Ctrl＝0，同时开关S₂断开，重新变为孤岛运行，电压环中控制器重新调节，产生与此时负载电流相匹配的控制量，实现对电压的控制。