一种变流器多机并联控制方法与流程

1.本发明应用于储能变流器控制的技术领域,特别涉及一种储能变流器多机并联控制方法。


背景技术：

2.新能源汽车、智能电网、轨道交通等设备设施通常都会采用储能装置进行能量的存储，进而进行供能或应急使用，其中储能装置通常需要与电网或独立发电源连接进行能量的存储，主要的充电来源为电网，故而储能装置均需要变流器对自电网输入的电能进行转换，以满足储能装置的规格限制。同时由于单一储能装置的容量有限，通常都是将多个储能装置并联使用，但由于每个储能装置的运行工况不同，为了保证每个储能装置的运行稳定和使用寿命需要配置单独的变流器进行控制。变流器一般工作在并网运行状态，以电流控制方式运行；在某些场合如电网故障时，储能变流器也需要以电压控制模式运行，以便在离网状态下能保证本地关键负载的连续运行；即变流器需具备并网运行和离网运行功能，但目前模块化的变流器并联和离网采用不同的控制方法，难以得到兼容。
3.其中，变流器并联控制技术主要包括集中控制方式、主从控制方式、分散逻辑控制方式以及无互联线并联控制方式。变流器并网控制技术主要包括直接电流控制技术和间接电流控制技术。模块化变流器在并网状态时，如果采用直接电流控制方式，变流器是一个受控电流源，变流器输出端的电压由电网决定；如果采用间接电流控制方法，变流器是一个受控电压源，需要调整变流器输出电压的相位和幅值，使并网电流可控。模块化变流器处于离网状态时，变流器需要并联运行，变流器为一受控电压源。可以看出为了避免变流器并网与离网之间控制模式转换的问题，并网时变流器需要采用间接电流控制模式，传统的间接电流控制方法中，变流器基准电压的相位角和幅值通过公式计算而来，所用的变量包括电感值，而电感值在工作过程中可能受多种因素影响而发生变化，会造成幅值和相位角计算不准确。为了保证变流器在并离网切换时运行不会造成储能装置的性能降低，需要能够更稳定的控制方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种能够有效保护储能装置、在并离网切换时稳定性好以及在离网状态进行功率均分控制的变流器多机并联控制方法。
5.本发明所采用的技术方案是：本发明包括若干并联连接的变流器，若干并联连接的变流器通过并网开关与电网连接，每组变流器均设置有调节模组，若干调节模组均与上位机通信，所述调节模组包括vsg模块、调速器模块、测量模块、励磁调节模块以及驱动模块，所述变流器的一端与储能装置连接，所述vsg模块、所述调速器模块和所述测量模块均与变流器的另一端连接，所述调速器模块、所述测量模块所述励磁调节模块均与所述vsg模块信号连接，所述vsg模块通过给所述驱动模块控制所述变流器的电压幅值、相位以及频
率，若干并联的变流器在并网状态和离网状态之间切换时，上位机输出控制指令至每组所述调节模组，通过每组所述调节模组中的所述vsg模块进行预并列控制使并网开关两侧的电压幅值、相位以及频率保持同步。
6.由上述方案可见，通过调节模组的vsg模块和励磁调节模块模拟同步发电机的控制特性，实现变流器并机的电压与频率（u/f）控制和功率（p/q）均分控制，进而实现在并离网切换的过程中能够有效的调节变流器两端的功率状态，提高储能变流器的工作稳定性，同时起到保护储能设备作用。另外，通过所述测量模组对所述vsg模块的有功功率和无功功率的参数进行采集，并通过所述调速器模块和所述励磁调节模块进行调控，进而实现在离网后进行储能装置输出功率的控制，保证离网后负载还能够正常运行，提高了新能源储能系统的稳定性与灵活性，改善功率均分控制性能的下垂控制。其中，所述调速器模块用于调节有功负荷变动带来的频率波动，通过所述调速器模块对调控指令进行调节，实现由所述vsg模块输出调节频率后的驱动信号，实现模拟同步发电机基本的运行与控制特性，保持负载中的运行稳定，不会出现较大的变化，避免突变对电路系统中的设备造成损伤；所述励磁调节模块用于调节无功负荷变动所引起的输出电压波动，根据同步电机输出电压的实际值与参考值偏差自动调节励磁电流大小，使电压在负荷变动时保持稳定，并实现系统的无功功率平衡。
7.一个优选方案是，所述变流器多机并联控制方法还包括以下具体方法：通过所述测量模块获取所述vsg模块的输出功率，由所述调速器模块根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得所述vsg模块的输入机械功率指令，由所述励磁调节模块根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得励磁感应电动势指令，再由所述vsg模块根据、、及变流器连接回路中的电感电流求出电压指令并输出至所述驱动模块驱动变流器运行。
8.一个优选方案是，所述调速器模块包括频率调整单元和功率调整单元，所述频率调整单元根据上位机的频率指令和变流器的实际频率ω计算频率差值，所述功率调整单元根据频率差值和频率调节系数计算功率差值，通过功率差值与上位机的功率指令叠加得到输入机械功率指令；变流器在离网运行时，频率差值根据频率调节系数进行比例调节计算获得功率差值；在并网运行时，上位机的功率调度指令与实际功率功率p的差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算；在进入预并列控制时，电网的相位以及所述vsg模块的相位差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算。
9.一个优选方案是，所述励磁调节模块根据上位机的电压指令以及变流器的电压值u做差获得电压差值，并根据电压调节系数对电压差值进行计算获得功率差值，由功率差值与上位机的功率调度指令叠加获得励磁感应电动势指令；变流器在离网运行时，电压差值根据电压调节系数进行比例调节计算获得功率差值；在并网运行时，上位机的无功调度指令与变流器的无功功率q差值通过比例积分调节获得电压调整量，将电压调整量与原电压指令叠加获得新的电压指令，根据新的电压指令进行励磁感应电动势指令的计算；在进入预并列控制时，电压差值根据电压调节系数进行
比例积分调节计算获得功率差值。
10.一个优选方案是，若干并联连接的变流器在离网状态并联运行时采用恒压控制，根据每个所述调节模组中所述vsg模块的功率大小按比例分担负荷电流；其中，并联的若干所述vsg模块处于稳态时有功功率的输出为：，式中，为上位机的功率调度指令，为频率调节系数，为所述vsg模块的基准频率，为电网的工作频率；且若干并联的所述vsg模块的有功功率p与频率调节系数之间满足如下条件：。
11.一个优选方案是，所述vsg模块输出至所述驱动模块的电压指令满足以下公式：，其中为输出电压额定值，x为所述vsg模块的等效输出阻抗，为电压调节系数，为所述vsg模块输出的无功功率调度指令，并联连接的若干所述vsg模块的无功电压调节系数n以及无功功率q之间满足。
12.一个优选方案是，稳态时所述vsg模块输出的无功功率q满足：，，其中为电网并联母线电压。
附图说明
13.图1是本发明的系统连接示意图；图2是所述变流器与所述调节模组和的连接示意图；图3是所述调速器模块的控制原理图；图4是所述调速器模块的控制框图；图5是所述磁调节模块的控制原理图；图6是所述磁调节模块的控制框图；图7是频率闭环控制的示意图；图8是有功功率闭环调节的示意图；图9是定子等效电路及其相量图；图10是无功功率闭环调节的示意图；图11是所述vsg模块的控制示意图。
具体实施方式
14.如图1和图2所示，在本实施例中，本发明包括若干并联连接的变流器1，若干并联连接的变流器1通过并网开关2与电网3连接，每组变流器1均设置有调节模组，若干调节模组均与上位机通信，所述调节模组包括vsg模块4、调速器模块5、测量模块6、励磁调节模块7以及驱动模块8，所述变流器1的一端与储能装置9连接，所述vsg模块4、所述调速器模块5和所述测量模块6均与变流器1的另一端连接，所述调速器模块5、所述测量模块6所述励磁调节模块7均与所述vsg模块4信号连接，所述vsg模块4通过给所述驱动模块8控制所述变流器
1的电压幅值、相位以及频率，若干并联的变流器1在并网状态和离网状态之间切换时，上位机输出控制指令至每组所述调节模组，通过每组所述调节模组中的所述vsg模块4进行预并列控制使并网开关2两侧的电压幅值、相位以及频率保持同步。所述vsg模块4为vsg算法器。
15.如图2所示，所述测量模块6包括第一电感l1、第二电感l2以及电容c，所述第一电感l1和所述第二电感l2串联在所述变流器1与电网3之间的一组通路上，所述电容c的一端连接在所述第一电感l1和所述第二电感l2之间，所述电容c的另一端与所述变流器1与电网3之间的另一组通路连接。所述第一电感l1为滤波电感，所述电容c为滤波电容，所述第二电感l2的作用是使所述vsg模块4输出阻抗呈感性以实现对功率的控制。所述vsg模块4从所述第一电感l1和所述第二电感l2之间读取电流数据i
l
。
16.所述变流器1包括igbt全桥模块组成的三相电压型逆变桥、滤波器、预充电电路，直流侧连接储能蓄电池，交流侧可选择隔离变压器通过并网开关接入电网或负载，所述变流器1完成回路电能的变换。
17.所述变流器多机并联控制方法还包括以下具体方法：流经所述第二电感l2的电流和所述电容c的端电压经所述测量模块6采集后进行计算，求得所述vsg模块的输出功率指令，由所述调速器模块5根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得所述vsg模块4的输入机械功率指令，由所述励磁调节模块7根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得励磁感应电动势指令，再由所述vsg模块4根据、、及变流器1连接回路中的电感电流求出电压指令并输出至所述驱动模块8驱动变流器1运行。
18.所述驱动模块8包括信号调理电路、pwm控制电路以及驱动电路，根据所述vsg模块4输出的电压指令调制输出脉冲信号来控制所述变流器1的输出，控制整个变流器1功率管通断。
19.所述调速器模块5包括频率调整单元和功率调整单元，如图3所示所述调速器模块5的有功-频率特性为：
…
公式1；进一步的，如图4所示，所述频率调整单元根据上位机的频率指令和变流器1的实际频率ω计算频率差值，所述功率调整单元根据频率差值和频率调节系数计算功率差值，通过功率差值与上位机的功率指令叠加得到输入机械功率指令；变流器1在离网运行时图4中k1、k2、k3通道均断开，频率差值根据频率调节系数进行比例调节计算获得功率差值进行输入机械功率指令的计算，通过该方式可对负荷变化导致的频率波动进行快速调节，保证频率稳定性；在并网运行时图4中k1通道闭合，k2和k3通道保持断开，上位机的功率调度指令与实际功率功率p的差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算功率差值，进而进行输入机械功率指令的计算；在进入预并列控制时图4中k1通道断开，k2和k3通道闭合，电网3的相位以及所述vsg模块4的相位差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算功率差值，进行输入机械功率指令的计算，以实现并网时相位同步，而k3通道闭合则频率调节器由p调节改为pi调节，实现了频率的无差调节，满足并网时频率的同步要求；其中k3通道的s为所述vga模块4的输出额定容量（视在功率）。
20.进一步的，如图5所示，所述励磁调节模块7根据上位机的电压指令以及变流器
1的电压值u做差获得电压差值，并根据电压调节系数对电压差值进行计算获得功率差值，由功率差值与上位机的功率调度指令叠加获得励磁感应电动势指令；如图6所示，变流器1在离网运行时图6中k1和k2通道均断开，电压差值根据电压调节系数进行比例调节计算获得功率差值，通过快速比例调节维持其输出电压稳定；在并网运行时图6中k1通道闭合，k2通道断开，上位机的无功调度指令与变流器1的无功功率q差值通过比例积分调节获得电压调整量，将电压调整量与原电压指令叠加获得新的电压指令，根据新的电压指令进行励磁感应电动势指令的计算；在进入预并列控制时图6中k1通道断开，k2通道闭合，电压差值根据电压调节系数进行比例积分调节计算获得功率差值，通过电压无差控制，使所述vsg模块4并网时满足电压幅值的同步要求。
21.如图11所示，若干并联连接的变流器1在离网状态并联运行时采用恒压控制，根据每个所述调节模组中所述vsg模块4的功率大小按比例分担负荷电流；所述vsg模块4进行有功功率均分控制，所述vsg模块4的频率闭环控制结构如图7所示，所述vsg模块4的频率指令通常等于其基准频率，其传递函数为：
…
公式2，式中为具备角速度的转动惯量，d为阻尼系数；通过所述调速器模块4的调节作用增大了系统阻尼，阻尼系数d可设为0，进而简化传递函数可得：
…
公式3；当所述vsg模块4等效输出阻抗及线路阻抗之和呈感性时，所述vsg模块4输出的有功功率指令为：
…
公式4，式中u为所述vsg模块4输出的电压指令，为电网并联母线电压，δ为u与间的相位差角，x为所述vsg模块4等效输出阻抗及线路阻抗之和；根据所述vsg模块4的频率闭环控制的分析，可得所述vsg模块4的有功功率闭环调节的结构如图8所示，其具体函数为：
…
公式5；根据公式5可得，当并联的若干所述vsg模块4处于稳态时有功功率的输出为：
…
公式6，式中为上位机的功率调度指令，为频率调节系数，为电网3的工作频率；且若干并联的所述vsg模块4的有功功率p与频率调节系数之间满足如下条件：
…
公式7。
22.通过上位机对并联的各个所述vsg模块4进行指令调控，实现保证并联的若干变流器1在离网状态下实现输出功率的均分，进而保证负载能够稳定可靠的运行。
23.若干并联连接的变流器1在离网状态并联运行时，所述vsg模块4同时还进行无功功率均分控制，其同步发电机定子结构如图9所示，图中和u分别为定子绕组的励磁感应电动势及输出电压，其中与u的相位差δ接近为零，故cosδ≈１，进而得到定子绕组的励磁感应电动势满足
…
公式8；所述vsg模块4输出的无功功率q等同于定子电流的无功分量与定子输出电压额定值的乘积，即ｑ≈，综合励磁感应电动势的公式以及所述励磁调节模块7的结构可得：
…
公式9；同时，为了保证所述vsg模块4能进行无功功率的调度，需设定所述vsg模块4的电压调节特性方程为：
…
公式10，式中n为无功—电压调节系数，为vsg输出无功功率的调度指令；根据公式9和公式10可得，所述vsg模块4输出至所述驱动模块8的电压指令需满足以下条件：
…
公式11，其中为输出电压额定值，x为所述vsg模块4的等效输出阻抗，为电压调节系数，为所述vsg模块4输出的无功功率调度指令，按照公式11设定电压指令可使所述vsg模块4输出的无功功率根据进行调度；根据公式10为保证所述vsg模块4根据其无功容量按比例来分担无功负荷，并联连接的若干所述vsg模块4的无功电压调节系数n以及无功功率q之间必须满足
…
公式12。
24.当所述vsg模块4的等效输出阻抗及线路阻抗之和呈感性时，所述vsg模块4输出的无功功率为
…
公式13；若不考虑采样延迟，由上述无功功率控制的分析，得出所述vsg模块4无功功率的闭环调节结构图如图10所示，稳态时所述vsg模块4输出的无功功率q满足：
…
公式14，其中为电网3并联母线电压；由公式14可知稳态时所述vsg模块4输出无功功率大小和等效输出阻抗与线路阻抗之和有关，为使各并联vsg模块4能按其容量大小分担无功负荷，除了要按公式12设定各vsg模块4的n值外，还必须满足以下条件：
…
公式15。
25.通过上述方案实现一种变流器的多机并联控制方法，通过vsg本体算法模拟了同步发电机大转动惯量、大输出感抗的工作特点， 并参照同步发电机的控制特性设计了vsg的调速器与励磁调节器，从而提高了储能变流器的控制性能。
26.同时根据对所述vsg模块4的有功功率和无功功率的控制方法实现在离网模式下达到功率均分，提高系统运行的稳定性和灵活性，能满足储能变流器多机并联控制要求，其
功率均分控制性能较下垂控制有明显改善。
27.虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

技术特征：
1.一种变流器多机并联控制方法，若干并联连接的变流器（1）通过并网开关（2）与电网（3）连接，每组变流器（1）均设置有调节模组，若干调节模组均与上位机通信，其特征在于，所述调节模组包括vsg模块（4）、调速器模块（5）、测量模块（6）、励磁调节模块（7）以及驱动模块（8），所述变流器（1）的一端与储能装置（9）连接，所述vsg模块（4）、所述调速器模块（5）和所述测量模块（6）均与变流器（1）的另一端连接，所述调速器模块（5）、所述测量模块（6）所述励磁调节模块（7）均与所述vsg模块（4）信号连接，所述vsg模块（4）通过给所述驱动模块（8）控制所述变流器（1）的电压幅值、相位以及频率，若干并联的变流器（1）在并网状态和离网状态之间切换时，上位机输出控制指令至每组所述调节模组，通过每组所述调节模组中的所述vsg模块（4）进行预并列控制使并网开关（2）两侧的电压幅值、相位以及频率保持同步。2.根据权利要求1所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，它还包括以下具体方法：通过所述测量模块（6）获取所述vsg模块（4）的输出功率，由所述调速器模块（5）根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得所述vsg模块（4）的输入机械功率指令，由所述励磁调节模块（7）根据运行数据对上位机的控制指令进行修正获得励磁感应电动势指令，再由所述vsg模块（4）根据、、及变流器（1）连接回路中的电感电流求出电压指令并输出至所述驱动模块（8）驱动变流器（1）运行。3.根据权利要求2所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，所述调速器模块（5）包括频率调整单元和功率调整单元，所述频率调整单元根据上位机的频率指令和变流器（1）的实际频率ω计算频率差值，所述功率调整单元根据频率差值和频率调节系数计算功率差值，通过功率差值与上位机的功率指令叠加得到输入机械功率指令；变流器（1）在离网运行时，频率差值根据频率调节系数进行比例调节计算获得功率差值；在并网运行时，上位机的功率调度指令与实际功率功率p的差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算；在进入预并列控制时，电网（3）的相位以及所述vsg模块（4）的相位差值通过比例积分调节得到频率调整量，将频率调整量与上位机的频率指令叠加获得新的频率指令，根据新的频率指令进行计算。4.根据权利要求2所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，所述励磁调节模块（7）根据上位机的电压指令以及变流器（1）的电压值u做差获得电压差值，并根据电压调节系数对电压差值进行计算获得功率差值，由功率差值与上位机的功率调度指令叠加获得励磁感应电动势指令；变流器（1）在离网运行时，电压差值根据电压调节系数进行比例调节计算获得功率差值；在并网运行时，上位机的无功调度指令与变流器（1）的无功功率q差值通过比例积分调节获得电压调整量，将电压调整量与原电压指令叠加获得新的电压指令，根据新的电压指令进行励磁感应电动势指令的计算；在进入预并列控制时，电压差值根据电压调节系数进行比例积分调节计算获得功率差值。5.根据权利要求1所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，若干并联连接的变流器（1）在离网状态并联运行时采用恒压控制，根据每个所述调节模组中所述vsg模块（4）的功率大小按比例分担负荷电流；其中，并联的若干所述vsg模块（4）处于稳态时有功功
率的输出为：，式中，为上位机的功率调度指令，为频率调节系数，为所述vsg模块（4）的基准频率，为电网（3）的工作频率；且若干并联的所述vsg模块（4）的有功功率p与频率调节系数之间满足如下条件：。6.根据权利要求2所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，所述vsg模块（4）输出至所述驱动模块（8）的电压指令满足以下公式：，其中为输出电压额定值，x为所述vsg模块（4）的等效输出阻抗，为电压调节系数，为所述vsg模块（4）输出的无功功率调度指令，并联连接的若干所述vsg模块（4）的无功电压调节系数n以及无功功率q之间满足。7.根据权利要求6所述的一种变流器多机并联控制方法，其特征在于，稳态时所述vsg模块（4）输出的无功功率q满足：，，其中为电网（3）并联母线电压。

技术总结
本发明旨在提供一种能够有效保护储能装置、在并离网切换时稳定性好以及在离网状态进行功率均分控制的变流器多机并联控制方法。本发明包括若干并联连接的变流器，若干并联连接的变流器通过并网开关与电网连接，每组变流器均设置有调节模组，若干调节模组均与上位机通信，所述变流器的一端与储能装置连接，所述调节模组采集变流器的数据，所述调节模组通过输出驱动信号控制所述变流器的电压幅值、相位以及频率，若干并联的变流器在并网状态和离网状态之间切换时，上位机输出控制指令至每组所述调节模块，通过每组所述调节模组进行预并列控制使并网开关两侧的电压幅值、相位以及频率保持同步。本发明应用于储能变流器控制的技术领域。域。域。


技术研发人员：刘长树 杨卫民 王超
受保护的技术使用者：珠海九源绿电科技有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/13