一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法及装置

本发明涉及储能并网变流器控制，具体涉及一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法及装置。

背景技术：

1、随着风电、光伏等新能源大规模并网，电力系统逐渐呈现低惯量、弱阻尼和电力电子化特征，储能变流器具有能量双向流动和快速功率调节能力，可在新能源波动和电网扰动时提供灵活的有功、无功及电压频率支撑，对储能变流器的并网适应性和稳定支撑能力提出了更高要求。跟网控制通常依赖pll获取并网点电压相角，并以电流源形式实现功率跟踪，适用于强电网并网场景；构网控制则通过有功-频率、无功-电压等控制关系建立电压和频率参考，具有电压支撑和频率支撑能力，更适用于弱电网或孤岛运行场景。

2、由于跟网控制与构网控制在参考坐标系、稳态平衡点及控制环积分状态等方面存在差异，若直接进行模式切换，容易引起电压、电流冲击以及有功、无功功率振荡。现有跟网/构网切换方法多通过状态跟踪、预同步、幅相同步、参考量平滑或运行点匹配等方式减小切换扰动，但在存在虚拟阻抗和多环控制器积分状态的情况下，仅进行参考量或电流指令的平滑处理，仍可能使构网控制接管后出现内电势相角不连续、无功-电压平衡关系偏移或电压外环积分状态不匹配等问题。

3、因此，亟需一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法，来解决现有技术在切换时存在的电压电流冲击和功率振荡等问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法及装置，解决现有技术在切换时存在的电压电流冲击和功率振荡等问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法，包括：

3、当储能变流器处于跟网控制运行状态时，在跟网控制功率外环中引入与构网控制一致的下垂约束；基于所述下垂约束，使跟网控制的有功-频率和无功-电压平衡稳态关系与构网控制相匹配，形成统一稳态运行基准；

4、基于所述统一稳态运行基准，根据当前运行模式与目标切换模式，计算获得构网控制器初值或跟网控制器初值；

5、在切换瞬间将所述构网控制器初值赋值给构网控制器或将所述跟网控制器初值赋值给跟网控制器，使切换前后参考坐标系、等效内电势、无功-电压平衡关系、电压外环积分状态相匹配，完成平滑切换。

6、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法的优选方案，在计算获得所述构网控制器初值或所述跟网控制器初值的过程中，在从构网控制切换至跟网控制前，根据构网控制参考坐标系下并网点电压d、q轴分量及构网控制参考坐标系相角，计算获得并网点电压矢量相角并对跟网控制pll锁相环输出相角进行初始化；在从跟网控制切换至构网控制前，根据控制器中并网点电压、电流以及虚拟阻抗参数，计算获得构网控制器的参考坐标系相角初值、无功外环积分器初值以及电压外环d、q轴积分器初值。

7、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法的优选方案，在跟网控制功率外环中引入与构网控制一致的下垂约束，跟网控制下的dq轴电流参考值表达式为：

8、

9、式中，idref,gfl、iqref,gfl分别为跟网控制下的dq轴电流参考值；pref为有功功率指令；qref为无功功率指令；ω0为额定角频率；ω为角频率；dp为有功阻尼系数；kf为有功-频率下垂系数；vref为电压参考值；v为电压幅值；kq为无功-电压下垂系数；vod,gfl为跟网控制坐标系下的d轴输出电压。

10、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法的优选方案，所述并网点电压矢量相角的计算公式为：

11、

12、

13、式中，为并网点电压矢量相角，即跟网控制pll锁相环输出相角初始值；为构网控制输出相角；为并网点电压相对于gfm参考坐标系d轴的相角偏差；vod,gfm、voq,gfm分别为在gfm参考坐标系下dq轴的并网点电压。

14、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法的优选方案，构网控制器的所述参考坐标系相角初值的计算公式为：

15、

16、

17、式中，为参考坐标系相角初值；为跟网控制输出相角；为gfm内电势相对于gfl坐标系的相角偏差；ed,gfl和eq,gfl分别为跟网控制参考坐标系下构网控制的d轴和q轴内电势；

18、所述无功外环积分器初值的计算公式为：

19、

20、式中，为无功外环积分器初值；

21、所述电压外环d、q轴积分器初值的计算公式为：

22、

23、

24、式中，、分别为gfm参考坐标系下电压外环d轴和q轴积分器输出初值；δθgfl为gfl参考坐标系与gfm参考坐标系之间的相角差；uxd,gfl、uxq,gfl分别为gfl参考坐标系下电压外环d轴和q轴积分器输出初值。

25、本发明还提供一种跟网控制与构网控制的平滑切换装置，采用以上一种跟网控制与构网控制的平滑切换方法，包括：

26、统一稳态运行基准形成模块，用于当储能变流器处于跟网控制运行状态时，在跟网控制功率外环中引入与构网控制一致的下垂约束；基于所述下垂约束，使跟网控制的有功-频率和无功-电压平衡稳态关系与构网控制相匹配，形成统一稳态运行基准；

27、构网控制器及跟网控制器初值计算模块，用于基于所述统一稳态运行基准，根据当前运行模式与目标切换模式，计算获得构网控制器初值或跟网控制器初值；

28、平滑切换模块，用于在切换瞬间将所述构网控制器初值赋值给构网控制器或将所述跟网控制器初值赋值给跟网控制器，使切换前后参考坐标系、等效内电势、无功-电压平衡关系、电压外环积分状态相匹配，完成平滑切换。

29、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换装置的优选方案，所述构网控制器及跟网控制器初值计算模块中，在计算获得所述构网控制器初值或所述跟网控制器初值的过程中，在从构网控制切换至跟网控制前，根据构网控制参考坐标系下并网点电压d、q轴分量及构网控制参考坐标系相角，计算获得并网点电压矢量相角并对跟网控制pll锁相环输出相角进行初始化；在从跟网控制切换至构网控制前，根据控制器中并网点电压、电流以及虚拟阻抗参数，计算获得构网控制器的参考坐标系相角初值、无功外环积分器初值以及电压外环d、q轴积分器初值。

30、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换装置的优选方案，所述统一稳态运行基准形成模块中，在跟网控制功率外环中引入与构网控制一致的下垂约束，跟网控制下的dq轴电流参考值表达式为：

31、

32、式中，idref,gfl、iqref,gfl分别为跟网控制下的dq轴电流参考值；pref为有功功率指令；qref为无功功率指令；ω0为额定角频率；ω为角频率；dp为有功阻尼系数；kf为有功-频率下垂系数；vref为电压参考值；v为电压幅值；kq为无功-电压下垂系数；vod,gfl为跟网控制坐标系下的d轴输出电压。

33、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换装置的优选方案，所述构网控制器及跟网控制器初值计算模块中，所述并网点电压矢量相角的计算公式为：

34、

35、

36、式中，为并网点电压矢量相角，即跟网控制pll锁相环输出相角初始值；为构网控制输出相角；为并网点电压相对于gfm参考坐标系d轴的相角偏差；vod,gfm、voq,gfm分别为在gfm参考坐标系下dq轴的并网点电压。

37、作为一种跟网控制与构网控制的平滑切换装置的优选方案，所述构网控制器及跟网控制器初值计算模块中，构网控制器的所述参考坐标系相角初值的计算公式为：

38、

39、

40、式中，为参考坐标系相角初值；为跟网控制输出相角；为gfm内电势相对于gfl坐标系的相角偏差；ed,gfl和eq,gfl分别为跟网控制参考坐标系下构网控制的d轴和q轴内电势；

41、所述无功外环积分器初值的计算公式为：

42、

43、式中，为无功外环积分器初值；

44、所述电压外环d、q轴积分器初值的计算公式为：

45、

46、

47、式中，、分别为gfm参考坐标系下电压外环d轴和q轴积分器输出初值；δθgfl为gfl参考坐标系与gfm参考坐标系之间的相角差；uxd,gfl、uxq,gfl分别为gfl参考坐标系下电压外环d轴和q轴积分器输出初值。

48、本发明具有如下优点：

49、第一、本发明通过对跟网控制器的功率外环进行适应性调整，在跟网控制中引入与构网控制一致的下垂约束，使跟网与构网控制在切换前后有相同的稳态平衡关系，从而减小切换过程中的暂态冲击和功率振荡。

50、第二、本发明考虑了虚拟阻抗对跟网控制参考坐标系与构网控制参考坐标系之间相角关系的影响，根据并网点电压、电流以及虚拟阻抗压降计算构网控制内电势及参考坐标系相角初值，能够避免仅匹配电压幅值而忽略相角偏差导致的切换冲击，提高控制模式切换时的相角连续性。

51、第三、本发明根据切换前跟网控制状态下的稳态运行数据，计算构网控制无功外环积分器初值和电压外环dq轴积分器初值，并通过坐标旋转将相关初值转换至构网控制参考坐标系下，能够避免构网控制器在切换瞬间由零初值或默认初值重新建立控制平衡点，减小电压外环积分突变和持续积分误差，提高切换过程的平滑性。

52、第四、本发明在构网控制切换至跟网控制时，根据构网控制参考坐标系下的并网点电压d、q轴分量以及构网控制参考坐标系相角计算并网点电压矢量相角，并将其作为跟网控制pll锁相环输出相角初值，使跟网控制参考坐标系在切换瞬间与并网点电压矢量保持一致，能够减小pll相角突变引起的暂态冲击，提高构网控制向跟网控制切换时的平滑性。