CN103731062A - 交直流混合微电网用ac/dc双向功率变流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，属于涉及电力电子脉宽调制技术领域。该方法具体为：在交直流混合微电网联网运行时，对直流微电源采用恒电压控制，交流微电源采用恒功率控制，使得双向变流器向电网传输额定功率；在交直流混合微电网孤岛运行时，对交流微电源采用恒压恒频控制，直流微电网采用恒电压控制，使得交直流微电网间的有功功率平衡。本发明在电压控制的基础上，引入有功功率控制项，有效平衡了交直流微电网间的功率流动，提高系统联网和孤岛运行的稳定性及可控性。

Description

交直流混合微电网用AC/DC双向功率变流器控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子脉宽调制技术领域，具体涉及一种交直流混合微电网用AC/DC双向功率变流器控制方法。

背景技术

微电网可分为交流和直流两类，目前主要以交流形式存在。考虑到微电网中可能存在的大量直流分布电源以及日益增加的直流负荷，目前广泛使用的单一交流电源供电方式存在系统成本高、损耗大、谐波严重等问题。迄今，关于AC/DC双向功率变流器的控制方法较多，如专利CN201210113941.7提出的带高频整流桥的无死区三相AC/DC变流器；CN201310009583.X中的自环流三相双降压AC/DC变流器；CN201210557230.9介绍的一种多功能电流型双向AC/DC变流器及其控制方法等。但具体用于交直流混合微电网中的AC/DC双向功率变流器的控制方法却很少有涉及，其难度在于新的控制方法要根据分布式电源及用户负荷等特点，采用交直流混合的灵活供电运行模式，能够有效降低投入成本及相关损耗，达到充分利用分布式能源的目的。

发明内容

本发明提出一种交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，该控制方法通过控制直流母线和交流母线间的功率流动，实现对系统的电压稳定及电能质量的提高。

交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：交直流混合微电网联网运行时，对直流微电源采用恒电压控制，交流微电源采用恒功率控制，使得双向变流器向电网传输额定功率；

步骤B：交直流混合微电网孤岛运行时，对交流微电源采用恒压恒频控制，直流微电网采用恒电压控制，使得交直流微电网间的有功功率平衡。

进一步地，所述步骤A的具体实施方式为：

交直流混合微电网联网运行时，以交流母线电压e_i和交流母线电流i_i为状态变量来获得变流器控制电压在d-q坐标系下的分量u_d和u_q，具体控制方法如下：

当变流器直流侧电压

此时变流器交流侧输出电压u_i＜交流母线电压e_i，控制直流侧输出的额定有功功率P_ref＝0，使得有功功率由电网流向变流器直流侧；

当变流器直流侧电压

此时交流侧输出电压u_i＞交流母线电压e_i，控制直流侧输出的额定有功功率P_ref＞0，使得有功功率由变流器直流侧流向电网；

其中，

为直流母线的额定电压。

进一步地，所述步骤B的具体实施方式为：

交直流混合微电网孤岛运行时，以变流器交流侧电容电压在d-q坐标系下的分量e_d和e_q为状态变量来获得变流器控制电压在d-q坐标系下的分量u_d和u_q，具体控制方法如下

当交流母线电压

且变流器直流侧电压

时，将直流微电网视为功率有限的恒压源，该恒压源通过双向变流器接入交流母线，通过调节P_ref控制有功功率流向交流侧；

当交流母线电压

且变流器直流侧电压

时，通过外电路提供有功功率，此时将流微电网被视为负载；

当交流母线电压

且变流器直流侧电压

时，交直流母线均工作于额定状态，交直流微电网间没有功率流动；

其中，

和

分别为交流母线和直流母线的额定电压

本发明的技术效果体现在：

微电网联网运行时，必须能够根据电网的要求输出相应的有功功率。在传统的策略中，由于功率型直流微电源最大功率输出，通常采用恒电压控制的双向变流器，使得直流微电压的输出功率不可控，进而不利于并网操作，且直流母线电压的平衡完全依赖于双向变流器，降低了系统稳定性。

针对上述问题，本控制方法采用一种定电压有功功率传输控制策略，对直流微电源采用恒电压控制，交流微电源采用恒功率（PQ）控制，双向变流器向电网传输额定功率。

当蓄电池储能充足时，直流微电网相当于一个功率可控的分布式电源，反之将其视为负荷。由于联网运行时双向变流器交流侧电压e_i及频率f与大电网保持一致，变流器直流侧电压u_dc与i_d成比例，有功功率与i_d保持一定的关系，通过电流来控制有功功率的流动，若忽略开关电源的损耗，变流器两侧瞬时功率保持恒等关系。双向变流器在稳定直流母线电压的同时提供可控的有功功率输出。

当微电网处于孤岛运行时，本控制方法以交直流母线电压差值为外环，控制交直流微电网间的有功功率平衡。交流微电源采用恒压恒频（v/f）控制，以维持交流母线上电压和频率的稳定，直流微电网采用恒电压控制。

综上所述，通过本发明的上述控制方法，由于其引入功率控制项，相对恒压控制，该方法在维持交直流母线电压稳定的同时，可提供额定的有功功率输出，不受分布式电源输出功率的影响，功率输出更加平稳。因此，提高了电压稳定及电能质量。

附图说明

图1为AC/DC双向功率变换器的拓扑结构图；

图2为联网模式控制框图；

图3为孤岛运行模式电压电流双环控制框图；

图4为孤岛运行模式电压频率控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是AC/DC双向功率变流器的拓扑结构图。其中L为交流侧滤波电感，C为交流侧滤波电容，u_i和i_i为交流侧输出电压和电流，u_dc和i_dc为直流侧电压和电流，e_i和i_Li分别为交流侧电容电压（即交流母线电压）及交流侧电感电流（即交流母线电流），i₀为流入直流母线的电流，另外设定和

分别为交流母线和直流母线的额定电压。

AC/DC双向功率变流器根据功率的流向，可分为两种工作模式：整流模式和逆变模式，具体如下：

（1）整流模式：交流电能经变流器整流后，通过直流侧滤波电容C_f馈入直流母线。

（2）逆变模式：直流电能经空间矢量脉宽调制（SVPWM）后转变为交流电，再通过LC滤波器滤除高次谐波后，接入交流母线。为了方便控制系统的设计，常采用Park变化，将三相静止坐标系中的交流量转换到同步旋转d-q坐标系下。

AC/DC双向变换器的控制目标是使能量实现双向流动，假设三相电路对称，在同步旋转d-q坐标系下，有功功率和无功功率计算式为

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}{e}_d{i}_d+\frac{3}{2}{e}_q{i}_q\\ Q=-\frac{3}{2}{e}_d{i}_d+\frac{3}{2}{e}_q{i}_d\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中e_d，e_q，i_d及i_q分别为d轴和q轴下的电压和电流分量。P为有功功率，Q为无功功率。取d轴为交流侧电压矢量合成方向，可以得到e_q＝0。因而式（1）可以简化为

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}{e}_d{i}_d\\ Q=-\frac{3}{2}{e}_d{i}_q\end{array}\right.---\left(2\right)$

下面对控制策略的具体实施过程进行相关说明。

1.联网运行时采用一种定电压有功功率传输控制策略，对直流微电源采用恒电压控制，交流微电源采用恒功率（PQ）控制，双向变流器向电网传输额定功率。

由于联网运行时双向变流器交流侧电压e_i及频率f与大电网保持一致，变流器直流侧电压u_dc与i_d成比例，有功功率与i_d相互影响。整个过程通过电流来控制有功功率的流动，若忽略开关电源的损耗，变流器两侧瞬时功率恒等，即

$P=i_{\mathrm{dc}}{u}_{\mathrm{dc}}=\frac{3}{2}{e}_d{i}_d---\left(3\right)$

其中u_dc和i_dc为直流侧电压和电流。

双向变流器在稳定直流母线电压的同时将提供可控的有功功率输出，其状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=e_d-u_d+\mathrm{wL}{i}_q\\ C_f\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(i_d{s}_d+i_q{s}_q)-i_0-i_p\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中ω为电频率，s_d和s_q为开关驱动信号。当s_k=1（k=d,q）时，上桥臂导通，下桥臂关断；当s_k=0（k=d,q）时，上桥臂关断，下桥臂导通。变流器传输的有功功率用电流注入量i_p表示，则直轴参考电流可表示为

i^* _d=K_p(u^* _dc-u_dc)+K_I∫(u^* _dc-u_dc)dt-i_p             （5）

图2为本发明提出的联网模式控制框图，以交流侧电容电压e_i和电感电流i_i为状态变量，经park变换后，可得状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=u_d-e_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q,C\frac{{\mathrm{de}}_d}{\mathrm{dt}}=i_d-i_{\mathrm{Ld}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Ce}}_q\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=u_q-e_q-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d,C\frac{{\mathrm{de}}_q}{\mathrm{dt}}=i_q-i_{\mathrm{Lq}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Ce}}_d\end{array}\right.---\left(6\right)$

由式(6)可得控制分量u_d和u_q，其中P_ref为直流侧输出的额定有功功率，

为交轴参考电流。直流侧电压采用PI控制以维持稳定，其传递函数G_dc(s)表示为

$G_{\mathrm{dc}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_I}{S}---\left(7\right)$

其中u^* _dc为直流侧电压参考值，K_P，K_I为比例系数。

基于上述联网模式控制框图，本发明的控制策略在联网运行时分两种情况：u_i＜e_i和u_i＞e_i。当

时，直流侧电压低于额定电压，此时u_i＜e_i，设P_ref＝0，此时有功功率由大电网流向直流侧。当

时，控制P_ref＞0，使得u_i＞e_i，功率由直流侧流向大电网。

2.当微电网处于孤岛运行时，本控制方法以交直流母线电压差值为外环，控制交直流微电网间的有功功率平衡。交流微电源采用v/f控制，以维持交流母线上电压和频率的稳定，直流微电网采用恒电压控制。

图3为本发明提出的孤岛运行模式下的控制框图。本发明把交流侧电容电压e_d及e_q作为状态变量，来获得控制量定电压在d-q坐标系下的分量u_d和u_q。由于孤岛模式失去了大电网的频率和电压支持，需由下垂特性给出交直轴电压参考值，其具体控制框图如图4所示。参考电压和频率与实际电压和频率通过PI调节后，由静止坐标系转换到旋转坐标系d-q下，获得交流侧电容电压的参考值

及

基于上述孤岛运行模式控制框图，本发明孤岛控制策略可分为三种情况：

（1）以交流微电网为参考对象，当

且时，由于直流母线电压恒定，可将直流微电网视为功率有限的恒压源，该恒压源通过双向变流器接入交流母线，通过控制调节P_ref控制有功功率流向交流侧；

（2）当

且

时，直流母线电压低于额定电压，需要外电路提供有功功率，此时可将直流微电网可视为负载；

（3）当

且

时，交直流母线均工作于额定状态，交直流微电网间没有功率流动。

其状态方程可表示为

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{de}}_d}{\mathrm{dt}}=i_d-i_{\mathrm{Ld}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Ce}}_q\\ C_f\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(i_d{s}_d+i_q{s}_q)-i_0\end{array}\right.---\left(8\right)$

依据旋转坐标系下三相电压型PWM整流的数学模型和PI控制思想，可将电压外环设计为

$\left\{\begin{array}{c}{i^{*}}_{d\_\mathrm{dc}}=K_{p\_\mathrm{dc}}({u^{*}}_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}})+K_{I\_\mathrm{dc}}\∫({u^{*}}_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}\\ {i^{*}}_{d\_\mathrm{ac}}=K_{p\_\mathrm{ac}}({e_d}^{*}-e_d)+K_{I\_\mathrm{ac}}\∫({e_d}^{*}-e_d)\mathrm{dt}+i_L-e_d\mathrm{\ωC}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中K_{p_dc}，K_{I_dc}，K_{p_ac}及K_{I_ac}分别为交流和直流输入参数的PI调节系数。直轴参考电流

即当

时，交直流母线间没有功率流动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：交直流混合微电网联网运行时，对直流微电源采用恒电压控制，交流微电源采用恒功率控制，使得双向变流器向电网传输额定功率；

步骤B：交直流混合微电网孤岛运行时，对交流微电源采用恒压恒频控制，直流微电网采用恒电压控制，使得交直流微电网间的有功功率平衡。

2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，其特征在于，所述步骤A的具体实施方式为：

交直流混合微电网联网运行时，以交流母线电压e_i和交流母线电流i_i为状态变量来获得变流器控制电压在d-q坐标系下的分量u_d和u_q，具体控制方法如下：

当变流器直流侧电压此时变流器交流侧输出电压u_i＜交流母线电压e_i，控制直流侧输出的额定有功功率P_ref＝0，使得有功功率由电网流向变流器直流侧；

当变流器直流侧电压

此时交流侧输出电压u_i＞交流母线电压e_i，控制直流侧输出的额定有功功率P_ref＞0，使得有功功率由变流器直流侧流向电网；

其中，

为直流母线的额定电压。

3.根据权利要求1或2所述的交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器控制方法，其特征在于，所述步骤B的具体实施方式为：

交直流混合微电网孤岛运行时，以变流器交流侧电容电压在d-q坐标系下的分量e_d和e_q为状态变量来获得变流器控制电压在d-q坐标系下的分量u_d和u_q，具体控制方法如下：

当交流母线电压

且变流器直流侧电压

时，将直流微电网视为功率有限的恒压源，该恒压源通过双向变流器接入交流母线，通过调节P_ref控制有功功率流向交流侧；

当交流母线电压且变流器直流侧电压

时，通过外电路提供有功功率，此时将流微电网被视为负载；

当交流母线电压

且变流器直流侧电压

时，交直流母线均工作于额定状态，交直流微电网间没有功率流动；

其中，和

分别为交流母线和直流母线的额定电压。

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