CN104319823A - 一种包含z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含Z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略，包括直流部分、交流部分以及Z源变换器；直流部分通过Z源变换器与交流部分连接。本发明在并网和孤岛模式下，采用协调控制，使整个微电网中的各变换器协调配合工作，多个控制目标得以实现；所设计的控制器使各变换器阻抗匹配，保证了微电网的稳定。由于直流母线电压较低，降低了直流母线与电源及负载间的变换器功率等级，使损耗得以减小，特别适合于直流微电源和直流负载电压均比较低的情况，此外还具有控制灵活、可靠性高等优点。

Description

一种包含Z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略

技术领域

本发明涉及一种新型结构的微电网及控制策略，具体的说，是涉及一种包含Z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略。

背景技术

微电网解决了分布式发电的并网问题，作为对大电网的有益补充，微电网具有广泛的应用前景。目前，交流微电网是微电网的主要形式，得到的研究也相对更为广泛和深入。在交流微电网中，所有微电源、储能装置和负荷都接在交流馈线上，它们都要经过DC-DC-AC、AC-DC-AC、AC-DC-DC等多级电力电子变换器与交流馈线连接，需要对交流馈线的频率和相位进行跟踪，降低了可控性和可靠性；此外与大电网相似，要考虑无功功率的流动及平衡问题。与交流微电网相比，直流微电网有一些独特的优点：①直流微电源可通过DC-DC变换器接至微电网，而交流微电源则通过AC-DC变换器接入微电网，无需考虑频率和相位的同步；②减少了电力电子变换环节，损耗也得以降低；③直流微电网没有无功功率的流动，直流母线电压是反映系统功率平衡的唯一指标，控制上更为简单。但是随着微电网的发展，微电源和负载的类型越来越丰富，直流和交流类型都不占绝对优势，因此，结合了交流微电网和直流微电网优势的交直流混合微电网(hybrid AC/DC micro-grid)逐渐受到人们的重视。

交直流混合微电网包含一条交流母线和一条直流母线。和交流母线连接的有风力发电机、燃气轮机、交流负载等，交流母线还通过断路器与大电网连接；和直流母线连接的有光伏板、蓄电池、电动汽车充电站、直流负载等。交流母线和直流母线通过桥式AC/DC变换器连接，AC/DC变换器的作用是实现交流电网和直流电网的双向功率交换，并且在并网模式下实现混合微电网和大电网的功率交换，在孤岛模式下为微电网提供电压和频率的支撑。交直流混合微网能够避免交流微网和直流微网中过多的交-直和直-交变换，使各种可再生交、直流电源和负载更方便地接入，具有较高的应用价值。

现有的交直流混合微电网存在以下不足：

(1)直流母线电压都高于交流母线的线电压幅值。例如交流母线电压为三相220V(相电压)，则直流母线电压应至少在380V以上，并且尽量高一些，一般取为600V以上。这是因为连接交流母线和直流母线的三相桥式变换器本质上为升压型拓扑，如果直流母线电压过低，则三相桥式变换器将无法正常工作；在并网模式时，也需要直流侧电压高一些，才能保证高质量的入网电流。但实际上，光伏发电等直流微电源、电动汽车充电站、LED灯具等直流负载的电压都相对较低。例如直流电动汽车充电桩的输出电压一般为400V，LED路灯也是低压设施。如果直流母线电压过高，则需利用大功率的DC-DC变换器实现降压，增加成本和损耗。一种解决方法是采用不同电压等级的多条直流母线，但两条直流母线有功率交换时需要对连接它们的DC-DC变换器进行功率控制，增加微电网控制的难度。

(2)采用常规的AC/DC桥式变换器连接交流母线和直流母线。在交直流混合微电网中，连接交流母线和直流母线的变换器在整个微电网扮演着十分关键的角色。常规AC/DC桥式变换器除了造成第(1)点中提到的直流母线电压必须较高之外，上下桥臂的驱动信号必须插入死区时间以避免直通造成直流侧短路，这不仅造成变换器输出的交流电压或电流波形畸变，更严重的是降低了变换器的可靠性，威胁着微电网的安全。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用了Z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略，用Z源变换器代替传统的桥式变换器实现直流电网和交流电网的接口。直流母线的电压可以小于交流母线的幅值，从而使交直流混合微电网的运行更为灵活；另外Z源变换器可工作于直通状态，大大提高了整个微电网的可靠性。在协调控制策略的作用下，这种混合微电网可以在并网模式和孤岛模式下正常运行。

为实现上述目的本发明的具体方案如下：

一种包含Z源变换器的交直流混合微电网，包括直流部分、交流部分以及Z源变换器；

所述直流部分包括光伏板，所述光伏板接至Boost变换器，Boost变换器再与蓄电池充放电路连接，两者之间为直流负载，蓄电池充放电电路的另一侧通过直流母线接Z源变换器；

所述交流部分包括双馈异步风力发电机，所述双馈异步风力发电机及背靠背AC-DC-AC变换器接至交流母线，Z源变换器通过LC滤波器接至交流母线，交流母线上还带有交流负载，且交流母线经断路器与电网连接。

可选的，所述Z源变换器与所述交流母线之间还设有变压器。

一种包含Z源变换器的交直流混合微电网协调控制策略：

并网模式下，Boost变换器利用最大功率点跟踪(MPPT)算法跟踪光伏板的最大功率，Z源变换器控制功率在交流母线和直流母线之间双向流动，DFIG及与其连接的背靠背交-直-交变换器实现风力发电机的MPPT。

一种包含Z源变换器的交直流混合微电网协调控制策略：

孤岛模式下，Boost变换器和双馈异步风力发电机背靠背交-直-交变换器根据功率平衡和能量限制使光伏板和风力发电机运行在MPPT或非MPPT状态，Z源变换器为交流母线提供稳定的电压和频率，同时实现交流母线和直流母线的功率交换，蓄电池变换器根据功率平衡关系令蓄电池充电或放电。

本发明提供的包含Z源变换器的交直流混合微电网及协调控制策略在并网和孤岛模式下，采用协调控制，使整个微电网中的各变换器协调配合工作，多个控制目标得以实现；所设计的控制器使各变换器阻抗匹配，保证了微电网的稳定。由于直流母线电压较低，降低了直流母线与电源及负载间的变换器功率等级，使损耗得以减小，特别适合于直流微电源和直流负载电压均比较低的情况，此外还具有控制灵活、可靠性高等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例Z源变换器拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例混合微电网结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

图1中电感L₁、L₂和电容C₁、C₂构成Z源网络，半导体开关器件S₁～S₆构成三相桥式电路，u_dc1为直流侧电容电压，u_dc2为直流链电压，图1为Z源逆变器的典型应用，即交流侧通过滤波电感与电网连接构成并网逆变器。

图2中的交直流混合微电网分为直流部分和交流部分，两部分各有1条母线，分别叫做直流母线和交流母线，Z源逆变器是两部分的接口变换器，Z源变换器主要有2个作用，一是实现直流母线和交流母线的功率交换，二是利用Z源网络的升压功能，使直流母线电压可以高于交流母线电压幅值，也可以小于交流母线电压幅值；Z源变换器可采用常规拓扑，也可采用各种新型的Z源变换器；

在直流部分中，光伏板接至Boost变换器，Boost变换器再与蓄电池充放电路连接，2者之间为直流负载，蓄电池充放电电路的另一侧接Z源变换器；

在交流部分中，DFIG及背靠背AC-DC-AC变换器接至交流母线，Z源变换器通过LC滤波器和变压器(变压器可以省略)接至交流母线，交流母线上还带有交流负载，交流母线经断路器与电网连接。

可将Z源变换器的工作模式分为整流模式和逆变模式。控制策略可借鉴常规逆变器的直接功率控制方法，将控制系统设计为双环结构，外环是电压环，控制u_dc1稳定，内环是功率环，控制功率的流动。即使u_dc1稳定且稳态精度很高，但直接影响逆变器在孤岛模式时输出电压质量的是直流链电压u_dc2，因此需对u_dc2进行闭环控制。

直通占空比至Z源网络网络电容电压的传递函数具有右半平面零点，是非最小相位系统，虽然采用电压单闭环控制也能保证系统稳定，但暂态响应性能较差，可以采用电压外环电感电流内环的双闭环控制。双闭环控制增加了传感器的数量和控制难度，考虑到Z源网络的输入电压u_dc1为直流母线电压，正常时是恒定的，不易发生突变，因此采用电压单闭环控制也可以接受。

在并网模式下，各变换器相互配合协调工作。Boost变换器应通过最大功率点跟踪(MPPT)算法跟踪光伏板的最大功率；Z源变换器的任务是控制功率双向流动，实现风力发电和光伏发电间的互补，维持直流母线电压的恒定，与交流母线和电网同步；DFIG的背靠背交-直-交变换器的任务是实现风机的MPPT；蓄电池在并网模式下的作用并不明显。以Boost变换器和Z源变换器为例说明变换器间的协调控制：利用各种MPPT算法得到光伏板输出电压的指令值，与光伏板输出电压实际值相减，误差送到电压控制器，实现光伏板输出电压的稳态跟踪；为了改善跟踪速度，增加控制Boost变换器电感电流的内环控制。Boost变换器的输出电压即为直流母线电压，同时也是Z源变换器的直流侧电压u_dc1，这一电压应控制为恒定。由于Boost变换器只有一个开关管，自由度少，其占空比已经用于控制光伏板输出电压，因此u_dc1的必须由Z源变换器控制。Z源变换器也采用电压外环加电流内环(或功率内环)的双环控制，电压外环控制u_dc1，电压外环的输出为d轴电流(或有功功率)的参考值，无功电流(或无功功率)的参考值根据系统的功率平衡要求设定。为了改善控制效果，可采用先进的控制策略，如Z源变换器的预测功率控制等。直流链电压u_dc2的控制则相对独立，与其他各控制环节的关系不是很密切。

在孤岛模式下，各变换器的控制目标发生改变。Boost变换器和DFIG背靠背交-直-交变换器的任务是根据功率平衡和能量限制使光伏板和风力发电机运行在MPPT或非MPPT状态。Z源变换器的任务是为交流母线提供稳定的电压和频率，同时实现交流母线和直流母线的功率交换。蓄电池变换器的任务是根据功率平衡关系令蓄电池充电或放电。以Boost变换器—蓄电池DC-DC变换器—Z源变换器的级联部分为例说明此时变换器间的协调控制：当系统功率没有缺额时，Boost变换器仍工作于MPPT状态，为蓄电池充电。直流母线电压u_dc1由蓄电池DC-DC变换器控制为稳定。Z源变换器直流链电压u_dc2仍独立控制。Z源变换器交流侧电压采用单环或双环控制。在孤岛模式下，各变换器的角色不是固定的，需要通过微电网管理系统进行系统级的协调控制。

虽然协调控制能令所提出的交直流混合微电网获得较为理想的稳态特性，但当各指令发生突变时，系统的暂态性能很差，出现振荡，使系统进入不稳定状态。造成这一现象的原因是变换器间的阻抗不匹配(动态交互影响)。对于连接至同一母线的变换器，输入阻抗之和与输出阻抗之和之比应小于1，即ΣΔZ_in/ΣΔZ_out<1。对各变换器的控制器进行修改，在保证被控量跟踪指令值的基础上，使ΣΔZ_in/ΣΔZ_out<1，即阻抗匹配。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种包含Z源变换器的交直流混合微电网，其特征在于：

包括直流部分、交流部分以及Z源变换器；

所述直流部分包括光伏板，所述光伏板接至Boost变换器，Boost变换器再与蓄电池充放电路连接，两者之间为直流负载，蓄电池充放电电路的另一侧通过直流母线接Z源变换器；

所述交流部分包括双馈异步风力发电机，所述双馈异步风力发电机及背靠背AC-DC-AC变换器接至交流母线，Z源变换器通过LC滤波器接至交流母线，交流母线上还带有交流负载，且交流母线经断路器与电网连接。

2.如权利要求1所述的包含Z源变换器的交直流混合微电网，其特征在于：

所述Z源变换器与所述交流母线之间还设有变压器。

3.一种包含Z源变换器的交直流混合微电网协调控制策略，其特征在于：

并网模式下，Boost变换器利用最大功率点跟踪(MPPT)算法跟踪光伏板的最大功率，Z源变换器控制功率在交流母线和直流母线之间双向流动，DFIG及与其连接的背靠背交-直-交变换器实现风力发电机的MPPT。

4.一种包含Z源变换器的交直流混合微电网协调控制策略，其特征在于：

孤岛模式下，Boost变换器和双馈异步风力发电机背靠背交-直-交变换器根据功率平衡和能量限制使光伏板和风力发电机运行在MPPT或非MPPT状态，Z源变换器为交流母线提供稳定的电压和频率，同时实现交流母线和直流母线的功率交换，蓄电池变换器根据功率平衡关系令蓄电池充电或放电。