CN104852406A - 基于电力电子变压器的混合微网系统及功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统及功率控制方法，所述基于电力电子变压器的交直流混合微网系统包括主网、交流微网、直流微网和电力电子变压器。所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，采用混合下垂方法对交流微网和直流微网做出功率调节。本发明实现了主网、交流微网和直流微网三者间功率的快速准确调节，保证了交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，解决了分布式能源接入后交直流混合微网稳定运行的问题。

Description

基于电力电子变压器的混合微网系统及功率控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统及功率控制方法。

背景技术

分布式能源(distributed energy resources，DER)的入网需求推动电力系统不断发展，微网是实现大规模间歇式DER接入的有效解决方案。DER采用直流形式接入，可以节省大量的换流环节，并且不需要进行相位和频率跟踪，可控性和可靠性将大大提高。直流是DER理想的接入形式，近年来直流微网逐渐得到了人们的重视。然而现阶段电网主体为仍为交流形式，交流接入仍是DER并网的主要形式，交直流共存的混合微网将是未来长期存在的微网结构。

由于DER的运行受制于自然条件，发电具有间歇性，不同时间段负荷功率也存在起伏，因此直流微网和交流微网中能量波动频繁。为实现交直流混合微网的能量按需流动，保证交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，在主电网、交流微网和直流微网的公共联结点需要设置一台“能量路由器”，以达到交直流混合微网稳定运行的目的。

现有技术中的交流微电网和直流微电网由分布式新能源、交直流负荷、储能系统等构成分立运行的系统，主网与微网通过开关连接，交流和直流微网间仅通过交直接口变换器进行简单的功率传输。从上面描述可知，现有技术侧重点在于交流微电网和直流微电网的系统结构，交直接口变换器只能完成交直流微网间简单的功率传输功能，没有考虑交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定。现有技术也没用涉及“能量路由器”功能，无法实现主网、交流微网，直流微网三者间的能量协调控制方面的内容。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统及功率控制方法，实现主网、交流微网、直流微网三者间的能量协调控制，保证交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，以解决分布式能源接入后交直流混合微网稳定运行的问题。

为解决上述问题，本发明提供了以下方案：

第一方面，本发明提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，包括：主网、交流微网、直流微网和电力电子变压器；所述电力电子变压器设置在所述主网、交流微网和直流微网的公共联结点处；所述电力电子变压器与主网、交流微网和直流微网在所述公共联结点处分别形成主网接口，交流接口和直流接口。

其中，所述电力电子变压器包括高压侧输入级、中间隔离变压级和低压侧输出级，其中高压侧输入级为H桥级联整流电路，中间隔离变压级为带高频变压器的双主动桥DC/DC电路，低压侧输出级为三相电压源型逆变器，中间隔离级与低压输出级之间由直流电容形成直流母线。第二方面，本发明提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的功率控制方法，包括：

当交直流混合微网处于离网状态下，即交直流混合微网与主网断开连接时，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节。

其中，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节包括：

当交流微网处于轻载运行状态、直流微网处于重载运行状态时，电力电子变压器传输交流微网功率至直流微网；

当直流微网处于轻载运行状态、交流微网处于重载运行状态时，电力电子变压器传输直流微网功率至交流微网。

进一步地，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节具体包括：

所述电力电子变压器根据直流电容存储能量的波动，交流接口的频率和直流接口的电压判断交流微网和直流微网的工作状态，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的工作状态确定网络间功率流动参考值：

电力电子变压器中电容储存的能量W_dc为：

$W_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}{V}_{\mathrm{dc}}^2;$

其中，C_dc为电容值，V_dc为电容电压值；

电容能量的波动值为交流接口和直流接口的功率瞬时差值：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{W}_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}=\frac{d}{\mathrm{d\; t}}\left(V_{\mathrm{dc}}^2\right)=P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}}=\mathrm{\ΔP};$

其中，P_dc为直流接口功率，P_ac为交流接口功率；

若交流微网频率在一个采样周期T_s内不变，利用前向欧拉逼近法，得到交流微网和直流微网的混合下垂系数

$\frac{{\mathrm{\ω}}^0}{T_s}={\tilde{k}}_{\mathrm{\ω}}{C}_{\mathrm{dc}}\frac{{\left(V_{\mathrm{dc}}^0\right)}^2}{\mathrm{\ΔP}};$

其中，ω⁰为额定频率，为电容电压参考值

交流微网的频率-有功ω-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\ω}}{k}_{\mathrm{ac}}$

${\mathrm{\ω}}^0-\mathrm{\ω}=\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ac}};$

其中，ω为交流接口频率，k_ac为交流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

直流微网的电压-功率V_dc-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\ω}}{k}_{\mathrm{dc}}$

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}}(V_{\mathrm{dc}}^0-V_{\mathrm{dc}})+P_{\mathrm{dc}}^0;$

其中，V_dc为电容电压值，即直流母线电压值，为直流接口设定的额定功率，k_dc为直流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

综上，根据所述混合下垂调节后得到的交流接口频率ω和直流母线电压值V_dc，反馈至交直流对应的ω-P和V_dc-P下垂控制器，使得ΔP_dc＝ΔP_ac，得到交直流微网间传输的功率参考值。

其中，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节还包括：

当交流微网和直流微网均处于轻载运行状态时，电力电子变压器不进行网络间的功率传输，而是调节交流微网的频率和直流微网的母线电压，使交流微网和直流微网内部的分布式能源根据微网的频率和电压调节自身功率以满足负载所需功率；

当交流微网和直流微网均处于重载运行状态时，电力电子变压器也不进行网络间的功率传输，通过交流微网的频率和直流微网的母线电压，判断重载状态，与调度中心通信，切除预设的非重要负荷，使交流微网和直流微网稳定运行。

其中，所述基于基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的功率控制方法还包括：

当交直流混合微网处于并网状态下，即交直流混合微网与主网连接时，所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率需求，控制所述主网为交流微网和/或直流微网中的功率不平衡提供缓冲和支持；

或，

所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率盈余，控制交流微网和/或直流微网为所述主网输送电能。

其中，所述电力电子变压器控制所述主网接口处的输入电流与电网电压同相位，保证功率因数，使电力电子变压器所连接的交流微网和/或直流微网作为主网的阻性负载；

所述电力电子变压器控制交流接口处恒压恒频输出，控制直流接口处进行恒压输出，使电力电子变压器所连接的主网作为交流微网和/或直流微网的恒定电压源。

其中，所述电力电子变压器通过中间隔离级双主动桥电路控制直流母线电压的恒定。

其中，所述电力电子变压器通过低压侧输出级三相电压源型逆变器控制输出恒压恒频。

由上述技术方案可知，本发明所述的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统及功率控制方法，实现了电力电子变压器对主网、交流微网，直流微网三者间流动功率快速准确的调节，混合下垂控制实现了交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，为交直流混合微网的分布式能源并网和稳定运行提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的结构示意图；

图2是电力电子变压器的电路拓扑结构示意图；

图3是混合下垂特性图；

图4是混合下垂控制框图；

图5是离网状态下的输出级三相电压源型逆变器VSI控制框图；

图6是基于电力电子变压器的交直流混合微网系统示意图；

图7是并网状态下输入级级联H桥控制框图；

图8是并网状态下中间隔离级双主动桥DAB控制框图；

图9是并网状态下输出级三相电压源型逆变器VSI控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例一提供的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的结构示意图。参见图1，本发明实施例一提供了一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，包括：主网10、交流微网20、直流微网30和电力电子变压器40；所述电力电子变压器40设置在所述主网10、交流微网20和直流微网30的公共联结点处；所述电力电子变压器与主网、交流微网和直流微网在所述公共联结点处分别形成主网接口，交流接口和直流接口，所述电力电子变压器40在主网10、交流微网20和直流微网30之间做出功率调节。

其中，所述电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)40包括高压侧输入级、中间隔离变压级和低压侧输出级；电力电子变压器的电路拓扑结构可参见图2，其中，高压侧输入级为H桥级联整流电路，中间隔离变压级为带高频变压器的双主动桥DC/DC电路(DualActive Bridge,DAB)，低压侧输出级为三相电压源型逆变器(VoltageSource Inverter,VSI)，中间隔离级与低压输出级之间由直流电容形成直流母线。

PET工作原理为：高压单相交流输入经H桥级联整流电路变换为N级直流，再通过全桥变换电路被调制成高频方波，经高频变压器耦合到二次侧后，高频方波再通过全桥变换电路被还原成直流，最后由VSI逆变为所需的交流输出。基于级联H桥结构的整流电路用于高压侧输入，每个H桥并联着一个电容，从而降低分担到每一个开关管上的电压，使PET适应输入电压很高的场合；DAB每个全桥变换器输出的直流并联接到直流电容；直流电容形成的直流母线作为直流微网接入的直流接口；电压源DC/AC变换器用于低压侧输出级，采用LC输出滤波器，连接直流母线，将直流逆变成三相交流输出。

本发明实施例提供的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，在主网、交流微网和直流微网的公共联结点处设置了一个电力电子变压器，用于对主网、交流微网，直流微网三者间的能量进行协调控制，实现了交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，为交直流混合微网的分布式能源并网和稳定运行提供保障。

本发明实施例二提供了一种基于实施例一所述的电力电子变压器的交直流混合微网系统离网状态下的功率控制方法，包括：

在交直流混合微网与主网断开连接的情况下，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节。

本实施例中将交直流混合微网与主网断开连接的情况称作离网状态，在离网状态下，功率仅在交直流微网中双向流动。该状态下，运行状态复杂，对PET控制的要求也更高。离网状态下所有负载的功率需求需由交流微网和直流微网中的DER提供，这就需要DER具备灵活的有功无功控制策略，PET具备快速的功率协调策略，从而减小微网的运行波动。PET根据交直流微网的运行状态和能量需求，判断功率流动方向和大小，维持交直流混合微网稳定运行。为了使各DER合理分担负荷，目前微网运行策略为将各DER进行分散的下垂控制，从而满足直流微网内部和交流微网内部功率的合理分配。

根据交直流混合微网不同的运行情况，离网状态包括下表中的四种工作状态：

表中，P_hv表示主网接口处流动的功率，流入PET为正向，流出PET为负向。P_ac表示交流微网接口(即交流接口)处流动的功率，P_dc表示直流微网接口(即直流接口)处流动的功率，流入微网为正向，流出微网为负向。PET协调交流微网和直流微网两者间能量的流动，接口处能量都是双向流动的，参见图1所示，黑色箭头表示正向，白色箭头表示负向。同一时刻，PET既可以充当某个网络的能量提供者，又可以充当另一个网络的负载，在网络间按需传输能量。

四种工作状态具体介绍如下：

工作状态1：混合微网轻载运行，交流微网和直流微网自治运行，独立管理各自网络内的负荷功率供应。交流微网和直流微网内部的分布式能源调节功率以满足负载所述功率；PET不需要传输功率，仅为交流微网提供无功调节功能即可。工作状态1可以表示为：

P_hv＝P_dc＝P_ac＝0；

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{dc}}^i\≤\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i;$

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i\≤\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i;$

工作状态2：交流微网重载运行，直流微网轻载运行，交流微网中所有DER的输出功率不足以承担交流负荷，而此时直流微网中功率过剩。因此，交流微网差额的功率需由直流微网补充，PET传输直流微网能量至交流微网。工作状态2可以表示如下：

P_hv＝0；

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{dc}}^i<\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i;$

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i>\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i;$

$P_{\mathrm{dc}-\mathrm{ac}}=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i-\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i;$

其中P_dc-ac表示直流微网流向交流微网的功率大小。

工作状态3：该工作状态与工作状态2类似，只不过功率差额出现在直流微网，而功率盈余出现在交流微网，因此PET将交流DER的过剩功率传输至直流微网。状态3可以表示如下：

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i>\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i;$

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i<\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i;$

$P_{\mathrm{ac}-\mathrm{dc}}=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i-\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{dc}}^i;$

其中P_ac-dc表示直流微网流向交流微网的功率大小。

工作状态4：混合微网重载运行，该状态下，无论是交流微网还是直流微网，负载功率需求均大于DER的最大输出功率，即超载状态。此时PET停止功率传输，通过预设控制方法切除预设的大功率负荷，才能使网络稳定运行。状态4可以表示如下：

P_hv＝P_dc＝P_ac＝0；

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{dc}}^i\&GreaterEqual;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i;$

$\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i\&GreaterEqual;\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i;$

离网状态下PET需控制交流微网和直流微网的功率交换，由于缺少了主网对功率的支撑，功率协调将尤为重要，故网络间快速准确的传输功率是PET控制的核心。

从上述对四种工作状态的描述可知，只有状态2和状态3需要在交流微网和直流微网之间进行功率调节。PET根据交流接口和直流接口处的特征信号(交流接口的频率和直流接口的电压)判断交流微网和直流微网的工作状态。针对交直流微网混合运行系统，本实施例提出混合功率下垂控制，功率传输大小由交直流微网状态共同决定。

对于工作状态2，交流微网重载运行，直流微网轻载运行，电力电子变压器传输直流微网功率至交流微网；对于工作状态3，交流微网轻载运行，直流微网重载运行，电力电子变压器传输交流微网功率至直流微网。

所述电力电子变压器根据直流电容存储能量的波动，交流接口的频率和直流接口的电压判断交流微网和直流微网的工作状态，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的工作状态确定网络间功率流动参考值：

电力电子变压器中电容储存的能量W_dc为：

$W_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}{V}_{\mathrm{dc}}^2;$

其中，C_dc为电容值，V_dc为电容电压值；

电容能量的波动值为交流接口和直流接口的功率瞬时差值：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{W}_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}=\frac{d}{\mathrm{d\; t}}\left(V_{\mathrm{dc}}^2\right)=P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}}=\mathrm{\&Delta;P};$

其中，P_dc为直流接口功率，P_ac为交流接口功率；

若交流微网频率在一个采样周期T_s内不变，利用前向欧拉逼近法，得到交流微网和直流微网的混合下垂系数

$\frac{{\mathrm{\&omega;}}^0}{T_s}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{C}_{\mathrm{dc}}\frac{{\left(V_{\mathrm{dc}}^0\right)}^2}{\mathrm{\&Delta;P}};$

其中，ω⁰为额定频率，为电容电压参考值

交流微网的频率-有功ω-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{k}_{\mathrm{ac}}$

${\mathrm{\&omega;}}^0-\mathrm{\&omega;}=\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{ac}};$

其中，ω为交流接口频率，k_ac为交流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

直流微网的电压-功率V_dc-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{k}_{\mathrm{dc}}$

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}}(V_{\mathrm{dc}}^0-V_{\mathrm{dc}})+P_{\mathrm{dc}}^0;$

其中，V_dc为电容电压值，即直流母线电压值，为直流接口设定的额定功率，k_dc为直流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

综上，根据所述混合下垂调节后得到的交流接口频率ω和直流母线电压值V_dc，反馈至交直流对应的ω-P和V_dc-P下垂控制器，使得ΔP_dc＝ΔP_ac，得到交直流微网间传输的功率参考值P^ref，P^ref为ΔP_ac与ΔP_dc的差值，混合下垂控制框图具体参见图4。

若交流微网还有无功需求，则无功功率输出根据交流微网中的母线电压判断，根据V-Q下垂曲线输出相应的无功，数学描述如下式：

$Q_{\mathrm{ref}}=-\frac{1}{k_q}(V^0-V)+Q_0;$

$k_q=-\frac{(V_{\max }-V_{\min })}{Q_{\max }};$

传输的有功功率P^ref和无功功率Q^ref由VSI通过PI闭环控制完成，包括有功电流指令和无功电流指令通过电流的闭环解耦控制，得到dq坐标系的调制信号，再经过dq/adc坐标变换得到abc坐标系下的调制信号，经脉冲宽度调制(PWM)后控制VSI输出，控制框图如图5所示。

本发明实施例三提供了一种基于实施例一所述的电力电子变压器的交直流混合微网系统并网状态下的功率控制方法，该方法包括：

在交直流混合微网与主网连接的情况下，所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率需求，控制所述主网为交流微网和/或直流微网中的功率不平衡提供缓冲和支持；

或，

所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率盈余，控制交流微网和/或直流微网为所述主网提供能源补充。

本实施例中将交流微网和直流微网均与主网连接的情况称作并网状态，在并网状态下，混合微网包括下表中的功率消耗和功率回馈两种工作状态。

状态	PET	微网	Phv	Pac	Pdc
						5	并网	功率消耗	正向	双向	双向
6	并网	功率反馈	反向	双向	双向

表中，P_hv表示主网接口处流动的功率，流入PET为正向，流出PET为负向。P_ac表示交流微网接口(即交流接口)处流动的功率，P_dc表示直流微网接口(即直流接口)处流动的功率，流入微网为正向，流出微网为负向。PET协调主网，交流微网和直流微网三者间能量的流动，三处接口能量都是双向流动的，如图1所示，黑色箭头表示正向，白色箭头表示负向。同一时刻，PET既可以充当某个网络的能量提供者，又可以充当另一个网络的负载，在网络间按需传输能量。

忽略PET的损耗，对于并网状态下的功率消耗状态和功率回馈状态，PET各接口处流动功率大小及各微网的功率组成如下式所示：

P_hv＝P_dc+P_ac；

$P_{\mathrm{dc}}=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{dc}}^i-\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{dc}}^i;$

$P_{\mathrm{ac}}=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{load}-\mathrm{ac}}^i-\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{DER}-\mathrm{ac}}^i;$

其中，分别表示交直流微网中各负荷和DER的功率。

在功率消耗状态下，电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率需求，控制所述主网为交流微网和/或直流微网中的功率不平衡提供缓冲和支持；

在功率回馈状态下，电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率盈余，控制交流微网和/或直流微网为所述主网提供能源补充。

电力电子变压器根据其与主网和交直流混合微网接口处特征信号的变化，控制各接口处的输入输出功率，从而实现对微网的控制，实现接口间功率的流动。特征信号包括主网电压，交流微网电压和频率，直流微网母线电压。

并网状态下，从主网来看，经过电力电子变压器PET的高电能质量调制，整个下层网络在功率消耗时相当于一个阻性负载(功率消耗状态)，在功率回馈时相当于电流源(功率回馈状态)。工作于功率消耗状态时，主电网能给交直流混合微网任何的功率不平衡提供缓冲。工作于功率回馈状态时，在保证负荷功率情况下，由分布式能源DER发出的多余功率流向主网。该模式下，PET根据微网功率需求，控制主网提供或吸收能量，实现功率平衡调节，而交直流微网间不需要进行能量交换。同时，PET支撑直流微网母线电压、交流微网频率和电压，保证微网中的分布式能源进行最大功率输出。PET也可以输出指定的无功，甚至根据需要调节输出，作为微网中的终端电压调节器。

图6示出了一种典型的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，主网为10kv输电线路，通过PET联接形成直流微网和交流微网，直流微网中的DER主要通过DC/DC电压转换电路并网，交流微网中DER主要通过DC/AC、AC/DC/AC等换流装置并网。DER根据自身特性、接入成本和运行效率等因素，选择不同的网络接入。光伏和风能等受地理条件限制分布式能源综合考虑接入距离和换流器成本等因素，既有直流接入，也有交流接入。蓄电池、超级电容和燃料电池等不受地理条件限制的分布式能源，可以选择铺设有直流线路的点接入。充电桩数量随着纯电动汽车的普及会不断提高，且随着直流微网的不断发散，在直流微网中的渗透率将不断提高。传统的燃气轮机和柴油发电机则只能通过交流微网接入。

并网状态下，PET控制主网分别与交流微网和直流微网交换功率，主网能支撑微网全部的功率缺口，或吸收微网全部的功率盈余。从而使PET实现交流微网频率和直流微网母线电压的支撑。

其中，所述电力电子变压器控制所述主网接口处的输入电流与电网电压同相位，保证功率因数，使电力电子变压器所连接的交流微网和/或直流微网作为主网的阻性负载；所述电力电子变压器控制交流接口处恒压恒频输出，控制直流接口处进行恒压输出，使电力电子变压器所连接的主网作为交流微网和/或直流微网的恒定电压源。

主网与微网功率交换通过电容完成，功率的交换会引起整流桥电路的电容电压波动，故通过控制电容电压的恒定，则间接控制了主网输入或吸收的功率。输入级控制策略如图7所示，采用基于同步旋转d-q坐标系的电压、电流双闭环控制，结合载波移向调制策略。外环电压控制根据所测量的电容电压来稳定直流总电压u_dc，为得到的有功参考电流指令，指定无功参考电流为零，保证功率因数；内环电流控制器实现交流侧电流波形的直接控制，以快速跟踪参考电流；v_dref，v_qref为得到的调制波d、q分量，调制时三角载波互相错开相角2π/N，从而实现载波移向调制，得到多电平的输出波形。

其中，直流微网的功率交换则会引起直流母线电压的波动，所述电力电子变压器通过中间隔离级双主动桥电路控制直流母线电压的恒定，则间接控制了直流微网输入或输出的功率。中间隔离级DAB控制策略如图8所示，一次侧全桥变换电路使用50％占空比方波调制，二次侧采用电压闭环控制，参考电压为根据直流母线电压V_dc实时PI调节二次侧方波与一次侧方波间的移向角度，转换成调制度d_dc后对二次侧全桥变换器进行PWM控制。

其中，交流微网的功率交换通过VSI完成，所述电力电子变压器通过低压侧输出级三相电压源型逆变器控制输出恒压恒频，给交流微网提供有功功率。输出级VSI控制策略如图9所示，利用电压外环实现输出电压的恒定控制，利用电流内环实现输出电流的快速跟踪，其中电压和电流闭环都采用了解耦控制。表示三相电压输出的参考信号，u_od ^*、u_oq ^*表示dq轴下电压参考信号，u_od、u_oq表示输出电压实际值，电压外环解耦控制后得到dq轴下的输出电流参考值i_d ^*、i_q ^*，i_d、i_q表示输出电流实际值，电流内环解耦控制后得到dq轴下的电压调制信号u_d、u_q，经坐标变换后得到三相电压调制信号u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，再经PWM调制后驱动VSI输出。

本发明实施例所述的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的功率控制方法，实现了电力电子变压器对主网、交流微网，直流微网三者间流动功率快速准确的调节，混合下垂控制实现了交流微网的频率稳定和直流微网的母线电压稳定，为交直流混合微网的分布式能源并网和稳定运行提供保障。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，其特征在于，包括：主网、交流微网、直流微网和电力电子变压器；所述电力电子变压器设置在所述主网、交流微网和直流微网的公共联结点处；所述电力电子变压器与主网、交流微网和直流微网在所述公共联结点处分别形成主网接口，交流接口和直流接口。

2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统，其特征在于，所述电力电子变压器包括高压侧输入级、中间隔离变压级和低压侧输出级，其中高压侧输入级为H桥级联整流电路，中间隔离变压级为带高频变压器的双主动桥DC/DC电路，低压侧输出级为三相电压源型逆变器，中间隔离级与低压输出级之间由直流电容形成直流母线。

3.一种基于权利要求1或2所述的基于电力电子变压器的交直流混合微网系统的功率控制方法，其特征在于，包括：

当交直流混合微网处于离网状态下，即交直流混合微网与主网断开连接时，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节。

4.根据权利要求3所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节包括：

当交流微网处于轻载运行状态、直流微网处于重载运行状态时，电力电子变压器传输交流微网功率至直流微网；

当直流微网处于轻载运行状态、交流微网处于重载运行状态时，电力电子变压器传输直流微网功率至交流微网。

5.根据权利要求4所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节具体包括：

所述电力电子变压器根据直流电容存储能量的波动，交流接口的频率和直流接口的电压判断交流微网和直流微网的工作状态，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的工作状态确定网络间功率流动参考值：

电力电子变压器中电容储存的能量W_dc为：

$W_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}{V}_{\mathrm{dc}}^2;$

其中，C_dc为电容值，V_dc为电容电压值；

电容能量的波动值为交流接口和直流接口的功率瞬时差值：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{W}_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(V_{\mathrm{dc}}^2\right)=P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}}=\mathrm{\&Delta;P};$

其中，P_dc为直流接口功率，P_ac为交流接口功率；

若交流微网频率在一个采样周期T_s内不变，利用前向欧拉逼近法，得到交流微网和直流微网的混合下垂系数

$\frac{{\mathrm{\&omega;}}^0}{T_s}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{C}_{\mathrm{dc}}\frac{{\left(V_{\mathrm{dc}}^0\right)}^2}{\mathrm{\&Delta;P}};$

其中，ω⁰为额定频率，为电容电压参考值

交流微网的频率-有功ω-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{k}_{\mathrm{ac}}$

${\mathrm{\&omega;}}^0-\mathrm{\&omega;}=\widetilde{k_{\mathrm{ac}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{ac}};$

其中，ω为交流接口的频率，k_ac为交流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

直流微网的电压-功率V_dc-P下垂特性为：

$\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}={\tilde{k}}_{\mathrm{\&omega;}}{k}_{\mathrm{dc}}$

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\widetilde{k_{\mathrm{dc}}}}(V_{\mathrm{dc}}^0-V_{\mathrm{dc}})+P_{\mathrm{dc}}^0;$

其中，V_dc为电容电压值，即直流母线电压值，为直流接口设定的额定功率，k_dc为直流初始下垂系数，为混合下垂调节后的系数；

综上，根据所述混合下垂调节后得到的交流接口频率ω和直流母线电压值V_dc，反馈至交直流对应的ω-P和V_dc-P下垂控制器，使得ΔP_dc＝ΔP_ac，得到交直流微网间传输的功率参考值。

6.根据权利要求3所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器根据交流微网和直流微网的运行状态和功率需求，在交流微网和直流微网之间做出功率调节还包括：

当交流微网和直流微网均处于轻载运行状态时，电力电子变压器不进行网络间的功率传输，而是调节交流微网的频率和直流微网的母线电压，使交流微网和直流微网内部的分布式能源根据微网的频率和电压调节自身功率以满足负载所需功率；

当交流微网和直流微网均处于重载运行状态时，电力电子变压器也不进行网络间的功率传输，通过交流微网的频率和直流微网的母线电压，判断重载状态，与调度中心通信，切除预设的非重要负荷，使交流微网和直流微网稳定运行。

7.根据权利要求3所述的功率控制方法，其特征在于，还包括：

当交直流混合微网处于并网状态下，即交直流混合微网与主网连接时，所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率需求，控制所述主网为交流微网和/或直流微网中的功率不平衡提供缓冲和支持；

或，

所述电力电子变压器根据交流微网和/或直流微网的功率盈余，控制交流微网和/或直流微网为所述主网输送电能。

8.根据权利要求7所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器控制所述主网接口处的输入电流与电网电压同相位，保证功率因数，使电力电子变压器所连接的交流微网和/或直流微网作为主网的阻性负载；

所述电力电子变压器控制交流接口处恒压恒频输出，控制直流接口处进行恒压输出，使电力电子变压器所连接的主网作为交流微网和/或直流微网的恒定电压源。

9.根据权利要求8所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器通过中间隔离级双主动桥电路控制直流母线电压的恒定。

10.根据权利要求8所述的功率控制方法，其特征在于，所述电力电子变压器通过低压侧输出级三相电压源型逆变器控制输出恒压恒频。