CN105811456A - 基于电力电子变压器的微网智能网关系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统及其控制方法，所述系统包括：高压大功率电力电子变压器、高压侧断路器、低压侧断路器、高压侧滤波器、低压侧滤波器、驱动电路、通讯线路和电力电子变压器控制单元；所述高压大功率电力电子变压器在高压侧与所述高压侧滤波器相连，所述高压侧滤波器通过所述高压侧断路器与高压配电网相连接；所述高压大功率电力电子变压器在低压侧与所述低压侧滤波器相连接，所述低压侧滤波器通过所述低压侧断路器与低压微网系统连接，所述驱动电路将所述高压大功率电力电子变压器和所述电力电子变压器控制系统相连接。本发明解决了低压微网接入高压配网的问题，使得并网过程无需微网向大电网同步。

Description

基于电力电子变压器的微网智能网关系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变压器装置结构和控制以及智能微网控制技术领域，具体涉及一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统及其控制方法。

背景技术

微网将不同种类的分布式电源和负荷纳入一个小电力系统中，实现统一的智能分配和管理，对大电力系统表现为可控的智能电源或者负荷，可以有效解决分布式电源渗透率提高对电网产生不利影响的问题。目前低压微网主要通过电力变压器接入高压配电网，传统的电力变压器只具备变压和连接的功能。由于微网需具有并网和孤岛运行两个主要运行模式，如果采用传动电力变压器接入，当微网由孤岛运行向并网运行切换时，微网需要先进行预同步，同步过程中由微网中央控制器协调微网中多个微网逆变器同步调节微网系统交流母线电压的幅值和相位，与高压配电网的相位差和幅值差均满足并网条件后，才能进行合闸并网。整个预同步过程控制复杂，同步过程速度慢。另外，在并网运行条件下，也无法通过微网的并网接口变压器进行接口的潮流控制和并网电流的电能质量控制，增加了微网系统控制的复杂程度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统及其控制方法，解决了低压微网接入高压配网的问题，使得并网过程无需微网向大电网同步。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统，所述系统包括：高压大功率电力电子变压器、高压侧断路器、低压侧断路器、高压侧滤波器、低压侧滤波器、驱动电路、通讯线路和电力电子变压器控制单元；所述高压大功率电力电子变压器在高压侧与所述高压侧滤波器相连，所述高压侧滤波器通过所述高压侧断路器与高压配电网相连接；所述高压大功率电力电子变压器在低压侧与所述低压侧滤波器相连接，所述低压侧滤波器通过所述低压侧断路器与低压微网系统连接，所述驱动电路将所述高压大功率电力电子变压器和所述电力电子变压器控制系统相连接。

优选的，所述高压大功率电力电子变压器包括高压级变换器、隔离级变换器和低压级变换器三个部分；所述高压级变换器包含三相H桥级联变换器，所述三相H桥级联变换器的交流侧通过所述高压侧滤波器相连，所述隔离级变换器包含多个H桥双向DC/DC变换器，每个DC/DC变换器的高压侧和所述高压级变换器的H桥级联变换器直流电容连接，每个DC/DC变换器的低压侧并联在一起形成低压侧直流母线；所述低压级变换器包含电压型三相半桥逆变器，所述低压级变换器的直流侧连接所述低压侧直流母线，所述低压级变换器的交流侧与低压侧滤波器连接。

优选的，所述电力电子变压器控制单元包括：高压级控制器、隔离级控制器、低压级控制器和系统协调控制器；所述高压级控制器包括高压级采样调理电路和数字控制器1，所述隔离级控制器包括隔离级采样调理电路和数字控制器2，所述低压级控制器包括低压级采样调理电路和数字控制器3。

优选的，所述高压级控制器用于高压级H桥级联变换器的采样数据处理、控制和触发脉冲调制；所述隔离级控制器用于隔离级DC/DC变换器的采样数据处理、控制和高压侧和低压侧H桥的触发脉冲调制；所述低压级控制器用于低压级三相逆变器的采样数据处理、控制和调制；所述系统协调控制器用于系统三个控制器间的协调控制以及与微网系统的协调控制。

优选的，所述通讯线路包括所述系统协调控制器分别与所述高压级控制器、所述隔离级控制器和所述低压级控制器的通讯线路，以及连接所述电力电子变压器控制单元与微网中央控制器的通讯线路。

优选的，一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统的控制方法，所述方法包括：

微网处于并网运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关；

所述微网处于孤岛运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关；

所述微网的孤岛运行模式和并网运行模式进行相互切换切换。

优选的，所述微网的孤岛运行模式和并网运行模式进行相互切换切换，包括如下步骤：

(1)当高压配电网发生故障时，根据微网中央控制器发送的控制指令，进行故障穿越控制或者脱网断开低压侧断路器，使微网转到孤岛运行模式；

(2)检测高压侧配电网的运行状态，并发送给所述微网中央控制器，用于进行运行模式切换判断；

(3)当电力电子变压器收到微网中央控制器发送的并网切换命令，且高压配电网处于正常运行状态下，电力电子变压器启动并网切换控制；

(4)切换完成后，微网处于并网运行模式，电力电子变压器通过采样电路检测高压配电网运行状态，若高压配电网发生故障，则转到步骤(1)。

优选的，所述微网处于并网运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关的方式包括：

电力电子变压器高压级控制器使用直流电容电压外环，并网电流内环的双环控制结构；

隔离级控制器使用低压直流母线电压外环，H桥DC/DC变换器模块传输功率内化的双环控制结构，控制低压侧直流母线电压；

低压级控制器采用PQ控制模式，控制微网并网接口的功率。

优选的，所述微网处于孤岛运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关的方式包括：

电力电子变压器高压级控制器工作于整流模式，控制直流侧电压；

隔离级控制器使用低压直流母线电压外环，模块功率内环的双环控制结构，控制低压侧直流母线电压；

低压级控制器工作于待机状态，并保持对微网交流母线电压的锁相。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明微网智能网关接口电力电子变压器系统，作为微网与高压配电网之间的接口，解决了低压微网接入高压配网的问题，使得并网过程无需微网向大电网同步，同时此微网智能网关接口电力电子变压器系统能够调节微网并网功率及功率因数，能够隔离高压侧和低压侧谐波的交换，减小对大电网的污染，提高微网的灵活性与运行可靠性，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例基于电力电子变压器的微网智能网关系统结构框图

图2为本发明实施例电力电子变压器主电路拓扑结构图

图3为本发明实施例电力电子变压器高压级控制框图

图4为本发明实施例电力电子变压器隔离级控制框图

图5为本发明实施例电力电子变压器低压级控制框图

图6为本发明实施例通过基于电力电子变压器的智能网关接口接入配电网的微网结构示意图

图7为本发明实施例电力电子变压器模式切换控制流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统，包括高压大功率电力电子变压器设备、高压侧断路器、低压侧断路器、高压侧滤波器电感、低压侧滤波器、驱动电路、采样调理电路、数字控制器、电力电子变压器系统协调控制器以及保护电路。所述高压大功率电力电子变压器设备在高压侧与高压侧滤波器相连，高压侧滤波器通过高压侧断路器与高压配电网相连接。所述高压大功率电力电子变压器设备在低压侧与低压侧滤波器相连接，低压侧滤波器通过低压侧断路器与低压微网系统连接。所述的驱动电路包含驱动电路1、驱动电路2、驱动电路3、驱动电路4，其中驱动电路1与高压级数字控制器及高压级H桥级联变换器相连接，驱动电路2、3分别于隔离级DCDC变换器的高压侧电路和低压侧电路相连接，驱动电路4与低压级电压型三相变换器连接。系统还包括连接电力电子变压器系统协调控制器和高压级控制器、隔离级控制器及低压级控制器的通讯线路，以及连接电力电子变压器控制系统与微网中央控制器的通讯系统。

如图2所示，所述的高压大功率电力电子变压器设备，包含高压级变换器、隔离级变换器和低压级变换器三个部分。所述的高压级变换器包含三相H桥级联变换器，交流侧通过三相滤波电感和断路器与高压配电网链接，所述的每相H桥级联变换器中，各个H桥单元模块交流侧串联链接，直流侧电容与隔离级变换器每个DC/DC变换器模块的高压侧链接。所述的隔离级变换器包含多个H桥双向DC/DC变换器，每个DC/DC变换器高压侧和高压级的H桥单元模块直流电容链接，低压侧并联在一起形成低压侧直流母线。所述的低压级变换器包含电压型三相半桥逆变器，低压级变换器直流侧连接于隔离级的低压侧直流母线，交流侧通过输出LC滤波器和断路器与低压微网链接。

如图3所示，所述的高压级H桥级联控制，首先采样每相桥臂中所有H桥模块的直流侧电容电压求和作为直流侧电压值u_Ch

$u_{Ch}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{Ci}---\left(1\right)$

其中N是级联H桥模块数目，u_Ci是第i个模块的电容电压。

采样的电网电压u_abc和并网电流Iabc，经过DSRF-PLL锁相环后和正负序分量提取环节后，变换为电网电压的正序dq分量和负序dq分量并网电流的正序dq分量和负序dq分量

u_Ch作为直流侧电压反馈值，与参考值比较后，差值通过PI调节器计算出H桥级联变换器的三相并网功率P^*，在正序dq坐标系下计算出并网电流参考值，并网电流参考值计算表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d^{P*}=P^{*}/u_d^P\\ I_q^{P*}=Q^{*}/u_q^P\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中P^*是电压环输出的功率参考值，Q^*是无功功率参考值，可以按照功率因数要求进行设置，是电网电压的正序dq分量，为计算出的并网正序电流参考值。

电流内环采用正负序双旋转坐标系电流环，并网电流参考值与并网电流正负序dq分量比较后，差值通过dq坐标下的电流调节器，计算出dq坐标系下的调制电压参考信号，其中正序电流环表达式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{dref}^P=(i_{Ld}^{P*}-i_{Ld}^P)(K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})-{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{Lq}^P+u_d^P\\ u_{qref}^P=(i_{Lq}^{P*}-i_{Lq}^P)(K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})+{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{Ld}^P+u_q^P\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中分别是并网电流的dq轴正序分量的参考值，分别是并网电流正序dq轴分量反馈值，s是微分算子，ω是工作电压的频率，L_s是并网电感。

负序电流环表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{dref}^N=(i_{Ld}^{N*}-i_{Ld}^N)(K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})-{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{Lq}^N+u_d^N\\ u_{qref}^N=(i_{Lq}^{N*}-i_{Lq}^N)(K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})+{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{Ld}^N+u_q^N\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中K_iP和K_iI分别是PI调节器的比例系数和积分系数，和是电网电压的正序dq分量，和是电网电压的负序dq分量，和是正序电流环输出的调制参考信号，和是负序电流环输出的调制参考信号。

对上面生成的正负序调制信号分别进行dq变换后，得到正序三相静止坐标系下的参考信号和得到负序三相静止坐标系下的参考信号和

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{Aref}=u_{Aref}^P+u_{Aref}^N\\ u_{Bref}=u_{Bref}^P+u_{Bref}^N\\ u_{Cref}=u_{Cref}^P+u_{Cref}^N\end{array}\right.---\left(5\right)$

正负序参考信号相加后作为调制信号，送到调制模块进行阶梯波调制，得到的调制波通过驱动模块驱动H桥模块中的IGBT开关动作，从而实现对高压级直流电压的控制。

如图4所示，所述的隔离级DC/DC变换器控制，包含低压直流母线电压控制和各个H桥DC/DC变换器模块功率控制两部分。

控制器首先采样低压直流母线电压u_CL，与参考电压值比较后得到差值Δu_CL，差值经过调节器计算出隔离级需要调节的功率指令并将功率指令除以N得到平均值P_Lref分配给每一个DC/DC变换器模块，经过模块功率调机器计算出移相角。

其中P_Ln是第n个H桥DC/DC变换器模块的输出功率、是PI调节器的比例系数，是PI调节器的积分系数，s是微分算子。

第n个模块的移相角传送给第n个模块的一相调制模块，控制DAB模块的功率输出，既可以实现低压侧直流母线电压的控制，还可以实现模块间的功率均衡控制。

如图5所示，所述的低压级控制dq旋转坐标系下的PQ控制策略，锁相环采用dq旋转坐标系下的三相锁相环。旋转坐标系按照电压矢量定向，u_oq＝0，电流环的参考电流值计算表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{Lfd}^{*}=P^{*}/u_{od}\\ i_{Lfq}^{*}=Q^{*}/u_{od}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中u_od和u_oq分别是逆变器输出电压的d轴分量和q轴分量，P^*和Q^*分别是低压环节的有功无功功率参考值，和是计算出的电流参考值。

电流环参考值与采样的电感电流i_Lfd和i_Lfq比较后，差值通过调节器调节，输出结果与电容电压前馈量、电感电流解耦项以及电压前馈量相加后作为调制电压。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{dref}=(i_{Lfd}^{*}-i_{Lfd})(K_{cP}+\frac{K_{cI}}{s})-{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{Lfq}+u_{od}\\ V_{qref}=(i_{Lfq}^{*}-i_{Lfq})(K_{cP}+\frac{K_{cI}}{s})+{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{Lfd}+u_{oq}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中K_cP是电流环PI调机器的比例系数，K_cI是电流环PI调机器的积分系数，s是调机器微分算子，ω是输出电压频率，L_f是逆变器滤波电感，V_dref和V_qref分别是电流环调节器输出的电压参考信号。

通过SPWM调制，生成触发脉冲控制三相半桥开关管动作，从而实现对低压级变换器对微网并网接口功率的控制。

图6是采用基于电力电子变压器作为并网接口的微网结构示意图，图中电力电子变压器安装于低压微网交流母线和高压配电网之间，微网中微源通过逆变器接口连接在微网交流母线上，负荷通过智能断路器或者导线直接连接于微网交流母线上。微网中央控制器与微网中各微源、智能断路器以及电力电子变压器之间通过以太网连接。通过通讯系统，微网中央控制器读取微源运行状态、电力电子变压器的运行状态和高压配电网状态；同时向微源下发有功无功参考值、开关机和模式切换等控制命令；向电力电子发送并离网控制命令以及并网接口功率控制命令。

如图7所示，微网孤岛运行模式下，电力电子变压器高压侧断路器与高压配电网相连，低压侧断路器断开，电力电子变压器工作与待机运行模式下。待机运行时，电力电子变压器高压级和隔离级控制方式不变，高压级控制方法如图3所示，隔离级控制方法如图4所示。电力电子变压器低压级变换器工作于待机状态，停止发波。

待机运行过程中电力电子变压器通过高压级采样电路，周期性采样高压配电网的三相电压幅值和频率，判断电网是否运行正常，并将判断结构发送给电力电子变压器系统协调控制器，由协调控制器通过以太网通讯发送给微网中央控制器，用于作为微网并网条件的判断。低压级变换器通过采样电路采样和锁相电路周期性采样微网交流母线电压，并不断进行锁相，以提高需要并网时的同步速度。

如图7所示，如果高压配电网运行正常，同时微网中央控制器根据微网运行状态，判断可以进行并网，则通过通讯系统发送并网运行命令给电力电子变压器，电力电子变压器协调控制器接收到并网命令后，立即启动相关的并网控制程序。

首先电力电子变压器协调控制器向低压级控制器发送并网命令，低压级控制器判断自己的发波相位是否与微网交流母线电压相位相同，如果不同，则继续判断，如果已经同步，即可控制低压侧断路器合闸，启动发波命令，先零功率并入微网交流母线。低压级变换器并网成功后，电力电子变压器系统协调控制器向微网中央控制器发送并网成功标志，微网中央控制器接收到并网成功标志信号后，即可向电力电子变压器发送并网功率指令，由电力电子变压器控制微网与配电网接口的功率。

在微网切换到并网运行模式后，微网中央控制器按照能量管理算法或者按照电力系统调度指令，确定微网并网接口的功率参考值，下发给电力电子变压器，控制并网接口功率。同时，在并网运行模式下，电力电子变压器高压级采样电路会持续监测高压配电网运行状态，判断配电网是否有故障，并将高压配电网的运行信息发送给微网中央控制器，微网中央控制器接受到配电网的故障信息，根据配电网故障情况和微网运行状态，判断是否进行故障穿越，如果进行故障穿越，则转到故障穿越控制，如果不进行故障穿越，则向电力电子变压器发送离网命令，电力电子变压器系统协调控制器收到离网命令后，向低压级控制器发送离网和待机命令，低压级变换器控制器停止发波，并控制低压侧断路器断开，实现微网由并网运行向孤岛运行的切换。

如果电网故障的情况下，微网需要做故障穿越控制，则微网中央控制器向电力电子变压器发送故障穿越控制命令，电力电子变压器收到故障穿越控制命令后，根据自身运行状态和电网故障穿越控制标准，计算需要向配电网注入的无功功率和有功功率，由电力电子变压器三个级别的变换器协调控制实现故障穿越控制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统，其特征在于，所述系统包括：高压大功率电力电子变压器、高压侧断路器、低压侧断路器、高压侧滤波器、低压侧滤波器、驱动电路、通讯线路和电力电子变压器控制单元；所述高压大功率电力电子变压器在高压侧与所述高压侧滤波器相连，所述高压侧滤波器通过所述高压侧断路器与高压配电网相连接；所述高压大功率电力电子变压器在低压侧与所述低压侧滤波器相连接，所述低压侧滤波器通过所述低压侧断路器与低压微网系统连接，所述驱动电路将所述高压大功率电力电子变压器和所述电力电子变压器控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述高压大功率电力电子变压器包括高压级变换器、隔离级变换器和低压级变换器三个部分；所述高压级变换器包含三相H桥级联变换器，所述三相H桥级联变换器的交流侧通过所述高压侧滤波器相连，所述隔离级变换器包含多个H桥双向DC/DC变换器，每个DC/DC变换器的高压侧和所述高压级变换器的H桥级联变换器直流电容连接，每个DC/DC变换器的低压侧并联在一起形成低压侧直流母线；所述低压级变换器包含电压型三相半桥逆变器，所述低压级变换器的直流侧连接所述低压侧直流母线，所述低压级变换器的交流侧与低压侧滤波器连接。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电力电子变压器控制单元包括：高压级控制器、隔离级控制器、低压级控制器和系统协调控制器；所述高压级控制器包括高压级采样调理电路和数字控制器1，所述隔离级控制器包括隔离级采样调理电路和数字控制器2，所述低压级控制器包括低压级采样调理电路和数字控制器3。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述高压级控制器用于高压级H桥级联变换器的采样数据处理、控制和触发脉冲调制；所述隔离级控制器用于隔离级DC/DC变换器的采样数据处理、控制和高压侧和低压侧H桥的触发脉冲调制；所述低压级控制器用于低压级三相逆变器的采样数据处理、控制和调制；所述系统协调控制器用于系统三个控制器间的协调控制以及与微网系统的协调控制。

5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述通讯线路包括所述系统协调控制器分别与所述高压级控制器、所述隔离级控制器和所述低压级控制器的通讯线路，以及连接所述电力电子变压器控制单元与微网中央控制器的通讯线路。

6.一种基于电力电子变压器的微网智能网关系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

微网处于并网运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关；

所述微网处于孤岛运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关；

所述微网的孤岛运行模式和并网运行模式进行相互切换切换。

7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述微网的孤岛运行模式和并网运行模式进行相互切换切换，包括如下步骤：

(1)当高压配电网发生故障时，根据微网中央控制器发送的控制指令，进行故障穿越控制或者脱网断开低压侧断路器，使微网转到孤岛运行模式；

(2)检测高压侧配电网的运行状态，并发送给所述微网中央控制器，用于进行运行模式切换判断；

(3)当电力电子变压器收到微网中央控制器发送的并网切换命令，且高压配电网处于正常运行状态下，电力电子变压器启动并网切换控制；

(4)切换完成后，微网处于并网运行模式，电力电子变压器通过采样电路检测高压配电网运行状态，若高压配电网发生故障，则转到步骤(1)。

8.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述微网处于并网运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关的方式包括：

电力电子变压器高压级控制器使用直流电容电压外环，并网电流内环的双环控制结构；

隔离级控制器使用低压直流母线电压外环，H桥DC/DC变换器模块传输功率内化的双环控制结构，控制低压侧直流母线电压；

低压级控制器采用PQ控制模式，控制微网并网接口的功率。

9.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述微网处于孤岛运行模式下，基于电力电子变压器控制微网智能网关的方式包括：

电力电子变压器高压级控制器工作于整流模式，控制直流侧电压；

隔离级控制器使用低压直流母线电压外环，模块功率内环的双环控制结构，控制低压侧直流母线电压；

低压级控制器工作于待机状态，并保持对微网交流母线电压的锁相。