CN106026208B - 一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法及系统，本发明首先采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；然后将接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的频率进行比较，并将比较结果输入到双向虚拟同步发电机控制器，由该双向虚拟同步电机控制器输出有功指令的参考值；最后根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。本发明通过采用双向虚拟同步发电机控制器对接口变换器进行控制，使其对外表现类似同步发电机的旋转特性，进而提高整个系统的稳定性。

Description

一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法及系统，属于电力系统技术领域。

背景技术

多种类型的分布式电源和负荷通过微电网统一接入到电力系统中。微电网可分为交流和直流两类，目前主要以交流形式存在，但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，单一的交流电源供电方式不仅会提高系统成本、增加损耗、还会不可避免地带来严重的谐波问题。根据分布式电源及用户负荷特点，采用交、直流混合的灵活供电运行模式，可以降低投入成本及损耗，达到充分利用分布式能源的目的。在交直流混合微电网中，双向AC/DC接口变流器控制着直流母线和交流母线间的功率流动，对系统的电压稳定及电能质量的提高发挥着重要作用。

目前，接口变换器的潮流控制已经有很多相关文献和专利对此进行了系统论述，但是目前潮流控制技术目标是使系统稳态时负荷分布更加理想，却忽略了负荷波动的暂态过程可能引起整个系统电气指标的扰动。

配备有潮流控制接口变换器的交直流微网典型结构如图1所示。微电源和负荷无序分布在微电网内，每个子网的微电源都采用下垂控制，同子网内的其他微电源共同分担负荷。同时，接口变换器的潮流控制作用使得任一个子网内发生有功缺额时，其他子网的微电源都都能够共同响应以支撑整个系统。但是，微电源接口作为电力电子装置，响应速度快，不具备传统同步发电机的惯性特性。由于微电网内的负荷是每时每刻都在随机波动的，在电力电子装置组成的微电网里，负荷的波动将瞬时的反应在整个系统里，这使得系统内的每个部分都同时受到扰动影响。

典型的接口变换器潮流控制原理如图2所示，为了方便表达，假设微电网由一个交流子网、一个直流子网和一台接口变换器组成，结构更复杂的微电网也没有本质上的不同。交流子网和直流子网的微电源都采用下垂控制，使得各自子网内负荷能够平均分配。而接口变换器通过将两个子网的电气指标标准化生成两个可供比较的量，这两个量的差反应了子网有功功率相对充裕度。接口变换器控制这两个量相等，使得两个子网有功充裕度相同。

如图3所示，现在假设交流子网发生了ΔPa的负荷扰动，交流微电源共同响应，根据下垂控制分配扰动，同时交流频率发生Δfa的扰动。接口变换器检测到两侧有功裕度的差别，通过控制保持直流电压也发生ΔVd的扰动，同时直流侧下垂控制使得直流电源功率变化ΔPd。接口变换器采用电力电子装置和数字控制器，平均延时约为1.5Ts(Ts为开关周期)，由于开关频率通常在10k以上，这就导致微电网内任何的负荷或者电源波动都几乎立刻反应在整个系统内。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法及系统，以在不影响接口变换器潮流控制的前提下，阻止一个子网内的功率扰动向其它子网扩散。

本发明为解决上述技术问题而提供一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法，该方法适用于交直流混合微电网，包括若干交流子网、若干直流子网和用于连接交流子网和直流子网的接口变换器，每个交流子网和直流子网内都含有分布式微电源和随机负荷，各子网内的微电源间采用下垂控制来均分负荷，该控制方法包括以下步骤：

1)采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；

2)将接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的频率进行比较，并将比较结果输入到双向虚拟同步发电机控制器，由该双向虚拟同步电机控制器输出有功指令的参考值；

3)根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。

所述步骤2)在将接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行比较时须对接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行标准化处理，所采用的标准化公式为：

其中f_max和f_min分别为交流子网允许频率的最大值和最小值；f_ka为接口变换器处于交流子网k频率测量值；f_kau为交流子网k频率的标准值；V_dc.max和V_dc.min分别为直流子网允许频率的最大值和最小值；V_id为接口变换器处直流子网k的电压值；V_idu是接口变换器处直流子网k的电压标准值。

所述的双向虚拟同步发电机机控制器的传递函数为：

其中J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数。

所述步骤3)中的无功功率指令由交流子网无功缺额确定。

所述步骤3)中的无功功率指令为0，即接口变换器仅在直流子网之间交换有功。

所述的交流侧频率由交流侧电压经过锁相环得到。

本发明还提供了一种交直流混合微电网接口变换器的控制系统，该控制系统包括采集计算单元、双向虚拟同步发电机控制器和电流环控制单元，

所述采集计算单元用于采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；

所述双向虚拟同步发电机控制器用于根据接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网频率的比较结果生成有功指令的参考值，

所述的电流环控制单元用于根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。

该控制系统还包括标准化处理单元，用于对接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行标准化处理，该标准化处理单元所采用的标准化公式为：

其中f_max和f_min分别为交流子网允许频率的最大值和最小值；f_ka为接口变换器处于交流子网k频率测量值；f_kau为交流子网k频率的标准值；V_dc.max和V_dc.min分别为直流子网允许频率的最大值和最小值；V_id为接口变换器处直流子网k的电压值；V_idu是接口变换器处直流子网k的电压标准值。

所述的双向虚拟同步发电机机控制器的传递函数为：

其中J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数。

本发明的有益效果是:本发明首先采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；然后将接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的频率进行比较，并将比较结果输入到双向虚拟同步发电机控制器，由该双向虚拟同步电机控制器输出有功指令的参考值；最后根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。本发明通过采用双向虚拟同步发电机控制器对接口变换器进行控制，使其对外表现类似同步发电机的旋转特性。本发明能在不影响接口变换器潮流控制的前提下，阻止一个子网内的功率扰动向其他子网扩散，进而提高整个系统的稳定性。

附图说明

图1是交直流混合微电网的典型结构图；

图2是传统接口变换器潮流控制方式示意图；

图3是传统接口变换器潮流控制抗扰性分析示意图；

图4是接口变换器采用双向VSG控制时微电网的响应示意图；

图5是本发明交直流混合微电网接口变换器的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法的实施例

本发明所针对的交直流混合微电网一般包括有若干交流子网、直流子网和用于连接交直流子网的接口变换器，每个交直流子网内都含有若干分布式微电源和随机负荷，子网内的微电源间采用下垂控制来均分负荷，由于微电网内的负荷是每时每刻都在随机波动的，在电力电子装置组成的微电网里，负荷的波动将瞬时的反应在整个系统里，这使得系统内的每个部分都同时受到扰动影响。为此，本发明提供了一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法，如图5所示，该方法将双向虚拟同步发电机控制用到接口变换器上，通过检测、比较接口变换器交流频率和直流电压，经过虚拟转子惯性环节，得到输出有功功率的参考值，再经过电流环输出触发信号驱动开关管。该方法的具体实施步骤如下：

1.采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率。

本实施例中采集到的接口变换器处于直流子网的直流电压为V_id，处于交流子网的交流电压为，交流子网的频率f_ka,i通过对交流子网的交流电压进行锁相得到，k是直流子网和交流子网的编号。

2.对接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行标准化处理，所采用的标准化公式为：

其中f_max和f_min分别为交流子网允许频率的最大值和最小值；f_ka为接口变换器处于交流子网k频率测量值；f_kau为交流子网k频率的标准值；V_dc.max和V_dc.min分别为直流子网允许频率的最大值和最小值；V_id为接口变换器处直流子网k的电压值；V_idu是接口变换器处直流子网k的电压标准值。

标准化处理后的交流子网频率代表了交流子网有功量的程度，标准化处理后的直流子网电压代表了直流子网的有功量的程度。

3.将标准化处理后的接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的频率进行比较，并将比较结果输入到双向虚拟同步发电机控制器，由该双向虚拟同步电机控制器输出有功指令的参考值。

本实施例中双向虚拟同步发电机控制器的传递函数G_c(s)可以具有多种形式，对于包含有多个接口变换器，双向虚拟同步发电机控制器的传递函数可采用以下形式：

其中J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数。

对于只包含一个接口变换器，双向虚拟同步发电机控制器所采用的传递函数为：

其中J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数，k_p，k_i分别为所用PI调节器的比例和积分常数。

4.根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。

本实施例所采用的电流环进行控制，具体的过程如下：首先电流指令生成模块用于根据无功功率指令和双向VSG控制器输出的有功指令的参考值生成电流指令无功功率指令由交流子网无功缺额确定，为了节省成本也可以使无功指令为0，即接口变换器仅在交直流子网之间交换有功，本实施例中的所选用的无功功率指令为0，如图5所示。然后将生成电流指令与交流子网侧的交流电流的dq分量进行做差比较，并将差值进行PI控制。最后将PI控制结果进行dq反变换，得到相应的电流控制信号，该电流控制信号经过PWM调制后，所得的调制信号即为本发明接口变换器的控制信号，由该信号触发驱动接口变换器的开关管，即可实现对接口变换器的控制。

通过上述步骤，本发明根据接口变换器所处交流子网和直流子网的有功分量，通过双向虚拟同步发电机控制器生成相应的有功指令参考值，由该有功指令参考值生成相应的控制信号，控制接口变换器，使接口变换器所处交流子网和直流子网的有功量达到平衡，如图4所示。从而能在不影响接口变换器潮流控制的前提下，阻止一个子网内的功率扰动向其他子网扩散，进而提高整个系统的稳定性。

本发明的一种交直流混合微电网接口变换器的控制系统实施例

本实施例中的交直流混合微电网接口变换器控制系统包括采集计算单元、双向虚拟同步发电机控制器和电流环控制单元，采集计算单元用于采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；双向虚拟同步发电机控制器用于根据接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网频率的比较结果生成有功指令的参考值；电流环控制单元用于根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。该控制系统中各单元的具体实现手段已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (7)

1.一种交直流混合微电网接口变换器的控制方法，该方法适用于交直流混合微电网，包括若干交流子网、若干直流子网和用于连接交流子网和直流子网的接口变换器，每个交流子网和直流子网内都含有分布式微电源和随机负荷，各子网内的微电源间采用下垂控制来均分负荷，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；

2)将接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的频率进行比较，并将比较结果输入到双向虚拟同步发电机控制器，由该双向虚拟同步电机控制器输出有功指令的参考值；对于包含有多个接口变换器的情形，双向虚拟同步发电机控制器的传递函数采用以下形式：对于包含有1个接口变换器的情形，双向虚拟同步发电机控制器的传递函数采用以下形式：其中，J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数，k_p、k_i分别为所用PI调节器的比例和积分常数；

3)根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。

2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网接口变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤2)在将接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行比较时须对接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行标准化处理，所采用的标准化公式为：

其中f_max和f_min分别为交流子网允许频率的最大值和最小值；f_ka为接口变换器处于交流子网k频率测量值；f_kau为交流子网k频率的标准值；V_dc.max和V_dc.min分别为直流子网允许频率的最大值和最小值；V_id为接口变换器处直流子网k的电压值；V_idu是接口变换器处直流子网k的电压标准值。

3.根据权利要求1所述的交直流混合微电网接口变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的无功功率指令由交流子网无功缺额确定。

4.根据权利要求1所述的交直流混合微电网接口变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的无功功率指令为0，即接口变换器仅在直流子网之间交换有功。

5.根据权利要求1所述的交直流混合微电网接口变换器的控制方法，其特征在于，所述的交流侧频率由交流侧电压经过锁相环得到。

6.一种交直流混合微电网接口变换器的控制系统，其特征在于，该控制系统包括采集计算单元、双向虚拟同步发电机控制器和电流环控制单元，

所述采集计算单元用于采集接口变换器处于直流子网的直流电压和处于交流子网的交流电压，并根据采集到的交流电压计算其处于交流子网的频率；

所述双向虚拟同步发电机控制器用于根据接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网频率的比较结果生成有功指令的参考值；对于包含有多个接口变换器的情形，双向虚拟同步发电机控制器的传递函数采用以下形式：对于包含有1个接口变换器的情形，双向虚拟同步发电机控制器的传递函数采用以下形式：其中，J_v是接口变换器功率响应的虚拟惯性系数，它表征了一侧子网发生负荷波动，另一侧子网受到影响的速度，D_v是接口变换器传递功率的等效阻尼，即双向下垂控制的下垂系数，k_p、k_i分别为所用PI调节器的比例和积分常数；

所述的电流环控制单元用于根据无功指令和得到的有功指令参考值，通过电流环生成相应的调制信号以控制接口变换器。

7.根据权利要求6所述的交直流混合微电网接口变换器的控制系统，其特征在于，该控制系统还包括标准化处理单元，用于对接口变换器处于直流子网的直流电压和交流子网的频率进行标准化处理，该标准化处理单元所采用的标准化公式为：

其中f_max和f_min分别为交流子网允许频率的最大值和最小值；f_ka为接口变换器处于交流子网k频率测量值；f_kau为交流子网k频率的标准值；V_dc.max和V_dc.min分别为直流子网允许频率的最大值和最小值；V_id为接口变换器处直流子网k的电压值；V_idu是接口变换器处直流子网k的电压标准值。