CN106451572B - 一种交直流混合微电网功率平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直流混合微电网功率平衡控制方法，在因电网故障而发生电压跌落时，接口变换器根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值，并且，电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使系统的有功功率达到平衡，提高微电网在低电压穿越期间的供电质量，保证系统可靠运行，避免整个系统在电网故障时退出运行。并且，能够使微电网在故障穿越时直流电压不发生明显偏离，有利于直流负荷稳定运行，并且可以保证交流子网电压合格。而且，整个控制过程不需要额外的通讯线路，所有设备自主控制，减少了工程投资，提高了运行可靠性。

Description

一种交直流混合微电网功率平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流混合微电网功率平衡控制方法，属于交直流混合微电网功率平衡控制领域。

背景技术

如图1所示，为交直流混合微电网拓扑图，包括电源逆变器、电源逆变器的直流侧连接电源装置，电源逆变器的交流侧连接交流子网，交流子网上可连接有交流负载，交流子网连接接口变换器的交流侧，接口变换器的直流侧连接直流子网，直流子网上可连接有直流负载，直流子网连接配网侧变换器的直流侧，配网侧变换器的交流侧连接配电网。

为了更有效地利用可再生能源，当分布式电源供应本地负荷尚有盈余时，采用交、直流混合微电网并网运行模式，将多余的能量回馈至大电网，可以最大程度减少传统能源的消耗。但是，混合微电网并网运行时，由于微电网内负荷相对小，配网侧的电压波动，尤其是电网故障发生电压跌落将导致配网侧变换器功率输送能力下降，配网变换器输出有功功率减小，而接口变换器和电源逆变器仍按照最大功率输出，过剩的有功功率提高了直流子网的直流电压，破坏微电网有功功率平衡，使直流子网的直流电压上升，影响系统的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流混合微电网功率平衡控制方法，用以解决电网故障破坏系统的有功功率平衡，从而影响微电网系统稳定运行的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种交直流混合微电网功率平衡控制方法，控制接口变换器使接口变换器根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值，控制电源逆变器使电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使交直流混合微电网的有功功率达到平衡。

所述接口变换器的控制过程为：

(1)采集直流电压；

(2)求取采集到的直流电压与直流电压参考值之间的误差值，并将所述误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压参考值得到补偿后的交流电压参考值；

(3)根据补偿后的交流电压参考值对接口变换器进行相应地控制，以降低交流子网的电压幅值。

步骤(2)中，将所述误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压参考值得到补偿后的交流电压参考值的实现过程为：首先将误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压幅值参考值，得到新的电容电压幅值补偿值，然后，与相应的正弦信号相乘得到新的电容电压参考值，所述新的电容电压参考值即为所述补偿后的交流电压参考值。

步骤(3)中，根据补偿后的交流电压参考值对接口变换器进行相应地控制的实现过程为：将所述补偿后的交流电压参考值送入接口变换器交流侧双闭环控制系统中，生成用于控制接口变换器的PWM波，根据该PWM波来控制接口变换器。

所述交流侧双闭环控制系统包括电压外环和电流内环，所述电压外环的给定量为所述补偿后的交流电压参考值，所述电压外环的反馈量为接口变换器交流侧的实际交流电压，所述电流内环的反馈量为接口变换器交流侧的实际电流。

所述电源逆变器的控制过程为：

1)采集交流子网的电压；

2)对采集到的交流子网的电压进行处理，得到交流子网的电流参考值；

3)根据得到的电流参考值与电源逆变器交流侧的实际电流的误差值对电源逆变器进行控制。

所述步骤2)中，对采集到的电源逆变器交流侧的电压进行处理的实现过程为；首先获取电源逆变器交流侧的电压幅值以及相角，然后根据电源逆变器交流侧的电压幅值得到电源逆变器交流侧的电流幅值参考值，最后根据电源逆变器交流侧的电流幅值参考值和所述相角得到所述电源逆变器交流侧的电流参考值。

根据以下计算公式来计算电流幅值参考值I_Mref，

其中，I_{M_mpp}为电源逆变器输出的最大电流幅值；|u_s|为交流子网的电压幅值；U_MN为交流子网电压幅值额定值。

所述功率平衡控制方法还包括配电侧变换器的控制方法，所述配电侧变换器的控制方法为：低电压穿越时，配电侧变换器向电网侧提供无功功率。

配电侧变换器按照以下公式计算出的无功电流来向电网侧提供无功功率，

其中，U_T为电网参考电压标幺值，I_N为额定电流；当电网发生三相短路故障及两相短路故障时，U_T为并网线电压标幺值；当电网发生单相接地短路故障时，U_T为并网相电压标幺值。

在因电网故障而发生电压跌落时，接口变换器根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值，并且，电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使系统的有功功率达到平衡，提高微电网在低电压穿越期间的供电质量，保证系统可靠运行，避免整个系统在电网故障时退出运行。

并且，能够使微电网在故障穿越时直流电压不发生明显偏离，有利于直流负荷稳定运行，并且可以保证交流子网电压合格。而且，接口变换器和电源逆变器在控制时均是根据线路上的数据信息来进行相应的控制，这两个控制过程是完全独立的，两者之间没有相互的通讯联系，整个控制过程不需要额外的通讯线路，所有设备自主控制，减少了工程投资，所以，该控制方法适用于没有相互联系的微电网系统，换句话说，即使微电网系统中的通讯线路损坏，也不影响该控制方法，所以，该控制方法的可靠性较高。

附图说明

图1是交直流混合微电网拓扑图；

图2是接口变换器的控制原理示意图；

图3是电源逆变器的控制原理；

图2中的VSC1为接口变换器，图3中的VSI为电源逆变器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，当该交直流混合微电网稳定运行时，电源逆变器输出最大功率，依次通过接口变换器、直流子网和配网侧变换器将功率提供给配网，运行中配网侧变换器采用定电压控制方法控制直流子网的直流电压。

当配网侧出现故障并导致电压跌落时，配网变换器输出有功功率减小，而接口变换器和电源逆变器仍按照最大功率输出，过剩的有功功率提高了直流子网的直流电压。所以，将直流电压的提升作为判断电网是否故障的触发信号，当直流电压超过设定的最大值阈值时，配网侧变换器和接口变换器判断电网发生故障，此时进入低电压穿越控制模式。

在低电压穿越模式下，配网侧变换器、接口变换器和电源逆变器均进行相应地控制，这三个设备的低电压穿越控制方法分别大体概括为：配网变换器向电网注入无功功率；接口变换器根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值；电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率。在低电压穿越模式下，通过对上述三个设备的控制，能够降低直流子网的直流电压，使其回落至适当值，并且使微电网有功功率达到平衡。

从图1可知，接口变换器的交流侧的交流电压为交流子网的交流电压，接口变换器的直流侧的直流电压为直流子网的直流电压，电源逆变器的交流侧的交流电压为交流子网的交流电压。

以下对配网侧变换器、接口变换器和电源逆变器的低电压穿越控制方法分别进行详细说明。

电网故障时，在低电压穿越模式下，配网侧变换器的控制过程为：

需要对电网提供无功功率，剩余容量可以发送有功功率。在提供无功功率时，需要利用电流环控制器来根据电网电压大小计算注入电网的无功电流。根据国标GB/T 19964-2012的要求，无功电流的计算公式如下：

其中，U_T为电网参考电压标幺值，I_N为额定电流。当电网发生三相短路故障及两相短路故障时，U_T为并网线电压标幺值；当电网发生单相接地短路故障时U_T为并网相电压标幺值。混合微电网故障穿越过程中，在满足无功电流输出量的情况下，应向电网注入尽可能多的有功电流并同时限制最大电流幅值。

电网故障时，在低电压穿越模式下，如图2所示，接口变换器的控制过程为：

(1)采集接口变换器直流侧的直流电压，即直流子网的直流电压。

(2)比较采集到的实际的直流电压U_dc与设定的直流电压参考值U_dcref，求取两者的误差值，经PI控制后输出补偿量，将该补偿量补偿到接口变换器交流侧的设定的原交流电压幅值参考值U_cref，得到补偿后的交流电压幅值参考值，将其称为电容电压幅值补偿值，然后，将电容电压幅值补偿值和相应的正弦信号输入到乘法器中，两者经过乘法处理之后得到新的电容电压参考值u_cref。其中，PI控制器的系数设为正，在U_dc>U_dcref时PI输出为正，在之后的负号的作用下才能减小电容电压幅值补偿值。

(3)根据补偿后的交流电压参考值u_cref对接口变换器进行相应地控制，实现低电压穿越，具体为：将上述得到的电容电压参考值u_cref送入接口变换器交流侧双闭环控制系统中，生成用于控制接口变换器的PWM波，根据该PWM波来控制接口变换器。

如图2所示，该交流侧双闭环控制系统包括电压外环和电流内环，电压外环的给定量为上述得到的电容电压参考值u_cref，电压外环的反馈量为接口变换器交流侧的实际交流电压u_c，电流内环的反馈量为接口变换器交流侧的实际电流i_L2。

由于直流电压补偿环节的存在，在故障穿越模式下，通过控制能够最终使交流子网的电压幅值下降，以便电源逆变器依此减小输出功率，维持系统功率守恒。

另外，根据实际的直流电压与设定的直流电压参考值得到的补偿值加入到后续的限幅环节，能够使得接口变换器交流电压幅值在0.9U_MN～1.1U_MN之间。

电网故障时，在低电压穿越模式下，如图3所示，电源逆变器的控制过程为：

1)检测电源逆变器交流侧的交流电压，即交流子网的交流电压，并对采集到的交流电压进行处理，得到该交流电压的幅值|u_s|以及相角θ，然后根据交流电压的幅值|u_s|计算得到电源逆变器交流侧的电流幅值参考值I_Mref，计算公式如下：

其中，I_{M_mpp}为电源逆变器输出的最大电流幅值；U_MN为交流子网电压幅值额定值。显然，当U_MN≤|u_s|≤1.1U_MN，电源逆变器输出最大功率；当0.9U_MN≤|u_s|≤1U_MN，输出功率随电压幅值的降低逐渐下降，最终当|u_s|＝0.9U_MN，I_Mref＝0，即电源逆变器不发出有功功率。

2)将电流幅值参考值I_Mref和相角θ输入到乘法器中，经过乘法运算得到电源逆变器交流侧的电流参考值i_ref。

3)检测电源逆变器交流侧的实际电流，并求取电流参考值i_ref与电源逆变器交流侧的实际电流的误差值，将该误差值送入PR控制器中，产生调制信号来驱动电源逆变器中的开关管，以实现根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小电源逆变器的输出功率。

在电网故障时，配网侧变换器、接口变换器和电源逆变器分别进行低电压穿越控制。其中，配网侧变换器输出无功；接口变换器按照直流电压上升程度降低交流子网的电压幅值；电源逆变器检测到电压幅值下降相应减小输出功率，从而降低微电网中的直流电压，使系统有功功率重新达到平衡。

另外，电网故障清除后，配网侧变换器将增加有功功率输出，直流子网电压下降；当直流子网的直流电压小于设定的最小值阈值时，接口变换器与配网侧变换器判断配网故障恢复，接口变换器与配网侧变换器由故障穿越控制模式切换回稳态运行模式。比如：接口变换器断开直流电压控制的PI控制器输出，配网侧变换器采用定直流电压控制。

上述实施例中，在电网故障引起直流电压过高时，配网侧变换器、接口变换器和电源逆变器分别进行相应的低电压穿越控制，以保证系统的功率稳定。这只是一种优化的实施方式，由于配网侧变换器的控制属于常规技术，所以，在进行低电压穿越时，可以只对接口变换器和电源逆变器进行上述控制。当然，采用两个设备进行低电压穿越控制的效率是没有同时进行三个低电压穿越控制的效率高，但是，这也是可实施的。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于：接口变换器按照直流电压上升程度降低交流子网的电压幅值；电源逆变器检测到电压幅值下降相应减小输出功率，使系统有功功率重新达到平衡。在该基本思路的基础上，进一步详细化该思路或者再加入其它的控制策略均不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，控制接口变换器使接口变换器根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值，控制电源逆变器使电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使交直流混合微电网的有功功率达到平衡；所述接口变换器的控制过程为：

(1)采集直流电压；

(2)求取采集到的直流电压与直流电压参考值之间的误差值，并将所述误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压参考值得到补偿后的交流电压参考值；

(3)根据补偿后的交流电压参考值对接口变换器进行相应地控制，以降低交流子网的电压幅值。

2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

步骤(2)中，将所述误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压参考值得到补偿后的交流电压参考值的实现过程为：首先将误差值补偿到接口变换器交流侧的原交流电压幅值参考值，得到新的电容电压幅值补偿值，然后，与相应的正弦信号相乘得到新的电容电压参考值，所述新的电容电压参考值即为所述补偿后的交流电压参考值。

3.根据权利要求1所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

步骤(3)中，根据补偿后的交流电压参考值对接口变换器进行相应地控制的实现过程为：将所述补偿后的交流电压参考值送入接口变换器交流侧双闭环控制系统中，生成用于控制接口变换器的PWM波，根据该PWM波来控制接口变换器。

4.根据权利要求3所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

所述交流侧双闭环控制系统包括电压外环和电流内环，所述电压外环的给定量为所述补偿后的交流电压参考值，所述电压外环的反馈量为接口变换器交流侧的实际交流电压，所述电流内环的反馈量为接口变换器交流侧的实际电流。

5.根据权利要求1所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

所述电源逆变器的控制过程为：

1)采集交流子网的电压；

2)对采集到的交流子网的电压进行处理，得到交流子网的电流参考值；

3)根据得到的电流参考值与电源逆变器交流侧的实际电流的误差值对电源逆变器进行控制。

6.根据权利要求5所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

所述步骤2)中，对采集到的电源逆变器交流侧的电压进行处理的实现过程为；首先获取电源逆变器交流侧的电压幅值以及相角，然后根据电源逆变器交流侧的电压幅值得到电源逆变器交流侧的电流幅值参考值，最后根据电源逆变器交流侧的电流幅值参考值和所述相角得到所述电源逆变器交流侧的电流参考值。

7.根据权利要求6所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

根据以下计算公式来计算电流幅值参考值I_Mref，

其中，I_{M_mpp}为电源逆变器输出的最大电流幅值；|u_s|为交流子网的电压幅值；U_MN为交流子网电压幅值额定值。

8.根据权利要求1所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

所述功率平衡控制方法还包括配电侧变换器的控制方法，所述配电侧变换器的控制方法为：低电压穿越时，配电侧变换器向电网侧提供无功功率。

9.根据权利要求8所述的交直流混合微电网功率平衡控制方法，其特征在于，

配电侧变换器按照以下公式计算出的无功电流来向电网侧提供无功功率，

其中，U_T为电网参考电压标幺值，I_N为额定电流；当电网发生三相短路故障及两相短路故障时，U_T为并网线电压标幺值；当电网发生单相接地短路故障时，U_T为并网相电压标幺值。