CN107947623B - 一种负载不平衡条件下双向ac/dc变换器的多模态自治运行控制方法 - Google Patents
一种负载不平衡条件下双向ac/dc变换器的多模态自治运行控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及交直流混合微电网中双向AC/DC变换器的稳定运行领域，具体指一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器多模态自治运行控制方法。本发明有效地利用双向AC/DC变换器的功率裕量来解决三相不平衡负载对其造成的交流侧输出电流不平衡、传输的有功功率波动、直流母线电压波动等问题，通过调节可调参数C来改变双向AC/DC变换器在PCC处的等效负序阻抗，进而决定由不平衡负载产生的负序电流的流向，使变换器可以在电流平衡、电压不平衡补偿和有功功率平衡三种模态下运行。因此，本发明提高了双向AC/DC变换器的利用率，降低了微电网的投资和运行成本，节约了微电网的空间，确保了微电网的优化稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及交直流混合微电网中双向AC/DC变换器的稳定运行领域，具体指一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器多模态自治运行控制方法。
背景技术
在环境保护和能源需求的双重压力下，分布式发电成为电力系统发展的重要推动力。目前的微电网种类有：直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网，交直流混合微电网因其能够大大减少直流微电网或交流微电网中多重AC/DC或DC/AC变换器带来的功率损耗而受到国内外学者的广泛研究。交直流混合微电网包括分布式发电单元、储能装置、交流负荷和直流负荷，双向AC/DC变换器通过交流母线和直流母线连接着交流子网和直流子网，是交直流混合微电网能量控制的核心，但它在控制上和功能上较传统电网中的同步发电机具有更多的灵活性和自由度，需要同时考虑直流子网和交流子网两方面的信息。
在交直流混合微电网中，交流母线上的三相不对称负载会导致系统出现电压不平衡问题，进而对双向AC/DC变换器造成很多不利的影响：功率振荡、直流母线电压波动、输出电流不平衡等。为了解决这些问题，很多文献提出了一些电压不平衡时变换器的控制策略，可以将其控制目标分为三种：保证变换器有功功率传输最大化、保证公共连接点PCC处的电压质量、保证直流母线电压恒定。目前大多数文献是采用串并联有源滤波器等电能质量调节装置来实现上述控制目标，但这会带来额外的投资成本和运行维护费用，增大系统的体积，降低系统的可靠性。
另外，由于微电网中分布式发电单元出力的不确定性，以双向 AC/DC变换器为主的变换器以及电能质量调节装置利用率很低，甚至处于停用状态，往往会造成大量的容量冗余。如果减少功率转换装置以及电能质量调节装置的数量，在缺少变换器协调控制的情况下，则会导致系统功率缺额，影响系统的稳定运行。
发明内容
本发明为了解决双向AC/DC变换器的容量冗余问题和电压不平衡会对双向AC/DC变换器造成功率振荡、直流母线电压波动、输出交流电流不平衡等不利影响的问题，针对现有技术缺陷，设计了一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器多模态自治运行控制方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种在负载不平衡条件下可多种模态运行的双向AC/DC变换器，是三相全桥电路，包括相互并联的三组桥臂，每组桥臂都包括两个相互串联的IGBT，IGBT由功率管和反并联的二极管构成，三相全桥电路的直流侧与直流电源相连，交流侧经过电感与不平衡负载相连，并经公共并网点PCC与大电网相连。
如上述的一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器的多模态自治运行控制方法，交流母线上的三相不平衡负载使PCC处电压不平衡，也会使双向AC/DC变换器交流侧输出电流不平衡、传输的有功功率存在波动，同时由于双向AC/DC变换器通常采用冗余配置方案，因此，本发明利用变换器的这部分功率裕量解决上述问题，使其可以根据系统要求在电流平衡、电压不平衡补偿和有功功率平衡三种模态中平滑切换。所述方法具体展开如下：
步骤一：检测PCC处电压vPCCabc、双向AC/DC变换器交流侧输出电压voabc和输出电流ioabc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量vPCCαβ、voαβ、ioαβ，并对vPCCαβ和voαβ进行正负序分离；
步骤二：首先，对双向AC/DC变换器的直流侧电压Udc和交流侧电压有效值Uac进行标幺化处理，两者作差得到新的参数Unorm，通过Unorm对Uac进行修正得到变换器交流侧电压有效值的参考值 Uref；其次，利用基于二阶广义积分的锁相环测出交流侧输出电压正序分量的相位δref，最后经过三相正弦量发生器产生双向AC/DC变换器交流侧输出电压参考值的正序分量voref +；
步骤三：将双向AC/DC变换器等效成可控电压源vo －和阻抗ZCon －的串联，引入一个多模态运行参数C，使步骤一得到的vo －和vPCC －满足式(1)，通过调节参数C可改变双向AC/DC变换器在PCC处的等效负序阻抗ZCon,eq，如式(2)所示，从而决定由不平衡负载产生的负序电流流向，进而使双向AC/DC变换器运行在不同的模态；
vo -＝-C·vPCC -，C＞-1 (1)
式中：vo －和vPCC －分别是双向AC/DC变换器交流侧输出电压和PCC处电压的负序分量，io －是变换器交流侧输出电流的负序分量；
(1)当C＝0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗没有变化，由不平衡负载引起的负序电流流向交流子网和变换器，PCC处电压和变换器交流侧输出电流不平衡，变换器传输的有功功率存在波动，工作在不控模态；
(2)当-1＜C＜0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变大，负序电流大部分流向交流子网侧，变换器交流侧输出电流接近正弦波， PCC处电压不平衡度变大，变换器传输的有功功率仍存在波动，工作在电流平衡模态；
(3)当C＞0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变小，负序电流大部分流向变换器侧，PCC处电压接近正弦波，变换器交流侧输出电流不平衡度变大，传输的有功功率仍存在震荡，工作在电压不平衡补偿模态；
(4)当三相负荷不平衡时，双向AC/DC变换器传输的有功功率波动量由两部分组成，因此引入有功平衡参数kp使这两部分功率波动量相互抵消，如式(3)所示，进而得到多模态运行参数C与有功功率平衡参数kp间的关系，因此可以通过调节C的值间接地调节kp的值，使其运行在有功功率平衡模态；
vo +·io -＝-kp·vo -·io + (3)
式中：vo +是双向AC/DC变换器交流侧输出电压的正序分量，io +是变换器交流侧输出电流的正序分量；
上述分析可知，调节多模态运行参数C可以改变双向AC/DC变换器运行模态，变换器交流侧输出电压的负序分量vo －也因此而改变，本方法将其作为变换器电压参考值的负序分量voref －；
步骤四：将步骤二中得到的voref +和步骤三中得到的voref －一起构成双向AC/DC变换器电压控制环的参考值，电压控制环的输出作为电流控制环的参考值；当电网中存在不平衡负载时，双向AC/DC变换器输出的电压和电流就包含负序分量，由于PI控制器不能跟踪非直流分量，因此，电压控制和电流控制均采用比例谐振(PR)控制器，随后经过PWM控制，输出PWM波形进而控制双向AC/DC变换器。
本发明所提供的上述一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器的多模态自治运行控制方法，与现有技术相比，当交流母线上的三相负荷载不平衡时，在不增加额外装置的情况下，利用双向AC/DC变换器的功率裕量解决电压不平衡对其造成的交流侧输出电流不平衡、传输的有功功率波动、直流母线电压波动等问题，实现变换器电流平衡、电压不平衡补偿、有功功率平衡多模态运行，提高了双向AC/DC 变换器的利用率，降低了微电网的投资和运行成本，节约了微电网的空间，确保微电网能够优化稳定运行。
附图说明
图1是本发明所涉及一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器多模态自治运行结构及整体控制框图；
图2是本发明所涉及交直流混合微电网负序等效电路图；
图3是本发明所涉及电流平衡模态时交流子网和直流子网波形图；
图4是本发明所涉及电压不平衡补偿模态时交流子网和直流子网波形图；
图5是本发明所涉及有功功率平衡模态时交流子网和直流子网波形图。
具体实施方式
一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器的多模态自治运行控制方法，交流母线上的三相不平衡负载使PCC处电压不平衡，也会使双向AC/DC变换器交流侧输出电流不平衡、传输的有功功率存在波动，同时由于双向AC/DC变换器通常采用冗余配置方案，因此，本发明利用变换器的这部分功率裕量解决上述问题，使其可以根据系统要求在电流平衡、电压不平衡补偿和有功功率平衡三种模态中平滑切换。
本发明是采用如下技术方案实现的：
步骤一：检测PCC处电压vPCCabc、双向AC/DC变换器交流侧输出电压voabc和输出电流ioabc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量vPCCαβ、voαβ、ioαβ，并对vPCCαβ和voαβ进行正负序分离；
步骤二：首先，对双向AC/DC变换器的直流侧电压Udc和交流侧电压有效值Uac进行标幺化处理，两者作差得到新的参数Unorm，通过Unorm对Uac进行修正得到变换器交流侧电压有效值的参考值 Uref；其次，利用基于二阶广义积分的锁相环测出交流侧输出电压正序分量的相位δref，最后经过三相正弦量发生器产生双向AC/DC变换器交流侧输出电压参考值的正序分量voref +；
步骤三：将双向AC/DC变换器等效成可控电压源vo －和阻抗ZCon －的串联，引入一个多模态运行参数C，使步骤一得到的vo －和vPCC －满足式(1)，通过调节参数C可改变双向AC/DC变换器在PCC处的等效负序阻抗ZCon,eq，如式(2)所示，从而决定由不平衡负载产生的负序电流流向，进而使双向AC/DC变换器运行在不同的模态；
vo -＝-C·vPCC -，C＞-1 (1)
式中：vo －和vPCC －分别是双向AC/DC变换器交流侧输出电压和 PCC处电压的负序分量，io －是变换器交流侧输出电流的负序分量；
(1)当C＝0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗没有变化，由不平衡负载引起的负序电流流向交流子网和变换器，PCC处电压和变换器交流侧输出电流不平衡，变换器传输的有功功率存在波动，工作在不控模态；
(2)当-1＜C＜0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变大，负序电流大部分流向交流子网侧，变换器交流侧输出电流接近正弦波， PCC处电压不平衡度变大，变换器传输的有功功率仍存在波动，工作在电流平衡模态；
(3)当C＞0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变小，负序电流大部分流向变换器侧，PCC处电压接近正弦波，变换器交流侧输出电流不平衡度变大，传输的有功功率仍存在震荡，工作在电压不平衡补偿模态；
(4)当三相负荷不平衡时，双向AC/DC变换器传输的有功功率波动量由两部分组成，因此引入有功平衡参数kp使这两部分功率波动量相互抵消，如式(3)所示，进而得到多模态运行参数C与有功功率平衡参数kp间的关系，因此可以通过调节C的值间接地调节kp的值，使其运行在有功功率平衡模态；
vo +·io -＝-kp·vo -·io + (3)
式中：vo +是双向AC/DC变换器交流侧输出电压的正序分量，io +是变换器交流侧输出电流的正序分量；
上述分析可知，调节多模态运行参数C可以改变双向AC/DC变换器运行模态，变换器交流侧输出电压的负序分量vo －也因此而改变，本发明将其作为变换器电压参考值的负序分量voref －；
步骤四：将步骤二中得到的voref +和步骤三中得到的voref －一起构成双向AC/DC变换器电压控制环的参考值，电压控制环的输出作为电流控制环的参考值；当电网中存在不平衡负载时，双向AC/DC变换器输出的电压和电流就包含负序分量，由于PI控制器不能跟踪非直流分量，因此，电压控制和电流控制均采用比例谐振(PR)控制器，随后经过PWM控制，输出PWM波形进而控制双向AC/DC变换器。
本发明所提供的上述一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器的多模态自治运行控制方法，与现有技术相比，当交流母线上的三相负荷载不平衡时，在不增加额外装置的情况下，利用双向AC/DC变换器的功率裕量解决电压不平衡对其造成的交流侧输出电流不平衡、传输的有功功率波动、直流母线电压波动等问题，实现变换器电流平衡、电压不平衡补偿、有功功率平衡多模态运行，提高了双向AC/DC 变换器的利用率，降低了微电网的投资和运行成本，节约了微电网的空间，确保微电网能够优化稳定运行。
Claims (1)
1.一种负载不平衡条件下双向AC/DC变换器多模态自治运行控制方法，双向AC/DC变换器是三相全桥电路，包括相互并联的三组桥臂，每组桥臂都包括两个相互串联的IGBT，IGBT由功率管和反并联的二极管构成，三相全桥电路的直流侧与直流电源相连，交流侧经过电感与不平衡负载相连，并经公共并网点PCC与大电网相连；其特征在于，所述控制方法包含以下步骤：
步骤一：检测PCC处电压vPCCabc、双向AC/DC变换器交流侧输出电压voabc和输出电流ioabc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量vPCCαβ、voαβ、ioαβ，并对vPCCαβ和voαβ进行正负序分离；
步骤二：首先，对双向AC/DC变换器的直流侧电压Udc和交流侧电压有效值Uac进行标幺化处理，两者作差得到新的参数Unorm，通过Unorm对Uac进行修正得到变换器交流侧电压有效值的参考值Uref；其次，利用基于二阶广义积分的锁相环测出交流侧输出电压正序分量的相位δref，最后经过三相正弦量发生器产生双向AC/DC变换器交流侧输出电压参考值的正序分量voref +；
步骤三：将双向AC/DC变换器等效成可控电压源vo －和阻抗ZCon －的串联，引入一个多模态运行参数C，使步骤一得到的vo －和vPCC －满足式(1)，通过调节参数C可改变双向AC/DC变换器在PCC处的等效负序阻抗ZCon,eq，如式(2)所示，从而决定由不平衡负载产生的负序电流流向，进而使双向AC/DC变换器运行在不同的模态；
vo -＝-C·vPCC -，C＞-1 (1)
式中：vo －和vPCC －分别是双向AC/DC变换器交流侧输出电压和PCC处电压的负序分量，io －是变换器交流侧输出电流的负序分量；
(1)当C＝0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗没有变化，由不平衡负载引起的负序电流流向交流子网和变换器，PCC处电压和变换器交流侧输出电流不平衡，变换器传输的有功功率存在波动，工作在不控模态；
(2)当-1＜C＜0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变大，负序电流大部分流向交流子网侧，变换器交流侧输出电流接近正弦波，PCC处电压不平衡度变大，变换器传输的有功功率仍存在波动，工作在电流平衡模态；
(3)当C＞0时，双向AC/DC变换器的等效负序阻抗变小，负序电流大部分流向变换器侧，PCC处电压接近正弦波，变换器交流侧输出电流不平衡度变大，传输的有功功率仍存在震荡，工作在电压不平衡补偿模态；
(4)当三相负荷不平衡时，双向AC/DC变换器传输的有功功率波动量由两部分组成，因此引入有功平衡参数kp使这两部分功率波动量相互抵消，如式(3)所示，进而得到多模态运行参数C与有功功率平衡参数kp间的关系，因此可以通过调节C的值间接地调节kp的值，使其运行在有功功率平衡模态；
vo +·io -＝-kp·vo -·io + (3)
式中：vo +是双向AC/DC变换器交流侧输出电压的正序分量，io +是变换器交流侧输出电流的正序分量；
上述分析可知，调节多模态运行参数C可以改变双向AC/DC变换器运行模态，变换器交流侧输出电压的负序分量vo －也因此而改变，本方法将其作为变换器电压参考值的负序分量voref －；
步骤四：将步骤二中得到的voref +和步骤三中得到的voref －一起构成双向AC/DC变换器电压控制环的参考值，电压控制环的输出作为电流控制环的参考值；当电网中存在不平衡负载时，双向AC/DC变换器输出的电压和电流就包含负序分量，由于PI控制器不能跟踪非直流分量，因此，电压控制和电流控制均采用比例谐振(PR)控制器，随后经过PWM控制，输出PWM波形进而控制双向AC/DC变换器。
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