CN108063443A - 一种交直流双向功率变换控制方法 - Google Patents

一种交直流双向功率变换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直流双向功率的变换控制方法，步骤：1)在三相电压源型变换器基础上串联一个工作在Buck模式下的DC/DC双向变换器作为交直流双向功率变换器拓扑结构；2)对交直流双向功率变换器设计控制结构，其中三相电压源型变换器采用电压外环，电流内环的双闭环控制结构，Buck变换器也采用双闭环结构；3)利用交直流双向功率变换器直流输出侧的下垂特性，对传统的下垂控制进行改进，根据直流微电网母线电压判断系统的运行状态，实现交直流双向功率变换器在整流、逆变及停机3种工作模式间的切换。本发明避免直流母线电压在额定值附近小范围波动时，引起的电力电子开关不必要的频繁动作；可在整流、逆变和停机模式中自由切换，不需额外的控制信号。

Description

一种交直流双向功率变换控制方法
技术领域
本发明属于智能电网领域，特别涉及一种交直流双向功率变换控制方法。
背景技术
随着能源需求和环境问题的日益严峻，以可再生能源为主的分布式发电技术得到了重视，为更好地协调大电网与分布式发电系统之间存在的矛盾，微电网应运而生，目前微电网组网方式分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网3种，随着直流微源(如光伏、储能等)和直流负荷(计算机、空调、电动汽车等)的大量接入，直流微电网成为了分布式电源并网组网的发展趋势。
研究直流微电网的重点和难点在于如何在微电网系统运行中维持母线电压的稳定，保证系统功率的平衡，同时提高微电网电能质量，减小系统谐波和损耗。目前国内针对直流微电网的研究重点在于电压等级的划分、直流微电源的协调控制、储能装置充放电对系统的影响等方面，而针对直流微电网系统并网控制的研究还很少。
对于直流微电网的并网接口来说，并网接口连接直流微电网和大电网，应具备双向功率流动能力，不仅大电网可以给直流微电网提供能量，当直流微电网内电能过剩时，也可以向大电网输送能量，提高能源的利用率，所以交直流双向功率变换器一方面应控制并网电流为稳定的高质量的正弦波，并且保持并网电流与大电网电压同频同相，保证并网电流电能质量满足并网标准，另一方面能稳定直流母线电压，为直流微电网提供高品质的电力输出，因此，本发明提出了一种交直流双向功率变换控制方法。
发明内容
本发明的目的是实现直流微电网与大电网能量之间的双向交换，保证直流侧能稳定直流母线电压，交流侧电流满足并网标准，同时避免直流母线电压在额定值附近小范围波动时，电力电子器件不必要的开关动作引起的谐波和系统损耗。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种交直流双向功率变换控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在三相电压源型变换器(VSC)基础上串联一个工作在Buck模式下的DC/DC双向变换器作为交直流双向功率变换器的拓扑结构。
步骤二、对交直流双向功率变换器设计控制结构，其中三相电压源型变换器(VSC)采用电压外环，电流内环的的双闭环控制结构，Buck变换器也采用双闭环结构。
步骤三、利用交直流双向功率变换器直流输出侧的下垂特性，对传统的下垂控制进行改进，根据直流微电网母线电压判断系统的运行状态，实现交直流双向功率变换器在整流、逆变及停机3种工作模式间的切换。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)三相电压源型变换器(VSC)串联一个Buck变换器的交直流双向功率变换器拓扑结构可以实现功率的双向流动，交流侧单位功率因数的电流控制。(2)三相电压源型变换器(VSC)串联一个Buck变换器的交直流双向功率变换器拓扑结构能在负载突变或大电网中电压出现不平衡的情况下，使得直流母线电压依然能够保持稳定。(3)三相电压源型变换器(VSC)串联一个Buck变换器的交直流双向功率变换器拓扑结构，能使得输出的直流母线电压范围更大。(4)本发明采用的控制方法可以在整流、逆变和停机模式中自由切换，不需额外的控制信号，自主决定运行方式，且不必计算相应下垂系数。(5)本发明采用的控制方法避免直流母线电压在额定值附近小范围波动时，引起的电力电子开关不必要的频繁动作。
附图说明
图1是一种交直流双向功率变换控制方法流程图。
图2是三相电压源型变换器(VSC)与Buck变换器串联构成的交直流双向功率变换器拓扑结构图。
图3是三相电压源型变换器(VSC)解耦后控制结构图
图4是三相电压源型变换器(VSC)双闭环控制结构框图。
图5是Buck变换器双闭环控制结构框图。
图6是交直流双向功率变换器下垂特性图。
图7是改进的交直流双向功率变换器下垂特性图。
图8是交直流双向功率变换器控制策略图。
图中：1为在三相电压源型变换器(VSC)基础上串联一个工作在Buck模式下的DC/DC双向变换器作为交直流双向功率变换器拓扑结构，2为对交直流双向功率变换器设计控制结构，其中三相电压源型变换器(VSC)采用电压外环，电流内环的的双闭环控制结构，Buck变换器也采用双闭环结构，3为利用交直流双向功率变换器直流输出侧的下垂特性，对传统的下垂控制进行改进，根据直流微电网母线电压判断系统的运行状态，实现交直流双向功率变换器在整流、逆变及停机3种工作模式间的切换。
具体实施方式
本发明一种交直流双向功率变换控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在三相电压源型变换器(VSC)基础上串联一个工作在Buck模式下的DC/DC双向变换器作为交直流双向功率变换器拓扑结构。
步骤二、对交直流双向功率变换器设计控制结构，其中三相VSC采用电压外环，电流内环的的双闭环控制结构，Buck变换器也采用双闭环结构。
步骤三、利用交直流双向功率变换器直流输出侧的下垂特性，对传统的下垂控制进行改进，根据直流微电网母线电压判断系统的运行状态，实现交直流双向功率变换器在整流、逆变及停机3种工作模式间的切换。
进一步，步骤一中，三相电压源型变换器(VSC)直流侧一般并联较大容量的母线电容，具有直流储能和稳压平波功能，同时，三相还可以实现功率的双向流动，交流测单位功率因数的电流控制，但三相控制的直流侧电压稳定值存在下限，当大电网电压不平衡时，三相直流侧电压会出现波动，影响设备的正常运行，甚至会引发保护误动作，导致整个直流微电网系统崩馈，当直流微电网内出现大面积的负荷接入或脱落时，大电网与直流微电网之间交换功率会出现差额，从而导致直流母线电压突变，所以为了克服三相VSC的局限性，在三相VSC的基础上串联一个工作在Buck模式下的双向DC/DC变换器。
进一步，步骤一中，在三相VSC的基础上串联一个工作在Buck模式下的双向DC/DC变换器能够进一步增加对直流母线电压的可控性，当负载突变或大电网中电压出现不平衡时，三相VSC的直流侧电压因此出现较大的波动，通过Buck变换器来控制直流母线电压，能使直流母线电压依然能够保持稳定，同时，因为Buck变换器的存在，直流母线电压没有下限，能输出的直流母线电压范围更大，所以，在并网运行时，由三相VSC控制三相VSC直流侧电压，实现交流侧单位功率因数工作，Buck变换器控制直流母线电压，具体拓扑结构如图2所示。
进一步，步骤二中，三相VSC采用的是电压外环，电流内环的双闭环结构，电压外环的主要作用是控制三相直流侧电压稳定，电流内环使三相交流侧电流快速地跟踪由电压外环给定的电流信号，同时由于对电流指令的限幅，能够对交直流双向功率变换器进行过流保护，若要实现单位功率因数控制，令iq *＝0即可。这种控制具有良好的动态响应和稳态性能，实现了对并网电流有功分量和无功分量的独立控制，具体控制结构框图如图3所示。
三相VSC在dq旋转坐标下具有强耦合性，首先必须对其进行解耦控制，如图3所示，解耦后得到Vd和Vq的控制方程为：
式(1)中，Ed、Eq为大电网三相电动势d轴和q轴分量，Vd、Vq为交流侧电压d轴和q轴分量，id *、iq *为交流侧电流id、iq的稳定参考值，k1p、k1i、k2p、k2i为电流控制器参数。
可以采用极点配置法对电流控制器(PI控制器)参数进行校正计算，由图4所示的双环控制结构图可得三相VSC输出电压表达式为：
其中
W(s)显示的是一个四阶高阶系统，显然系统的控制方程有4个极点，假设系统的特征方程有两个主导极点，还有两个非主导极点，它们分别是：
其中，主导极点实部的绝对值至多为其他非主导极的0.2倍，且其周围不存在零点，这样才能保证系统的动态响应由主导极点决定，根据以上原则，取m,n∈[5,10]，且它们的取值越大，系统的响应越接近于主导极点决定的二阶系统的响应，W(s)的期望表达式为：
W(s)＝(s2+2ξωs+ω2)(s+mξω)(s+nξω) (5)
与式(3)联立可得：
其中
通过仿真时给定参数m、n、L、C、ξ、ω，可以直接求出k2p的值。以k2i为未知数，对式(6)进行整理，可以得到如下关于k2i的方程式
方程有3个解，那么其中的实数解就是需要求的系统控制参数，最后可以通过k2i、k2p求出电压环的另外两个参数，如式(9)所示：
进一步，步骤二中，Buck变换器采用单闭环反馈控制时动态性能较差，因此在单环反馈的基础上加入电流内环控制，提高系统的响应速度，构成双环控制。通过双闭环控制，使输出电容电压随参考电压的变化而变化，具体控制框图如图5所示，控制内环以电感电流为控制变量，控制外环以电容电压为控制变量，输出电容电压uc与电压参考值uc *之差，通过电压控制器得到电感电流期望值iL *，该期望值与输出电感电流值iL相比较产生的误差值经过电流控制器，再通过SVPWM产生控制信号，最终控制输出电压uc稳定。
进一步，步骤三中，当直流微电网并网运行时，微网通过交直流双向功率变换器与大电网进行能量交换，由于直流微电网中直流母线电压是衡量系统正常运行的唯一指标，因此，交直流双向功率变换器需根据微电网母线电压判断微电网系统的运行状态，及时、准确地判断自身功率流向及传输功率大小，维持母线电压在稳定范围内，保证微电网可靠运行。
进一步，步骤三中，交直流双向功率变换器的传输功率应与母线电压对应，其直流侧输出特性符合下垂特性，如图6所示，数学表达式为：
U＝UN-kPt (10)
式(10)中，U为微电网系统直流母线电压参考值，UN为交直流双向功率变换器的额定电压，k为交直流双向功率变换器的下垂系数，Pt为交直流双向功率变换器的传输功率。
由于电力电子装置自身额定功率的限定，当直流母线电压波动超过稳定范围时，交直流双向功率变换器传输功率大小被限制为额定功率值。
实际系统运行中，直流母线电压在额定值附近，且系统处于稳定运行状态时，并不需要微电网系统与大电网有能量交换，为避免电力电子器件不必要动作，减小电力电子装置工作引起的谐波，对传统下垂控制进行改进，采用一种新的下垂控制方式，交直流双向功率变换器的下垂控制特性可修改为如图7所示，数学表达式为：
式(11)中，UH1和UL1为交直流双向功率变换器的控制阈值电压，UH2和UL2为直流母线电压稳定变化范围上下界，P为交直流双向功率变换器的额定传输功率，Pt *为交直流双向功率变换器的传输功率参考值。
在改进后的下垂控制方式下，交直流双向功率变换器的工作模式分为3种：
(1)逆变模式。当直流微电网系统负荷功率小于额定功率，系统轻载运行，直流母线电压上升且超过UH1时，交直流双向功率变换器开启并工作于逆变模式，将微电网系统中剩余功率输送至大电网，其传输功率大小由自身下垂控制特性决定，当微电网直流母线电压恢复至UH1时，交直流双向功率变换器停止工作。
(2)停机模式。当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统功率可由分布式发电单元和储能装置的协调配合维持平衡，交直流双向功率变换器工作于停机模式，不进行交直流侧功率的传输。
(3)整流模式。当直流微电网系统负荷功率高于额定功率，系统重载运行，直流母线电压下降且低于UL1时，交直流双向功率变换器开启并工作于整流模式，微电网内部不足电量由大电网供给，直流母线电压恢复至UL1时，交直流双向功率变换器停止工作。
综上所述，交直流双向功率变换器控制策略框图如图8所示，变换器依据直流母线电压与电压给定值工作在逆变、整流及停机状态，在母线电压高于设定值UH1时，两者的差值大于0，变换器工作在逆变模式；在母线电压低于设定值UL1时，两者的差值小于0，变换器工作在整流模式。

Claims (5)

1.一种交直流双向功率的变换控制方法，其特征在于，具体步骤：
步骤一、在三相电压源型变换器基础上串联一个工作在Buck模式下的DC/DC双向变换器作为交直流双向功率变换器拓扑结构；
步骤二、对交直流双向功率变换器设计控制结构，其中三相电压源型变换器采用电压外环，电流内环的的双闭环控制结构，Buck变换器也采用双闭环结构；
步骤三、利用交直流双向功率变换器直流输出侧的下垂特性，对传统的下垂控制进行改进，根据直流微电网母线电压判断系统的运行状态，实现交直流双向功率变换器在整流、逆变及停机3种工作模式间的切换。
2.如权利要求1所述的一种交直流双向功率的变换控制方法，其特征在于，步骤一中，利用三相VSC串联一个Buck变换器作为交直流双向功率变换器的拓扑结构，在并网运行时，由三相VSC控制三相VSC直流侧电压，实现交流侧单位功率因数工作，Buck变换器控制直流母线电压，这种拓扑结构不仅可以实现功率的双向流动，交流测单位功率因数的电流控制，而且当负载突变或大电网中电压出现不平衡时，能使直流母线电压依然保持稳定，另外，由于直流母线电压没有下限，使得输出的直流母线电压范围更大。
3.如权利要求1所述的一种交直流双向功率的变换控制方法，其特征在于，步骤二中，三相VSC采用电压外环，电流内环的的双闭环控制结构，实现对并网电流的追踪与控制，Buck变换器也采用双闭环结构，控制内环以电感电流为控制变量，控制外环以电容电压为控制变量，实现对直流母线电压的稳定控制。
4.如权利要求1所述的一种交直流双向功率的变换控制方法，其特征在于，步骤三中，改进的下垂特性控制方法可以在整流、逆变和停机模式中自由切换，不需额外的控制信号，自主决定运行方式，且不必计算相应下垂系数。
5.如权利要求1或4所述的一种交直流双向功率的变换控制方法，其特征在于，改进的下垂特性控制方法避免直流母线电压在额定值附近小范围波动时，引起电力电子开关不必要的频繁动作。
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