CN108347066A - 一种交直流双向功率变流器的控制策略优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，基于原有的双向功率变流器下垂控制特性，提出了加入交直流双向DC/AC功率变流器的控制阀值电压，当电压在阀值电压内波动时，由超级电容储能装置充放电来维持平衡，此时双向变流器不进行交直流微电网间的能量交换。包括步骤1：确定交直流双向DA/AC功率变流器的下垂特性；步骤2：确定交直流双向功率变流器的额定传输功率值，设定阀值电压；步骤3：优化后的下垂控制。

Description

一种交直流双向功率变流器的控制策略优化方法

技术领域

本发明涉及交直流混合微电网的控制策略领域，具体的说是一种基于双向功率变流器的下垂控制策略的优化。

背景技术

交直流混合微电网并网运行时，受到大电网的箝位影响，交流微电网的频率基本与大电网相同，此外交流微电网侧的分布式电源具有较好的可控性，因此在大电网的作用下交流微电网可保证功率平衡。由此可见，交直流混合微电网的运行控制主要是直流微电网的运行控制问题。直流微电网的控制目的在于维持直流母线电压的稳定，保证系统的功率平衡。交直流母线间通过双向DC/AC功率变流器协调控制交流子网和直流子网间的能量传输，双向功率变流器的有效控制直接影响到交直流混合微电网的功率分配和稳定性问题。

双向DC/AC变流器有整流和逆变工作模式下，实现直流微电网和大电网之间的能量交换，控制系统在直流微电网母线电压的额定值附近小范围波动保证微电网系统的稳定运行。应用于双向DC/AC功率变流器的下垂控制策略，当直流母线电压在额定值附近小范围波动时，会引起电力电子器件的频繁动作，造成谐波和系统损耗。

发明内容

为解决上述问题，本发明在目前广泛使用于交直流双向DC/AC功率变流器的下垂控制的基础上，提出了一种加入超级电容储能装置调节系统功率平衡的下垂控制策略的优化。当系统达到稳定时，直流母线电压依然存在在额定值附近小范围波动的现象。此时系统仍在稳定运行状态，并且直流母线电压在额定值附近，不需要直流微电网和大电网进行能量交换，造成电力电子器件动作引起的谐波和损耗。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

本发明基于原有的双向功率变流器下垂控制特性，提出了加入交直流双向DC/AC功率变流器的控制阀值电压，当电压在阀值电压内波动时，由超级电容储能装置充放电来维持平衡，此时双向变流器不进行交直流微电网间的能量交换。控制策略的优化按如下步骤进行：

步骤1、根据交直流双向功率变流器的传输功率与直流母线电压的对应关系，确定交直流双向DA/AC功率变流器的下垂特性；

步骤2、根据电力电子器件自身额定功率的限定，确定交直流双向功率变流器的额定传输功率值，在可调节的直流母线电压波动值范围内设定阀值电压；

步骤3、优化后的下垂控制，交直流双向功率变流器工作在3种模式下：整流模式、关机模式、逆变模式，避免了直流母线电压在额定值附近波动引起的电力电子器件的频繁动作。

本发明所述的基于传统下垂控制策略的优化在于：

所述步骤1是按如下过程进行：

Ⅰ、计算电压-功率下垂系数，即

式中，P_max、P_min分别为交流子网向直流子网输出的功率上限和下限，P_max＝-P_min，V_max、V_min分别为V_dc-P下垂控制区的直流电压最大值最小值；

Ⅱ、V_dc-P下垂控制以变流器直流母线电压为参考值，将直流电压的测量值与额定值进行对比，再经过下垂系数得到有功功率参考值，通过交直流双向DC/AC功率变流器与大电网进行能量交换，使系统达到稳定，即

P＝P^*+(V^*-V)k_d

式中，V为直流母线的电压实际值，V^*为直流母线的额定电压，k_d为下垂系数，P为双向变流器输入到直流微电网的实际功率，P^*为参考功率。

所述步骤2是按如下过程进行：

Ⅰ、为了防止交直流双向DC/AC功率变流器的传输功率超出自身额定容量、防止变流器电力电子器件过热，当直流母线电压波动超过稳定范围，双向变流器只能按额定功率进行功率传输，此时交直流双向DC/AC功率变流器不能参加对直流母线的调节；

Ⅱ、为了避免电力电子器件的不必要动作，减小谐波和损耗，在可调节的直流母线电压波动值范围内设定阀值电压。直流母线在阀值电压内波动时，交直流双向DC/AC功率变流器不进行能量交换。

所述步骤3是按如下过程进行：

Ⅰ、当直流微电网负荷功率大于自身的额定功率，直流母线电压下降，交直流双向DC/AC功率变流器工作在整流模式，直流微电网内不足的能量由大电网提供。直流母线电压恢复时，变流器停止工作；

Ⅱ、当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统的功率平衡由超级电容储能装置通过充放电来维持，此时的交直流双向DC/AC功率变流器工作在停机模式；

Ⅲ、当直流微电网负荷功率小于自身的额定功率，直流母线电压上升，交直流双向DC/AC功率变流器工作在逆变模式，直流微电网内富余的能量送至大电网。直流母线电压恢复时，变流器停止工作。

超级电容储能装置通过充放电具体方法为：

超级电容储能装置的控制方式为功率-电压下垂控制，表达式为

式中，V_bat为超级电容储能装置出口端电压实际值，为参考电压，k_p为功率-电压下垂系数，P_bat为超级电容储能装置实际输出功率，P^*为超级电容储能装置功率设定值。

式中，k_p为功率-电压下垂系数，可表示为

式中，分别为超级电容储能装置向直流子网输出的功率上限和下限， 分别为P-V_dc下垂控制区的直流电压最大值最小值。

超级电容储能装置作为调节系统功率平衡的下垂控制策略的优化，当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统的功率平衡由超级电容储能装置通过充放电来维持。当直流母线电压小于额定电压，并且大于阀值电压V_l，即V_l＜V＜V^*，则P_bat＞0超级电容储能装置处于放电状态，直流母线电压高于额定电压；当直流母线电压大于额定电压，并且小于阀值电压V_h，即V^*＜V＜V_h，则P_bat＜0超级电容储能装置处于放电状态，直流母线电压低于额定电压。

附图说明

图1为本发明中优化后的交直流双向DC/AC功率变流器下垂特性。

图2为本发明实施例中交直流混合微电网内功率流动示意图。

图3为本发明实施例中直流双向DC/AC功率变流器与超级电容储能装置的下垂特性曲线。

图4为本发明实施例中加入超级电容储能装置调节系统功率平衡优化下垂控制策略的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，为了防止交直流双向DC/AC功率变流器的传输功率超出自身额定容量、防止变流器电力电子器件过热，当直流母线电压波动超过稳定范围V_min至V_max值，双向变流器只能按额定功率进行功率传输，此时交直流双向DC/AC功率变流器不能参加对直流母线的调节。为了避免电力电子器件的不必要动作，减小谐波和损耗，在可调节的直流母线电压波动值范围内设定阀值电压V_l和V_h。直流母线在阀值电压内波动时，交直流双向DC/AC功率变流器不进行能量交换。

当直流微电网负荷功率大于自身的额定功率，直流母线电压下降，交直流双向DC/AC功率变流器工作在整流模式，直流微电网内不足的能量由大电网提供，即

P＝P^*+(V^*-V)k_d

式中，V为直流母线的电压实际值，V^*为直流母线的额定电压，k_d为下垂系数，P为双向变流器输入到直流微网的实际功率，P^*为参考功率。

当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统的功率平衡由超级电容储能装置通过充放电来维持，此时的交直流双向DC/AC功率变流器工作在停机模式。

当直流微电网负荷功率小于自身的额定功率，直流母线电压上升，交直流双向DC/AC功率变流器工作在逆变模式，直流微电网内富余的能量送至大电网，即

P＝P^*+(V^*-V)k_d

式中，V为直流母线的电压实际值，V^*为直流母线的额定电压，k_d为下垂系数，P为双向变流器输入到直流微电网的实际功率，P^*为参考功率。

如图2所示，交直流混合微电网的功率流动图，直流微电网通过交直流双向DC/AC功率变流器与大电网进行能量交换，来维持直流微电网的功率平衡和直流母线的电压稳定。直流微电网系统的功率平衡为

P_load＝P+P_PV+P_WT+P_bat

式中，P为大电网与直流微电网系统交换的功率，P_load为直流负载消耗的功率，P_PV为光伏列阵输出的功率，P_WT为风机输出的功率，P_bat为超级电容储能装置充放电的功率。注意，P取流向直流母线的功率为正。

如图3所示，为了保证超级电容储能装置对交直流双向功率变流器下垂控制策略的优化，超级电容储能装置的下垂区要完全覆盖直流双向DC/AC功率变流器的阀值电压区间。

当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统的功率平衡由超级电容储能装置通过充放电来维持。当直流母线电压小于额定电压，并且大于阀值电压V_l，即V_l＜V＜V^*，则P_bat＞0超级电容储能装置处于放电状态，直流母线电压高于额定电压；当直流母线电压大于额定电压，并且小于阀值电压V_h，即V^*＜V＜V_h，则P_bat＜0超级电容储能装置处于充电状态，直流母线电压低于额定电压。

如图4所示，当直流微电网负荷功率大于自身的额定功率，直流母线电压下降，并且超过稳定范围V_min，即V≤V_min时，双向变流器只能按额定功率进行功率传输，此时交直流双向DC/AC功率变流器不能参加对直流母线的调节；当直流母线电压下降在稳定范围内，并且小于阀值电压，即V_min＜V≤V_l，交直流双向DC/AC功率变流器工作在整流模式，直流微电网内不足的能量由大电网提供；当直流母线电压小于额定电压，并且大于阀值电压V_l，即V_l＜V≤V^*，超级电容储能装置处于放电状态来提供直流微电网内不足的能量，此时的交直流双向DC/AC功率变流器工作在停机模式；当直流母线电压大于额定电压，并且小于阀值电压V_h，即V^*≤V＜V_h，超级电容储能装置处于充电状态来吸收直流微电网内富余的能量，此时的交直流双向DC/AC功率变流器工作在停机模式；当直流母线电压上升在稳定范围内，并且大于阀值电压，即V_h≤V＜V_max，交直流双向DC/AC功率变流器工作在逆变模式，直流微电网内富余的能量送至大电网；当直流微电网负荷功率小于自身的额定功率，直流母线电压上升，并且超过稳定范围V_max，即V_min≤V时，双向变流器只能按额定功率进行功率传输，此时交直流双向DC/AC功率变流器不能参加对直流母线的调节。

Claims (5)

1.一种交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤1、根据交直流双向功率变流器的传输功率与直流母线电压的对应关系，确定交直流双向DA/AC功率变流器的下垂特性；

步骤2、根据电力电子器件自身额定功率的限定，确定交直流双向功率变流器的额定传输功率值，在可调节的直流母线电压波动值范围内设定阀值电压；

步骤3、优化后的下垂控制，交直流双向功率变流器工作在3种模式下：整流模式、关机模式、逆变模式，避免了直流母线电压在额定值附近波动引起的电力电子器件的频繁动作。

2.根据权利要求1所述的交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，其特征在于，步骤1按如下过程进行：

Ⅰ、计算电压-功率下垂系数，即

式中，P_max、P_min分别为交流子网向直流子网输出的功率上限和下限，P_max＝-P_min，V_max、V_min分别为V_dc-P下垂控制区的直流电压最大值最小值；

Ⅱ、V_dc-P下垂控制以变流器直流母线电压为参考值，将直流电压的测量值与额定值进行对比，再经过下垂系数得到有功功率参考值，通过交直流双向DC/AC功率变流器与大电网进行能量交换，使系统达到稳定，即

P＝P^*+(V^*-V)k_d

式中，V为直流母线的电压实际值，V^*为直流母线的额定电压，k_d为下垂系数，P为双向变流器输入到直流微电网的实际功率，P^*为参考功率。

3.根据权利要求1所述的交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，其特征在于，步骤2按如下过程进行：

Ⅰ、为了防止交直流双向DC/AC功率变流器的传输功率超出自身额定容量、防止变流器电力电子器件过热，当直流母线电压波动超过稳定范围，双向变流器只能按额定功率进行功率传输，此时交直流双向DC/AC功率变流器不能参加对直流母线的调节；

Ⅱ、为了避免电力电子器件的不必要动作，减小谐波和损耗，在可调节的直流母线电压波动值范围内设定阀值电压；直流母线在阀值电压内波动时，交直流双向DC/AC功率变流器不进行能量交换。

4.根据权利要求1所述的交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，其特征在于，步骤3按如下过程进行：

Ⅰ、当直流微电网负荷功率大于自身的额定功率，直流母线电压下降，交直流双向DC/AC功率变流器工作在整流模式，直流微电网内不足的能量由大电网提供；直流母线电压恢复时，变流器停止工作；

Ⅱ、当直流母线电压在额定值附近小范围波动，系统的功率平衡由超级电容储能装置通过充放电来维持，此时的交直流双向DC/AC功率变流器工作在停机模式；

Ⅲ、当直流微电网负荷功率小于自身的额定功率，直流母线电压上升，交直流双向DC/AC功率变流器工作在逆变模式，直流微电网内富余的能量送至大电网；直流母线电压恢复时，变流器停止工作。

5.根据权利要求4所述的交直流双向功率变流器的控制策略优化方法，其特征在于，所述超级电容储能装置通过充放电具体方法为：

超级电容储能装置的控制方式为功率-电压下垂控制，表达式为

式中，V_bat为超级电容储能装置出口端电压实际值，为参考电压，k_p为功率-电压下垂系数，P_bat为超级电容储能装置实际输出功率，P^*为超级电容储能装置功率设定值；

式中，k_p为功率-电压下垂系数，表示为

式中，分别为超级电容储能装置向直流子网输出的功率上限和下限，分别为P-V_dc下垂控制区的直流电压最大值最小值；

当直流母线电压小于额定电压，并且大于阀值电压V_l，即V_l＜V＜V^*，则P_bat＞0超级电容储能装置处于放电状态，直流母线电压高于额定电压；当直流母线电压大于额定电压，并且小于阀值电压V_h，即V^*＜V＜V_h，则P_bat＜0超级电容储能装置处于放电状态，直流母线电压低于额定电压。