CN108777487B - 一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法 - Google Patents

一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交直流混合微电网与配电网领域，具体为一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法，包括从属电压源型变流器、三相LC低通滤波器和三相变压器，所述从属电压源型变流器的直流侧与交直流混合微电网的直流母线相连接，所述从属电压源型交流器的交流侧通过三相导线连接至三相LC低通滤波器的一端，三相LC低通滤波器的另一端连接至三相变压器的二次侧，所述三相变压器的一次侧串联在交直流混合微电网的交流母线和配电网之间。本发明具有电压补偿和电流限制的效果，即保证了交流直流混合微电网中交流母线所挂负载的电压稳定，又保证了交直流混合微电网中电力电子器件的安全。

Description

一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法
技术领域
本发明涉及交直流混合微电网与配电网领域，具体为一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法。
背景技术
交直流混合微电网是一个包含负荷、储能设备、交直流发电装置和双向AC/DC功率变换器的集合体。其运行模式分为孤岛模式和并网模式。当运行于孤岛模式时，交直流混合微电网是一个自给自足的独立系统。当运行于并网模式时，交直流混合微电网与配电网连接，配电网为其交流子网提供电压支撑；交直流混合微电网的微电源发出的功率多于负荷的需求时，交直流混合微电网向配电网传输一部分功率，反之，配电网向交直流混合微电网传输一部分功率。交直流混合微电网的运行模式决定了其在并网模式下会受到配电网的影响。当配电网侧发生故障导致配电网侧电压跌落、骤升或不平衡时，交直流混合微电网的交流母线电压也会发生相应的变化，这会影响到交流母线所挂负载的正常运行，严重时会在交直流混合微电网的并网接口(并网接口即交直流混合微电网的交流母线与配电网间的接口，其中配电网和交直流混合微电网的交流母线之间线路的电阻为Rl，电抗为Ll)产生故障大电流，威胁到电力电子器件的安全。现有技术多针对交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网中微电源对电压跌落和不平衡的故障穿越能力，很少考虑交直流混合微电网对配电网电压变化和故障电流的故障穿越能力。因此，交直流混合微电网的发展推广受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于解决配电网发生电压跌落、骤升或不平衡时导致交直流混合微电网的交流母线电压不能维持恒定，严重时甚至导致并网接口产生故障大电流，从而影响或损坏电力电子器件的问题，提供了一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节，包括从属电压源型变流器(Slave Voltage Source Converter，VSCs)、三相LC低通滤波器和三相变压器，所述从属电压源型变流器的直流侧与交直流混合微电网的直流母线相连接，所述从属电压源型变流器的交流侧通过三相导线连接至三相LC低通滤波器的一端，所述三相LC低通滤波器的另一端连接至三相变压器的二次侧，所述三相变压器的一次侧串联在交直流混合微电网的交流母线和配电网之间。
一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节的控制方法，该方法是通过本发明所述的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节实现的，具体包括以下步骤：
(1)采集配电网的三相电压Usk，k＝a，b，c；采集流过交直流混合微电网交流母线与配电网间线路的三相电流isk，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电容三相电压Uck，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电感三相电流ifk，k＝a，b，c；采集交直流混合微电网的交流母线所挂负载的三相电压ULk，k＝a，b，c；
(2)当配电网的三相电压Usk的幅值在其±80％的额定电压幅值范围内变化时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(Master Voltage Source Converter，VSCM)在恒功率控制模式(PQ)下工作，本发明所述电路环节工作在电压补偿控制模式下，其具体控制步骤如下：
(2.1)通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)生成配电网三相电压的正弦参考信号和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的正弦参考信号，两个正弦参考信号相同，故配电网三相电压和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的参考值相等，且均定义为Urefk，k＝a，b，c；
(2.2)将配电网的三相电压参考值和所述交直流混合微电网的交流母线所挂负载三相电压的参考值之和即二倍的Urefk减去采集到的配电网三相电压Usk和混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk即可得到补偿电压的参考值Ucref；
(2.3)将生成的补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到的误差信号输入比例积分调节器来产生控制信号，该控制信号来控制PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，从而使所述从属电压源型变流器输出三相补偿电压Uck，该三相补偿电压Uck与配电网三相电压Usk相加得到混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk，即Usk+Uck＝ULk，实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电压补偿模式下的控制，以保证混合微电网交流母线所挂负载的电压在配电网电压发生变化时始终维持恒定；
(3)当配电网的三相电压Usk的幅值超过其±80％的额定电压幅值范围时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(VSCM)在恒压恒频(V/f)控制模式下工作，本发明所述电路环节在电流限制控制模式下工作，其具体控制步骤如下：
(3.1)设置一个交直流混合微电网和配电网之间线路的电流阈值IT，根据公式
Figure BDA0001749189640000031
计算注入虚拟电抗Linj的值,其中，R1和L1分别为交直流混合微电网交流母线与配电网之间线路的电阻和电抗，Linj为交直流混合微电网与配电网间的电路环节在限流模式下呈现的虚拟电抗，ω表示角频率，其中ω＝2πf，f为额定频率，一般f取50HZ；
(3.2)由公式Ucref＝isk×jωLinj计算补偿电压参考值Ucref；
(3.3)补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到误差信号，将误差信号输入到电压调节器中，并将电压调节器的输出信号作为本发明所述电路环节的滤波电感电流参考信号，将此参考信号定义为ifref；
(3.4)将滤波电感电流参考信号ifref和采集到的滤波电感三相电流ifk相减得到的误差信号输入到电流调节器中来产生控制PWM脉冲发生器的脉冲信号，从而实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电流限制模式下的控制，以抑制交直流混合微电网的交流母线和配电网之间因巨大的压差产生的大电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)既维持了交直流混合微电网交流母线的电压恒定，保证了交流母线所挂敏感负载的正常运行；又可以限制配电网电压变化过大引起的交直流混合微电网和配电网之间的故障大电流，保证了交直流混合微电网中电力电子器件的安全；
(2)电压补偿模式下采用的配电网电压前馈和负载电压、补偿电压双反馈的控制方式，可以快速准确地检测配电网电压的变化，实时地跟踪补偿电压参考值，而且考虑了三相LC滤波器和三相变压器上的电压降落对补偿效果的影响，减小了稳态误差；
(3)限流模式下本发明所述的电路环节输出三相补偿电压到三相变压器上，使其呈现虚拟电抗特性，既达到了限流的目的，又不会吸收有功而引起直流母线电压的浪涌。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种含本发明所述电路环节的交直流混合微电网及其并网接口的结构图。
图2是本发明所述的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节的具体结构示意图。
图3是本发明所述的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节在其电压补偿模式下的控制框图(图中的Uc、UL、Us、Uref、is、if分别等同于Uck、ULk、Usk、Urefk、isk、ifk)。
图4是本发明所述的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节在其电流限制模式下的控制框图(图中的is、Uc、if分别等同于isk、Uck、ifk)。
图5是本发明所述配电网三相电压发生不平衡跌落时电压幅值和相位跳变角波形图。
图6是所述交直流混合微电网与配电网间串联有本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生不平衡跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图。
图7是所述交直流混合微电网与配电网间没有串联本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生严重跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图。
图8是所述交直流混合微电网与配电网间串联有本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生严重跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图。
图9是所述交直流混合微电网与配电网间串联有本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生严重跌落时本发明所述电路环节吸收的有功功率和无功功率波形图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见附图1至图8，现对本发明提供的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节及控制方法进行说明。
一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节，如图1和图2所示，包括从属电压源型变流器(Slave Voltage Source Converter，VSCs)、三相LC低通滤波器和三相变压器，所述从属电压源型变流器的直流侧与交直流混合微电网的直流母线相连接，所述从属电压源型变流器的交流侧通过三相导线连接至三相LC低通滤波器的一端，所述三相LC低通滤波器的另一端连接至三相变压器的二次侧，所述三相变压器的一次侧串联在交直流混合微电网的交流母线和配电网之间。如图1所示，交直流混合微电网通过智能开关与配电网连接在一起，当智能开关闭合时，所述交直流混合微电网运行在并网模式下；当智能开关断开时，所述交直流混合微电网运行在孤岛模式下。在配电网发生故障时，串联补偿环节可以在0.2s的时间内保证交直流混合微电网继续并网运行，如果在这个时间内故障没有切断，可通过延迟控制智能开关使其断开，微电网转换到孤岛模式运行。配电网的电压等级为10KV，交直流混合微电网的交流子网(所述交流子网包括交流母线和连接在交流母线上的交流负载、交流微电源、交流储能装置等)的电压等级为380V，直流子网(所述直流子网包括直流母线和连接在直流母线上的直流负载、直流微电源、直流储能装置等)的电压等级为750V。如图1所示，所述交直流混合微电网的交流子网和直流子网通过主电压源型变流器(VSCM)连接在一起。所述交直流混合微电网包括分布式直流微电源如：光伏电池板、燃料电池等；直流负载如：电动汽车等；直流储能装置如：电池、超级电容器等；分布式交流微电源如：风力涡轮机、柴油发电机等；交流负载如：交流电动机等；交流储能装置如：飞轮等。如图1和图2所示的虚线框中均为本发明所述的电路环节。如图2所示，所述三相LC低通滤波器由滤波电感和电容组成，且三相LC低通滤波器可以滤除本发明所述电路环节中从属电压源型变流器(VSCs)产生的高频成分；所述三相变压器的二次侧均采用星型接地拓扑结构，本发明所述的电路环节的三相电压源型变流器的直流侧直接连接于交直流混合微电网的直流母线上，故本发明所述的电路环节可以利用交直流混合微电网的直流母线的能量。
一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节的控制方法，该方法是通过本发明所述的一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节实现的，具体包括以下步骤：
(1)采集配电网的三相电压Usk，k＝a，b，c；采集流过交直流混合微电网交流母线与配电网间线路的三相电流isk，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电容三相电压Uck，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电感三相电流ifk，k＝a，b，c；采集交直流混合微电网的交流母线所挂负载的三相电压ULk，k＝a，b，c；
(2)当配电网的三相电压Usk的幅值在±80％的额定电压幅值范围内变化时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(Master Voltage Source Converter，VSCM)在恒功率控制模式(PQ)下工作，本发明所述电路环节工作在电压补偿控制模式下，其具体控制步骤如下：
(2.1)通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)生成配电网三相电压的正弦参考信号和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的正弦参考信号，两个正弦参考信号相同，故配电网三相电压和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的参考值相等，且均定义为Urefk，k＝a，b，c；
(2.2)将配电网的三相电压参考值和所述交直流混合微电网的交流母线所挂负载三相电压的参考值之和即二倍的Urefk减去采集到的配电网三相电压Usk和混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk即可得到补偿电压的参考值Ucref；
(2.3)将生成的补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到的误差信号输入比例积分调节器来产生控制信号，该控制信号来控制PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，从而使所述从属电压源型变流器输出三相补偿电压Uck，该三相补偿电压Uck与配电网三相电压Usk相加得到混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk，即Usk+Uck＝ULk，实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电压补偿模式下的控制，以保证混合微电网交流母线所挂负载的电压在配电网电压发生变化时始终维持恒定；
(3)当配电网的三相电压Usk的幅值超过±80％的额定电压范围时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(VSCM)在恒压恒频(V/f)控制模式下工作，本发明所述电路环节在电流限制控制模式下工作，其具体控制步骤如下：
(3.1)设置一个交直流混合微电网和配电网之间线路的电流阈值IT，根据公式
Figure BDA0001749189640000071
计算注入虚拟电抗Linj的值,其中，R1和L1分别为交直流混合微电网交流母线与配电网之间线路的电阻和电抗，Linj为交直流混合微电网与配电网间的电路环节在限流模式下呈现的虚拟电抗，ω表示角频率，其中ω＝2πf，f为额定频率，一般f取50HZ；
(3.2)由公式Ucref＝isk×jωLinj计算补偿电压参考值Ucref；
(3.3)补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到误差信号，将误差信号输入到电压调节器中，并将电压调节器的输出信号作为本发明所述电路环节的滤波电感电流参考信号，将此参考信号定义为ifref；
(3.4)将滤波电感电流参考信号ifref和采集到的滤波电感三相电流Ifk相减得到的误差信号输入到电流调节器中来产生控制PWM脉冲发生器的脉冲信号，从而实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电流限制模式下的控制，以抑制交直流混合微电网的交流母线和配电网之间因巨大的压差产生的大电流。
所述图3和图4中，Gpwm(s)为PWM脉冲发生器的传递函数，
Figure BDA0001749189640000072
为三相LC低通滤波器的滤波电感的传递函数，if为流过三相LC低通滤波器的滤波电感的电流，is为配电网和交直流混合微电网之间线路流过的电流，icf为流过三相LC低通滤波器的滤波电容的电流，
Figure BDA0001749189640000073
为Uck和icf的比例系数。
所述图6表示所述交直流混合微电网与配电网间串联有本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生不平衡跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图，在图6的(a)中配电网三相电压在0.1s-0.2s发生如图5所述不平衡跌落。由图6的(b)可知，负载电压在半个工频周期内即恢复正常运行电压水平，其中图6的(c)为配电网三相电压在发生不平衡跌落时的0.1s-0.2s内本发明所述的电路环节输出的补偿电压，图6的(d)为配电网和交直流混合微电网之间线路电流波形图，电流在0.1s-0.2s始终保持在20A左右，这说明电流维持正常，图6说明了本发明所述的电路环节在配电网三相电压发生不平衡跌落时具有电压补偿的有益效果。
所述图7表示所述交直流混合微电网与配电网间没有串联本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生严重跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图，其中图7的(a)中，配电网三相电压在0.1s-0.2s发生严重跌落，跌落为10％的额定电压，由图7的(b)可知，由于交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(VSCM)运行于恒压恒频模式下，负载电压维持恒定，由于没有串联本发明所述的电路环节故图7的(c)补偿电压为0；图7的(d)中配电网和交直流混合微电网之间线路电流在0.1s-0.2s突变至200A以上。所述图8表示所述交直流混合微电网与配电网间串联有本发明所述电路环节时的配电网三相电压发生严重跌落时配电网电压、负载电压、补偿电压和配电网电流波形图。图8的(a)中，配电网三相电压在0.1s-0.2s发生严重跌落，跌落为10％的额定电压。由图8的(b)可知，由于交直流混合微电网自身的主电压源型变流器(VSCM)运行于恒压恒频模式下，负载电压维持恒定；由于交直流混合微电网串流有本发明所述的电路环节，故如图8的(c)所示，本发明所述的电路环节输出了补偿电压；从而图8的(d)中配电网和混合微电网之间线路电流在0.1s-0.2s维持在20A左右，故将图7与图8相比，可知本发明所述的电路环节在配电网三相电压发生严重跌落时具有电流限制的有益效果。
其中，如图9所示，配电网三相电压在0.1s-0.2s发生严重跌落时，本发明所述的电路环节吸收的有功功率为0kW，吸收无功功率8.5kVar。因本发明所述的电路环节呈现虚拟电抗特性，从而既达到了限流的目的，又不会吸收有功而引起交直流混合微电网的直流母线电压的浪涌。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节的控制方法，其特征在于，该方法是通过一种交直流混合微电网与配电网间的电路环节实现的，所述电路环节包括从属电压源型变流器、三相LC低通滤波器和三相变压器，所述从属电压源型变流器的直流侧与交直流混合微电网的直流母线相连接，所述从属电压源型变流器的交流侧通过三相导线连接至三相LC低通滤波器的一端，所述三相LC低通滤波器的另一端连接至三相变压器的二次侧，所述三相变压器的一次侧串联在交直流混合微电网的交流母线和配电网之间；所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：采集配电网的三相电压Usk，k＝a，b，c；采集流过交直流混合微电网交流母线与配电网间线路的三相电流isk，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电容三相电压Uck，k＝a，b，c；采集三相LC低通滤波器的滤波电感三相电流ifk，k＝a，b，c；采集交直流混合微电网的交流母线所挂负载的三相电压ULk，k＝a，b，c；
步骤2：当配电网的三相电压Usk的幅值在其±80％的额定电压幅值范围内变化时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器在恒功率控制模式下工作，所述电路环节工作在电压补偿控制模式下，其具体控制步骤如下：
步骤2.1：通过锁相环生成配电网三相电压的正弦参考信号和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的正弦参考信号，两个正弦参考信号相同，故配电网三相电压和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压的参考值相等，且均定义为Urefk，k＝a，b，c；
步骤2.2：将配电网的三相电压参考值和所述交直流混合微电网的交流母线所挂负载三相电压的参考值之和即二倍的Urefk减去采集到的配电网三相电压Usk和交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk即可得到补偿电压的参考值Ucref；
步骤2.3：将生成的补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到的误差信号输入比例积分调节器来产生控制信号，该控制信号来控制PWM脉冲发生器产生PWM脉冲信号，从而使所述从属电压源型变流器输出三相补偿电压Uc′k，该三相补偿电压Uc′k与配电网三相电压Usk相加得到交直流混合微电网交流母线所挂负载三相电压ULk，即Usk+Uc′k＝ULk，实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电压补偿模式下的控制，以保证交直流混合微电网交流母线所挂负载的电压在配电网电压发生变化时始终维持恒定；
步骤3：当配电网的三相电压Usk的幅值超过其±80％的额定电压的幅值范围时，交直流混合微电网自身的主电压源型变流器在恒压恒频控制模式下工作，所述电路环节在电流限制控制模式下工作，其具体控制步骤如下：
步骤3.1：设置一个交直流混合微电网和配电网之间线路的电流阈值IT，根据公式
Figure FDA0003065624350000021
计算注入虚拟电抗Linj的值,其中，R1和L1分别为交直流混合微电网交流母线与配电网之间线路的电阻和电抗，Linj为交直流混合微电网与配电网间的电路环节在限流模式下呈现的虚拟电抗，ω表示角频率，其中ω＝2πf，f为额定频率，f取50Hz；
步骤3.2：由公式Ucref＝isk×jωLinj计算补偿电压参考值Ucref；
步骤3.3：补偿电压参考值Ucref和采集到的滤波电容三相电压Uck相减得到误差信号，将误差信号输入到电压调节器中，并将电压调节器的输出信号作为所述电路环节的滤波电感电流参考信号，将此滤波电感电流参考信号定义为ifref；
步骤3.4：将滤波电感电流参考信号ifref和采集到的滤波电感三相电流ifk相减得到的误差信号输入到电流调节器中来产生控制PWM脉冲发生器的脉冲信号，从而实现对交直流混合微电网与配电网间的电路环节在电流限制模式下的控制，以抑制交直流混合微电网的交流母线和配电网之间因巨大的压差产生的大电流。
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