CN108879765A - 防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法，属于交直流微电网控制领域，为了解决现有双向功率变换器控制方法难以治理交直流混合微电网谐波电流的问题，针对谐波电流对微电网正常运行的影响，通过把FBD谐波检测法与双向功率变换器控制方法结合，建立了一种改进型双向功率变换器控制方法来治理微电网谐波电流，并能够实现交直流子网功率平衡。相对于传统方法，该控制方法不仅可以实现交直流子网功率平衡、电压稳定，还可以通过双向功率变换器补偿交流母线谐波电流，使微电网安全稳定的运行；可根据交直流母线上负载的不同，运行于不同的模式；不需要上层调度，具有即插即用的特点，使微电网具有更高的灵活性。

Description

防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法

技术领域

本发明涉及交直流微电网控制领域，具体为一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法。

背景技术

为解决可再生能源发电并网消纳问题，达到能源的高效利用，一种行之有效的方案就是先将风能发电、太阳能光伏发电、储能设备以及就近的负荷合理整合，构成交直流混合微电网，再投入大电网使用。典型的交直流混合微电网由交流子网、直流子网、以及连接在交直流子网之间的双向功率变换器和大电网的接口组成。相比于传统的微电网，交直流混合微电网综合了交流微电网与直流微电网的特点，是未来智能电网的重要组成部分，具有重要的研究意义。在交直流混合微电网中，连接直流子网与交流子网的双向功率变换器，是交直流混合微电网中功率控制的核心，其可以工作在整流或逆变状态，从而实现微电网系统内部的双向潮流控制。

现有文献大多视交流微网为理想状况，即未考虑交流母线电流畸变时，双向功率变换器的运行状态。有学者采用电压电流双闭环来控制直流微网电压稳定，但交直流子网传输功率不可控。有学者设计了一种改进下垂控制的双向功率变换器，可在整流、逆变及停机模式间自主切换，避免了由于直流母线电压小范围波动引起的电力电子器件频繁动作，但该控制是基于交流微网为理想工况提出的。为了解决交直流混合微电网电能质量问题，有学者提出一种具有有源滤波器功能的多功能逆变器拓扑及其控制，但该控制只考虑了变流器工作于逆变模式下微电网电能质量治理，没有涉及基于双向功率变换器的电能质量治理。双向功率变换器作为交直流混合微电网的关键枢纽，因此亟待提出一种双向功率变换器控制方法实现治理交流母线谐波电流的同时保证交直流子网功率平衡。

发明内容

本发明为了解决现有双向功率变换器控制方法难以治理交直流混合微电网谐波电流的问题，针对谐波电流对微电网正常运行的影响，提供了一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法，包括如下步骤：

一、检测微电网电压电流，并计算检查点有功功率和无功功率：

①检测并网点三相电压U_a、U_b、U_c，并网点三相电流I_a、I_b、I_c，并网点频率f；

②检测交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc，交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc；

③检测直流侧电压U_dc，直流侧电流I_dc；

④计算交流母线有功功率：

P₁＝U_ac*I_ac+U_bc*I_bc+U_cc*I_cc，

计算交流母线无功功率：

⑤计算并网点有功功率：

P₂＝U_a*I_a+U_b*I_b+U_c*I_c，

计算并网点无功功率：

⑥将交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电压d、q轴分量U_d、U_q；

⑦将交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电流d、q轴分量I_d、I_q；

二、双向功率变换器控制方法：

①经过归一化定理计算交流母线A相电压：

U_ac.max＝230V为交流母线电压最大值，U_ac.min＝210V为交流母线电压最小值；

②经过归一化定理计算直流侧电压：

U_dc.max＝760V为直流母线电压最大值，U_dc.min＝740V为直流母线电压最小值；

③计算归一化处理后交直流母线电压差：

ΔU＝U_ac.norm-U_dc.norm；

④经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输系数：

P'＝(K₁+K₂/S)ΔU；

⑤经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输参考值：

P_ref＝(K₄+K₅/S)(P'-P₁)；

⑥经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输系数：

Q'＝(K₃/S)(50-f)；

⑦经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输参考值：

Q_ref＝(K₆+K₇/S)(Q'-Q₁)；

⑧经过等量坐标变换，双向功率变换器输出有功功率表示为：

无功功率表示为：

⑨当U_q等于零，计算得：I_1dref＝2P_ref/(3U_d)，I_1qref＝2Q_ref/(3U_d)；

三、基于FBD功率理论的谐波电流检测方法：

①计算电导：

式中U_m为电网电压幅值，I_n+、I_n-为正序电流、负序电流对应的幅值，为正序电流、负序电流对应的的初相角；

②计算电纳：

③经过低通滤波器，计算基波有功电导：

④经过低通滤波器，计算基波无功电纳：

⑤计算三相基波电流：

⑥计算三相谐波电流：I_ah＝I_a-I_a1+，I_bh＝I_b-I_b1+，I_ch＝I_c-I_c1+；

⑦将三相谐波电流I_ah、I_bh、I_ch输入abc/dq模块，计算得：I_2def、I_2qef；

四、指令电流合成：

①计算电流有功参考值：I_dref＝I_1dref+I_2dref，

计算电流无功参考值：I_qref＝I_1qref+I_2qref；

②将d、q、0轴分量I_dref、I_qref及I₀＝0输入abc/dq模块，得到并网点电流a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc再将a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc输入matlab的PWM脉冲发生器PWMGenerator最终得到控制双向功率变换器输出的PWM脉冲信号，实现微电网交流母线谐波电流的控制，控制双向功率变换器工作于以下4种模式：

a.并网逆变模式：直流微网发出的有功功率不仅满足自身消耗，还经双向功率变换器逆变到交流微网，供给交流负载；

b.并网整流模式：直流微网发出的有功功率不能满足自身消耗，交流微网发出的有功功率经双向功率变换器整流到直流微网，供给直流负载；

c.逆变谐波治理模式：交流侧有非线性负载，直流微网为交流负载提供有功功率，并治理谐波；

d.整流谐波治理模式：交流微网为直流负载提供有功功率，并治理谐波；

上述四种模式根据I_refabc的改变自由切换，不需要上层调度，具有无需通信、即插即用的特点，使微电网具有更高的灵活性。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：(1)相对于传统方法，该控制方法不仅可以实现交直流子网功率平衡、电压稳定，还可以通过双向功率变换器补偿交流母线谐波电流，使微电网安全稳定的运行；(2)该控制方法可根据交直流母线上负载的不同，运行于不同的模式；(3)相对于传统方法，该控制方法只需采集交直流子网电压电流信息，谐波电流治理过程中不需要上层调度，具有即插即用的特点，使微电网具有更高的灵活性。

附图说明

图1是本发明所涉及的双向功率变换器控制结构图。

图2是本发明所涉及计算基波电流原理图。

图3是本发明所涉及的改进型双向功率变换器控制结构图。

图4是本发明所涉及的双向功率变换器由逆变模式转换为整流模式。

图5是本发明所涉及的双向功率变换器由整流模式转换为逆变模式。

图6是本发明所涉及的微电网直流侧电压变化。

图7是本发明所涉及的交直流子网和双向功率变换器输出功率。

图8是本发明所涉及的双向功率变换器在整流模式下谐波治理。

图9是本发明所涉及的双向功率变换器在逆变模式下谐波治理。

图10是本发明所涉及的未进行谐波治理时电网侧电流畸变率。

图11是本发明所涉及的整流模式谐波治理时电网侧电流畸变率。

图12是本发明所涉及的逆变模式谐波治理时电网侧电流畸变率。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法，包括如下步骤：

一、检测微电网电压电流，并计算检查点有功功率和无功功率：

①检测并网点三相电压U_a、U_b、U_c，并网点三相电流I_a、I_b、I_c，并网点频率f；

②检测交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc，交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc；

③检测直流侧电压U_dc，直流侧电流I_dc；

④计算交流母线有功功率：

P₁＝U_ac*I_ac+U_bc*I_bc+U_cc*I_cc，

计算交流母线无功功率：

⑤计算并网点有功功率：

P₂＝U_a*I_a+U_b*I_b+U_c*I_c，

计算并网点无功功率：

⑥将交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电压d、q轴分量U_d、U_q；

⑦将交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电流d、q轴分量I_d、I_q；

二、双向功率变换器控制方法：

①经过归一化定理计算交流母线A相电压：

U_ac.max＝230V为交流母线电压最大值，U_ac.min＝210V为交流母线电压最小值；

②经过归一化定理计算直流侧电压：

U_dc.max＝760V为直流母线电压最大值，U_dc.min＝740V为直流母线电压最小值；

③计算归一化处理后交直流母线电压差：

ΔU＝U_ac.norm-U_dc.norm；

④经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输系数：

P'＝(K₁+K₂/S)ΔU；

⑤经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输参考值：

P_ref＝(K₄+K₅/S)(P'-P₁)；

⑥经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输系数：

Q'＝(K₃/S)(50-f)；

⑦经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输参考值：

Q_ref＝(K₆+K₇/S)(Q'-Q₁)；

⑧经过等量坐标变换，双向功率变换器输出有功功率表示为：

无功功率表示为：

⑨当U_q等于零，计算得：I_1dref＝2P_ref/(3U_d)，I_1qref＝2Q_ref/(3U_d)；

三、基于FBD功率理论的谐波电流检测方法：

①计算电导：

式中U_m为电网电压幅值，I_n+、I_n-为正序电流、负序电流对应的幅值，为正序电流、负序电流对应的的初相角；

②计算电纳：

③经过低通滤波器，计算基波有功电导：

④经过低通滤波器，计算基波无功电纳：

⑤计算三相基波电流：

⑥计算三相谐波电流：I_ah＝I_a-I_a1+，I_bh＝I_b-I_b1+，I_ch＝I_c-I_c1+；

⑦将三相谐波电流I_ah、I_bh、I_ch输入abc/dq模块，计算得：I_2def、I_2qef；

四、指令电流合成：

①计算电流有功参考值：I_dref＝I_1dref+I_2dref，

计算电流无功参考值：I_qref＝I_1qref+I_2qref；

②将d、q、0轴分量I_dref、I_qref及I₀＝0输入abc/dq模块，得到并网点电流a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc再将a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc输入matlab的PWM脉冲发生器PWMGenerator最终得到控制双向功率变换器输出的PWM脉冲信号，实现微电网交流母线谐波电流的控制，控制双向功率变换器工作于以下4种模式：

a.并网逆变模式：直流微网发出的有功功率不仅满足自身消耗，还经双向功率变换器逆变到交流微网，供给交流负载；

b.并网整流模式：直流微网发出的有功功率不能满足自身消耗，交流微网发出的有功功率经双向功率变换器整流到直流微网，供给直流负载；

c.逆变谐波治理模式：交流侧有非线性负载，直流微网为交流负载提供有功功率，并治理谐波；

d.整流谐波治理模式：交流微网为直流负载提供有功功率，并治理谐波；

上述四种模式根据I_refabc的改变自由切换，具体的说：就是根据负载来确定工作于哪种模式，由于可以自由切换，因此可以实现双向功率变换器自动控制。

如图1所示，为交流母线无非线性负载，双向功率变换器的控制结构图，该控制结构可以保障直流侧电压稳定及交直流子网功率平衡。

如图2所示，为基于FBD功率理论计算谐波中的基波电流，该计算方法无复杂的矩阵变换，计算量小。

如图3所示，为改进型双向功率变换器的控制结构图，该控制结合了图1和图2中的控制，达到了基于双向功率变换器治理谐波的目的。

如图4所示，为双向功率变换器由逆变模式转变为整流模式。

如图5所示，为双向功率变换器由整流模式转变为逆变模式。

图6为双向功率变换器工作于整流和逆变模式时，直流侧电压变化过程。从图中可得，直流侧电压基本维持在750V左右，在5％范围内变化，证明该控制方法可以维持直流子网电压平衡。

图7为交直流子网和双向功率变换器输出功率变化过程。从图中可得，交直流子网输出功率P_ac、P_dc基本相等，证明该控制方法可以保证交直流子网功率平衡。

图8为双向功率变换器工作于整流模式下治理谐波电流，0.5s时系统投入FBD谐波检测控制，从图中可以看出，电网侧电流波形从0.5s；后得到改善。

如图9所示，双向功率变换器由整流模式转变为逆变模式，在该过程中系统一直进行谐波电流治理。

图10为双向功率变换器不进行谐波电流治理，此时电网侧电流畸变率为14.86％，严重影响了微电网的正常运行。

图11为双向功率变换器在整流模式下治理谐波电流，此时电网侧电流畸变率为4.65％，微电网可以正常运行。

图12为双向功率变换器在整逆变模式下治理谐波电流，此时电网侧电流畸变率为3.12％，微电网可以正常运行。

Claims (1)

1.一种防止微电网交流母线电流畸变的双向功率变换器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

一、检测微电网电压电流，并计算检查点有功功率和无功功率：

①检测并网点三相电压U_a、U_b、U_c，并网点三相电流I_a、I_b、I_c，并网点频率f；

②检测交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc，交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc；

③检测直流侧电压U_dc，直流侧电流I_dc；

④计算交流母线有功功率：

P₁＝U_ac*I_ac+U_bc*I_bc+U_cc*I_cc，

计算交流母线无功功率：

⑤计算并网点有功功率：

P₂＝U_a*I_a+U_b*I_b+U_c*I_c，

计算并网点无功功率：

⑥将交流母线三相电压U_ac、U_bc、U_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电压d、q轴分量U_d、U_q；

⑦将交流母线三相电流I_ac、I_bc、I_cc输入abc/dq0模块，得到交流母线电流d、q轴分量I_d、I_q；

二、双向功率变换器控制方法：

①经过归一化定理计算交流母线A相电压：

U_ac.max＝230V为交流母线电压最大值，U_ac.min＝210V为交流母线电压最小值；

②经过归一化定理计算直流侧电压：

U_dc.max＝760V为直流母线电压最大值，U_dc.min＝740V为直流母线电压最小值；

③计算归一化处理后交直流母线电压差：

ΔU＝U_ac.norm-U_dc.norm；

④经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输系数：

P'＝(K₁+K₂/S)ΔU；

⑤经过PI控制器计算双向功率变换器有功功率传输参考值：

P_ref＝(K₄+K₅/S)(P'-P₁)；

⑥经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输系数：

Q'＝(K₃/S)(50-f)；

⑦经过PI控制器计算双向功率变换器无功功率传输参考值：

Q_ref＝(K₆+K₇/S)(Q'-Q₁)；

⑧经过等量坐标变换，双向功率变换器输出有功功率表示为：

无功功率表示为：

⑨当U_q等于零，计算得：I_1dref＝2P_ref/(3U_d)，I_1qref＝2Q_ref/(3U_d)；

三、基于FBD功率理论的谐波电流检测方法：

①计算电导：

式中U_m为电网电压幅值，I_n+、I_n-为正序电流、负序电流对应的幅值，为正序电流、负序电流对应的的初相角；

②计算电纳：

③经过低通滤波器，计算基波有功电导：

④经过低通滤波器，计算基波无功电纳：

⑤计算三相基波电流：

⑥计算三相谐波电流：I_ah＝I_a-I_a1+，I_bh＝I_b-I_b1+，I_ch＝I_c-I_c1+；

⑦将三相谐波电流I_ah、I_bh、I_ch输入abc/dq模块，计算得：I_2def、I_2qef；

四、指令电流合成：

①计算电流有功参考值：I_dref＝I_1dref+I_2dref，

计算电流无功参考值：I_qref＝I_1qref+I_2qref；

②将d、q、0轴分量I_dref、I_qref及I₀＝0输入abc/dq模块，得到并网点电流a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc再将a、b、c轴分量I_refa、I_refb、I_refc输入matlab的PWM脉冲发生器PWMGenerator最终得到控制双向功率变换器输出的PWM脉冲信号，实现微电网交流母线谐波电流的控制，控制双向功率变换器工作于以下4种模式：

a.并网逆变模式：直流微网发出的有功功率不仅满足自身消耗，还经双向功率变换器逆变到交流微网，供给交流负载；

b.并网整流模式：直流微网发出的有功功率不能满足自身消耗，交流微网发出的有功功率经双向功率变换器整流到直流微网，供给直流负载；

c.逆变谐波治理模式：交流侧有非线性负载，直流微网为交流负载提供有功功率，并治理谐波；

d.整流谐波治理模式：交流微网为直流负载提供有功功率，并治理谐波；

上述四种模式根据I_refabc的改变自由切换。