CN109510220B - 支持单相和三相交流的混合微网结构 - Google Patents

支持单相和三相交流的混合微网结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种支持单相和三相交流的混合微网结构，包括每相结构完全相同的交流三相单元以及双有源桥，所述的双有源桥分布在交流三相单元任意两相之间，其中交流三相单元每相从网源侧看依次包括电感电容滤波装置、单相整流器以及双有源桥的一侧；所述的混合微网结构通过两两相间的双有源桥传输不均衡功率，而所述的双有源桥采用移相控制，通过求解根据下垂控制得到的期望交换功率与实际双有源桥传输功率建立的期望方程最小值，得到两两相间移相角，实现相间功率传输，解决三相功率不平衡问题。与现有技术相比，本发明实现了相间不平衡功率的双向传递，减少外部设备的接入，且达到了节约能源的目的等优点。

Description

支持单相和三相交流的混合微网结构
技术领域
本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其是涉及一种支持单相和三相交流的混合微网结构。
背景技术
近年来，随着清洁能源大量引入电力系统，分布式新能源发电技术日益得到广泛运用。同时，分布式电源与分布式负荷组成的混合微网系统也逐渐成为研究趋势。能源互联网技术的提高，能够更好的保证能源利用的可靠性，并提高能源利用效率。在复杂微网中合理规划能量流动策略，使用合适的控制策略可以使得在不平衡负载下，混合微网进行功率交换实现三相的功率平衡。
现如今，针对微网能量协调控制问题，通用的方法是利用下垂控制实现等比例分配负载，引入虚拟阻抗对功率进行均分等。这些方法应用在交流或直流微网中并不能解决因单相微源增加带来的三相功率不平衡问题。
解决三相功率不平衡方法一般为通过IC结构实现交流与直流之间的功率交换，利用储能元件进行能量交换等。这些方法利用了直流微网或储能解决了上述问题，但都没能利用到交流自身的相间不平衡功率实现自平衡。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持单相和三相交流的混合微网结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种支持单相和三相交流的混合微网结构，包括每相结构完全相同的交流三相单元以及双有源桥，所述的双有源桥分布在交流三相单元任意两相之间，其中交流三相单元每相从网源侧看依次包括电感电容滤波装置、单相整流器以及双有源桥的一侧；
所述的混合微网结构通过两两相间的双有源桥传输不均衡功率，而所述的双有源桥采用移相控制，通过求解根据下垂控制得到的期望交换功率与实际双有源桥传输功率建立的期望方程最小值，得到两两相间移相角，实现相间功率传输，解决三相功率不平衡问题。
优选地，所述的电感电容滤波装置包括依次连接的电感Lm和电容Cm。
优选地，所述的单相整流器包括依次连接的电感L0、四个开关管、电容C，每相整流得到的直流电压为U0。
优选地，所述的双有源桥的一侧包括依次连接的桥式变换单元、电感L、隔离变压器一侧，其中两两相间隔离变压器变比为1:1。
优选地，所述的单相整流器采用双极性调制，对于A相，所述的四个开关管从左到右从上到下为S11、S12、S13、S14，S11和S14共同导通，S12和S13与之互补。
优选地，所述的双有源桥采用移相控制，对于A相，所述的桥式变换单元的4个开关管从左到右从上到下为：S15、S16、S17、S18，所述的双有源桥的开关管驱动信号为50％方波信号，S15和S18共同导通，S16和S17与之互补，所采用的移相控制中，两两相间共有6个移相角为：DAB、DAC、DBC、DBC、DCA、DCB，其取值范围是[-0.5,0.5]。
优选地，能量交换过程中双有源桥移相角的获得包括以下步骤：
步骤1：利用锁相环获得每相频率，对其进行归一化处理获得每相参考频率；
步骤2：基于步骤1中计算得到的相参考频率，判断所述双有源桥两两相间功率流动方向，确定系数λAB,λAC,λBA,λBC,λCA,λCB的值；
步骤3：基于步骤1中计算得到的参考频率与相间能量交换下垂曲线，获得每相期望交换功率；
步骤4：考虑滤波损耗与变压器损耗，计算得到能量交换过程中每相损耗数值C1、C2、C3；
步骤5：基于步骤3中计算得到的每相期望交换功率值，以及步骤4中计算的每相损耗功率数值，建立双有源桥传输功率期望方程，对方程进行求解，获得2个移相角的值，由于移相角的范围限制，若求取的移相角超出了边界范围，则取其边界值。
优选地，所述的步骤2的系数λAB,λAC,λBA,λBC,λCA,λCB满足如下关系：
Figure BDA0001872833190000031
上述系数的确定遵循以下步骤：
步骤201：确定系数λAB,λAC,λBC，对于λAB：若f′A＞f′B，即A相参考频率f′A大于B相参考频率f′B，则λAB为1否则为-1；对于λAC：若f′A＞f′c，即A相参考频率f′A大于C相参考频率f′C，则λAC为1否则为-1；对于λBC：若f′B＞f′c，即B相参考频率f′B大于C相参考频率f′C，则λBC为1否则为-1；
步骤202：根据λAB,λAC,λBC与所述关系确定λBA,λCA,λCB的值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明解决了混合微网在接入大量单相微源、单相负载情况下，所出现的三相功率不平衡，网侧电流波形不平衡的问题。与现有方案利用直流储能调节不平衡功率不同，本发明实现了相间不平衡功率的双向传递，减少外部设备的接入，且达到了节约能源的目的。
附图说明
图1为本发明所述单相-三相交流微网结构图；
图2为本发明所述微网结构支持接入的设备与负载情况示意图；
图3为本发明中移相控制开关管与电感电流波形图；
图4是本发明所述微网结构中移相控制的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提供一种便于交流相间交换不平衡功率的拓扑结构，及以减少能量交换损耗为目标的能量协调策略。
本发明中所述的单相-三相微网拓扑结构，是由多个单相整流器、双有源桥构成的，交流三相中每相结构完全相同。以A相为例，从网侧看依次为：电感电容滤波装置、单相整流器、双有源桥的一侧。
所述单相整流器由电感电容和四个开关管构成，以A相为例，四个开关管从左到右从上到下为：S11～S14。
所述双有源桥的一侧属于混合微网中的某相，由桥式变换单元、电感、隔离变压器一侧构成。以A相为例，桥式变换单元的四个开关管从左到右从上到下为：S15～S18。所述双有源桥中变压器变比为1:1。
所述双有源桥可实现能量的双向流动，在本发明的拓扑结构中，即从任意一相双有源桥的一边流向其他任意相。因而当混合微网接入过多单相微源、负载导致某相功率过高或过低，致使网侧电流畸变，所述结构可以实现相间功率交换，均衡三相功率。
本发明中，所述整流器采用双极性调制，所述双有源桥采用移相控制。所有开关管驱动信号为50％方波信号(包含死区)，以A相为例，S11和S14共同导通，S12和S13与之互补。S15和S18共同导通，S16和S17与之互补。
本发明中，以A相为原边B相为副边构成的双有源桥为例，其移相角为DAB。则本发明中移相角有：DAB、DAC、DBC、DBA、DCB、DCA，他们的取值范围是[-0.5,0.5]，且满足下述关系(可以推广)：
Figure BDA0001872833190000041
本发明中所述的微源采用P-f下垂控制，各微源可实现功率按比例分配。下垂控制同时应用于均衡功率的调节，使得公共连接点处(PCC)各源均按各自容量比例出力。
本发明控制的移相角通过求解下垂控制计算的期望传输功率与双有源桥交换功率建立的期望方程得到，具体为：
J＝(kf′A-PA-C1)2+(kf′B-PB-C2)2+(kf′C-PC-C3)2
上述公式中，kf′A为利用下垂曲线计算得到的A相期望输出(输入)功率，PA为A相通过DAB双桥与B相C相交换的功率之和，C1为过程中损耗之和。
本发明提出的混合微网拓扑结构如图1所示，该结构有益于大量引入单相微源、单相负载，其支持接入设备与负载情况如图2所示，且本发明所述拓扑结构支持但不限于以上接入设备。
在本发明中，接入微源采用下垂控制，可以实现按比例分配负载，其实现为：
Figure BDA0001872833190000051
其中，f*为参考频率，h为下垂系数，P为输出功率，fmin和fmax分别表示电网允许的最小功率和最大功率，Pmax是输出的最大功率。
在具体实施时，与其他相交换合适功率同样遵循下垂控制，为方便表述，对下垂曲线频率进行归一化：
Figure BDA0001872833190000052
其中，f'取值范围为[-1,1]，标准参考频率为0，若f'＞0说明该相功率过剩，若f'＜0说明该相功率不足。
在具体实施时，为避免频繁进行功率交换，且频率可稳定在一定允许范围内，对功率交换设定一个阈值，则其下垂控制方程如下：
Figure BDA0001872833190000053
其中，Px表示A相、B相或C相交换功率之和，f′x表示A相、B相或C相频率参考值。
在具体实施时，利用所述双有源桥进行功率交换需要判断功率流动方向，为此设立系数：λAB,λAC,λBA,λBC,λCA,λCB,并满足下列关系性质：
Figure BDA0001872833190000054
上述系数的确定遵循以下步骤：
步骤1，确定系数λAB,λAC,λBC。以λAB为例：若f′A＞f′B，则λAB为1否则为-1。同理可得到λAC,λBC的值。
步骤2，根据λAB,λAC,λBC与所述关系确定λBA,λCA,λCB的值。
在具体实施例中，设立6种移相角：DAB、DAC、DBC、DBA、DCB、DCA，且满足如下关系(可以推广)：
Figure BDA0001872833190000055
所述双有源桥结构交换功率与移相角间的关系可表示为：
Figure BDA0001872833190000056
其中，P0为桥间交换功率，U0为电容两端电压，L为变压器漏感与外加电感之和，fs为开关管频率，D为移相角。图3为移相角符号不同时开关管与电感电流的波形图。
在本实施例中，经由由两相组成的双有源桥结构针对某相的输出(输入)功率可表示为：
Figure BDA0001872833190000061
其中，U0为直流母线电压，L桥内变压器漏感与外加电感之和，fs为开关管频率。
基于混合微网结构与参数考虑损耗情况，第一部分是滤波损耗，主要是阻抗的铜损；第二部分是变压损耗，主要包括磁链的磁损。
滤波损耗：
Figure BDA0001872833190000067
其中R110为110℃下滤波结构中工作电阻，IRMS为输入有效电流值。
工作频率在100HZ以下时，磁损公式表示为：
PFe＝afbdBc
其中
Figure BDA0001872833190000062
代表工作磁密，f为工作频率，a＝0.074，b＝1.43，c＝2.85。
因此总的传输损耗可以表示为：C＝PFe+PCu
在本实施例中，考虑传输损耗，令双有源桥相间传输功率尽可能满足下垂控制所需的传输功率，所述双有源桥传输功率的期望方程为：
J＝(kf′A-PA-C1)2+(kf′B-PB-C2)2+(kf′C-PC-C3)2
为求取期望最小值，令偏导数
Figure BDA0001872833190000066
根据上述期望方程，得到移相角DBA,DCA：
Figure BDA0001872833190000063
Figure BDA0001872833190000064
Q1＝kf′A-C1，Q2＝kf′B-C2，Q3＝kf′C-C3，
Figure BDA0001872833190000065
由于移相角的范围限制，若求取的移相角超出了边界范围，则取其边界值。
根据求得的两相移向角DBA,DCA与开关管频率fs，得到各相的PWM信号加置于双有源桥中的桥式结构。图4为微网结构移相控制框图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种支持单相和三相交流的混合微网结构，其特征在于，包括每相结构完全相同的交流三相单元以及双有源桥，所述的双有源桥分布在交流三相单元任意两相之间，其中交流三相单元每相从网源侧看依次包括电感电容滤波装置、单相整流器以及双有源桥的一侧；
所述的混合微网结构通过两两相间的双有源桥传输不均衡功率，而所述的双有源桥采用移相控制，通过求解根据下垂控制得到的期望交换功率与实际双有源桥传输功率建立的期望方程最小值，得到两两相间移相角，实现相间功率传输，解决三相功率不平衡问题；
所述的双有源桥的一侧包括依次连接的桥式变换单元、电感L、隔离变压器一侧，其中两两相间隔离变压器变比为1:1；
所述的双有源桥采用移相控制，对于A相，所述的桥式变换单元的4个开关管从左到右从上到下为：S15、S16、S17、S18，所述的双有源桥的开关管驱动信号为50％方波信号，S15和S18共同导通，S16和S17与之互补，所采用的移相控制中，两两相间共有6个移相角为：DAB、DAC、DBA、DBC、DCA、DCB，其的取值范围是[-0.5,0.5]；
能量交换过程中双有源桥移相角的获得包括以下步骤：
步骤1：利用锁相环获得每相频率，对其进行归一化处理获得每相参考频率；
步骤2：基于步骤1中计算得到的相参考频率，判断所述双有源桥两两相间功率流动方向，确定系数λAB,λAC,λBA,λBC,λCA,λCB的值；
步骤3：基于步骤1中计算得到的参考频率与相间能量交换下垂曲线，获得每相期望交换功率；
步骤4：考虑滤波损耗与变压器损耗，计算得到能量交换过程中每相损耗数值C1、C2、C3；
步骤5：基于步骤3中计算得到的每相期望交换功率值，以及步骤4中计算的每相损耗功率数值，建立双有源桥传输功率期望方程，对方程进行求解，获得2个移相角的值，由于移相角的范围限制，若求取的移相角超出了边界范围，则取其边界值；
所述的步骤2的系数λAB,λAC,λBA,λBC,λCA,λCB满足如下关系：
Figure FDA0003320068270000021
上述系数的确定遵循以下步骤：
步骤201：确定系数λAB,λAC,λBC，对于λAB：若f′A＞f′B，即A相参考频率f′A大于B相参考频率f′B，则λAB为1否则为-1；对于λAC：若f′A＞f′c，即A相参考频率f′A大于C相参考频率f′C，则λAC为1否则为-1；对于λBC：若f′B＞f′c，即B相参考频率f′B大于C相参考频率f′C，则λBC为1否则为-1；
步骤202：根据λAB,λAC,λBC与所述关系确定λBA,λCA,λCB的值。
2.根据权利要求1所述的一种支持单相和三相交流的混合微网结构，其特征在于，所述的电感电容滤波装置包括依次连接的电感Lm和电容Cm。
3.根据权利要求1所述的一种支持单相和三相交流的混合微网结构，其特征在于，所述的单相整流器包括依次连接的电感L0、四个开关管、电容C，每相整流得到的直流电压为U0。
4.根据权利要求3所述的一种支持单相和三相交流的混合微网结构，其特征在于，所述的单相整流器采用双极性调制，对于A相，所述的四个开关管从左到右从上到下为S11、S12、S13、S14，S11和S14共同导通，S12和S13与之互补。
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