CN110601519A - 一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法 - Google Patents

一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交直流混合微电网，具体是一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法。交直流混合微电网由交流子网和直流子网组成，且两个子网由并联双向功率换流器连接。所提控制方法可实现交直流子网间的功率交互，彼此进行功率支撑。控制环节主要包括改进下垂控制与环流抑制控制两部分。改进下垂控制设计了无功控制环节的积分项，对电压进行无静差追踪，实现较好的电压控制效果，从而改善对零序环流的抑制效果。环流抑制环节采用dq0三轴控制取代传统的dq两轴控制，针对并联换流器由于器件参数差异、线路阻抗不平衡等引起的环流问题，给出基于自适应虚拟阻尼环流抑制方法，可有效抑制并联双向换流器间的环流产生。

Description

一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流 器环流抑制方法
技术领域
本发明涉及交直流混合微电网领域，具体为一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法。
背景技术
双向功率变换器作为交直流混合微电网中的连接枢纽，具有高效率、低谐波、功率因数可调和功率双向流动等优点，但由于开关器件的限制，单模块结构已经很难满足低压大电流的应用场合。因此，通常采用共交直流母线的多模块并联冗余配置，以提高系统的容量和运行可靠性。共交直流母线结构为零序环流提供了流通路径，且由于系统器件参数差异、线路阻抗不平衡等原因，势必会导致并联双向功率变换器系统间的环流产生。而零序环流的存在将会引起输出电流的畸变，产生较大的电流应力，增加系统的开关损耗，降低系统的稳定性，严重时会导致开关器件的损坏。因此，针对双向功率变换器并联环流问题抑制方法研究具有十分重要的意义。
对于交直流混合微电网中双向功率变换器并联环流的问题，现有研究较多的环流抑制方法是在不增加通讯线的情况下以自身的零序电流作为反馈量来调节并联模块之间的零序电压差，从而达到抑制零序环流的目的，同时保证实现各并联模块的独立调节。其中主要有基于虚拟阻尼的简化控制方法以及基于虚拟阻尼的改进下垂控制方法，但这些方法中引入的虚拟阻尼值均为常数，若虚拟阻尼值大小引入不合适，会加剧系统三相阻抗的不平衡，增加系统的不平衡度，降低系统的效率，增大了系统的零序环流，且对系统中功率波动引起的零序环流突变没有良好的抑制效果，对系统的冲击较大。同时这些方法中引入的虚拟阻尼只呈现感性，与线路阻抗和负载阻抗等的阻感性不匹配，对零序环流的抑制效果较差。所以亟需一种综合考虑这些因素更加优化的零序环流抑制方法。
发明内容
本发明为了解决交直流混合微电网中共交直流母线并联双向功率变换器由于器件参数差异、线路阻抗不平衡等引起的环流问题，针对现有技术的缺陷，设计了一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法。
本方法是采用如下技术方案实现的：
基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法，每个三相三桥臂变换器的交流侧经滤波电感、寄生电阻接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网。还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块。交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与改进下垂控制模块的输入端连接，改进下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电压电流双闭环控制模块的输出端与反坐标变换模块的输入端相连，交流电流坐标变换模块、反坐标变换模块的输出端与自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输入端相连，自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接。
具体包括以下步骤：
交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流测电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块。
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流测电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到改进下垂控制模块。
改进下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref，其中在无功下垂设计中增加了积分环节。再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至电压坐标变换模块、电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而参考电压坐标变换模块由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，经过参考电压坐标变换输出dq0坐标系下的电压参考值Udq0ref至双闭环控制模块。
交流电流坐标变换模块由输入的交流测电流Iabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下电流实际值Idq0到双闭环控制模块和自适应虚拟阻尼控制模块。
交流电压坐标变换模块由输入的交流测电压Uabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下实际电压值Udq0到双闭环控制模块。
双闭环控制模块先将输入的电压参考值Udq0ref和实际电压值Udq0做差，后经过电压控制得到电流参考值Idq0ref，再将电流参考值Idq0ref和电流实际值Idq0做差，后经过解耦和电流控制环节求得dq0轴坐标系下调制电压信号udq0，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块。
自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块先将零序电流实际值I0经过可根据由电压波动引起的功率振荡而实时动态调整的虚拟阻尼求得零序电压偏量ΔU0。虚拟阻尼动态调整过程为：
Zv＝Rv+sXv (1)
Rv＝R0-kR(Pset-P) (2)
Xv＝X0-kX(Qset-Q) (3)
其中Rv和Xv分别为系统中虚拟电阻和感抗的给定值；R0和X0分别为虚拟电阻和感抗的初始给定值；kR和kX分别为虚拟电阻和感抗的调节系数；Pset和Qset分别为自适应虚拟阻尼有功和无功的功率设定值；P和Q分别为变流器实际输出的有功值和无功值。再将零序电压偏量ΔU0经反坐标变换输出abc轴坐标系下调制电压偏量Δuabc。将调制电压信号uabc与调制电压偏量Δuabc做差得到新的调制电压信号u* abc，经PWM模块输出并输入到三相三桥臂变流桥IGBT控制端，实现对并联双向功率变换器的环流抑制。
本发明控制环节主要包括改进下垂控制与环流抑制控制两部分。改进下垂控制设计了无功控制环节的积分项，对电压进行无静差追踪，实现较好的电压控制效果，从而改善对零序环流的抑制效果。环流抑制环节采用dq0三轴控制取代传统的dq两轴控制，针对并联换流器由于器件参数差异、线路阻抗不平衡等引起的环流问题，给出基于自适应虚拟阻尼环流抑制方法，可有效抑制并联双向换流器间的环流产生。
附图说明
图1是本发明所涉及变换器并联主电路拓扑。
图2是本发明所涉及并联变换器环流抑制系统控制框图。
具体实施方式
基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法，其控制原理框图如图2所示，每个三相三桥臂变换器的交流侧经滤波电感、寄生电阻接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网。还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块。交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与改进下垂控制模块的输入端连接，改进下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电压电流双闭环控制模块的输出端与反坐标变换模块的输入端相连，交流电流坐标变换模块、反坐标变换模块的输出端与自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输入端相连，自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接。
上述的控制方法，包括以下步骤：
交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流测电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块。
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流测电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到改进下垂控制模块。
改进下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref，其中在无功下垂设计中增加了积分环节。再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至电压坐标变换模块、电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而参考电压坐标变换模块由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，经过参考电压坐标变换输出dq0坐标系下的电压参考值Udq0ref至双闭环控制模块。
交流电流坐标变换模块由输入的交流测电流Iabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下电流实际值Idq0到双闭环控制模块和自适应虚拟阻尼控制模块。
交流电压坐标变换模块由输入的交流测电压Uabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下实际电压值Udq0到双闭环控制模块。
双闭环控制模块先将输入的电压参考值Udq0ref和实际电压值Udq0做差，后经过电压控制得到电流参考值Idq0ref，再将电流参考值Idq0ref和电流实际值Idq0做差，后经过解耦和电流控制环节求得dq0轴坐标系下调制电压信号udq0，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块。
自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块先将零序电流实际值I0经过可根据由电压波动引起的功率振荡而实时动态调整的虚拟阻尼求得零序电压偏量ΔU0。虚拟阻尼动态调整过程为：
Zv＝Rv+sXv (1)
Rv＝R0-kR(Pset-P) (2)
Xv＝X0-kX(Qset-Q) (3)
其中Rv和Xv分别为系统中虚拟电阻和感抗的给定值；R0和X0分别为虚拟电阻和感抗的初始给定值；kR和kX分别为虚拟电阻和感抗的调节系数；Pset和Qset分别为自适应虚拟阻尼有功和无功的功率设定值；P和Q分别为变流器实际输出的有功值和无功值。
再将零序电压偏量ΔU0经反坐标变换输出abc轴坐标系下调制电压偏量Δuabc。将调制电压信号uabc与调制电压偏量Δuabc做差得到新的调制电压信号u* abc，经PWM模块输出并输入到三相三桥臂变流桥IGBT控制端，实现对并联双向功率变换器的环流抑制。

Claims (1)

1.一种基于自适应虚拟阻尼控制的交直流混合微电网并联换流器环流抑制方法，其特征在于每个三相三桥臂变换器的交流侧经滤波电感、寄生电阻接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网，还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块，交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与改进下垂控制模块的输入端连接，改进下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电压电流双闭环控制模块的输出端与反坐标变换模块的输入端相连，交流电流坐标变换模块、反坐标变换模块的输出端与自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输入端相连，自适应虚拟阻尼控制零序环流抑制模块的输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接，具体包括以下步骤：
交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流测电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块；
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流测电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到改进下垂控制模块；
改进下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref，再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至电压坐标变换模块、电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而参考电压坐标变换模块由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，经过参考电压坐标变换输出dq0坐标系下的电压参考值Udq0ref至双闭环控制模块；
交流电流坐标变换模块由输入的交流测电流Iabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下电流实际值Idq0到双闭环控制模块和自适应虚拟阻尼控制模块；
交流电压坐标变换模块由输入的交流测电压Uabc经坐标变换输出dq0轴坐标系下实际电压值Udq0到双闭环控制模块；
双闭环控制模块先将输入的电压参考值Udq0ref和实际电压值Udq0做差，后经过电压控制得到电流参考值Idq0ref，再将电流参考值Idq0ref和电流实际值Idq0做差，后经过解耦和电流控制环节求得dq0轴坐标系下调制电压信号udq0，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块；
自适应虚拟阻尼控制环流抑制模块先将零序电流实际值I0经过可根据由电压波动引起的功率振荡而实时动态调整的虚拟阻尼求得零序电压偏量ΔU0，虚拟阻尼动态调整过程为：Zv＝Rv+sXv，Rv＝R0-kR(Pset-P)，Xv＝X0-kX(Qset-Q)，其中Rv和Xv分别为系统中虚拟电阻和感抗的给定值；R0和X0分别为虚拟电阻和感抗的初始给定值；kR和kX分别为虚拟电阻和感抗的调节系数；Pset和Qset分别为自适应虚拟阻尼有功和无功的功率设定值；P和Q分别为变流器实际输出的有功值和无功值，再将零序电压偏量ΔU0经反坐标变换输出abc轴坐标系下调制电压偏量Δuabc，将调制电压信号uabc与调制电压偏量Δuabc做差得到新的调制电压信号u* abc，经PWM模块输出并输入到三相三桥臂变流桥IGBT控制端，实现对并联双向功率变换器的环流抑制。
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