CN110676890A - 一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含电力电子变压器的交直流混合微电网在联网运行模态切换的控制方法，属于电力电子变压器技术领域，该方法首先建立交直流混合微电网联网系统，包括配电网、前级控制装置、直流微电网、后级控制装置和交流微电网，前级控制装置包括输入级变换器、隔离级变换器、输入级控制器和隔离级控制器，输入级变换器和隔离级变换器均包括惯性环节，根据交流微电网、直流微电网和配电主网均有发出功率和吸收功率两种状态，定义了八种交直流混合微电网联网系统的平衡模态和不平衡模态；输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法，隔离级控制器采用电压环控制方法及输出级控制器采用改进后的下垂控制方法实现八种模态之间的互相切换，该方法提高了含电力电子变压器的交直流混合微电网的稳定性，促进了电力电子变压器在工程中的实用化推广。

Description

一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模 态切换控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法。

背景技术

随着21世纪经济与科技高速发展，化石能源危机日益严重，提高可再生能源的利用刻不容缓。微电网是目前整合可再生分布式能源的非常有效的方法之一，而作为其中的一项核心技术，电力电子变压器在未来能源种类丰富，能源类型多样的复杂的电力系统中具有广阔的应用前景。

电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是一种在电力电子化的电力系统中替代传统工频变压器的变电装置，除了能实现传统的变压和隔离以外，还兼具无功补偿、谐波抑制、功率双向传输以及多输出供电的功能。

近年来，随着各种各样的可再生能源接入，微电网的应用也受到了越来越多的关注。而当微电网运行时，受可再生能源发力的不确定性和负荷波动的影响，微电网内部的功率流动不是恒定不变的，功率方向的波动会对整个微电网系统的稳定性造成影响。

目前所采用的交直流混合微电网联网运行时模态的切换方法是采用下垂控制，依据混合微电网中交流母线的频率和电压以及直流母线电压作为参考，控制电力电子变压器各级的工作方式来控制微电网内部和微电网与主网之间的功率流动方向和大小。这种控制方式较为简单，但当系统中有较大的功率变换时会对系统造成较大的冲击，而且在系统稳定性不好时会使系统振荡。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，包括以下步骤：

S1:建立交直流混合微电网联网系统，包括配电网、前级控制装置、直流微电网、后级控制装置和交流微电网；所述配电网与所述前级控制装置的输入端相连接；所述前级控制装置的输出端与所述直流微电网的输入端和所述后级控制装置的输入端相连接；所述直流微电网的输出端与所述交流微电网相连接；

所述前级控制装置包括输入级变换器、隔离级变换器、输入级控制器和隔离级控制器；

所述配电网与所述输入级变换器的输入端相连接，所述输入级变换器的输出端与所述隔离级变换器的输入端相连接，所述隔离级变换器的输出端与所述后级变换器相连接，所述输入级控制器控制所述输入级变换器的运行状态，所述隔离级控制器控制所述隔离级变换器的运行状态；

所述输入级控制器和所述隔离级控制器均包括惯性环节；

所述后级控制装置包括输出变换器和输出控制器；

所述输出控制器控制所述输出变换器的运行状态；

S2:根据交流微电网、直流微电网和配电主网均有发出功率和吸收功率两种状态，定义了八种交直流混合微电网联网系统的运行模态，其中包括六种平衡模态和两种不平衡模态，所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法，所述隔离级控制器采用电压环控制方法及所述输出级控制器采用改进后的下垂控制方法实现八种模态之间的互相切换。

进一步地，定义输入级变换器和隔离级变换器为前级变换器，定义后级变换器为输出级变换器，所述交直流混合微电网联网系统的两种不同模态之间互相切换时，所述前级变换器和所述后级变换器工作状态均不发生变化的两种模态为相似模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态任何一个发生变化的两种模态为相邻模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态均发生变化的两种模态为相反模态。

进一步地，所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法：以交流微电网母线频率和直流微电网母线电压为参考量，经过惯性环节后接入改进后的下垂控制，根据交流微电网和直流微电网的大小确定有功功率参考量，控制输入级变换器按照参考量输入或输出功率。

进一步地，所述的电压环控制方法，通过所述隔离级控制器采用级联型双有源桥式电路(DAB)，隔离级变换器输出侧直流母线电压为参考量，通过惯性环节得到移相角，控制隔离级变换器传递功率。

进一步地，移相角采用以下公式(1)进行计算：

其中：P表示功率；n表示变压器变比；U₁表示隔离级一次侧电压；U₂表示隔离级二次侧电压；f表示开关频率；L表示变压器漏感，d表示移相角。

进一步地，所述输出级控制器将交流母线的频率和电压的参考值与测量值作差再通过下垂控制分别得到有功功率和无功功率的参考值，由此来实现功率的双向流动控制。

本发明提供的一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，根据交直流混合微电网内部负荷和分布式电源的变换自动切换运行模态，可以灵活的实现分布式电源和负荷的即插即用功能；当微电网内部出现功率突变时，系统将会先将相反模态切换到相邻模态，再切换到所需要的模态，避免了相反模态之间直接暴力切换对系统稳定性造成的冲击；避免系统在某一模态运行时，因母线频率或者电压在参考值附近小幅波动时引起的系统振荡；还可以为含有电力电子器件的电力系统提供了一定的虚拟惯性，在一定程度上减小了了系统状态突变对电力系统稳定性造成的冲击；本发明提高了含电力电子变压器的交直流混合微电网的稳定性，促进了电力电子变压器在工程中的实用化推广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明采用的含有电力电子变压器的交直流混合微电网系统的结构示意图；

图2是本发明提供的交直流混合微电网不同模态功率流动方向示意图；

图3是本发明采用的改进的下垂控制特性曲线；

图4是本发明采用的改进的下垂控制框图；

图5是本发明采用的隔离级控制器控制框图；

图6是本发明采用的改进的双向下垂控制框图；

图7是已有的交直流混合微电网模态切换方式；

图8是本发明实施例提供的改进后的交直流混合微电网模态切换方式。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的解释说明，应当强调的是，所述是对本发明的详细说明而不是对其应用范围的限制。

如图1是本发明所述的含电力电子变压器的交直流混合微电网系统的结构示意图，交直流混合微电网联网系统包括配电网、前级控制装置、直流微电网、后级控制装置和交流微电网；所述配电网与所述前级控制装置的输入端相连接；所述前级控制装置的输出端与所述直流微电网的输入端和所述后级控制装置的输入端相连接；所述直流微电网的输出端与所述交流微电网相连接；

所述前级控制装置包括输入级变换器、隔离级变换器、输入级控制器和隔离级控制器；

所述配电网与所述输入级变换器的输入端相连接，输入级将配电网的高压交流电整流成为高压直流电，所述输入级变换器的输出端与所述隔离级变换器的输入端相连接，所述隔离级将高压直流转换为低压直流，所述隔离级变换器的输出端与所述后级变换器相连接，隔离级变换器作为后级控制装置的输入同时也引出低压直流母线作为直流微电网的接口，可以接入交流负载和交流分布式发电，所述输入级控制器控制所述输入级变换器的运行状态，所述隔离级控制器控制所述隔离级变换器的运行状态；由此交流微电网的功率由后级控制装置控制，直流微电网的功率由前级控制装置以及后级控制装置配合控制；

所述输入级控制器和所述隔离级控制器均包括惯性环节；

所述后级控制装置包括输出变换器和输出控制器；

所述输出控制器控制所述输出变换器的运行状态；

该系统采用拓扑结构由输入级、隔离级、输出级组成，对外分别具有高压交流、低压交流和低压直流三种结构，分别接入配电网和交直流负载，并能实现交直流分布式发电和分布式储能系统的即插即用。

根据交流微电网、直流微电网和配电主网均有发出功率和吸收功率两种状态，定义了八种交直流混合微电网联网系统的运行模态，其中包括六种平衡模态和两种不平衡模态；所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法，所述隔离级控制器采用电压环控制方法及所述输出级控制器采用改进后的下垂控制方法实现八种模态之间的互相切换。

进一步地，所电压环控制方法，通过所述隔离级控制器采用级联型双有源桥式电路(DAB)，隔离级变换器输出侧直流母线电压为参考量，通过惯性环节得到移相角，控制中间级隔离级变换器传递功率，隔离变换器输出端接输出级控制器的输入和直流负载以及直流的分布式发电系统和分布式储能系统。

进一步地，移相角采用以下公式(1)进行计算：

其中：P表示功率；n表示变压器变比；U₁表示隔离级一次侧电压；U₂表示隔离级二次侧电压；f表示开关频率；L表示变压器漏感，d表示移相角。

图2是本发明提供的交直流混合微电网不同模态功率流动方向示意图；含电力电子变压器的交直流混合微电网是通过电力电子变压器将三个部分联系在一起，分别是配电网，直流微电网和交流微电网。因为分布式能源和储能装置的接入，当分布式能源发力充足时，不但为分布式储能充电和为负载供电，还可以将发出的电能输送给配电网；当分布式能源发力不足时，需要配电网向微电网送电来维持负载运行。所以三个网络都会有发出功率和吸收功率两种运行模式，混合微电网可以稳定运行在图2所示的前六种模态中的任意一种，第七和第八种模态是用于过渡的不平衡情况，图2中三个网络中间的电容为前级变换器和后级变换器之间的功率平衡节点，其中每一种模态都对应着前级变换器和后级变换器不同的运行状态，定义输入级变换器和隔离级变换器为前级变换器，定义后级变换器为输出级变换器，所述交直流混合微电网联网系统的两种不同模态之间互相切换时，所述前级变换器和所述后级变换器工作状态均不发生变化的模态的两种模态为相似模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态任何一个发生变化的两种模态为相邻模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态均发生变化的两种模态为相反模态。

图3是本发明采用的改进的下垂控制特性曲线，在交直流混合微电网联网系统接入了分布式电源以后，当微电网母线频率处于额定值时，说明分布式电源出力正好满足负荷运行要求，配电网无需再向微电网输入功率，所以此时功率的额定值应为0，当母线频率为最小值时，说明分布式电源没有出力，配电网需要向微电网输出负荷所需的全部功率，当母线频率到达最大值时，说明分布式电源出力过多，微电网中没有负荷来消耗这些功率，所以此时多余功率将全部输入配电网或另一个微电网。由两个极值分别与额定值所连成的两条线段即微电网中频率与有功功率的下垂特性曲线。以这种控制方式控制微电网的功率流动在于功率的流动可以随着负荷和分布式电源发力的情况及时变化，保证了系统的稳定运行，然而其也有缺点，当系统稳定运行时，其状态量(比如频率)不是保持同一个数值不变的，而是在额定值的附近小幅的波动，应用了下垂控制以后，这个波动会导致功率的参考值正负波动，进而导致系统将会在不同的两个模态之间振荡，对系统的稳定性有很大的影响，基于此问题，改进后的下垂特性在额定值左右设定了一个阈值，阈值表示系统某一状态量稳定波动的范围，当状态量在范围内时，表明系统稳定运行，各级变换器运行状态不做变化，当状态量超出阈值，表明母线功率不平衡，变换器改变运行状态平衡母线功率。这样的下垂控制的好处是避免了系统在不同模式之间振荡的问题，提高了系统的稳定性。

图4是本发明采用的改进的下垂控制框图，以输出母线电压和频率为参考量经过改进后的下垂控制，得到有功功率和无功功率的参考量进而控制输出级按照参考值输入或输出功率，其中m和k是改进后的下垂特性系数。图中，Uac_ref是交流母线电压参考值，Uac是交流母线电压测量值，f_ref是交流母线频率参考值，f是交流母线频率测量值，将交流母线的频率和电压的参考值与测量值作差再通过下垂控制分别得到有功功率和无功功率的参考值Pref和Qref，由此来实现功率的双向流动控制。

图5是本发明采用的隔离级控制器控制框图，图中U2_ref是低压直流母线的参考值，U2为低压直流母线的测量值，先忽略惯性环节，两值作差后经过PI控制可以得到移相角d。这种控制方法在稳定了低压直流母线电压的同时，还实现了功率的双向传输。

图6是本发明采用的改进的双向下垂控制框图，所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法：以交流微电网母线频率和直流微电网母线电压为参考量，经过惯性环节后接入改进后的下垂控制，根据交流微电网和直流微电网的大小确定有功功率参考量，控制输入级变换器按照参考量输入或输出功率，输入级控制器采用了基于改进下垂控制的双向下垂控制器，并在其中加入了惯性环节，输入级实现变换器“先后后前”的动作顺序，先忽略惯性环节，图6中，Udc_ref是直流母线电压参考值，f_ref是交流母线频率参考值，Udc是直流母线电压测量值，f是交流母线频率测量值，n和m分别是改进后的下垂特性，将参考值与测量值分别作差后经过下垂环节，可以的到直流微电网的功率参考值Pdc_ref和交流微电网的功率参考值Pac_ref，两个功率参考值相加，便可以得到整个微电网的功率参考值Pref，由此来实现功率双向传输。

图7是已有的交直流混合微电网模态切换方式，将上述的三个控制器忽略惯性环节分别应用到三级变换器上后，便可以实现交直流混合微电网联网模式时不同模态的自适应切换，其切换方式如图7所示，这种切换方式可以实现任意两个模态之间的直接切换，具有切换速度快的优点。但是当系统发生相反模态之间的切换时，直接的切换会对系统产生较大的冲击，影响系统稳定性，因此在前级两个控制器中引入了惯性环节。惯性环节可以使前级控制器对微电网母线状态量的变化不再敏感，避免输入量的突变，实现后级变换器先动作，前级控制器后动作的作用。图8是本发明实施例提供的改进后的交直流混合微电网模态切换方式，这种切换方式可以实现相似和相邻模态之间直接切换，相反模态则先切换至相邻或相似模态或者过渡模态，再切换至目标模态。由此便可以降低模态切换时对系统造成的冲击，提高系统的稳定性。

下面结合具体情况分析对本发明提出的基于电力电子变压器的交直流混合微电网联网模式模态切换方法有效性进行验证。以系统从模态1切换至模态2为例，假设系统正运行与模态1，交流微电网和直流微电网的分布式电源发力不足，配电网向两个微电网输送功率。设某一时刻交流微电网和直流微电网的负荷都突然减小，分布式电源发出的功率大于负载所需的功率，则此时两微电网内部功率过剩，交流微电网的频率和电压以及直流微电网的电压都会升高超过稳定阈值，后级变换器立即动作将交直流微电网多余的功率输出到功率平衡节点。此时由于惯性环节，前级变换器没有明显变化，此时系统从模态1切换到模态7，接下来，直流母线电压的进一步升高，经过惯性环节后，前级控制器输入量逐渐由原来的值追踪到实际值，两值符号相反，在输入量超过改进下垂控制所设定的阈值后，前级变换器工作状态变换，向配电网输送功率，系统从模态7切换至模态2。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:建立交直流混合微电网联网系统，包括配电网、前级控制装置、直流微电网、后级控制装置和交流微电网；所述配电网与所述前级控制装置的输入端相连接；所述前级控制装置的输出端与所述直流微电网的输入端和所述后级控制装置的输入端相连接；所述直流微电网的输出端与所述交流微电网相连接；

所述前级控制装置包括输入级变换器、隔离级变换器、输入级控制器和隔离级控制器；

所述配电网与所述输入级变换器的输入端相连接，所述输入级变换器的输出端与所述隔离级变换器的输入端相连接，所述隔离级变换器的输出端与所述后级变换器相连接，所述输入级控制器控制所述输入级变换器的运行状态，所述隔离级控制器控制所述隔离级变换器的运行状态；

所述输入级控制器和所述隔离级控制器均包括惯性环节；

所述后级控制装置包括输出变换器和输出控制器；

所述输出控制器控制所述输出变换器的运行状态；

S2:根据交流微电网、直流微电网和配电主网均有发出功率和吸收功率两种状态，定义了八种交直流混合微电网联网系统的运行模态，其中包括六种平衡模态和两种不平衡模态；所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法，所述隔离级控制器采用电压环控制方法及所述输出级控制器采用改进后的下垂控制方法实现八种模态之间的互相切换。

2.根据权利要求1所述的一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，其特征还在于：定义输入级变换器和隔离级变换器为前级变换器，定义后级变换器为输出级变换器，所述交直流混合微电网联网系统的两种不同模态之间互相切换时，所述前级变换器和所述后级变换器工作状态均不发生变化的两种模态为相似模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态任何一个发生变化的两种模态为相邻模态，所述前级变换器和所述后级变换器的工作状态均发生变化的两种模态为相反模态。

3.根据权利要求1所述的一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，其特征还在于：所述输入级控制器采用改进后的双向下垂控制方法：以交流微电网母线频率和直流微电网母线电压为参考量，经过惯性环节后接入改进后的下垂控制，根据交流微电网和直流微电网的大小确定有功功率参考量，控制输入级变换器按照参考量输入或输出功率。

4.根据权利要求1所述的一种含电力电子变压器的交直流混合微电网联网运行时的模态切换控制方法，其特征还在于：所述电压环控制方法，通过所述隔离级控制器采用级联型双有源桥式电路，隔离级变换器输出侧直流母线电压为参考量，通过惯性环节得到移相角，控制隔离级变换器传递功率。

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