CN110783965A - 适用于mmc半桥串联结构微电网的微源功率协调方法 - Google Patents

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Abstract

适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法，对系统随机性微源输出功率进行采样，结合电压波动标准，采用变分模态分解提取其输出功率的低频分量，以此作为各微源的有效输出功率。根据功率大小调整各发电单元的变载波等效占空比，实现输出功率独立控制。该方法实现了系统桥臂各微源的输出功率自适应协调控制，且不会引起系统环流变化，确保系统输出电压及频率的稳定。本发明采用变分模态分解提取微源有效输出功率，并根据各微源有效输出功率排序结果，通过独立调节微源所在发电单元的变载波等效占空比实现功率自适应协调控制，提高可再生能源利用率，确保系统稳定运行。

Description

适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法
技术领域
本发明涉及适用于模块化多电平换流器半桥串联结构微电网(ModularMultilevel Converter Microgrid,MMC-MG)的桥臂各微源输出功率协调控制技术，特别是孤岛运行条件下MMC-MG桥臂各微源间的功率自适应协调控制技术。
背景技术
孤岛运行微电网需通过合理的微源协调控制策略来维持功率平衡，以确保系统电压和频率稳定。现有的微源协调配合方式主要有主从控制、基于多代理的分布式控制和对等控制3种。而MMC-MG由于其桥臂发电单元串联式结构的特殊性，现有的微电网微源协调控制方法不适用于该系统。
基于MMC拓扑的储能系统中，需根据各储能单元的荷电状态(SOC)进行均衡控制，以充分利用储能容量。目前常用的方法是通过调节各子模块的调制深度实现了电池组间SOC的均衡一致。将该方法应用于MMC-MG系统，微源功率调节范围受调制比约束条件限制，调节能力有限，可再生能源利用率不高。因此，研究适用于MMC-MG的微源功率协调控制方法意义重大。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法。
本发明是适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法，其步骤为：
(1)在每个采样周期，根据各桥臂发电单元GM中微源变流器电压电流采样结果计算得到各桥臂N个微源的原始输出功率；三相系统共包括6N个原始功率数据，依次记做PJXi[J∈(P，N)；X∈(A，B，C)；i＝1，2，···N)]；
(2)将步骤(1)所得6N个微源的原始输出功率根据电压波动标准进行判断，若满足标准则直接作为有效输出功率；否则进行VMD分解，以分解后低频分量作为微源有效输出功率，记做PJGXi；
(3)采用同向载波层叠(PD-SPWM)调制，将N个载波分为N/2个正半周期载波和N/2个负半周期载波，依次记为PPj，PNj(j＝1，2，···N/2)；固定各微源对应N 个载波，得到不同载波对应GM的初始输出功率；以1/2工频周期为周期，交替正负半周载波PPj，PNj得到N/2个GM输出功率调节区间，其中输出最大功率为Pmax，GM输出最小功率为Pmin；
(4)结合步骤(3)所得功率区间表，判断各微源有效输出功率所处区间，并进行功率大小排序；若超出功率区间，则对输出功率值进行修正，再进行排序；
(5)根据步骤(4)所得功率排序结果进行载波分配，并根据步骤(1)和步骤 (2)所得微源原始输出功率PJXi及微源有效输出功率PJGXi计算得到各微源的功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi；其中，载波分配时PPj与PNj分为一组，其对应发电单元依次记为GMi，GMi+1；微源原始输出功率依次记为PJXi，PJX(i+1)，微源有效输出功率依次记为PJGXi，PJGX(i+1)；
(6)将步骤(5)所得功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi做差经PI控制器得到各发电单元的载波等效占空比DJXi，再将其送入PWM调制模块得到GMi的变载波控制信号；同载波组发电单元GMi与GMi+1，其变载波控制信号互补。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：采用变载波层叠调制时，GM输出功率的调节范围大于载波移相调制，系统环流小且不存在过调制；自适应变载波层叠调制可实现系统桥臂各微源的输出功率协调控制，提高微源利用率。
附图说明
图1是本发明一实施例每桥臂4微源MMC-MG结构图，图2是本发明一种适用于MMC半桥串联结构微电网微源功率协调方法的流程图，图3是本发明一实施例微源载波等效占空比调节原理图，图4是本发明一实施例变载波层叠调制原理图，图5为风机、光伏微源原始输出功率变化图，图6为风机、光伏微源原始输出功率经VMD分解后低频分量，图7为各微源对应GM输出功率自适应调节图。
具体实施方式
本发明旨在提供一种三相MMC-MG系统孤岛运行时各桥臂N个微源的功率自适应协调控制方法，采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition， VMD)提取微源有效输出功率，并根据各微源有效输出功率排序结果，通过独立调节微源所在发电单元的变载波等效占空比实现功率自适应协调控制，提高可再生能源利用率，确保系统稳定运行。
本发明是适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法，其步骤为：
(1)在每个采样周期，根据各桥臂发电单元GM中微源变流器电压电流采样结果计算得到各桥臂N个微源的原始输出功率。三相系统共包括6N个原始功率数据，依次记做PJXi[J∈(P；N)；X∈(A；B；C)；i＝1，2，···N)]；
(2)将步骤(1)所得6N个微源的原始输出功率根据电压波动标准进行判断，若满足标准则直接作为有效输出功率；否则进行VMD分解，以分解后低频分量作为微源有效输出功率，记做PJGXi；
(3)采用同向载波层叠(PD-SPWM)调制，将N个载波分为N/2个正半周期载波和N/2个负半周期载波，依次记为PPj，PNj(j＝1，2，···N/2)。固定各微源对应N 个载波，得到不同载波对应GM的初始输出功率。以1/2工频周期为周期，交替正负半周载波PPj，PNj得到N/2个GM输出功率调节区间，其中输出最大功率为Pmax，GM输出最小功率为Pmin；
(4)结合步骤(3)所得功率区间表，判断各微源有效输出功率所处区间，并进行功率大小排序。若超出功率区间，则对输出功率值进行修正，再进行排序。
(5)根据步骤(4)所得功率排序结果进行载波分配，并根据步骤A和步骤B 所得微源原始输出功率PJXi及微源有效输出功率PJGXi计算得到各微源的功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi。其中，载波分配时PPj与PNj分为一组，其对应发电单元依次记为GMi，GMi+1。微源原始输出功率依次记为PJXi，PJX(i+1)，微源有效输出功率依次记为PJGXi，PJGX(i+1)。
(6)将步骤(5)所得功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi做差经PI控制器得到发电单元的载波等效占空比DJXi。再将其送入PWM调制模块得到GMi的变载波控制信号。同载波组发电单元GMi与GMi+1，其变载波控制信号互补。
本发明步骤(3)中，若桥臂微源个数N＝4，则各载波对应GM输出功率满足公式：
Figure BDA0002274077350000031
Figure BDA0002274077350000032
式中，θ3为调制波跨越不同载波时的相角，且满足cosθ3＝1/2M，θ3∈(0，π/2)；
步骤(4)中，功率修正方式为：当PJXi>Pmax时，取微源输出功率参考指令为Pmax，并将PJXi-Pmax作为储能系统一次充电指令，吸收剩余功率；当PJXi<Pmin时，取微源输出功率参考指令为Pmin，并将Pmin-PJXi作为储能系统一次放电指令，对功率缺额进行补偿。
步骤(5)中，微源功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi的计算公式为：
Figure BDA0002274077350000041
Figure BDA0002274077350000042
需要说明的是，本发明采用变载波层叠调制，以两个载波为一个变载波组。因此，系统桥臂所包含发电单元数N为偶数。
图1为本发明一实施例桥臂4微源MMC-MG结构图。由A相子系统1、B 相子系统2、C相子系统3、滤波器4、负载5、静态开关6等组成，此系统中A、 B、C三相对称。A相由上桥臂8和下桥臂9构成。上桥臂8中风力微源10、11 与光伏微源12、13经过AC/DC整流电路及DC/DC直流变换电路后分别并联至上桥臂微源半桥变流器26、27、28、29的直流侧。下桥臂9中风力微源14、15 与光伏微源12、13经过AC/DC整流电路或DC/DC直流变换电路后分别并联至下桥臂微源半桥变流器30、31、32、33的直流侧。上桥臂8中微源直流链两端分别并联连接第1储能装置18、第2储能装置19、第3储能装置20、第4储能装置21，在下桥臂9中微源直流链两端分别并联连接第1储能装置22、第2储能装置23、第3储能装置24、第4储能装置25。
系统三相6桥臂结构对称，故以A相上桥臂为例具体说明。
本实施例中基于自适应变载波层叠调制的MMC半桥串联结构微电网桥臂微源输出功率协调控制方法，其流程图如图2所示，包括以下步骤：
A)在每个采样周期，根据A相上桥臂发电单元中微源变流器电压电流采样结果计算得出4个微源的原始输出功率。依次记做PPA1，PPA2，PPA3，PPA4；
B)将步骤A)所得A相上桥臂4个微源的原始输出功率根据电压波动标准进行判断，若满足标准则直接作为有效输出功率；否则进行VMD分解，以分解后低频分量作为微源有效输出功率，记做PPGA1，PPGA2，PPGA3，PPGA4；
C)固定各微源对应4个载波，得到不同载波对应GM的初始输出功率。以 T/2为周期，循环4个载波得到GM输出功率调节区间。各载波对应GM输出功率计算结果如下：
Figure BDA0002274077350000051
Figure BDA0002274077350000052
cosθ3＝1/2M，θ3∈(0,π/2)。
D)结合步骤C)所得功率区间表，判断各微源有效输出功率所处区间，并进行功率大小排序。若超出功率区间，则对输出功率值进行修正，再进行排序；
E)根据步骤D)所得功率排序结果进行载波分配，并根据步骤A和步骤B所得微源原始输出功率PPAi及微源有效输出功率PPGAi计算得到各微源的功率参考系数ΔPPAi及功率输出系数ΔPPGAi；计算公式如下：
Figure BDA0002274077350000053
F)将步骤E)所得功率参考系数ΔPPAi及功率输出系数ΔPPGAi做差经PI控制器得到各发电单元的载波等效占空比DPAi。再将其送入PWM调制模块得到GMi的变载波控制信号。同载波组发电单元GMi与GMi+1，其变载波控制器输出信号反相。
图3为根据微源功率参考系数ΔPPAi及发电单元输出功率系数ΔPPGAi得出同载波组发电单元GMi与GMi+1变载波控制信号的原理图。图中，PWMi与PWMi+1依次为发电单元GMi与GMi+1的变载波控制器输出信号，且两信号反相。
图4为GM所采用的变载波层叠调制原理图。图中，GM1的载波由PP1与 PN1交替，且在1/2工频周期后载波互换。一个变载波周期T0内，PN1投入时间T1的占空比T1/T0定义为等效占空比DPA1，即DPA1＝T1/T0。
图5～图7为本发明一实施例桥臂4微源MMC-MG系统A相上桥臂微源功率协调控制仿真波形。图5为4微源原始输出功率波形图，图6为微源原始输出功率经VMD分解后的低频有效输出功率波形图，图7为各GM根据其所含微源输出功率自适应调整后的输出功率波形图。由仿真结果可知本发明提出的一种功率协调控制方法，可以有效地实现系统半桥内各微源的输出功率自适应协调控制，提高微源利用率。
本发明的方法不会引起系统环流增大，且对系统输出电压不会产生影响。
以上是本发明的实施方式，对于本领域内的一般技术员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上可做多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该包含在本发明权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.适用于MMC半桥串联结构微电网的微源功率协调方法，其特征在于，其步骤为：
(1)在每个采样周期，根据各桥臂发电单元GM中微源变流器电压电流采样结果计算得到各桥臂N个微源的原始输出功率；三相系统共包括6N个原始功率数据，依次记做PJXi[J∈(P，N)；X∈(A，B，C)；i＝1，2，···N)]；
(2)将步骤(1)所得6N个微源的原始输出功率根据电压波动标准进行判断，若满足标准则直接作为有效输出功率；否则进行VMD分解，以分解后低频分量作为微源有效输出功率，记做PJGXi；
(3)采用同向载波层叠(PD-SPWM)调制，将N个载波分为N/2个正半周期载波和N/2个负半周期载波，依次记为PPj，PNj(j＝1，2，…N/2)；固定各微源对应N个载波，得到不同载波对应GM的初始输出功率；以1/2工频周期为周期，交替正负半周载波PPj，PNj得到N/2个GM输出功率调节区间，其中输出最大功率为Pmax，GM输出最小功率为Pmin；
(4)结合步骤(3)所得功率区间表，判断各微源有效输出功率所处区间，并进行功率大小排序；若超出功率区间，则对输出功率值进行修正，再进行排序；
(5)根据步骤(4)所得功率排序结果进行载波分配，并根据步骤(1)和步骤(2)所得微源原始输出功率PJXi及微源有效输出功率PJGXi计算得到各微源的功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi；其中，载波分配时PPj与PNj分为一组，其对应发电单元依次记为GMi，GMi+1；微源原始输出功率依次记为PJXi，PJX(i+1)，微源有效输出功率依次记为PJGXi，PJGX(i+1)；
(6)将步骤(5)所得功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi做差经PI控制器得到各发电单元的载波等效占空比DJXi，再将其送入PWM调制模块得到GMi的变载波控制信号；同载波组发电单元GMi与GMi+1，其变载波控制信号互补。
2.根据权利要求1所述的适用于MMC半桥串联结构微电网桥臂微源输出功率协调控制方法，其特征在于，步骤(3)中，若桥臂微源个数N＝4，则各载波对应GM输出功率的计算公式为：
Figure FDA0002274077340000011
Figure FDA0002274077340000012
其中，θ3为调制波跨越不同载波时的相角，且满足cosθ3＝1/2M，θ3∈(0，π/2)。
3.根据权利要求1所述的适用于MMC半桥串联结构微电网桥臂微源输出功率协调控制方法，其特征在于，步骤(4)中，功率修正方式为：当PJXi>Pmax时，取微源输出功率参考指令为Pmax，并将PJXi-Pmax作为储能系统一次充电指令，吸收剩余功率；当PJXi<Pmin时，取微源输出功率参考指令为Pmin，并将Pmin-PJXi作为储能系统一次放电指令，对功率缺额进行补偿。
4.根据权利要求1所述的适用于MMC半桥串联结构微电网桥臂微源输出功率协调控制方法，其特征在于，步骤(5)中，微源功率参考系数ΔPJXi及功率输出系数ΔPJGXi的计算公式为：
Figure FDA0002274077340000022
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