CN110970934B - 混合微电网中ac_dc双向功率变换器并网预同步控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置，考虑了交直流混合微电网在离网模式和并网模式下，BIC通过采用改进的双向下垂控制策略实现功率双向流动。在离网模式转并网模式的预同步过程中，根据锁相环原理利用q轴电压同步实现相位同步，避免由相角测量精度不准带来的同步误差，同时省去锁相环，简化了控制，实现简单。同时本发明考虑到三相电压不平衡的实际工况，将不平衡电压分解为三相对称正弦波，在平衡工况下预同步策略基础上，采用正负序分离控制的方法将控制量由交流量变为直流量，实现非理想工况下电网间的同步互联。

Description

混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置

技术领域

本发明涉及微电网并网控制技术领域，具体是一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置。

背景技术

随着分布式能源的迅速发展，新能源发电规模快速扩大。微电网能够集成风电、光伏等分布式电源与储能系统共同调度，有效解决新能源消纳问题。微电网既能孤岛运行，又能与大电网或相邻区域微电网并网运行。对于包含交流微电网和直流微电网的混合微电网，当微电网孤岛运行时，微电网内部分布式电源协调控制维持微网稳定运行。连接交流母线和直流母线的双向AC/DC功率变换器(Bidirectional AC/DC Interlinking Converter,BIC)既能稳定交直流母线电压，也可实现双向功率流动。

当某时刻微电网内微源发电不能满足负荷需要，或负荷突增使得利用微电网内的微源和储能设备不能解决功率平衡时，微电网内母线电能质量下降，为了保证负荷的稳定运行，需要与大电网或相邻区域微电网进行并网互联。由于互联开关两侧的微电网存在电压差，直接互联易产生冲击电流，造成微电网不稳定甚至互联失败，故需要微电网进行预同步后互联。

针对微电网的预同步并网问题，需要在并网前使得静态开关两侧的电压幅值、相位和频率同步。现有技术采用基于锁相环的附加预同步方法实现相位同步，但对相角测量和通信速度的要求非常高。且当下垂控制与预同步控制同时对电压进行调节，容易相互干扰影响同步效果。针对不平衡电网的并网预同步控制，现有技术通过采集正负序电压幅值与相位进行控制，对相位的采集要求更高。

发明内容

本发明旨在解决交直流混合微电网与大电网或相邻区域微电网互联时，由于开关两侧存在电压差引起电流冲击问题，提出了一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：提供一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置，包括：AC_DC双向功率变换器、脉宽调制模块、并网静态开关及预同步控制电路；其中，AC_DC双向功率变换器设置于第一电网的直流微电网与交流微电网之间；第一电网通过并网静态开关连接于第二电网，第一电网为微电网，第二电网为微电网或互联大电网；脉宽调制模块设置于预同步控制电路和AC_DC双向功率变换器之间，AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压分别输入预同步控制电路，预同步控制电路的输出信号输入脉宽调制模块，其输出信号对AC_DC双向功率变换器进行调控，实现第一电网的直流微电网与交流微电网间功率流动，达到电压同步；并网静态开关两端的电压分别表示第一电网的电压和第二电网的电压；

其中，所述预同步控制电路包括二阶广义积分器、dq变换器、加法器、PI控制器及dq反变换器；其中，二阶广义积分器接收AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压，对AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压进行正负序提取；输出电流和电压的正负序值后，分别输入一dq变换器进行dq变换，变换完成后得到8个电压分量和4个电流分量；将其中第一电网的电压和第二电网的电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量分别输入一减法器，输出结果分别输入一PI控制器，PI控制后，均输出一电流信号，每一电流信号分别同AC_DC双向功率变换器输出电流的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量、负序q轴分量输入一减法器做减法运算，输出结果再次输入一PI控制器，经过PI控制后均输出电压信号，第二次PI控制后，输出的电压值分别输入一加法器，每一加法器对应输入第一电网电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量，与二次PI控制的输出结果做加法运算，同时对加法运算后的结果进行解耦，剔除dq变换对电压输出的影响；将输入第一电网和第二电网电压正序d轴分量、正序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，同时将输入第一电网和第二电网电压负序d轴分量、负序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，两路输出的电压分别为正序电压指令值与负序电压指令值，两路dq反变换后输出的正序电压指令值与负序电压指令值再次输入一加法器进行加和运算，得到的输出信号对脉宽调制模块进行调制。

区别于现有技术，本发明的混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置考虑了交直流混合微电网在离网模式和并网模式下，BIC通过采用改进的双向下垂控制策略实现功率双向流动。在离网模式转并网模式的预同步过程中，根据锁相环原理利用q轴电压同步实现相位同步，避免由相角测量精度不准带来的同步误差，同时省去锁相环，简化了控制，实现简单。同时本发明考虑到三相电压不平衡的实际工况，将不平衡电压分解为三相对称正弦波，在平衡工况下预同步策略基础上，采用正负序分离控制的方法将控制量由交流量变为直流量，实现非理想工况下电网间的同步互联。

附图说明

图1为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置的结构示意图。

图2为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置中的正负序分离电路结构示意图。

图3为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置中的预同步控制电路的结构示意图。

图4为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置中三相平衡的预同步控制电路的结构示意图。

图5为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置中微电网和互联电网并网结构示意图。

图6为本发明提供的一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置的逻辑示意图。

图7为本发明所述的离网模式稳压控制波形图(交流母线电压，直流母线电压和BIC传输功率)。

图8为本发明所述的离网模式逆变控制波形图(交流母线电压，直流母线电压和BIC传输功率)。

图9为本发明所述的离网模式整流控制波形图(交流母线电压，直流母线电压和BIC传输功率)。

图10为本发明所述的平衡工况下离网转并网过程的入网电流波形图(未采用预同步控制)。

图11为本发明所述的平衡工况下离网转并网过程的入网电流波形图(采用预同步控制)。

图12为本发明所述的平衡工况下预同步控制过程中开关两侧A相相电压波形图。

图13为本发明所述的平衡工况下预同步控制过程中相位同步过程波形图。

图14为本发明所述的不平衡工况下预同步控制过程中开关两侧电压差波形图(采用图4预同步控制方法)。

图15为本发明所述的不平衡工况下预同步控制过程中开关两侧电压差波形图(采用图3预同步控制方法)。

图16为本发明所述的不平衡工况下预同步控制过程中开关两侧电压正负序分量波形图(采用图3预同步控制方法)。

图17为本发明所述的不平衡工况下预同步控制过程中相位同步过程波形图(采用图3预同步控制方法)。

图18为本发明所述的不平衡工况下离网转并网过程的入网电流波形图(采用图4预同步控制)。

图19为本发明所述的不平衡工况下离网转并网过程的入网电流波形图(采用图3预同步控制)。

图20为本发明所述的并网模式控制波形图(直流母线电压，直流母线电流和BIC传输功率)。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置，包括：AC_DC双向功率变换器、脉宽调制模块、并网静态开关及预同步控制电路；其中，AC_DC双向功率变换器设置于第一电网的直流微电网与交流微电网之间；第一电网通过并网静态开关连接于第二电网，第一电网为微电网，第二电网为微电网或互联大电网；脉宽调制模块设置于预同步控制电路和AC_DC双向功率变换器之间，AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压分别输入预同步控制电路，预同步控制电路的输出信号输入脉宽调制模块，其输出信号对AC_DC双向功率变换器进行调控，实现第一电网的直流微电网与交流微电网间功率流动，达到电压同步；并网静态开关两端的电压分别表示第一电网的电压和第二电网的电压；

其中，所述预同步控制电路包括二阶广义积分器、dq变换器、加法器、PI控制器及dq反变换器；其中，二阶广义积分器接收AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压，对AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压进行正负序提取；输出电流和电压的正负序值后，分别输入一dq变换器进行dq变换，变换完成后得到8个电压分量和4个电流分量；将其中第一电网的电压和第二电网的电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量分别输入一减法器，输出结果分别输入一PI控制器，PI控制后，均输出一电流信号，每一电流信号分别同AC_DC双向功率变换器输出电流的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量、负序q轴分量输入一减法器做减法运算，输出结果再次输入一PI控制器，经过PI控制后均输出电压信号，第二次PI控制后，输出的电压值分别输入一加法器，每一加法器对应输入第一电网电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量，与二次PI控制的输出结果做加法运算，同时对加法运算后的结果进行解耦，剔除dq变换对电压输出的影响；将输入第一电网和第二电网电压正序d轴分量、正序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，同时将输入第一电网和第二电网电压负序d轴分量、负序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，两路输出的电压分别为正序电压指令值与负序电压指令值，两路dq反变换后输出的正序电压指令值与负序电压指令值再次输入一加法器进行加和运算，得到的输出信号对脉宽调制模块进行调制。

离网模式下可根据交直流子网的负荷情况和交流母线电压波动情况调整BIC工作于稳压模式、逆变模式和整流模式。下垂特性如式(1)所示。

式中，U_abc*、δ_abc*分别为微电网交流母线电压额定值和相角基准值；P_BIC*、Q_BIC*分别为BIC传输有功功率和无功功率参考值；k_p、k_q分别为有功功率、无功功率的下垂系数。

(1)当交直流子网均轻载运行时，各子网内部电源输出的功率能够满足负荷需要。BIC工作于稳压模式，不传输有功功率，交流侧电压稳定于U_abc*；

(2)当直流子网轻载，交流子网重载运行时，BIC工作于逆变模式。直流子网通过BIC提供交流子网所需功率，根据BIC下垂特性，交流母线电压下降；

(3)当直流子网重载，交流子网轻载时，BIC工作于整流模式。交流子网通过BIC传输直流子网所需功率，此时交流母线电压上升。

预同步模式通过控制BIC，使微网输出电压与互联电网的输出电压相同。根据锁相环的原理，锁相环通过同步q轴信息使u_q＝0来实现相位锁定，类比于锁相环原理，平衡工况下，电压只存在正序分量，当u_abc,q＝u_gabc,q时，矢量重合实现相位同步。故可通过闭环控制实时同步dq轴的电压信息进行预同步。

分别采集并网切换静态开关STS两侧交流电压u_abc、u_gabc，判断u_gabc是否三相平衡。

若三相不平衡，则u_gabc存在负序电压，需进行电压正负值提取。根据对称分量理论，由于三相三线制变换器没有中性线，在不考虑零序分量的情况下，并网开关两侧的电压可表示为：

式中，u⁺ _abc、u⁺ _gabc为正序电压分量，u^- _abc、u^- _gabc为负序电压分量。

采用改进的二阶广义积分器(SOGI-QSG)实现对正负序分量的提取，正负序分离原理如图2所示。将u_abc、u_gabc分别输入到图2所示的电压正负序分离电路中，最终输出8路电压值，分别为u⁺ _abc,d、u⁺ _abc,q、u^- _abc,d、u^- _abc,q、u⁺ _gabc,d、u⁺ _gabc,q、u^- _gabc,d、u^- _gabc,q，将上述8路电压输入如图3所示的预同步控制电路中。具体的，将u⁺ _abc,d和u⁺ _gabc,d、u⁺ _abc,q和u⁺ _gabc,q、u^- _abc,d和u^- _gabc,d、u^- _abc,q和u^- _gabc,q分别输入到一加法器中，分别做减法运算，得到u⁺ _abc,d和u⁺ _gabc,d、u⁺ _abc,q和u⁺ _gabc,q、u^- _abc,d和u^- _gabc,d、u^- _abc,q和u^- _gabc,q电压差值，并输入一PI控制器，得到四个电流值i⁺ _dref、i^- _dref、i⁺ _qref、i^- _qref；在图1采集电感电流i_L，并将电感电流i_L输入图2所示的正负序分离电路，得到正负序d轴电流和q轴电流，分别表示为i⁺ _L,d、i^- _L,d、i⁺ _L,q、i^- _L,q；i⁺ _dref和i⁺ _L,d、i^- _dref和i^- _L,d、i⁺ _qref和i⁺ _L,q、i^- _qref和i^- _L,q分别输入一加法器中，并分别做减法运算，得到的电流差值再次分别输入一PI控制器，做二次PI控制，得到四个电压值；将二次PI控制输出的电压值分别输入一加法器，并分别与u⁺ _abc,d、u⁺ _abc,q、u^- _abc,d、u^- _abc,q做加法运算。

根据电路KVL原理可推得：

其中：abc/dq0的变换矩阵为：

带入得到：

故

/>

在PI控制器的作用下，

和/>

可表示为：

代入公式得：

观察上述公式，即为前述的电压信号在预同步控制电路中的运转过程。观察公式可知，PI控制器在进行PI控制时，对电压值产生影响，需要通过前馈解耦消除影响。具体的，在二次PI控制输出的电压值分别与u⁺ _abc,d、u⁺ _abc,q、u^- _abc,d、u^- _abc,q做加法运算的同时，分别针对每一加法器，输入

实现解耦。加法器输出4个电压值，表示为u⁺ _dref、u⁺ _qref、u^- _dref、u^- _qref，将u⁺ _dref、u⁺ _qref及u^- _dref、u^- _qref分别输入一dq反变换器，得到u⁺ _ref和u^- _ref，再次做加法运算后输入到脉宽调制模块中，以对AC_DC双向功率变换器进行调制，从而使微网输出电压与互联电网的输出电压相同。脉宽调制模块对AC_DC双向功率变换器进行调制主要是对图1中的AC_DC双向功率变换器的逆变桥S₁～S₆进行调试，对逆变器的门极输入开通和关断信号进行控制。通过调整逆变桥，从而使离网状态待并网的微电网的AC/DC双向功率变换器的输出电压u_abc与并网的互联电网电压u_gabc相等。

若三相平衡，则u_gabc不存在负序电压，无需进行电压正负值提取。预同步控制电路简化为图4所示。图4所示的预同步过程与前述的过程一致，不再赘述。

并网模式双向下垂控制中，BIC根据直流子网负载情况决定功率流向。并网模式下BIC的下垂特性如式(2)所示。

U_dc＝k_dc(P_BIC-P_BIC ^*)+U_dc ^* (2)

式中，U_dc ^*为直流母线电压额定值；P_BIC ^*为BIC传输有功功率参考值；k_dc为有功功率下垂系数。

(1)当直流子网内部供需平衡时，直流母线电压为额定值，此时BIC传输有功功率为0。

(2)当直流子网轻载时，直流母线电压上升，BIC工作于逆变模式，将电源输出的多余功率传输给交流子网。

(3)当直流子网重载时，直流母线电压下降，BIC工作于整流模式提供直流子网所需功率。

本发明所述的BIC由离网运行模式切换到并网运行模式的微电网和互联电网并网结构示意图具体如图5所示。根据交直流子网的功率需求决定微电网离网运行或并网运行，通过预同步控制方法可实现离网模式到并网模式的平滑切换。BIC连接了交流微电网的交流母线与直流微电网的直流母线。同时，并网开关STS连接了交流微电网的交流母线与其他微电网或互联大电网(也叫配电网)中的交流母线。图6示出了本发明的逻辑示意图。

为验证本发明所述BIC三个模式运行下控制策略的有效性，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了如图5所示仿真模型进行验证。设置直流子网额定电压为800V，交流子网额定电压220V，设置直流子网额定功率20kW，最大可输出功率为28kW，交流子网最大可输出功率为30kW。分别对离网模式、预同步模式和并网模式进行仿真验证。在交直流混合微电网中，交流子网中微源逆变器采用恒功率控制，孤岛运行时交流母线电压由连接交、直流子网的BIC进行稳压控制。直流子网中变流器采用下垂控制，直流母线电压由微源输出功率决定。

在离网模式下，当交直流子网均轻载运行时，负载功率小于额定功率，BIC工作于稳压模式，仿真波形如图7所示。由于各子网内部电源出力能够维持功率稳定，故BIC传输功率为0。

设置初始时刻直流子网负载10kW，交流子网负载28kW，BIC工作于稳压模式。0.1s时交流子网负载增加10kW，交流子网重载运行。此时BIC工作于逆变模式，由直流子网补充交流子网超出的功率，仿真波形如图8所示，由于下垂特性，直流母线上升为810V，交流母线电压幅值下降为304V，BIC传输功率P_BIC＝6.5kW。

设置初始时刻直流子网负载20kW，交流子网负载20kW，BIC工作于稳压模式。0.1s时直流子网负载增加15kW，超出直流子网容量。此时BIC工作于整流模式，仿真波形如图9所示，0.1s时直流电压下降为780V，交流电压幅值上升为316V，BIC传输功率P_BIC＝-4.3kW。

当交直流子网均重载运行时，需要并网补充所需功率，若不采用预同步控制直接进行并网，并网电流波形如图10所示，在0.2s时刻并网开关闭合，产生约50A的冲击。若采用本发明所述预同步控制方法，0.2s时刻进行预同步控制，BIC输出的电压幅值补偿量和相位补偿量通过本发明所述方法得到，在0.3s时刻并网，并网电流波形如图11所示，可看到电流冲击明显减小。开关两侧A相相电压同步过程如图12所示。相位同步过程如图13所示，在0.25s相位差减小为0。

当电网中存在单相负载或不平衡负载时，交流母线三相电压不平衡，经过dq变换得到的分量均为交流量，若采用图4的平衡工况下的预同步控制方法，运用PI控制器会导致同步结果出现静差，图14为BIC采用图4预同步方法时开关两侧电压差的变化波形，可以看出，在0.2s时采用平衡工况下的预同步控制方法虽然能减小电压差，但仍存在静差。

当采用图3的预同步控制方法时，由图15可看出，0.2s时刻电压开始同步，经过0.05s开关两侧电压差减小为2V左右，由图16可得开关两侧正负序分量经过0.05s实现同步，由图17可得相位差经过0.05s实现同步，开关两侧电压幅值、相位和频率预同步成功，满足并网条件。在0.3s时刻并网，图18为采用图4的平衡工况下的预同步控制方法后的并网电流波形，图19为采用图3的不平衡工况下的预同步控制方法后的并网电流波形，通过对比可看出存在静差时并网仍会有电流冲击，而采用正负序分离预同步控制方法可以有效减少并网电流冲击。

当微电网预同步并网后，BIC根据直流母线电压情况进行双向功率传输。仿真波形如图20所示。初始时刻直流子网稳定运行于额定值800V，直流子网功率平衡。0.2s时直流子网轻载，直流母线电压升高，BIC工作于逆变模式，将多余功率传输给交流子网，0.4s时直流子网重载，直流母线电压降低，BIC工作于整流模式，由交流子网补充所需功率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种混合微电网中AC_DC双向功率变换器并网预同步控制装置，其特征在于，包括：AC_DC双向功率变换器、脉宽调制模块、并网静态开关及预同步控制电路；其中，AC_DC双向功率变换器设置于第一电网的直流微电网与交流微电网之间；第一电网通过并网静态开关连接于第二电网，第一电网为微电网，第二电网为微电网或互联大电网；脉宽调制模块设置于预同步控制电路和AC_DC双向功率变换器之间，AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压分别输入预同步控制电路，预同步控制电路的输出信号输入脉宽调制模块，其输出信号对AC_DC双向功率变换器进行调控，实现第一电网的直流微电网与交流微电网间功率流动，达到电压同步；并网静态开关两端的电压分别表示第一电网的电压和第二电网的电压；

其中，所述预同步控制电路包括二阶广义积分器、dq变换器、加法器、PI控制器及dq反变换器；其中，二阶广义积分器接收AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压，对AC_DC双向功率变换器的输出电流和并网静态开关两端的电压进行正负序提取；输出电流和电压的正负序值后，分别输入一dq变换器进行dq变换，变换完成后得到8个电压分量和4个电流分量；将其中第一电网的电压和第二电网的电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量分别输入一减法器，输出结果分别输入一PI控制器，PI控制后，均输出一电流信号，每一电流信号分别同AC_DC双向功率变换器输出电流的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量、负序q轴分量输入一减法器做减法运算，输出结果再次输入一PI控制器，经过PI控制后均输出电压信号，第二次PI控制后，输出的电压值分别输入一加法器，每一加法器对应输入第一电网电压的正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量及负序q轴分量，与二次PI控制的输出结果做加法运算，同时对加法运算后的结果进行解耦，剔除dq变换对电压输出的影响；将输入第一电网和第二电网电压正序d轴分量、正序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，同时将输入第一电网和第二电网电压负序d轴分量、负序q轴分量的支路输出值输入一dq反变换器进行dq反变换，两路输出的电压分别为正序电压指令值与负序电压指令值，两路dq反变换后输出的正序电压指令值与负序电压指令值再次输入一加法器进行加和运算，得到的输出信号对脉宽调制模块进行调制。

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