CN111509788B - 一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交直流混合微电网变换器控制技术领域，具体为一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网(AC‑DC Hybrid Microgrid,HMG)及其控制策略，其特征在于：改变了传统HMG与配电网的连接关系，在传统HMG的交流子网母线与配电网之间加入了串联补偿变压器，并将其通过模式转换开关K2与串联接口变换器与直流子网母线相连，同时在串联接口变换器的交流侧通过模式转换开关K3与交流子网母线直接相连，构成了一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网。在此基础上，通过对改进HMG的分析，制定了此串联接口变换器与HMG自有的交直流母线接口变换器的协调控制策略。本发明能够使HMG交流母线电压保持稳定、避免不必要的并离网模式切换，提高HMG的故障穿越能力和供电质量。

Description

一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网及其控制方法

技术领域

本发明涉及交直流混合微电网变换器控制技术领域，具体为一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网及其控制方法。

背景技术

交直流混合微电网HMG中交流母线与直流母线通过母线接口变换器连接，其运行可分为并网模式和孤岛模式两种，正常工况时系统按照预定指令进行模式选择，一般通过交流母线并入配电网，一旦配网侧发生故障，则交直流混合微电网切换为孤岛模式运行。处于电力系统的末端的配电网易受负荷的影响而出现不平衡、谐波及电压暂降、暂升等短时非正常工况，致使交直流混合微电网在并网与孤岛模式间频繁切换。运行模式的频繁切换不但需要快速精确的检测算法，也必然严重影响交直流混合微电网的供电连续性和电能质量。现有微电网与配电网均直接相连，不能有效解决配电网非正常工况对微电网运行和供电质量造成的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在HMG的交流子网母线与配电网之间加入串联补偿变压器，使得在配电网轻度故障时无须断开并离网开关而依靠串联补偿变压器调节来延拓微电网的供电连续性；通过转换开关K2将串联变换器的交流侧连接至串联补偿变压器，使其在交直流混合微电网并网状态时控制串联补偿变压器进行电压补偿，与混合微电网自有交直流母线接口变换器协调配合来提高HMG的故障穿越能力和供电质量；通过转换开关K3将IC1交流侧联接至交直流混合微电网的交流母线，令串联变换器在交直流混合微电网孤岛运行时工作于并联模式，提高系统中变换器的利用效率。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网及其控制方法，改变了传统HMG与配电网的连接关系，在HMG的交流子网母线与配电网之间加入了串联补偿变压器SCT，并将其通过模式转换开关K2、串联接口变换器IC1与直流子网母线相连，构成了改进型交直流混合微电网；

所述改进交直流混合微电网进入并网模式时，并离网转换开关K1与K2均闭合，当配电网电压不平衡、电压暂降或暂升时，由串联接口变换器IC1控制串联补偿变压器SCT，实时调节其输出电压或阻抗而让HMG交流子网电压保持在预设范围内，这样可抑制配电网发生短时故障对HMG电能质量的影响，避免并离网模式的频繁切换；当配电网异常电压持续时间较长，所需补偿功率超过HMG中分布式电源和储能容量配置，导致直流子网母线电压降至低于设定的下限值，则断开K1让HMG转为孤岛模式，此外，当配电网侧故障触发其继电保护装置动作而切断配网供电后，也会断开K1让HMG进入孤岛模式；

为实现上述目的，通过对改进交直流混合微电网的分析，制定了此串联接口变换器IC1与HMG自有的交直流母线接口变换器IC2的协调控制方法，具体控制过程包括以下步骤：

(1)采集配电网电压u_sk，k＝a，b，c；采集交流子网母线电压u_ack和电流i_ac，k＝a,b,c；采集交直流母线接口变换器IC2的输出电流i_2k，k＝a,b,c；采集直流子网母线电压u_dc；采集串联补偿环节的输出电压u_ck与输出电流i_1k，k＝a,b,c；

(2)当改进HMG处于并网模式运行时，其具体控制步骤如下：

(2-1)对配电网三相电压u_sk分别进行虚拟对称电压构造：u_sk的虚拟电压u_sk,a延时60°得到-u_sk,c，再通过式u_sk,a+u_sk,b+u_sk,c＝0得到u_sk,b，随后将得到的三组三相虚拟对称电压u_sk,abc经过坐标变换转换至dq0坐标系下得到u_sk,dq0，将其通过低通滤波器滤除高频分量得到u_sk,dq0 ^*，最后通过式

α_kref＝arctan(-u_sk,q*/u_sk,d*)，分别求得各相电压跌落或升高的幅值和相位，根据求得的幅值和相位构成abc坐标系下的补偿参考值；

(2-2)将交流子网母线电压u_ack与其电压参考值做差，经过电压控制环节进行调节，再与检测环节生成的补偿参考值相加构成电压控制环的输入参考值u_cref,abc，转换至dq0坐标系u_cref,dq0，串联补偿环节的输出电压u_ck经过坐标变换后转换至dq0坐标系u_c,dq0，u_cref,dq0和u_c,dq0做差后经过电压与电流的双闭环控制生成调制波，再经调制环节形成PWM信号控制串联接口变换器IC1工作；

(2-3)将直流子网母线电压u_dc与交直流母线接口变换器IC2输出的无功功率Q分别与其参考值做差，两个差值经过电压控制环节得到在dq0坐标系下的电流参考值i_2ref,dq0；其次，将交流子网母线电流i_ac通过谐波检测环节与坐标变换提取其中的谐波分量i_h，dq0，并将其与电流参考值i_2ref,dq0相加，完成指令电流的合成；最后，指令电流与交直流母线接口变换器输出电流i_2k经过坐标变换后的电流i_2,dq0做差，通过电流控制环节进行调节，生成交直流母线接口变换器工作所需的调制波，再经调制环节形成PWM信号控制交直流母线接口变换器IC2工作。

上述的一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网及其控制方法，在串联接口变换器IC1的交流侧通过模式转换开关K3与交流子网母线相连，改进型交直流混合微电网变为可变拓扑的改进型交直流混合微电网，所述可变拓扑的改进HMG进入孤岛模式时，并离网切换开关K1与K2均已断开，开关K3闭合，串联接口变换器IC1转变为并联的接口变换器与混合微网自有交直流母线接口变换器IC2并联运行，设置串联接口变换器运行于电压源模式，配合交流子网中的分布式电源支撑交流子网母线电压，同时增加了交直流子网传输功率的容量，提高了交、直流子网间相互支撑的能力；

(3)当可变拓扑的改进HMG处于孤岛模式运行时，其具体控制步骤如下：

(3-1)由串联接口变换器IC1的输出电压与电流计算其输出有功与无功功率，再经由下垂控制环节生成交流子网母线电压的参考值u_acref，随后通过电压与电流的双闭环控制，完成串联接口变换器在电压源控制模式下的工作；

(3-2)由f_ac-P_ac与u_dc-P_dc和U_ac-Q的下垂控制环节，f_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的频率，U_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的幅值，由下垂控制环节生成交直流子网各自所需的功率，并按照其容量占比进行分配，再将交直流子网所需功率进行合成，得到HMG自有交直流母线接口变换器的传输功率参考值，随后，将传输功率参考值转换为指令电流参考值，通过电流环进行控制，完成HMG自有交直流母线接口变换器在电流源控制模式下的工作。

在HMG的交流子网母线与配电网之间加入串联补偿变压器SCT，使得在配电网轻度故障时无须断开并离网开关而依靠串联补偿变压器SCT调节来延拓微电网的供电连续性；通过转换开关K2将串联变换器的交流侧连接至串联补偿变压器，使其在交直流混合微电网并网状态时控制串联补偿变压器进行电压补偿，与混合微电网自有交直流母线接口变换器协调配合来提高HMG的故障穿越能力和供电质量；通过转换开关K3将IC1交流侧联接至交直流混合微电网的交流母线，令串联变换器在交直流混合微电网孤岛运行时工作于并联模式，提高系统中变换器的利用效率。

附图说明

图1为本发明所涉及的可变拓扑的改进交直流混合微电网结构图。

图2为本发明所涉及的可变拓扑的改进交直流混合微电网的具体电路图。

图3为配电网电压的检测环节的设计框图。

图4为并网模式下串联变换器与交直流母线接口变换器的控制策略图。

图5为孤岛模式下串联变换器与交直流母线接口变换器的控制策略图。

图6为本发明所述配网侧电压发生三相跌落时，改进交直流混合微电网的实验运行效果图。

图7为本发明所述改进交直流混合微电网的子网功率波动时，自有交直流母线接口变换器的实验运行效果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见附图1至图7，现对本发明提供的一种可变拓扑的改进交直流混合微电网及其控制方法进行说明。

本发明所述的一种可变拓扑的改进HMG，如图1所示。其中串联补偿环节由串联补偿变压器(Series Compensation Transformer，SCT)、模式转换开关K2和K3以及接口变换器(SeriesInterface Converter，以下简称IC1)组成；混合微网自有的交直流母线接口变换器(AC-DC BusInterface Converter，以下简称IC2)；交流子网的电压等级为380V，其中包含微型燃气轮机、光伏和风力发电及其他采用下垂控制的分布式发电设备、交流负载和敏感负载等；直流子网的电压等级为800V，其中包含风力与光伏发电设备、储能设备和直流负荷等。当开关K1、K2闭合、K3断开，HMG进入改进并网模式。IC1连接SCT而充当串联补偿变换器。当配电网电压不平衡、电压暂降或暂升时，由IC1控制SCT，实时调节其输出电压(或阻抗)而让HMG交流子网电压保持在预设范围内。这样可抑制配电网发生短时故障对HMG电能质量的影响、避免并离网模式的频繁切换。当配电网异常电压持续时间较长，所需补偿功率超过HMG中分布式电源和储能容量配置，导致直流母线电压降至低于设定的下限值，则断开K1让HMG转为孤岛模式。此外，当配网侧故障(如短路)触发其继电保护装置动作而切断配网供电后，也会断开K1让HMG进入孤岛模式；当K1断开，HMG与配电网间联系被切断而进入孤岛模式，依次令K2断开、K3闭合，IC1转变为交直流母线接口变换器与IC2并联运行。可设置IC1运行于电压源模式，配合交流子网中的分布式电源支撑交流子网母线电压。同时增加了交直流子网传输功率的容量，提高了交、直流子网间相互支撑的能力。

一种可变拓扑的改进HMG的协调控制方法，该方法是通过本发明所述的IC1与IC2实现的，所述改进HMG的简化结构图，如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)采集配电网电压u_sk，k＝a，b，c；采集交流子网母线电压u_ack，k＝a,b,c；采集交直流母线接口变换器的输出电流i_2k，k＝a,b,c；采集直流母线电压u_dc；采集串联补偿环节的输出电压u_ck与输出电流i_1k，k＝a,b,c；

(2)当改进交直流混合微电网处于并网模式运行时，其具体控制步骤如下：

(2-1)对配电网三相电压分别进行虚拟对称电压构造：以A相为例，先将A相电压u_sa,a延时60°得到-u_sa,c，再通过式(1)得到u_sa,b。随后将得到的三组三相虚拟对称电压u_sk,abc经过坐标变换转换至dq0坐标系下得到u_sk,dq0，将其通过低通滤波器滤除高频分量得到u_sk,dq0 ^*，最后通过式(2)(3)，分别求得各相电压跌落或升高的幅值和相位，构成abc坐标系下的补偿参考值，如图3所示；

u_sk,a+u_sk,b+u_sk，c＝0 (I)

α_kref＝arctan(-u_sk，q*/u_sk，d*) (1)

其中，k＝a,b,c；

(2-2)将交流子网母线电压u_ack与其电压参考值380V做差，经过电压控制环节进行调节，再与检测环节生成的补偿参考值相加构成电压控制环的输入参考值u_cref,abc，转换至dq0坐标系u_cref,dq0，串联补偿环节的输出电压u_ck经过坐标变换后转换至dq0坐标系u_c,dq0，u_cref,dq0和u_c,dq0做差后经过电压与电流的双闭环控制生成调制波，再经调制环节形成PWM信号控制串联接口变换器IC1工作，如图4(a)所示；

(2-3)将直流子网母线电压u_dc与无功功率Q分别与其参考值做差，直流子网母线电压u_dc的参考值为800V，无功功率Q的参考值Q_ref为0，两个差值经过电压控制环节得到在dq0坐标系下的电流参考值i_2ref,dq0；其次，将交流子网母线电流i_ac通过谐波检测环节与坐标变换提取其中的谐波分量i_h，dq0，并将其与电流参考值i_2ref,dq0相加，完成指令电流的合成；最后，与IC2输出电流i_2,abc经过坐标变换后的电流i_2,dq0做差，通过电流控制环节进行调节，生成交直流母线接口变换器工作所需的调制波，再经调制环节形成PWM信号控制交直流母线接口变换器IC2工作，如图4(b)所示。

(3)当改进交直流混合微电网处于孤岛模式运行时，其具体控制步骤如下：

(3-1)由串联接口变换器IC1的输出电压与电流计算其输出有功与无功功率，再经由下垂控制环节生成交流子网母线电压的参考值u_acref，随后通过电压电流双闭环控制，完成串联接口变换器IC1在电压源控制模式下的工作，如图5(a)所示；

(3-2)由f_ac-P_ac与u_dc-P_dc和U_ac-Q的下垂控制环节，f_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的频率，U_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的幅值，由下垂控制环节生成交直流子网各自所需的功率，并按照其容量占比进行分配，再将交直流子网所需功率进行合成，得到HMG自有交直流母线接口变换器的传输功率参考值，随后，将传输功率参考值转换为指令电流参考值，通过电流环进行控制，完成HMG自有交直流母线接口变换器在电流源控制模式下的工作,如图5(b)所示。

所述图4中，电压控制环节(Voltage Regulator，VR)选用比例积分控制器，电流控制环节(Current Regulator，CR)选用比例控制器，G_PWM(s)为PWM脉冲调制器的传递函数；所述图5中VR与CR均选用了比例积分控制器。控制策略的设计均在dq0坐标系下进行。

所述图6为可变拓扑的交直流混合微电网处于并网模式时，串联变换器控制串联补偿变压器补偿所需有功功率P_c，配电网电压u_s、串联补偿变压器的输出补偿电压u_c和交流母线电压u_ac的实验波形。由于示波器接口数量有限，仅给出了三相量中的A相电压波形。在起始阶段1，系统处于稳定状态，配电网电压处于正常状态；在阶段2，配电网发生暂降故障，其幅值跌落为0.2pu，IC1进行动态电压补偿的功能，保证了交流子网母线电压的可靠供电。

所述图7为可变拓扑的交直流混合微电网处于并网模式时，交直流母线接口变换器的运行效果，自上而下分别为直流母线电压u_dc，配电压u_s、IC1输出传输电流i_IC2、IC₁输出补偿电压u_c和交流母线电压u_ac的实验波形。在起始阶段1，系统处于稳定状态，IC1工作于零输出阻抗模式串联补偿变压器相当于短路状态，IC2工作于整流模式传输功率，并保证直流母线电压的稳定；在阶段2与阶段3分别模拟分布式电源输出功率波动与负载波动，可以看出IC2可以传输所需功率，维持交直流子网功率平衡，同时保证直流母线电压的稳定。考虑改进HMG在孤岛模式下的运行时，由于串联补偿变压器已断开，此时串联变换器充当母线接口变换器，其与传统HMG的多母线接口变换器并联运行效果相同，故不对其进行详细分析。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网的控制方法，其特征在于：改变了传统交直流混合微电网HMG与配电网的连接关系，在交直流混合微电网HMG的交流子网母线与配电网之间加入了串联补偿变压器SCT，并将其通过模式转换开关K2、串联接口变换器IC1与直流子网母线相连，构成了改进型交直流混合微电网；

所述改进型交直流混合微电网进入并网模式时，并离网转换开关K1与K2均闭合，当配电网电压不平衡、电压暂降或暂升时，由串联接口变换器IC1控制串联补偿变压器SCT，实时调节其输出电压或阻抗而让交直流混合微电网HMG交流子网电压保持在预设范围内，这样可抑制配电网发生短时故障对交直流混合微电网HMG电能质量的影响，避免并离网模式的频繁切换；当配电网异常电压持续时间较长，所需补偿功率超过交直流混合微电网HMG中分布式电源和储能容量配置，导致直流子网母线电压降至低于设定的下限值，则断开K1让交直流混合微电网HMG转为孤岛模式，此外，当配电网侧故障触发其继电保护装置动作而切断配网供电后，也会断开K1让交直流混合微电网HMG进入孤岛模式；

通过对改进型交直流混合微电网的分析，制定了此串联接口变换器IC1与交直流混合微电网HMG自有的交直流母线接口变换器IC2的协调控制方法，具体控制过程包括以下步骤：

(1)采集配电网三相电压u_sk，k＝a，b，c；采集交流子网母线电压u_ack和电流i_ac，k＝a,b,c；采集交直流母线接口变换器IC2的输出电流i_2k，k＝a,b,c；采集直流子网母线电压u_dc；采集串联补偿环节的输出电压u_ck与输出电流i_1k，k＝a,b,c；

(2)当改进型交直流混合微电网HMG处于并网模式运行时，其具体控制步骤如下：

(2-1)对配电网三相电压u_sk分别进行虚拟对称电压构造：u_sk的虚拟电压u_sk,a延时60°得到-u_sk,c，再通过式u_sk,a+u_sk,b+u_sk,c＝0得到u_sk,b，随后将得到的三组三相虚拟对称电压u_sk,abc经过坐标变换转换至dq0坐标系下得到u_sk,dq0，将其通过低通滤波器滤除高频分量得到u_sk,dq0*，最后通过式

α_kref＝arctan(-u_sk,q*/u_sk,d*)，分别求得各相电压跌落或升高的幅值和相位，根据求得的幅值和相位构成abc坐标系下的补偿参考值；

(2-2)将交流子网母线电压u_ack与其电压参考值做差，经过电压控制环节进行调节，再与检测环节生成的补偿参考值相加构成电压控制环的输入参考值u_cref,abc，转换至dq0坐标系u_cref,dq0，串联补偿环节的输出电压u_ck经过坐标变换后转换至dq0坐标系u_c,dq0，u_cref,dq0和u_c,dq0做差后经过电压与电流的双闭环控制生成调制波，再经调制环节形成PWM信号控制串联接口变换器工作；

(2-3)将直流子网母线电压u_dc与交直流母线接口变换器IC2输出的无功功率Q分别与其参考值做差，两个差值经过电压控制环节得到在dq0坐标系下的电流参考值i_2ref,dq0；其次，将交流子网母线电流i_ac通过谐波检测环节与坐标变换提取其中的谐波分量i_h，dq0，并将其与电流参考值i_2ref,dq0相加，完成指令电流的合成；最后，指令电流与交直流母线接口变换器输出电流i_2k经过坐标变换后的电流i_2,dq0做差，通过电流控制环节进行调节，生成交直流母线接口变换器工作所需的调制波，再经调制环节形成PWM信号控制交直流母线接口变换器IC2工作。

2.根据权利要求1所述的一种可变拓扑的改进型交直流混合微电网的控制方法，其特征在于：在串联接口变换器IC1的交流侧通过模式转换开关K3与交流子网母线相连，改进型交直流混合微电网变为可变拓扑的改进型交直流混合微电网，所述可变拓扑的改进HMG进入孤岛模式时，并离网切换开关K1与K2均已断开，开关K3闭合，串联接口变换器IC1转变为并联的接口变换器与混合微网自有交直流母线接口变换器IC2并联运行，设置串联接口变换器运行于电压源模式，配合交流子网中的分布式电源支撑交流子网母线电压，同时增加了交直流子网传输功率的容量，提高了交、直流子网间相互支撑的能力；

(3)当可变拓扑的改进HMG处于孤岛模式运行时，其具体控制步骤如下：

(3-1)由串联接口变换器IC1的输出电压与电流计算其输出有功与无功功率，再经由下垂控制环节生成交流子网母线电压的参考值u_acref，随后通过电压与电流的双闭环控制，完成串联接口变换器在电压源控制模式下的工作；

(3-2)由f_ac-P_ac与u_dc-P_dc和U_ac-Q的下垂控制环节，f_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的频率，U_ac为交直流母线接口变换器IC2输出电压的幅值，由下垂控制环节生成交直流子网各自所需的功率，并按照其容量占比进行分配，再将交直流子网所需功率进行合成，得到HMG自有交直流母线接口变换器的传输功率参考值，随后，将传输功率参考值转换为指令电流参考值，通过电流环进行控制，完成HMG自有交直流母线接口变换器在电流源控制模式下的工作。

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