CN112366756A - 一种换流器控制系统、换流器控制方法和微电网 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流器控制系统、控制方法和微电网，控制系统包括交流功率计算模块、自治运行控制模块、归一化运算作差模块、电流内环控制模块和直流功率计算模块，控制方法与控制系统相对应，该控制系统能够使交直流互联微电网的交直流线路采取任意的拓扑结构，并且可以在所有交直流线路中自动实现有功功率分配，换流器采用分散控制策略，不依赖于实时通讯，对通讯要求低，鲁棒性高，功率发生扰动或网络结构发生变化时具有自适应调整能力。

Description

一种换流器控制系统、换流器控制方法和微电网

技术领域

本发明涉及一种换流器控制系统、换流器控制方法和微电网，属于电力系统领域。

背景技术

自21 世纪初以来，交流微电网得到了广泛的研究，然而，仅仅使用单一的交流电源为系统供电，不仅会提高系统成本、增加损耗，同时还带来了相应的谐波问题。随着微电网中日益增加的直流型分布式电源以及直流负荷，科学家又提出了直流微电网，直流微电网是使用直流电源对直流负载进行集群，以最大限度地减少交流到直流的转换损耗。一种更实用但控制相对较复杂的网络交直流混合微电网应运而生，它结合了交流微电网和直流微电网的优点，交流和直流微电网通过一个或多个“互联换流器”相连，形成交直流混合微电网。

交直流混合微电网结合了交流微电网和直流微电网的诸多优点。但它的能量管理和运行控制相比单一的交、直流微电网要复杂的多，技术要求相应较高。同时，目前的交直流混合微电网通过一个双向AC/DC变换器连接交流子网和直流子网，结构单一，孤岛运行状态下可靠性不高，难以适应未来的市场化非集中式配电网。

交直流网络在连接大电网时不存在有功功率和无功功率的潮流分布问题，但有时，微电网需要进入孤岛模式，为了保证混合微电网中负荷的安全用电和电能质量，需要与上级电网进行通讯，在小扰动时，这种方法显然费时费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够适应微电网中新能源负荷接入的换流器控制系统，该控制系统能够使微电网采取任意的拓扑结构，实现设备的即插即用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种换流器控制系统，包括交流功率计算模块、自治运行控制模块、归一化运算作差模块、电流内环控制模块和直流功率计算模块，

所述交流功率计算模块采集交流线路电流信号i _abc和交流线路电压u_abc并输出交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量、交流线路电压u_abc的d-q轴分量、视在功率S和无功功率Q，并将交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量输送至所述电流内环控制模块，将所述视在功率S输送至所述归一化运算作差模块，将无功功率Q输送至自治运行控制模块；

所述直流功率计算模块采集直流电压U_dc和直流电流I_dc，输出直流功率P，所述直流功率P输送至所述归一化运算作差模块；

所述归一化运算作差模块采集参考有功功率P_ref，并根据参考有功功率P_ref与视在功率得到功率偏差∆S，根据参考有功功率P_ref和有功功率P得到电压差∆U_dc，所述功率偏差∆S和电压差∆U_dc输送至所述自治运行控制模块；

所述自治运行控制模块将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较得到d轴电流参考值i _dref；将无功偏差∆S、无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较得到q轴电流参考值i _qref；

所述电流内环控制模块根据q轴电流参考值i _qref、d轴电流参考值i _dref、交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od和q轴分量u _oq。

进一步的，所述归一化处理模块将视在功率S和有功功率P归一化处理后作差换算得到视在功率偏差∆S，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差得到电压偏差∆U_dc。

进一步的，所述自治运行控制模块包括PI控制器和比较模块，所述比较模块将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较，比较结果经PI控制器后得到d轴电流参考值i _dref；

所述比较模块将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较，比较结果经PI控制器后得到q轴电流参考值i _qref。

进一步的，所述电流内环控制模块的运行方法为：

将自治运行控制模块输出的d轴参考电流i _dref与实际交流线路电流信号i _abc的d轴分量i _d进行比较，将q轴参考电流i _qref与实际交流线路电流信号i _abc的q轴分量i _q进行比较获得比较结果；

将比较结果经过比例积分环节生成中间信号；

i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，所述中间信号、补偿电压信号与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

进一步的，所述电流内环控制模块连接PWM，换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od和q轴分量u _oq经PWM后连接换流器的开关。

本发明还提供了一种换流器的控制方法，包括以下步骤

S01根据交流线路电流信号i _abc和交流线路电压u_abc计算得到交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量、交流线路电压u_abc的d-q轴分量、视在功率S和无功功率Q；

S02 根据参考有功功率P_re、参考有功功率P_ref与视在功率S得到功率偏差∆S，根据参考有功功率P_ref和有功功率P得到电压差∆U_dc；

S03将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较得到d轴电流参考值i _dref；将无功偏差∆S、无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较得到q轴电流参考值i _qref；

S04 根据q轴电流参考值i _qref、d轴电流参考值i _dref、交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

进一步的，所述步骤S04具体为

将d轴参考电流i _dref与实际交流线路电流信号i _abc的d轴分量i _d进行比较，将q轴参考电流i _qref与实际交流线路电流信号i _abc的q轴分量i _q进行比较获得比较结果；

将比较结果经过比例积分环节生成中间信号；

i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，所述中间信号、补偿电压信号与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

进一步的，所述步骤S03具体为

将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref获得比较结果，比较结果经PI控制后得到d轴电流参考值i _dref；

将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较获得比较结果，比较结果经PI控制器后得到q轴电流参考值i _qref。

本发明还提供了一种设置有上述换流器控制系统的微电网。

本发明所产生的有益效果包括：

（1）本发明中的换流器控制系统可使交直流互联微电网采用任意拓扑结构在孤网模式下运行，对换流器采用分散控制策略，不依赖于上层统一控制，对通讯要求低，鲁棒性高，在微电网发生功率扰动或网络结构发生变化时具有一定的自适应调整能力。

（2）与现有的交直流混合微电网相比，本发明中的交直流互联微电网可采取任意拓扑结构，简单可靠，能够适应新能源负荷的接入，实现设备的即插即用，同时能够适应未来市场化非集中式配电网的需求，与原有的配电网有机融合。

(3)本发明中的控制系统不依赖上层协调控制，对通讯的要求低，容错率高。使微电网可以脱离电网孤立运行，也可以接入大电网并网运行，当系统发生大扰动，无法通过自身调节达到新的平衡时，微电网能够和实时通讯或接入大电网达到平衡，如此提高了电力系统的安全性和可靠性。

(3)本发明中换流器的控制方法，在电网发生扰动或网络结构变化时，可以根据自适应地对有功功率和无功功率进行有差调节，在所有交直流线路中自动实现有功功率分配，并且在相连的交流线路中自动实现无功功率分配。

附图说明

图1为交直流互联微电网的单元结构示意图；

图2为换流器整体控制框图；

图3为自治运行控制模块原理框图；

图4为电流内环控制框图；

图5为交直流互联微电网示意图；

图6为对应交流微电网示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

如图1所示，该交直流互联微电网以直流线路经换流器连接两侧交流线路为一个单元结构。微电网中的无功功率在交流线路中传输，有功功率在所有交直流线路中传输。当网络结构变化或发生功率扰动时，采用分散控制策略，对各个换流器就地控制，在所有交直流线路中自动实现有功功率分配，并且在相连的交流线路中自动实现无功功率分配。

有功功率P在所有交直流线路中传输，微电网发生功率扰动或网络结构发生变化时，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差换算得到直流线路电压差∆U_dc，换流器根据电压偏差∆U_dc对有功功率P进行有差调节，实现有功功率在所有交直流线路中自动分配。无功功率Q仅在交流线路中传输，研究无功功率的分布可以结合视在功率的分布，视在功率S的平方等于有功功率P和无功功率Q的平方和，即S²=P²+Q²，在配电网中线路电抗很小且一般负荷功率因数较高，可近似得到S≈P+Q，因此，微电网发生功率扰动或网络结构发生变化时，计算实时无功功率Q和无功功率参考值Q_ref的差值∆Q，换流器根据无功功率偏差∆Q对视在功率S进行调节，在交流线路中自动实现无功功率分配。

实施例1

换流器控制系统如图2，采集直流线路电压U_dc并输入到自治运行控制模块和直流侧有功功率计算模块，采集直流电压I_dc并输入到直流侧有功计算模块，采集交流线路电压u_abc和交流线路电流i _abc并输入交流测功率计算模块。归一化处理模块中，将视在功率S和有功功率P归一化处理后作差换算得到视在功率偏差∆S并输入到自治运行控制模块，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差得到电压偏差∆U_dc并输入到自治运行控制模块。将坐标变换功率计算模块实时得到的换流器本地输出Q输入到自治运行控制模块，同时将设定的无功功率参考值Q_ref和电压参考值U_dcref输入到自治运行控制模块，最终输出d-q轴参考电流i _dref和i _qref，经电流内环控制生成PWM控制信号，完成对换流器的控制，最终实现交直流互联微电网中有功功率和无功功率的自动分配。

自治运行控制模块原理框图如图3所示，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差换算得到电压差∆U_dc，将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较，其结果经PI控制后得到d轴电流参考值i _dref。将参考有功功率P_ref和视在功率S归一化处理后作差得到功率偏差∆S，将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较，其结果经PI控制后得到q轴电流参考值i _qref，最后将d-q轴参考电流i _dref和i _qref输入到电流内环控制模块。

电流内环控制框图如图4所示，自治运行控制模块输出的d轴参考电流i _dref和q轴参考电流i _qref作为电流内环控制模块的输入，分别与实际交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量i _d和i _q进行比较，其结果经过比例积分环节生成中间信号，同时，i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，最后生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq，使用PWM技术对换流器进行控制，最终实现交直流互联微电网有功功率和无功功率的自动分配。

如图5所示的交直流互联微电网示意图中，两侧交流源通过一条交流线路直接相连，同时并联一条经AC/DC换流器和DC/AC换流器连接的直流线路，由此，视在功率S可以通过两条线路传输，有功功率P仅在直流线路传输。如图6所示的交流微电网，线路1中只传输有功功率，与图5中的直流线路相对应，线路2是交流线路，传输有功功率和无功功率。

若该交直流互联微电网中发生功率扰动或网络结构发生改变时，直流线路电压U_dc和无功功率Q发生变化，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差换算得到直流线路电压差∆U_dc，换流器根据电压偏差∆U_dc对有功功率P进行有差调节。视在功率S和有功功率P归一化处理后，作差换算得到视在功率偏差∆S，结合无功功率研究视在功率的分布，微电网发生功率扰动或网络结构发生变化时，计算实时无功功率Q并将Q和无功功率参考值Q_ref的作差得到∆Q，换流器根据无功功率偏差∆Q对视在功率S进行控制。

实施例2

一种与实施例1中换流器控制系统相对应的控制方法，包括以下步骤

S01根据交流线路电流信号i _abc和交流线路电压u_abc计算得到交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量、交流线路电压u_abc的d-q轴分量、视在功率S和无功功率Q；

S02 根据参考有功功率P_re、参考有功功率P_ref与视在功率S得到功率偏差∆S，根据参考有功功率P_ref和有功功率P得到电压差∆U_dc；

S03将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较得到d轴电流参考值i _dref；将无功偏差∆S、无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较得到q轴电流参考值i _qref；

S04 根据q轴电流参考值i _qref、d轴电流参考值i _dref、交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

所述步骤S04具体为

将d轴参考电流i _dref与实际交流线路电流信号i _abc的d轴分量i _d进行比较，将q轴参考电流i _qref与实际交流线路电流信号i _abc的q轴分量i _q进行比较获得比较结果；

将比较结果经过比例积分环节生成中间信号；

i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，所述中间信号、补偿电压信号与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

所述步骤S03具体为

将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref获得比较结果，比较结果经PI控制后得到d轴电流参考值i _dref；

将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较获得比较结果，比较结果经PI控制器后得到q轴电流参考值i _qref。

实施例3

将实施例1中的换流器控制系统应用于微电网中。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换流器控制系统，其特征在于：包括交流功率计算模块、自治运行控制模块、归一化运算作差模块、电流内环控制模块和直流功率计算模块，

所述交流功率计算模块采集交流线路电流信号i _abc和交流线路电压u_abc并输出交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量、交流线路电压u_abc的d-q轴分量、视在功率S和无功功率Q，并将交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量输送至所述电流内环控制模块，将所述视在功率S输送至所述归一化运算作差模块，将无功功率Q输送至自治运行控制模块；

所述直流功率计算模块采集直流电压U_dc和直流电流I_dc，输出直流功率P，所述直流功率P输送至所述归一化运算作差模块；

所述归一化运算作差模块采集参考有功功率P_ref，并根据参考有功功率P_ref与视在功率得到功率偏差∆S，根据参考有功功率P_ref和有功功率P得到电压差∆U_dc，所述功率偏差∆S和电压差∆U_dc输送至所述自治运行控制模块；

所述自治运行控制模块将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较得到d轴电流参考值i _dref；将无功偏差∆S、无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较得到q轴电流参考值i _qref；

所述电流内环控制模块根据q轴电流参考值i _qref、d轴电流参考值i _dref、交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od和q轴分量u _oq。

2.根据权利要求1所述的换流器控制系统，其特征在于：所述归一化处理模块将视在功率S和有功功率P归一化处理后作差换算得到视在功率偏差∆S，将参考有功功率P_ref和有功功率P归一化处理后作差得到电压偏差∆U_dc。

3.根据权利要求1所述的换流器控制系统，其特征在于：所述自治运行控制模块包括PI控制器和比较模块，所述比较模块将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较，比较结果经PI控制器后得到d轴电流参考值i _dref；

所述比较模块将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较，比较结果经PI控制器后得到q轴电流参考值i _qref。

4.根据权利要求1所述的换流器控制系统，其特征在于：所述电流内环控制模块的运行方法为：

将自治运行控制模块输出的d轴参考电流i _dref与实际交流线路电流信号i _abc的d轴分量i _d进行比较，将q轴参考电流i _qref与实际交流线路电流信号i _abc的q轴分量i _q进行比较获得比较结果；

将比较结果经过比例积分环节生成中间信号；

i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，所述中间信号、补偿电压信号与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

5.一种换流器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤

S01根据交流线路电流信号i _abc和交流线路电压u_abc计算得到交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量、交流线路电压u_abc的d-q轴分量、视在功率S和无功功率Q；

S02 根据参考有功功率P_re、参考有功功率P_ref与视在功率S得到功率偏差∆S，根据参考有功功率P_ref和有功功率P得到电压差∆U_dc；

S03将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref进行比较得到d轴电流参考值i _dref；将无功偏差∆S、无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较得到q轴电流参考值i _qref；

S04 根据q轴电流参考值i _qref、d轴电流参考值i _dref、交流线路电流信号i _abc的d-q轴分量和交流线路电压u_abc的d-q轴分量生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

6.根据权利要求5所述的换流器的控制方法，其特征在于：所述步骤S04具体为

将d轴参考电流i _dref与实际交流线路电流信号i _abc的d轴分量i _d进行比较，将q轴参考电流i _qref与实际交流线路电流信号i _abc的q轴分量i _q进行比较获得比较结果；

将比较结果经过比例积分环节生成中间信号；

i _d和i _q分别通过前馈补偿以及交叉耦合补偿，产生补偿电压信号，所述中间信号、补偿电压信号与实际电压信号的d-q轴分量u _d和u _q相比较，生成换流器交流侧电压控制信号d轴分量u _od与和q轴分量u _oq。

7.根据权利要求5所述的换流器的控制方法，其特征在于：所述步骤S03具体为

将电压偏差∆U_dc、采集到的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref获得比较结果，比较结果经PI控制后得到d轴电流参考值i _dref；

将无功偏差∆S、换流器实时计算得到的无功功率Q和无功功率参考值Q_ref进行比较获得比较结果，比较结果经PI控制器后得到q轴电流参考值i _qref。

8.一种设置有权利要求1所述的换流器控制系统的微电网。

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