CN113346500B - 一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器及控制方法，包括主电路和控制电路，主电路包括并联的电力电子变流器与并网开关，电力电子变流器与并网开关的两端分别连接三相交流微电网母线和大电网并网点；当设置于三相交流微电网与大电网之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现三相交流微电网与大电网之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行。本发明的工作的全程仅需要对柔性切换变流器进行控制，避免了直接对微电网内的各分布式电源进行实时控制，从而支持微电网实现全自治控制。

Description

一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器及控制方法

技术领域

本发明属于交流微电网控制领域，具体涉及一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器及控制方法。

背景技术

随着新能源发电技术的发展和电力电子设备在电网中的应用，电网正呈现出更加分布式和电子化的特性；而微电网作为未来电网的重要组成单元，正得到越来越多的关注和应用。大多数情况下，微电网中的多台分布式电源通过电力电子变流器接口，例如逆变器，与微电网母线相连接，所以为了保证微电网稳定高效运行，其内部变流器协调控制和外部特性研究的重要性更加凸显。

现有的微电网控制大多为集中式控制，由于分布式电源在地理位置上较为分散，成本较高，可靠性较低，并且线路上的噪音也会干扰通讯质量；而未来的微电网则需要兼容来自不同拥有者的发电、储能和用电设备，并保证其整体可靠且高效地运行，故应尽量避免中央控制器进行大量复杂的集中计算、避免直接对微电网内的各分布式电源进行实时控制、减小对通讯线的依赖，使其朝着更加开放和自治的方向发展。

传统下垂控制可以在不使用通讯线的前提下基本保证并联分布式电源间的功率合理分配与协调运作，但是，在微电网整体与大电网相连的过程中，理想状态下其对大电网来说应作为一种可控的负载，应具有在并网及离网状态之间平滑切换的能力。于是，如何在避免直接对微电网内的各台分布式电源进行实时控制的情况下，将两个电压的幅值和相位不完全相同的交流网络连接在一起，成为限制微电网实现自治控制的主要瓶颈。

具体来讲，早期的微电网通过一种称为静态开关的快速半导体开关与大电网连接。然而，在这种结构下，为了实现从离网到并网的平滑切换，现有方法主要有被动式和主动式两种：前者即为实时监控两端相位，在达到一致时闭合并网开关，这一方法简单易操作，但是其并网条件较为苛刻，在幅值和频率相差过大的情况下会产生很大冲击，也不能保证快速可控的完成并网过程；而后者则需要同时与各台分布式电源进行高带宽通讯，以对它们的输出电压进行同步调整，这就使得对接入设备的性能提出了更高的要求，不适用于分布式电源较多的系统。除此之外，国内外研究人员也开发了不同形式的接口变流器用以连接两个交流网络，如智能变压器、电力电子变压器、变频变压器及电能路由器等，与静态开关相比，他们的优势在于可在两个网络之间提供可控的功率流，并在一定程度上保证两侧电网的电能质量。但是，其中一部分接口变流器，如智能变压器等，不能直接连接两个不同频率的网络，故不能从离网状态直接切换到异步联网状态；另一部分，如变频变压器等，结构较复杂，成本较高，并且能量流动过程中损耗较大，长时间通过其联网运行会使得系统整体运行效率变低；而电力路由器则是一种与信息技术相结合且更侧重于集中式控制的核心电力设备，它就像电力控制中心一样，直接为负载和可再生能源提供多种类型的接口，并实现有功潮流控制。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器及控制方法，该方法不仅能够在避免直接对微电网内的各台分布式电源进行实时控制的情况下实现异步联网，并且能够根据需求软切换为直接联网以降低电能损耗。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器，包括主电路和控制电路，主电路包括并联的电力电子变流器与并网开关，电力电子变流器与并网开关的两端分别连接两个交流电力系统；当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行。

进一步的，两个交流电力系统为三相交流微电网与大电网，或两个相同电压等级的三相交流微电网，或两个相同电压等级的单相交流微电网。

进一步的，电力电子变流器的拓扑结构为串入式或级联式。

进一步的，电力电子变流器的拓扑结构为级联式的拓扑结构时，级联式的拓扑结构为交流-直流-交流两级变换或交流-交流单级变换。

一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行。

进一步的，具体步骤如下：

1)在与柔性切换变流器相连的交流微电网，各台分布式电源与公共连接点之间的传输线等效阻抗呈感性，微电网中至少有一部分的分布式电源为采用下垂控制方式控制的电压源；

2)通过电力电子变流器异步联网实现交流微电网与大电网之间的功率传输时，电力电子变流器接受上层的有功功率控制指令和无功功率控制指令；

3)软切换为通过并网开关直接联网运行时，电力电子变流器根据两端电压的幅值和相位得到从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令；

4)控制电路根据步骤2)或3)中电力电子变流器获得的有功功率控制指令和无功功率控制指令，结合由电压和电流计算得到的实际输出功率，通过功率跟踪控制，得到电压参考值或电流参考值；

5)控制电路根据步骤4)中获得的电压参考值或电流参考值，结合实际的电压或电流，采用电压或电流闭环控制产生调制波，再通过脉冲宽度调制过程产生驱动信号，电力电子变流器中每个开关器件的驱动电路根据获得的驱动信号，控制开关器件的开通或关断；

6)重复步骤3)、4)与5)，使得两端电压的幅值、频率和相位逐渐趋于同步，当两端电压的幅值差、频率差和相位差同时小于各自的阈值之后，切换为通过并网开关联网。

进一步的，步骤1)中，电压源采用下垂控制方式控制时，下垂控制的控制式如下：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P₀)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q₀)；

其中，ω^*和E^*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率，P₀和Q₀分别是在频率ω₀和电压E₀下逆变器输出的有功功率和无功功率，k_p和k_q是频率和电压的下垂控制线的斜率。

进一步的，步骤3)中，从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令如下：

P^*＝G_p(s)·(θ_mg-θ_g)；

Q^*＝G_q(s)·(U_mg-U_g)；

其中，P^*和Q^*分别是通过变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令，G_p(s)和G_q(s)分别是有功功率和无功功率的控制器传递函数，θ_mg和θ_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量相角，U_mg和U_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量幅值。

进一步的，步骤4)中，若电力电子变流器为级联式变流器，电压参考值为：

其中，

和/>

分别是微电网侧电压的参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_up(s)和H_uq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数，P和Q分别是切换变流器从微电网实际吸收的有功功率和无功功率。

进一步的，在于，步骤4)中，若电力电子变流器为串入式变流器，电流参考值为：

其中，

和/>

分别是电流参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_ip(s)和H_iq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种的柔性切换变流器及控制方法，旨在解决微电网与大电网连接或微电网互联时如何实现微电网全自治控制的问题。相比于通过静态开关或其他接口变流器联网，本发明不仅可以即时性地实现异步联网运行，保证一定的两个交流电力系统之间的功率交换，并且能够在需要长时间联网运行的情况下，通过功率流控制软切换为直接联网运行，以降低整体电力损耗。本发明的工作的全程仅需要对柔性切换变流器进行控制，避免直接对与柔性切换变流器相连的交流微电网内的各台分布式电源进行实时控制，从而支持了微电网的全自治控制，为工程应用提供了很好的参考价值。

附图说明

图1为本发明所提供的柔性切换变流器的结构示意图；

图2为用于三相交流系统的电力电子变流器部分的拓扑结构分类的示意图；其中，(a)为串入式结构示意图；(b)为级联式中的交流-交流单级变换结构示意图；(c)为级联式中的交流-直流-交流两级变换结构示意图；

图3为执行软切换操作前后，变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率的仿真波形图；其中，(a)为有功功率的波形图；(b)为无功功率的波形图；

图4为执行软切换操作前后，微电网内各分布式电源输出的有功功率和无功功率的仿真波形图；其中，(a)为有功功率的波形图；(b)为无功功率的波形图；

图5为执行软切换操作前后，微电网与大电网的电压相位差和幅值差(微电网侧减去大电网侧)的仿真波形图；其中，(a)为电压相位差的波形图；(b)为电压幅值差的波形图；

图6为并网开关闭合前后，通过并网开关的电流和微电网侧电压的仿真波形图；其中，(a)为通过并网开关的电流的波形图；(b)为微电网侧电压的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1，本发明所提供的一种柔性切换变流器包括主电路部分与控制电路部分。主电路包括并联的电力电子变流器与并网开关，电力电子变流器与并网开关的两端分别连接两个交流电力系统；当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行。

两个交流电力系统不限于图中所示的三相交流微电网与大电网，也可为两个相同电压等级的三相交流微电网，或两个相同电压等级的单相交流微电网。

参照图2中的(a)、(b)和(c)，主电路中电力电子变流器的拓扑结构可以分为串入式与级联式两种；而级联式中，又可以分为交流-直流-交流两级变换和交流-交流单级变换等。

一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法为：当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行。具体的步骤如下：

1)在交流微电网，各台分布式电源与公共连接点之间的传输线等效阻抗呈感性，在逆变器输出电压E∠φ和公共连接点电压U_L∠0之间传输的有功功率P和无功功率Q定义如下式：

其中，E和U_L分别是逆变器输出电压和公共连接点电压幅值，φ是电源与公共连接点之间的相位差，Z是传输线的等效阻抗值。

在这种情况下，交流微电网中至少有一部分的分布式电源为采用下垂控制方式控制的电压源，具体下垂控制的控制式如下：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P₀)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q₀)；

其中，ω^*和E^*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率，P₀和Q₀分别是在频率ω₀和电压E₀下逆变器输出的有功功率和无功功率，由逆变器根据分布式电源自身发电状态决定，k_p和k_q定义为正，分别是频率和电压的下垂控制线的斜率。

2)当如步骤1)中所述的通过电力电子变流器异步联网实现交流微电网与大电网之间的功率传输时，两侧电网的电压不同步，故柔性切换变流器启动时工作于异步联网模式。此时，变流器对从微电网到大电网传输的功率进行统一调控，其有功功率控制指令和无功功率控制指令来自于上层的调度指令。

3)在长时间联网运行时，为了降低损耗，需要切换为通过并网开关直接联网模式。而在这一过程中，则需要进行软切换控制。考虑到步骤1)中采用下垂控制的逆变器的输出功率与输出电压存在相关性，当切换为通过并网开关直接联网时，可以通过控制从微电网到大电网的功率流动，来控制各逆变器的输出功率，从而间接地控制微电网侧的电压，以完成软切换。

具体地，控制电路首先根据对主电路两端电压的检测获得三相电压瞬时值，再通过锁相环节获取其基波分量的幅值和相位，最后，依照下式来给定有功功率和无功功率控制指令：

P^*＝G_p(s)·(θ_mg-θ_g)；

Q^*＝G_q(s)·(U_mg-U_g)；

其中，P^*和Q^*分别是通过变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令，G_p(s)和G_q(s)分别是有功功率和无功功率的控制器传递函数，θ_mg和θ_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量相角，U_mg和U_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量幅值。在此，控制器选取为传统的比例-积分控制器。

4)控制电路根据步骤2)或步骤3)中电力电子变流器获得的有功功率和无功功率控制指令，结合由电压和电流计算得出的实际输出功率，通过功率跟踪控制，得到电压参考值或电流参考值，使得变流器的功率流动跟随功率参考值。其具体控制方法种类较多，且图2中所示的各拓扑结构对应的控制方法也有所不同。

如对于级联式变流器，可以通过控制微电网侧的端口电压来间接控制所吸收的功率，则微电网侧的电压参考值为：

其中，

和/>

分别是微电网侧电压的参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_up(s)和H_uq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数，P和Q分别是切换变流器从微电网实际吸收的有功功率和无功功率。在此，控制器可选取为传统的比例-积分控制器。

再如对于串入式变流器，可以直接控制输出电流来控制从微电网吸收的功率，则流经变流器的电流参考值为：

其中，

和/>

分别是电流参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_ip(s)和H_iq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数。在此，控制器可选取为传统的比例-积分控制器。

5)控制电路根据步骤4)中获得的电压参考值

和/>

或电流参考值/>

和/>

结合实际的电压或电流，采用传统的电压或电流闭环控制产生调制波，再通过脉冲宽度调制过程产生驱动信号。最后，电力电子变流器中每个开关器件的驱动电路根据驱动信号，来控制开关器件的开通或关断。

6)重复步骤3)、4)与5)，可以使得两端电压的幅值、频率和相位逐渐趋于同步。当两端电压的幅值差、频率差和相位差同时小于各自的阈值之后，可以判定两侧电压满足同步条件，此时控制并网开关闭合，再将变流器功率指令置零并断开电力电子变流器处的开关，即实现了从异步联网模式到通过并网开关直接联网模式的软切换。需要注意的是，虽然柔性切换变流器从异步联网到直接联网需要进行软切换控制，但是从直接联网到异步联网可以根据需求直接切换。

为了验证本发明的可行性，在PSCAD仿真软件中搭建了仿真模型，其中包含了由三台相同容量的逆变器并联所构成的三相交流微电网，如图2中(c)所示的级联式柔性切换变流器和大电网。图3-图6给出了采用本发明所描述的系统的仿真波形：图3中(a)和(b)分别为柔性切换变流器从微电网吸收的有功和无功功率的波形图；图4中(a)和(b)分别为微电网内各分布式电源输出的有功和无功功率的波形图；图5中(a)和(b)分别为微电网与大电网的电压相位差和幅值差的波形图；图6中(a)和(b)分别为并网开关闭合前后，通过并网开关的电流和微电网侧电压的仿真波形图。从仿真波形中可以看出：第9.5秒时，柔性切换变流器接收到指令，开始软切换过程，由于图5中反映的两端电压不同步，使得其开始从微电网吸收功率，从而各台逆变器输出功率发生变化；随着输出功率的变化，微电网侧的电压幅值和频率发生了变化，从而使得两侧电压逐渐靠近并保持同步；第21秒时完成两端电压的幅值、频率和相位同步，闭合并网开关，此时各台分布式电源输出功率和微电网侧电压不受任何影响，电流从流经变流器变为流经并网开关，没有任何冲击，实现了平滑的切换过程。

本发明不仅可以即时性地实现异步联网运行，保证一定的微电网和大电网之间的功率交换，并且能够在需要长时间联网运行的情况下，通过功率流控制平滑地切换为通过并网开关直接联网运行，以降低电力损耗。本发明中，工作的全程仅需要对柔性切换变流器进行控制，避免了直接对微电网内的各分布式电源进行实时控制，从而支持微电网实现全自治控制，为工程应用提供了很好的参考价值。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施实例相同或近似的思路，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器，其特征在于，包括主电路和控制电路，主电路包括并联的电力电子变流器与并网开关，电力电子变流器与并网开关的两端分别连接两个交流电力系统；当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行；具体步骤如下：

1)在与柔性切换变流器相连的交流微电网中，各台分布式电源与公共连接点之间的传输线等效阻抗呈感性，微电网中至少有一部分的分布式电源为采用下垂控制方式控制的电压源；

2)通过电力电子变流器异步联网实现交流微电网与大电网之间的功率传输时，电力电子变流器接受上层的有功功率控制指令和无功功率控制指令；

3)软切换为通过并网开关直接联网运行时，电力电子变流器根据两端电压的幅值和相位得到从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令；

4)控制电路根据步骤2)或3)中电力电子变流器获得的有功功率控制指令和无功功率控制指令，结合由电压和电流计算得到的实际输出功率，通过功率跟踪控制，得到电压参考值或电流参考值；

5)控制电路根据步骤4)中获得的电压参考值或电流参考值，结合实际的电压或电流，采用电压或电流闭环控制产生调制波，再通过脉冲宽度调制过程产生驱动信号，电力电子变流器中每个开关器件的驱动电路根据获得的驱动信号，控制开关器件的开通或关断；

6)重复步骤3)、4)与5)，使得两端电压的幅值、频率和相位逐渐趋于同步，当两端电压的幅值差、频率差和相位差同时小于各自的阈值之后，切换为通过并网开关联网。

2.根据权利要求1所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器，其特征在于，两个交流电力系统为三相交流微电网与大电网，或两个相同电压等级的三相交流微电网，或两个相同电压等级的单相交流微电网。

3.根据权利要求1所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器，其特征在于，电力电子变流器的拓扑结构为串入式或级联式。

4.根据权利要求3所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器，其特征在于，电力电子变流器的拓扑结构为级联式的拓扑结构时，级联式的拓扑结构为交流-直流-交流两级变换或交流-交流单级变换。

5.一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，其特征在于，当设置于两个交流电力系统之间的主电路两端电压的幅值或相位不相同时，通过电力电子变流器异步联网实现两个交流电力系统之间的功率传输；当需要提高电能传输效率时，通过控制功率传输调节电力电子变流器与并网开关的两端电压的幅值、频率和相位同步，软切换为通过并网开关直接联网运行；具体步骤如下：

1)在与柔性切换变流器相连的交流微电网中，各台分布式电源与公共连接点之间的传输线等效阻抗呈感性，微电网中至少有一部分的分布式电源为采用下垂控制方式控制的电压源；

2)通过电力电子变流器异步联网实现交流微电网与大电网之间的功率传输时，电力电子变流器接受上层的有功功率控制指令和无功功率控制指令；

3)软切换为通过并网开关直接联网运行时，电力电子变流器根据两端电压的幅值和相位得到从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令；

4)控制电路根据步骤2)或3)中电力电子变流器获得的有功功率控制指令和无功功率控制指令，结合由电压和电流计算得到的实际输出功率，通过功率跟踪控制，得到电压参考值或电流参考值；

5)控制电路根据步骤4)中获得的电压参考值或电流参考值，结合实际的电压或电流，采用电压或电流闭环控制产生调制波，再通过脉冲宽度调制过程产生驱动信号，电力电子变流器中每个开关器件的驱动电路根据获得的驱动信号，控制开关器件的开通或关断；

6)重复步骤3)、4)与5)，使得两端电压的幅值、频率和相位逐渐趋于同步，当两端电压的幅值差、频率差和相位差同时小于各自的阈值之后，切换为通过并网开关联网。

6.根据权利要求5所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，其特征在于，步骤1)中，电压源采用下垂控制方式控制时，下垂控制的控制式如下：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P₀)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q₀)；

其中，ω^*和E^*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率，P₀和Q₀分别是在频率ω₀和电压E₀下逆变器输出的有功功率和无功功率，k_p和k_q是频率和电压的下垂控制线的斜率。

7.根据权利要求5所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，其特征在于，步骤3)中，从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令如下：

P^*＝G_p(s)·(θ_mg-θ_g)；

Q^*＝G_q(s)·(U_mg-U_g)；

其中，P^*和Q^*分别是通过变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令，G_p(s)和G_q(s)分别是有功功率和无功功率的控制器传递函数，θ_mg和θ_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量相角，U_mg和U_g分别是微电网侧与大电网侧的电压基波分量幅值。

8.根据权利要求5所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，其特征在于，步骤4)中，若电力电子变流器为级联式变流器，电压参考值为：

其中，

和/>

分别是微电网侧电压的参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_up(s)和H_uq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数，P和Q分别是切换变流器从微电网实际吸收的有功功率和无功功率，P^*和Q^*分别是通过变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令。

9.根据权利要求5所述的一种支持微电网全自治控制的柔性切换变流器的控制方法，其特征在于，步骤4)中，若电力电子变流器为串入式变流器，电流参考值为：

/>

其中，

和/>

分别是电流参考值在同步旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，H_ip(s)和H_iq(s)分别是有功功率和无功功率跟踪控制器的传递函数，P和Q分别是切换变流器从微电网实际吸收的有功功率和无功功率，P^*和Q^*分别是通过变流器从微电网吸收的有功功率和无功功率控制指令。/>

Images