CN113824162B - 一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，包括系统在正常情况下交流变换器运行于电压控制模式；系统出现交流故障后，交流变换器切换为准PR电流控制模式；中间连接变换器支撑交流母线的频率，帮助维持直流母线电压，且对自身进行限流；直流变换器自适应调整直流下垂系数，改变输出功率以辅助支撑交流母线的电压频率及维护直流母线的电压稳定；系统故障清除后，交流变换器改变准给定参考电流，进行反切换预同步控制，中间连接变换器的PI控制单元清零，直流变换器的下垂系数逐渐恢复，交流变换器再反切换为电压控制模式，系统恢复到正常情况下的控制状态。本发明所涉方法可以有效解决孤岛交直流混合微电网交流故障穿越问题。

Description

一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，尤其指一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法。

背景技术

众所周知，光伏、风机等绿色能源可以替代传统化石能源给微电网供电以减少全球碳排放。光伏、风机等绿色能源一般通过基于电力电子的接口变换器并入微电网，在海岛以及偏远山区等地，孤岛交直流混合微电网包含了分布式交流、直流微源以及负荷，兼容性大，可以最大化的促进绿色能源的吸收与消纳，对减少全球排碳具有重要作用，因此，采用光伏、风机等绿色能源供电是实现海岛以及偏远山区供电的重要途径。然而，在海岛以及偏远山区等地，由于环境恶劣，气候多变，孤岛交直流混合微电网的运行经常受到影响，系统故障频发，一方面，基于电力电子器件的变换器容易过流烧毁，另一方面，系统的电压频率容易突变，这将严重影响负荷供电以及相关地区的居民用电安全。因此，研究交直流混合微电网的故障穿越技术极为重要。

现有的故障穿越控制的研究主要集中在限流控制、电压支撑控制、有功无功控制等方面，这些研究主要存在以下几个问题：1)传统的针对变换器的故障穿越控制，只能保障自身的安全性，解决局部问题，功能单一，有时甚至牺牲了系统或者其他装备的性能，例如交流电压支撑型微源发生故障时模式切换会导致交流系统失去电压支撑，系统频率大幅偏移。2)传统的技术主要针对单个个体进行研究，忽略了个体之间的相互联系以及相互耦合影响，例如交流故障会影响中间连接变换器，并且经过其耦合影响到直流子微网母线电压，变换器的故障穿越控制之间缺乏协同性。3)在原有系统中增加辅助故障穿越装置，例如动态电压补偿器、静止无功补偿器、卸荷电路等，此种故障穿越控制方法虽然效果理想，但成本高，灵活性不足。因此传统的故障穿越控制方法无法很好的解决工况下的故障穿越问题，新的交直流混合微电网的协同故障穿越技术亟需突破。

发明内容

为了解决发生交流故障时交直流混合微电网还能维持装备安全以及系统稳态运行的问题，本发明提供了一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，正常情况下，孤岛交直流混合微电网系统的交流变换器和直流变换器运行于具备下垂特性的电压控制模式，且交流变换器与直流变换器分别与中间连接变换器一起支撑交流母线的电压频率与直流母线的电压；

步骤S2，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，交流变换器切换为准PR电流控制模式，以最大参考电流输出，中间连接变换器支撑交流母线的频率以及帮助维持直流母线的电压，且对自身进行限流控制，直流变换器根据交流母线电压跌落情况自适应调整直流下垂系数，从而改变输出功率以辅助支撑交流母线的电压频率以及维护直流母线的电压稳定；

步骤S3，当故障清除后，交流变换器调整准PR电流控制模式的参考电流，并进行反切换预同步控制，同时，中间连接变换器的电压外环的PI控制单元清零，防止故障清除以后交流母线的过电压，直流变换器的下垂系数随着交流电压的恢复逐渐恢复。

步骤S4，交流变换器反切换为电压控制模式，直流变换器的下垂系数恢复至原值，系统恢复到原来的控制状态，返回步骤S1。

进一步地，步骤S2中，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，交流变换器检测到的三相电流将大于其准PR电流控制模式的参考电流，交流变换器将启动开关从电压控制模式切换至准PR电流控制模式进行故障冲击电流抑制，以保护交流变换器。

再进一步地，步骤S2中，所述准PR电流控制模式的参考电流i_an、i_bn、i_cn分别为：

其中，I_acsm为准PR电流控制模式的参考电流幅值，ω为检测的锁相环锁定的相角频率，t表示时间，θ₀为给定的初相位，I_acsn为交流变换器的电流额定值；故障期间，I_acsm＝2I_acsn，此时，交流变换器以2I_acsn作为最大参考电流进行输出。

更进一步地，步骤S2中，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，中间连接变换器采用电压外环支撑交流母线的频率以及帮助维持直流母线的电压，以减小交流故障对交直流母线的影响，中间连接变换器采用电流内环限制输出电流，具体方法如下：

所述电压外环先根据下式(2)分别计算得到dq坐标系下的d轴电压参考信号和q轴电压参考信号/>再经过电压外环的PI控制器生成dq坐标系下输出给电流内环的d轴电流参考信号/>以及q轴电流参考信号/>

其中，e_dn中间连接变换器d轴额定电压幅值，E_n为中间连接变换器d轴额定相电压幅值，V_dcn为对直流母线电压的额定值，V_dc为对直流母线电压的实际检测值，arctan为反正切函数，M₁为交流电压的变化范围约束系数，M₂为直流电压变化感知系数，π为圆周率；

所述电流内环则根据下式(3)和(4)进行电流限制得到d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>再经过电流内环的PI控制器以后，生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制中间连接变换器电力电子开关器件；

其中，为实际计算的参考电流的幅值，I_lim为最大允许电流幅值。

如果实际计算的参考电流的幅值大于或等于其最大允许电流幅值，则d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>均按照如式(3)的比例缩小。

优选地，步骤S2中，直流变换器先根据交流母线电压跌落情况和直流变换器的实际输出功率计算当前时刻的直流下垂系数，所述直流下垂系数的计算公式如下式(5)和(6)，再根据如下公式(7)和(8)对直流下垂系数进行限幅，接着根据如下式(9)计算直流变换器的实际输出电压，并生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制直流变换器电力电子开关器件；

R_dc2∈A∩B (8)

V_o＝V_omax+R_dc2P_dcs (9)

其中，R_dc1是调整前的直流下垂系数，V_omin是直流变换器的最小允许端电压，V_omax是直流变换器的最大允许端电压，P_{dcs_max}是直流变换器的最大允许输出功率，R_dc2是调整后的直流下垂系数，ΔU_PCC是故障期间交流母线电压幅值变化量，k_T是对ΔU_PCC的敏感系数，Z_bic为中间连接变换器至交流母线的等效阻抗，P_dcs是直流变换器的实际输出功率，E_n为中间连接变换器额定幅值，K_P比例系数，V_dcn为直流母线额定值，V_dc为直流母线电压实际值，A集合表示限幅1单元，B集合表示限幅2单元，P_dcsn是直流变换器的额定运行功率，P_bicn是中间连接变换器的额定运行功率，V_o是直流变换器的实际输出电压。

更优选地，步骤S3中，故障清除后，准PR电流控制模式根据如下公式(10)来改变参考电流幅值I_acsm，从而调整参考电流i_an、i_bn、i_cn：

其中，τ为感应系数，s为拉普拉斯算子，k_i为参考电流下垂系数，U_acn为交流微源的额定电压幅值，U_pcc为交流母线实际检测的电压幅值。

相比于传统技术，本发明提供的孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法可以使孤岛交直流混合微电网在发生交流故障时，保证各变换器装备的安全，维持交流与直流母线电压的稳定。该控制方法的核心是对交流变换器、直流变换器、中间连接变换器进行独立控制设计，使得交流变换器可基于故障进行模式切换，直流变换器则可依据交流故障深度调节自身出力的自适应，另外，中间连接变换器具备暂态频率支撑以及限流功能；再者，对三个变换器进行交流故障协同穿越控制设计，利用变换器之间的相互配合，协同控制解决单点的故障问题，缓解了只依靠交流变换器或者中间变流器解决问题面临的局部压力，使得系统的响应迅速，更为安全可靠，更能发挥交直流混合微电网的优势。综合而言，本发明提供的孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法可在不影响交直流混合微电网稳态运行的情况下，减小局部故障等大扰动运行状态给混合微电网带来的影响，从控制上解决交流故障穿越问题，此方法成本低，工程实践性好。

附图说明

图1为本发明所涉孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法的流程图；

图2为本发明实施例所涉孤岛交直流混合微电网拓扑结构图；

图3为本发明实施例所涉交流变换器的控制原理框图；

图4为本发明实施例所涉交流变换器的准PR电流控制模式的控制原理框图；

图5为本发明实施例所涉中间连接变换器的控制原理框图；

图6为本发明实施例所涉直流变换器的控制原理框图；

图7为本发明实施例所涉直流微源接口变换器的下垂特性响应原理图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

在阐述本发明之前，先对孤岛交直流混合微电网做简单介绍，图2所示为孤岛交直流混合微电网拓扑结构图，图中DG_acs1-i为交流变换器，DG_dcs1-i为直流变换器，BIC(bidirectional interlinking converter)为中间连接变换器。光伏、风机等绿色能源一般通过基于电力电子的交直流变换器并入微电网，中间连接变换器则与交直流变换器一起支撑交流母线的电压频率与直流母线的电压。

如图1所示，一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，包括四大步骤，下面分别详细叙述每个步骤。

步骤S1，在正常情况下，系统稳定运行

孤岛交直流混合微电网系统的交流变换器和直流变换器运行于具备下垂特性的电压控制模式，且交流变换器与直流变换器分别与中间连接变换器一起支撑交流母线的电压频率与直流母线的电压。

步骤S2，系统发生交流故障时

交流变换器：如图1、3和4所示，交流变换器中a、b、c每相都采用一个单独的准PR控制器，当交流变换器实际检测三相电流i_acs(即i_a、i_b、i_c)大于或等于其准PR电流控制模式的参考电流i_an、i_bn、i_cn时，即表示系统发生了交流故障(参照公式(1)和(2)可知，即i_acs≥2I_acsn时，表示系统发生了交流故障)，此时，如图3所示，交流变换器将立即启动开关S_T从位置1切换至位置2，也即交流变换器从电压控制模式切换至准PR电流控制模式，以最大参考电流输出，进行故障冲击电流抑制，以保护交流变换器。

其中，I_acsm为准PR电流控制模式的参考电流幅值，ω为检测的锁相环锁定的相角频率，t表示时间，θ₀为给定的初相位，I_acsn为交流变换器的电流额定值；故障期间，I_acsm＝2I_acsn，此时，交流变换器以2I_acsn作为最大参考电流进行输出。

中间连接变换器：当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，中间连接变换器采用电压外环支撑交流母线的频率以及帮助维持直流母线的电压，以减小交流故障对交直流母线的影响，中间连接变换器采用电流内环限制输出电流，具体方法如下：

如图5所示，电压外环先根据下式(2)分别计算得到dq坐标系下的d轴电压参考信号和q轴电压参考信号/>再经过电压外环的PI控制器生成dq坐标系下输出给电流内环的d轴电流参考信号/>以及q轴电流参考信号/>

其中，e_dn中间连接变换器d轴额定电压幅值，E_n为中间连接变换器d轴额定相电压幅值，V_dcn为对直流母线电压的额定值，V_dc为对直流母线电压的实际检测值，arctan为反正切函数，M₁为交流电压的变化范围约束系数，M₂为直流电压变化感知系数，π为圆周率。

d轴的设计通过引入交流电压以及直流电压信息，同时建立了交流和直流子微网有功功率的交互联系，可以实现兼顾交流频率固定，以及确保直流电压在允许范围内的前提下进行两侧的有功友好互动。

同时，为了避免由于d轴设计中对直流母线电压问题的维持，导致中间连接变换器端电压降低，引起中间连接变换器与交流变换器之间的环流问题，q轴的设计如式(3)。这样可以尽量减少稳态下，交流变换器与中间连接变换器之间的无功交互，有利于稳态工况下交流微电网独立完成无功功率控制，更好的促进交直流之间的有功交互，提高能量利用效率。

电流内环则根据下式(3)和(4)进行电流限制得到d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>再经过电流内环的PI控制器以后，生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制中间连接变换器电力电子开关器件；

其中，为实际计算的参考电流的幅值，I_lim为最大允许电流幅值。

如果实际计算的参考电流的幅值大于或等于其最大允许电流幅值，则d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>均按照如式(3)的比例缩小。如此可以达到限流的同时，完成外环控制目标。由于电压外环是根据系统的实际故障情况提供电压支撑信号，在该限幅下，中间连接变换器可以保障其在不超过最大电流的前提下，根据交流侧故障时对有功无功的需求自行分配暂态情况下交直流之间的有功无功交互情况。该方法简单可行，同时，不影响稳态的控制目标。

直流变换器：交流故障期间，在系统模式切换的工况下，中间连接变换器的耦合将导致直流母线电压面临低压或者过压的危险，虽然如前面所述，经过中间连接变换器的控制可以维持直流母线电压的波动范围，但直流变换器自身也需要具备较强的抗干扰能力。

如图1和6所示，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，交流母线实际检测的电压幅值U_pcc将超过交流母线电压上限值U_pccmax或交流母线电压下限值U_pccmin，此时，直流变换器先根据交流母线电压跌落情况和直流变换器的实际输出功率计算当前时刻的直流下垂系数，直流下垂系数的计算公式如下式(5)和(6)。

其中，R_dc1是调整前的直流下垂系数，V_omin是直流变换器的最小允许端电压，V_omax是直流变换器的最大允许端电压，P_{dcs_max}是直流变换器的最大允许输出功率，R_dc2是调整后的直流下垂系数，ΔU_PCC是故障期间交流母线电压幅值变化量，k_T是对ΔU_PCC的敏感系数，Z_bic为中间连接变换器至交流母线的等效阻抗，P_dcs是直流变换器的实际输出功率，E_n为中间连接变换器额定幅值，K_P比例系数，V_dcn为直流母线额定值，V_dc为直流母线电压实际值。

为了增加系统的安全性，直流变换器再根据如下公式(7)和(8)对直流下垂系数进行限幅，取限幅1单元与限幅2单元两个单元的合集进一步对R_dc2进行约束，其中限幅1单元是为了防止直流微源自身过流，限幅2单元是为了防止中间变流器达到限幅下，直流母线过压。这是因为虽然直流变换器可以通过改变下垂系数输出更多的功率，但是由于中间变换器输出能量有限，会导致能量剩余。

R_dc2∈A∩B (8)

其中，A集合表示限幅1单元，B集合表示限幅2单元，P_dcsn是直流变换器的额定运行功率，P_bicn是中间连接变换器的额定运行功率。

最后，直流变换器根据如下式(9)计算直流变换器的实际输出电压V_o，并生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制直流变换器电力电子开关器件。

V_o＝V_omax+R_dc2P_dcs (9)

需要提出说明的是，本发明中直流变换器的原理是根据交流母线电压跌落的情况改变自身的下垂系数，如图7所示，原下垂系数下的下垂特性为直线l₁，根据交流母线的实际情况，改变后的下垂曲线可以为直线l₂，或者l₃。稳态工况下直流变换器运行于工作点a1(vdc1，Pdcs1)，如果交流故障后系统的功率变化会导致直流变换器运行点变为a2，则改变直流变换器的下垂系数，使其下垂特性曲线变为l₂，此时，直流变换器的出力增加为Pdcs2，变为运行点b2(vdc1，Pdcs2)，而电压可以维持在vdc1。同理，如果交流故障后系统的功率变化会导致直流变换器运行点变为a3，则改变直流变换器的下垂系数，使其下垂特性曲线变为l₃，此时，直流变换器的出力减少为Pdcs3，变为运行点b2(vdc1，Pdcs3)，而电压可以维持在vdc1。

步骤S3，故障清除后，交流变换器反切前

故障清除后，交流变换器的准PR电流控制模式根据如下公式(11)来改变参考电流幅值I_acsm，从而调整参考电流i_an、i_bn、i_cn，以避免造成交流故障清除以后系统过电压，并进行反切换预同步控制，如图3所示，预同步控制模块发挥作用(再此之前，预同步控制模块不作用)同步交流变换器端口电压与交流母线电压，u_com为预同步控制模块生成的电压补偿信号。

其中，τ为感应系数，用来帮助参考值的平滑过渡，s为拉普拉斯算子，k_i为参考电流下垂系数，U_acn为交流变换器的额定电压幅值，U_pcc为交流母线实际检测的电压幅值。如图4所示，准PR控制器的传递函数G_PR(s)如式(11)所示。

式中，K_p为比例系数，ξ为阻尼系数，K_R为谐振系数，ω₀为基波角频率，s为拉普拉斯算子。

中间连接变换器的电压外环的PI控制单元清零，防止故障清除以后交流母线的过电压。

直流变换器的下垂系数随着交流电压的恢复逐渐恢复。

步骤S4，交流变换器反切换

经过一段时间以后，交流变换器的开关S_T切换至位置1，也即是交流变换器运行回电压控制模式，而直流变换器的下垂系数恢复至原值，系统恢复到原来的控制状态，返回步骤S1。

换句话而言，本发明中孤岛交直流混合微电网系统运行时包括四个阶段Period0、Period I、PeriodII、Period III，该四个阶段依次对应于前述步骤S1、S2、S3、S4，如下表1所示。

表1

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式现实，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (4)

1.一种孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，正常情况下，孤岛交直流混合微电网系统的交流变换器和直流变换器运行于具备下垂特性的电压控制模式，且交流变换器与直流变换器分别与中间连接变换器一起支撑交流母线的电压频率与直流母线的电压；

步骤S2，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，交流变换器切换为准PR电流控制模式，以最大参考电流输出，中间连接变换器支撑交流母线的频率，以及帮助维持直流母线的电压，且对自身进行限流控制，直流变换器根据交流母线电压跌落情况自适应调整直流下垂系数，从而改变输出功率以辅助支撑交流母线的电压频率以及维护直流母线的电压稳定；

其中，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，交流变换器检测到的三相电流将大于其准PR电流控制模式的参考电流，交流变换器将启动开关从电压控制模式切换至准PR电流控制模式进行故障冲击电流抑制，以保护交流变换器；所述准PR电流控制模式的参考电流i_an、i_bn、i_cn分别为：

其中，I_acsm为准PR电流控制模式的参考电流幅值，ω为检测的锁相环锁定的相角频率，t表示时间，θ₀为给定的初相位，I_acsn为交流变换器的电流额定值；故障期间，I_acsm＝2I_acsn，此时，交流变换器以2I_acsn作为最大参考电流进行输出；

步骤S3，当故障清除后，交流变换器调整准PR电流控制模式的参考电流，并进行反切换预同步控制，同时，中间连接变换器的电压外环的PI控制单元清零，防止故障清除以后交流母线的过电压，直流变换器的下垂系数随着交流电压的恢复逐渐恢复；

步骤S4，交流变换器反切换为电压控制模式，直流变换器的下垂系数恢复至原值，系统恢复到原来的控制状态，返回步骤S1。

2.根据权利要求1所述的孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，其特征在于：步骤S2中，当孤岛交直流混合微电网系统出现交流故障后，中间连接变换器采用电压外环支撑交流母线的电压频率以及直流母线的电压，以减小交流故障对交直流母线的影响，中间连接变换器采用电流内环限制输出电流，具体方法如下：

所述电压外环先根据下式(2)分别计算得到dq坐标系下的d轴电压参考信号和q轴电压参考信号/>再经过电压外环的PI控制器生成dq坐标系下输出给电流内环的d轴电流参考信号/>以及q轴电流参考信号/>

其中，e_dn中间连接变换器d轴额定电压幅值，E_n为中间连接变换器d轴额定相电压幅值，V_dcn为对直流母线电压的额定值，V_dc为对直流母线电压的实际检测值，arctan为反正切函数，M₁为交流电压的变化范围约束系数，M₂为直流电压变化感知系数，π为圆周率；

所述电流内环则根据下式(3)和(4)进行电流限制得到d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>再经过电流内环的PI控制器以后，生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制中间连接变换器电力电子开关器件；

其中，为实际计算的参考电流的幅值，I_lim为最大允许电流幅值；

如果实际计算的参考电流的幅值大于或等于其最大允许电流幅值，则d轴电流参考信号和q轴电流参考信号/>均按照如式(3)的比例缩小。

3.根据权利要求2所述的孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，其特征在于：步骤S2中，直流变换器先根据交流母线电压跌落情况和直流变换器的实际输出功率计算当前时刻的直流下垂系数，所述直流下垂系数的计算公式如下式(5)和(6)，再根据如下公式(7)和(8)对直流下垂系数进行限幅，接着根据如下式(9)计算直流变换器的实际输出电压，并生成调制信号输出给PWM驱动模块，最后生成开关信号控制直流变换器电力电子开关器件；

R_dc2∈A∩B(8)

V_o＝V_omax+R_dc2P_dcs (9)

其中，R_dc1是调整前的直流下垂系数，V_omin是直流变换器的最小允许端电压，V_omax是直流变换器的最大允许端电压，P_{dcs_max}是直流变换器的最大允许输出功率，R_dc2是调整后的直流下垂系数，ΔU_PCC是故障期间交流母线电压幅值变化量，k_T是对ΔU_PCC的敏感系数，Z_bic为中间连接变换器至交流母线的等效阻抗，P_dcs是直流变换器的实际输出功率，E_n为中间连接变换器额定幅值，K_P比例系数，V_dcn为直流母线额定值，V_dc为直流母线电压实际值，A集合表示限幅1单元，B集合表示限幅2单元，P_dcsn是直流变换器的额定运行功率，P_bicn是中间连接变换器的额定运行功率，V_o是直流变换器的实际输出电压。

4.根据权利要求3所述的孤岛交直流混合微电网交流故障协同穿越控制方法，其特征在于：步骤S3中，故障清除后，准PR电流控制模式根据如下公式(10)来改变参考电流幅值I_acsm，从而调整参考电流i_an、i_bn、i_cn：

其中，τ为感应系数，s为拉普拉斯算子，k_i为参考电流下垂系数，U_acn为交流微源的额定电压幅值，U_pcc为交流母线实际检测的电压幅值。