CN115347618B - 一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法，本发明的并网功率变换装置包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机，双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连，双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器，双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器，驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。本发明具有良好的惯性响应和阻尼特性，减少了电流谐波，且能隔离保护新能源电场不受电网故障的影响，提升新能源并网的频率和电压稳定性，实现电网稳定运行。

Description

一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及电网并网技术，具体涉及一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法。
背景技术
近年来，我国可再生能源发电规模飞速增长，构建以新能源的微电网为主体的新型电力系统是目前电力系统发现的必然趋势。目前采用新能源发电的微电网接入电网主要依靠电力电子变换器，电力电子变换器用于将采用新能源发电的微电网所发出的电能通过逆变为交流电后并入电网中。但是，随着新能源渗透率的不断提高，导致电力系统的全网惯量相对不足、全网的频率与电压特性也随之恶化的问题。因此，为了解决新能源高渗透率下的电网安全稳定问题，迫切需要构网型新能源技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法，本发明具有良好的惯性响应和阻尼特性，减少了电流谐波，且能隔离保护新能源电场不受电网故障的影响，提升新能源并网的频率和电压稳定性，实现电网稳定运行。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于微电网的并网功率变换装置，包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机，所述双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连，所述双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器，所述驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
可选地，所述被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和储能电站中的部分或全部。
此外，本发明还提供一种前述用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，包括：S101，将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连；S102，通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器的控制包括：计算DC/AC变流器的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，计算DC/AC变流器交流侧的d轴电流i cd 、d轴参考电流i cd ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到d轴控制电压v cd ref ；计算DC/AC变流器交流侧的q轴电流i cq 、预设的q轴参考电流i cq ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压v cq ref ；根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器中各个桥臂的开关状态。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器的控制包括：计算DC/AC变流器的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，然后通过预设的电压预测模型生成d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref ，并根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器中各个开关管的运行状态，且该电压预测模型的函数表达式为：
Figure 752387DEST_PATH_IMAGE001
上式中，R c 为双馈电机的控制绕组的电阻，i cd (k)和i cq (k)分别为DC/AC变流器交流侧在当前时刻k的d、q轴电流，中间变量σ=1-L m 2/(L p L c )，L c 为双馈电机的控制绕组的电感，T s 为采样周期，ω p (k)为双馈电机的功率绕组当前时刻k的电角速度，ω re (k)为双馈电机（2）当前时刻k的转子电角速度，L m 为双馈电机的励磁电感，v pq (k)为功率绕组当前时刻的q轴电压，L p 为双馈电机（2）的功率绕组的电感，i cq ref 为q轴参考电流。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括控制驱动电机的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差，使得当功率传递方向为微电网向电网传递时，微电网经DC/AC变流器输出电压的频率、双馈电机的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率；当功率传递方向为电网向微电网传递时，微电网经DC/AC变流器输出电压的频率、双馈电机的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率。
可选地，所述控制驱动电机的转子转速是指控制驱动电机的转子转速为目标转子转速；所述双馈电机为无刷双馈电机或者有刷双馈电机，且所述无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 902746DEST_PATH_IMAGE002
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p c 为控制绕组的极对数，p p 为功率绕组的极对数，p r =p p +p c 为无刷电机转子的极对数；所述有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 700938DEST_PATH_IMAGE003
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p=p r 为有刷双馈电机的极对数。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过转速控制器生成输出电压V A,1 *以实现对驱动电机的电压进行控制，且转速控制器生成输出电压V A,1 *包括：
S201，获取微电网经DC/AC变流器输出的频率f c 、电网侧的频率f p ；
S202，根据下式计算转速给定值n r ref ；
Figure 899838DEST_PATH_IMAGE004
上式中，p r 为双馈电机的极对数；
S203，计算双馈电机的转子转速n r 、转速给定值n r ref 之间的转速差值，并将该转速差值经过一个PI控制器得到输出电压V A,1 *。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过相位控制器生成输出电压V A,2 *以实现对驱动电机的电压进行控制，且相位控制器生成输出电压V A,2 *包括：
S301，获取双馈电机的控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc ；
S302，将控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc 分别经过一个锁相环PLL，得到控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p ；
S303，计算控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p 之间的相位差值，并将该相位差值与0相减经过一个PI调节器得到输出电压V A,2 *；
所述实现对驱动电机的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压V A,2 *与转速控制器得到的输出电压V A,1 *两者求和后作为驱动电机的驱动控制电压信号，或者将相位控制器得到的输出电压V A,2 *作为驱动电机的驱动控制电压信号。
可选地，步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过功率控制器生成输出电压V A,3 *以实现对驱动电机的功率进行控制，且功率控制器生成输出电压V A,3 *包括：
S401，获取双馈电机的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ；
S402，根据双馈电机的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ，分别计算双馈电机的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p ；
S403，计算双馈电机的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p 之间的功率差值，并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压V A,3 *；
所述实现对驱动电机的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压V A,3 *、相位控制器得到的输出电压V A,2 *、转速控制器得到输出电压V A,1 *三者求和后作为驱动电机的驱动控制电压信号，或者将功率控制器得到的输出电压V A,3 *作为驱动电机的驱动控制电压信号。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明的并网功率变换装置包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机，双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连，双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器，双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器，驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。本发明采用双馈电机作为功率变换器来实现微电网、电网之间的并网，可解决传统微电网的DC/AC变流器、变压器之间直接相连所存在的系统惯性及阻尼低的问题，能够实现有功功率传输以及减少谐波污染，且保留了双馈电机良好的电气隔离、提供惯量与阻尼特性的优点，能够起到隔离作用保护新能源电场不受电网故障的影响，提升了新能源并网的频率和电压稳定性，能够有效实现电网稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例一并网功率变换装置的结构示意图。
图2为本发明实施例一中被并网的微电网的拓扑结构示意图。
图3为本发明实施例一中无刷双馈电机的结构图。
图4为本发明实施例一中有刷双馈电机的结构图。
图5为本发明实施例一中双馈电机的等效电路图。
图6为本发明实施例一中双馈电机的等效电路变换图。
图7为本发明实施例一方法的基本流程示意图。
图8为本发明实施例一DC/AC变流器的控制原理图。
图9为本发明实施例一转速控制器的控制原理图
图10为本发明实施例一转速及相位控制器的控制原理图。
图11为本发明实施例一转速、相位及功率控制器的控制原理图。
图12为本发明实施例二DC/AC变流器的控制原理图。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例用于微电网的并网功率变换装置包括驱动电机1和用于作为功率变换器的双馈电机2，双馈电机2的控制绕组用于与被并网的微电网相连，双馈电机2的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器3，双馈电机2的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器4，驱动电机1与双馈电机2的转子同轴连接以用于驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
如图2所示，本实施例中被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和分布式储能电站。毫无疑问，本实施例用于微电网的并网功率变换装置并不依赖于被并网的微电网的具体构成，因此可以包括上述光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和分布式储能电站中的部分，此外还可以根据需要扩展更多的新能源发电站，比如生物能发电站，甚至还可以扩展包括火电站在内的传统能源发电站。
本实施例中，双馈电机2可根据要采用无刷双馈电机或者有刷双馈电机，无刷双馈电机控制绕组和有刷双馈电机转子绕组为控制绕组，无刷双馈电机功率绕组和有刷双馈电机定子绕组为功率绕组。如图3所示，无刷双馈电机的控制绕组和功率绕组均安装在定子上，且转子采用径向叠片磁障式转子；如图4所示，有刷双馈电机的控制绕组安装在转子上、功率绕组安装在定子上，且转子采用绕线式结构。驱动双馈电机2的转子使得控制绕组接入电流和电网电流的差频转动，实现双馈电机的功率绕组输出与电网同频的三相交流电。双馈电机2对电压大小的调节由控制绕组与功率绕组的匝数比确定，一般合理设置所述控制绕组匝数与所述功率绕组匝数比，使其具备一定的升压功能。但其仍然不具有实时改变电压大小的功能，因此双馈电机2的功率绕组仍需通过变压器4并入电网。
本实施例中，DC/AC变流器（逆变器）3用于将微电网输出的直流电转换成三相交流电，DC/AC变流器3具体采用三相桥式变流器。
本实施例用于微电网的并网功率变换装置的工作原理如下：微电网经DC/AC变流器3输出的功率输入双馈电机2的控制绕组，通过调节驱动电机1施加在双馈电机2的转子上的转矩，实现双馈电机2的功率绕组经变压器4并网。通过控制DC/AC变流器3输出的三相交流电频率和电网电流频率有一个差频，驱动电机1施加相应的转矩，调节双馈电机2的转子以差频的对应的转速旋转，此时将有功率通过双馈电机2进行传输，且能为双馈电机2提供一定的惯性响应和阻尼特性。当电网发生频率波动时，通过调节双馈电机2的转子转速，平衡控制绕组和功率绕组电流的频差，减小电网频率波动对新能源发电微电网的影响。同理，当微电网的有功出力变化引起量DC/AC变流器3输出电流的频率波动时，也可通过实时调节转子转速，平衡控制绕组和功率绕组电流的频差，减小新能源发电微电网有功出力变化对电网的影响。
对于双馈电机2而言，采用有刷双馈功率电机或无刷双馈电机具有相同的数学模型，在dq坐标系下的数学模型表示如下：
Figure 86493DEST_PATH_IMAGE005
Figure 79857DEST_PATH_IMAGE006
Figure 365345DEST_PATH_IMAGE007
Figure 102357DEST_PATH_IMAGE008
Figure 953638DEST_PATH_IMAGE009
Figure 665373DEST_PATH_IMAGE010
Figure 906999DEST_PATH_IMAGE011
Figure 447701DEST_PATH_IMAGE012
Figure 91172DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 754235DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 483157DEST_PATH_IMAGE015
分别为控制绕组的dq轴电压，
Figure 342397DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 840374DEST_PATH_IMAGE017
分别为功率绕组的dq轴电压；
Figure 877601DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 828239DEST_PATH_IMAGE019
分别为控制绕组的dq轴电流，
Figure 241903DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 594387DEST_PATH_IMAGE021
分别为功率绕组的dq轴电流；
Figure 615564DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 53498DEST_PATH_IMAGE023
分别为控 制绕组的dq轴磁链，
Figure 5274DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 477843DEST_PATH_IMAGE025
分别为功率绕组的dq轴磁链；
Figure 856872DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 313261DEST_PATH_IMAGE027
分别为控制绕组和功率绕 组的电阻；
Figure 537569DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 190878DEST_PATH_IMAGE029
分别为控制绕组和功率绕组的电感；
Figure 475229DEST_PATH_IMAGE030
为励磁电感；
Figure 153335DEST_PATH_IMAGE031
为功率绕组的电角 速度，其等于电网侧的同步电角速度；
Figure 181334DEST_PATH_IMAGE032
为转子电角速度，
Figure 894075DEST_PATH_IMAGE033
为电磁转矩。
双馈电机2采用磁场定向控制时，式（9）可表示为：
Figure 83748DEST_PATH_IMAGE034
双馈电机2的运动表达式如下：
Figure 62199DEST_PATH_IMAGE035
Figure 628310DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 461137DEST_PATH_IMAGE037
为无刷双馈电机的角度，
Figure 821711DEST_PATH_IMAGE038
为转子机械角速度，
Figure 474409DEST_PATH_IMAGE039
为转动惯量，
Figure 624636DEST_PATH_IMAGE040
为驱动电机 1提供的转矩。
对于双馈电机2而言，采用有刷双馈电机或无刷双馈电机具有相同的等效电路图， 以T型等效电路图为例，分析功率的传递。图5所示为本实施例中双馈电机2的等效电路图， 其中
Figure 515232DEST_PATH_IMAGE041
为功率绕组的电压，
Figure 640183DEST_PATH_IMAGE042
为功率绕组的电流，
Figure 249019DEST_PATH_IMAGE043
为功率绕组的电阻；
Figure 688090DEST_PATH_IMAGE044
为功率绕组的电 感；
Figure 698772DEST_PATH_IMAGE045
为功率绕组的阻抗；
Figure 948619DEST_PATH_IMAGE031
为功率绕组的电角速度；
Figure 44751DEST_PATH_IMAGE030
为励磁电感，励磁电感
Figure 84251DEST_PATH_IMAGE030
的阻抗大小为
Figure 480597DEST_PATH_IMAGE046
；
Figure 619454DEST_PATH_IMAGE047
为控制绕组归算到功率绕组的电压，
Figure 720659DEST_PATH_IMAGE048
为控制绕组归算到功 率绕组的电流，
Figure 970375DEST_PATH_IMAGE049
为控制绕组归算到功率绕组的电感；
Figure 486807DEST_PATH_IMAGE050
为控制绕组归算到功率绕组的电 阻
Figure 796565DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 195185DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 248592DEST_PATH_IMAGE053
分别为控制绕组和功率绕组的频率；
Figure 370263DEST_PATH_IMAGE054
为功率绕组阻抗；
Figure 850923DEST_PATH_IMAGE055
为控制绕组归算到功率绕组的阻抗，则有：
Figure 408943DEST_PATH_IMAGE056
Figure 593937DEST_PATH_IMAGE057
等效电路的虚拟电压源和电阻分为下式的两部分：
Figure 288223DEST_PATH_IMAGE058
Figure 720211DEST_PATH_IMAGE059
上式中，
Figure 765527DEST_PATH_IMAGE060
与
Figure 426316DEST_PATH_IMAGE060
表示驱动电机1施加在双馈电机2的转子上的机 械功率。使用此方法，可将如图5所示等效电路重新绘制为图6中的等效电路。根据图6，可分 别导出功率绕组和控制绕组的有功功率和无功功率为：
Figure 975109DEST_PATH_IMAGE061
Figure 594309DEST_PATH_IMAGE062
Figure 939971DEST_PATH_IMAGE063
Figure 138871DEST_PATH_IMAGE064
Figure 73329DEST_PATH_IMAGE065
其中，
Figure 332272DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 352180DEST_PATH_IMAGE067
分别为功率绕组的有功功率和无功功率，
Figure 89192DEST_PATH_IMAGE068
表示取实部，
Figure 143736DEST_PATH_IMAGE069
为是功率绕 组电流的共轭复数，
Figure 573580DEST_PATH_IMAGE070
为驱动电机1提供的有功功率；
Figure 129720DEST_PATH_IMAGE071
为控制绕组的有功功率，
Figure 579473DEST_PATH_IMAGE073
为控制绕 组归算到功率绕组的电流共轭复数，
Figure 445798DEST_PATH_IMAGE071
和
Figure 174719DEST_PATH_IMAGE074
分别为控制绕组的有功功率和无功功率，
Figure 332162DEST_PATH_IMAGE075
表 示取虚部。因此，驱动电机1在稳态情况下的转矩
Figure 830140DEST_PATH_IMAGE040
为：
Figure 867366DEST_PATH_IMAGE076
上式中，
Figure 83583DEST_PATH_IMAGE077
为双馈电机转子的极对数。
由此可见，本实施例用于微电网的并网功率变换装置能够在微电网、电网之间实现功率传递，该功率包括有功功率和无功功率，而且该功率传递为双向传递，既可以将微电网的电能输出到电网，又可以将电网的电能输出到微电网（微电网中的抽水蓄能电站和分布式储能电站可实现能量吸收），从而不仅可以实现微电网的电能输出，还可以起到调节电网的功能，例如实现削峰填谷、减少电压波动、提升电网质量等。
如图7所示，本实施例用于微电网的并网功率变换装置的应用方法包括：
S101，将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连；
S102，通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
参见式（9）和式（10）可知，通过DC/AC变流器3控制双馈电机2的控制绕组的q轴电流能控制电磁转矩。为了在控制电磁转矩的同时达到稳定直流母线电压的目的，如图8所示，本实施例中步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器3的控制包括：计算DC/AC变流器3的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，计算DC/AC变流器3交流侧的d轴电流i cd 、d轴参考电流i cd ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到d轴控制电压v cd ref ；计算DC/AC变流器3交流侧的q轴电流i cq 、预设的q轴参考电流i cq ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压v cq ref ；根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器3中各个桥臂的开关状态。根据上述步骤，本实施例中通过采用双闭环控制，外环采用电压环获得控制绕组的q轴电流参考值，内环采用电流环，获得控制绕组的dq轴电压参考值，从而达到在控制电磁转矩的同时达到稳定直流母线电压的目的。
本实施例步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括控制驱动电机1的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差，使得当功率传递方向为微电网向电网传递时，微电网经DC/AC变流器3输出电压的频率、双馈电机2的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率；当功率传递方向为电网向微电网传递时，微电网经DC/AC变流器3输出电压的频率、双馈电机2的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率以实现微电网、电网并网，而该频率差则是控制功率传递方向的因素。
本实施例中，控制驱动电机1的转子转速是指控制驱动电机1的转子转速为目标转子转速；无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 231668DEST_PATH_IMAGE078
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器3输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p c 为控制绕组的极对数，p p 为功率绕组的极对数，p r =p p +p c 为无刷电机转子的极对数；有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 584152DEST_PATH_IMAGE079
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器3输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p=p r 为有刷双馈电机的极对数。通过控制驱动电机1的转子转速为上述目标转子转速，可平衡两侧电网（微电网和电网）的频率差以实现微电网、电网并网。
如图9所示，步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过转速控制器生成输出电压V A,1 *以实现对驱动电机1的电压进行控制，且转速控制器生成输出电压V A,1 *包括：
S201，获取微电网经DC/AC变流器3输出的频率f c 、电网侧的频率f p ；
S202，根据下式计算转速给定值n r ref ；
Figure 307126DEST_PATH_IMAGE080
上式中，p r 为双馈电机2的极对数；
S203，计算双馈电机2的转子转速n r 、转速给定值n r ref 之间的转速差值，并将该转速差值经过一个PI控制器得到输出电压V A,1 *以作为驱动电机1的驱动控制电压信号。当电网侧频率波动，或者微电网侧有功出力变化引起DC/AC变流器3输出电流频率发生变化时，可通过转速控制器输出的输出电压V A,1 *来调节驱动电机1的转子转速，进而实时调节双馈电机2的转子转速，平衡双馈电机2的控制绕组和功率绕组电流的频差，具有隔离作用，进而保护微电网不受电网故障的影响，同时也能保证微电网的有功出力变化不会引起电网侧的频率波动，提高了整个新能源并网的频率和电压稳定性。
如图10所示，步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过相位控制器生成输出电压V A,2 *以实现对驱动电机1的电压进行控制，且相位控制器生成输出电压V A,2 *包括：
S301，获取双馈电机2的控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc ；
S302，将控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc 分别经过一个锁相环PLL，得到控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p ；
S303，计算控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p 之间的相位差值，并将该相位差值与0相减经过一个PI调节器得到输出电压V A,2 *；
实现对驱动电机1的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压V A,2 *与转速控制器得到的输出电压V A,1 *两者求和后作为驱动电机1的驱动控制电压信号，通过输出电压V A,2 *可控制相位差为零满足微电网、电网的并网相位条件，缓冲并网时对电压的冲击。
需要说明的是，图10所示将输出电压V A,2 *与转速控制器得到的输出电压V A,1 *两者求和后作为驱动电机1的驱动控制电压信号，可同时起到转速控制器、相位控制器的双重效果。此外，也可以直接将相位控制器得到的输出电压V A,2 *作为驱动电机1的驱动控制电压信号，仅达到相位控制器的效果。
如图11所示，步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过功率控制器生成输出电压V A,3 *以实现对驱动电机1的功率进行控制，且功率控制器生成输出电压V A,3 *包括：
S401，获取双馈电机2的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ；
S402，根据双馈电机2的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ，分别计算双馈电机2的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p ；
S403，计算双馈电机2的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p 之间的功率差值，并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压V A,3 *；
实现对驱动电机1的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压V A,3 *、相位控制器得到的输出电压V A,2 *、转速控制器得到输出电压V A,1 *三者求和后作为驱动电机1的驱动控制电压信号。当控制绕组输入的功率发生改变时，通过功率控制器可使功率绕组输出的功率实时跟踪，从而以实现潮流控制。需要说明的是，图11所示将该输出电压V A,3 *、相位控制器得到的输出电压V A,2 *与转速控制器得到输出电压V A,1 *三者求和后以作为驱动电机1的驱动控制电压信号，可同时起到转速控制器、相位控制器、功率控制器的三重效果。此外，也可以直接将功率控制器得到的输出电压V A,3 *作为驱动电机1的驱动控制电压信号，仅达到功率控制器的效果。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别为：步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器3的控制策略不同。如图12所示，考虑电流环带宽的影响，导致系统的收敛速度慢等问题，本实施例通过采用预测控制器（电压预测模型）代替PI电流环，提高系统的动态响应性能。
根据式（1）～式（8），控制绕组的电压可以表示为：
Figure 745061DEST_PATH_IMAGE081
Figure 493574DEST_PATH_IMAGE082
本实施例中，将上述控制绕组的电压的函数表达式进行欧拉方程离散化后作为预测控制器（电压预测模型）以代替PI电流环、提高系统的动态响应性能。将上述控制绕组的电压的函数表达式进行欧拉方程离散化可得到：
Figure 966144DEST_PATH_IMAGE083
上式中，R c 为双馈电机2的控制绕组的电阻，i cd (k)和i cq (k)分别为DC/AC变流器3交流侧在当前时刻k的d、q轴电流，中间变量σ=1-L m 2/(L p L c )，L c 为双馈电机2的控制绕组的电感，T s 为采样周期，ω p (k)为双馈电机2的功率绕组当前时刻k的电角速度，ω re (k)为双馈电机2当前时刻k的转子电角速度，L m 为双馈电机2的励磁电感，v pq (k)为功率绕组当前时刻的q轴电压，L p 为双馈电机2的功率绕组的电感，i cq ref 为q轴参考电流。具体如图12所示，本实施例中针对DC/AC变流器3的控制包括：计算DC/AC变流器3的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，然后通过预设的电压预测模型生成d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref ，并根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器3中各个开关管的运行状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于微电网的并网功率变换装置，其特征在于，包括驱动电机（1）和用于作为功率变换器的双馈电机（2），所述双馈电机（2）的控制绕组用于与被并网的微电网相连，所述双馈电机（2）的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器（3），所述双馈电机（2）的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器（4），所述驱动电机（1）与双馈电机（2）的转子同轴连接以用于驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递；所述实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括控制驱动电机（1）的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差，使得当功率传递方向为微电网向电网传递时，微电网经DC/AC变流器（3）输出电压的频率、双馈电机（2）的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率；当功率传递方向为电网向微电网传递时，微电网经DC/AC变流器（3）输出电压的频率、双馈电机（2）的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率。
2.根据权利要求1所述的用于微电网的并网功率变换装置，其特征在于，所述被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和储能电站中的部分或全部。
3.一种权利要求1或2所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，包括：S101，将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连；S102，通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
4.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，步骤S102中通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器（3）的控制包括：计算DC/AC变流器（3）的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，计算DC/AC变流器（3）交流侧的d轴电流i cd 、d轴参考电流i cd ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到d轴控制电压v cd ref ；计算DC/AC变流器（3）交流侧的q轴电流i cq 、预设的q轴参考电流i cq ref 的电流差值，并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压v cq ref ；根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器（3）中各个桥臂的开关状态。
5.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，步骤S102中通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，对DC/AC变流器（3）的控制包括：计算DC/AC变流器（3）的直流侧电压U dc 和预设的直流侧参考电压U dc ref 的电压差值，并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流i cd ref ，然后通过预设的电压预测模型生成d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref ，并根据d轴控制电压v cd ref 、q轴控制电压v cq ref 生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器（3）中各个开关管的运行状态，且该电压预测模型的函数表达式为：
Figure 673458DEST_PATH_IMAGE001
上式中，R c 为双馈电机（2）的控制绕组的电阻，i cd (k)和i cq (k)分别为DC/AC变流器（3）交流侧在当前时刻k的d、q轴电流，中间变量σ=1-L m 2/(L p L c )，L c 为双馈电机（2）的控制绕组的电感，T s 为采样周期，ω p (k)为双馈电机（2）的功率绕组当前时刻k的电角速度，ω re (k)为双馈电机（2）当前时刻k的转子电角速度，L m 为双馈电机（2）的励磁电感，v pq (k)为功率绕组当前时刻的q轴电压，L p 为双馈电机（2）的功率绕组的电感，i cq ref 为q轴参考电流。
6.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，所述控制驱动电机（1）的转子转速是指控制驱动电机（1）的转子转速为目标转子转速；所述双馈电机（2）为无刷双馈电机或者有刷双馈电机，且所述无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 590599DEST_PATH_IMAGE002
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器（3）输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p c 为控制绕组的极对数，p p 为功率绕组的极对数，p r =p p +p c 为无刷电机转子的极对数；所述有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为：
Figure 635915DEST_PATH_IMAGE003
上式中，n r 为目标转子转速，Δf为微电网经DC/AC变流器（3）输出的频率、电网侧的频率之间的频率差，p=p r 为有刷双馈电机的极对数。
7.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，步骤S102中通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过转速控制器生成输出电压V A,1 *以实现对驱动电机（1）的电压进行控制，且转速控制器生成输出电压V A,1 *包括：
S201，获取微电网经DC/AC变流器（3）输出的频率f c 、电网侧的频率f p ；
S202，根据下式计算转速给定值n r ref ；
Figure 31124DEST_PATH_IMAGE004
上式中，p r 为双馈电机（2）的极对数；
S203，计算双馈电机（2）的转子转速n r 、转速给定值n r ref 之间的转速差值，并将该转速差值经过一个PI控制器得到输出电压V A,1 *。
8.根据权利要求7所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，步骤S102中通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过相位控制器生成输出电压V A,2 *以实现对驱动电机（1）的电压进行控制，且相位控制器生成输出电压V A,2 *包括：
S301，获取双馈电机（2）的控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc ；
S302，将控制绕组的三相电压v c,abc 和功率绕组三相电压v p,abc 分别经过一个锁相环PLL，得到控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p ；
S303，计算控制绕组相位θ c 和功率绕组的相位θ p 之间的相位差值，并将该相位差值与0相减经过一个PI调节器得到输出电压V A,2 *；
所述实现对驱动电机（1）的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压V A,2 *与转速控制器得到的输出电压V A,1 *两者求和后作为驱动电机（1）的驱动控制电压信号，或者将相位控制器得到的输出电压V A,2 *作为驱动电机（1）的驱动控制电压信号。
9.根据权利要求8所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法，其特征在于，步骤S102中通过驱动电机（1）驱动双馈电机（2）实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时，包括通过功率控制器生成输出电压V A,3 *以实现对驱动电机（1）的功率进行控制，且功率控制器生成输出电压V A,3 *包括：
S401，获取双馈电机（2）的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ；
S402，根据双馈电机（2）的控制绕组中的电流i c,abc 和电压v c,abc ，以及功率绕组中的电流i p,abc 和电压v p,abc ，分别计算双馈电机（2）的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p ；
S403，计算双馈电机（2）的控制绕组输入的有功功率P c 和功率绕组输出的有功功率P p 之间的功率差值，并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压V A,3 *；
所述实现对驱动电机（1）的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压V A,3 *、相位控制器得到的输出电压V A,2 *、转速控制器得到输出电压V A,1 *三者求和后作为驱动电机（1）的驱动控制电压信号，或者将功率控制器得到的输出电压V A,3 *作为驱动电机（1）的驱动控制电压信号。
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