CN115912519A - 基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，系统包括主网、固态变压器及交直流微电网，固态变压器为低压级、隔离级、中压级的三级式结构；控制方法由低压级、隔离级、中压级控制策略以及预同步控制策略组成；低压级关联了代表交直流微电网功率状态的低压交流频率与低压直流电压，无通讯地实现了交直流微电网之间的功率协调；隔离级与中压级使得中压级交流频率与低压直流电压建立联系，实现了可再生能源依据自身状态与中压交流母线交互功率；预同步控制策略使得各个模式无缝切换。本发明在无通讯与不切换控制策略的前提下，实现各个模式的稳定运行和无缝切换，提高了系统可靠性，提升了可再生能源消纳水平。

Description

基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法。

背景技术

大规模利用可再生能源发电是实现“碳中和、碳达峰”目标的必然选择之一，随着分布式可再生能源、分布式储能等元件大量接入电网，未来配电系统将发展为配电网与微电网相辅相成并互联多个电压等级的交直流混合配电系统。固态变压器具备多个电压等级的交直流端口，可用于构建交直流混合配电系统，减少电能变换环节，支撑分布式可再生能源的灵活接入。通过多个固态变压器互联，还可实现更大范围内电能的互济互助，充分消纳可再生能源。但可再生能源与负载具有很强的随机性，基于固态变压器的交直流混合配电系统网络结构复杂，具有多个工作模式，因此，如何经济可靠地实现基于固态变压器的交直流混合配电系统的功率协调以及各个模式间的无缝切换，是当前亟需解决的问题。

现有公开号为CN104852406B公开了一种“基于电力电子变压器的混合微网系统及功率控制方法”该方法针对基于电力电子变压器的混合微网系统设计了两种运行模式，并分别设计了控制策略，但这种控制方法没有考虑两种模式间的切换方法，不能实现模式间的无缝切换，降低了供电可靠性。此外，公开号为CN108258694B公开了一种“基于电力电子变压器的交直流微网协调控制方法”，该方法根据微电网中可再生能源与负载的相对大小和SOC的状态将微电网分为负载型和电源型，固态变压器根据微电网类型控制交直流微网功率流向与大小，但这种控制方法在运行中需要获取可再生能源与负载的功率，对通讯要求较高，增加了建设成本，并且系统对通讯的依赖同样不利于系统可靠运行。

综上所述，上述方案由于在运行中依赖通讯，或在不同运行模式下采用了不同的控制策略，因此建设成本高、系统可靠性低，不利于可再生能源的大规模消纳。为此，针对基于固态变压器的交直流混合配电系统设计了一种在运行中不依赖通讯且不需切换控制策略的功率协调控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法。本发明方法中，系统在不依赖于通讯和不改变控制策略的前提下实现各个模式的稳定运行和各个模式间的无缝切换，提高了系统供电可靠性进而提升了可再生能源消纳水平。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法：

基于固态变压器的交直流混合配电系统包括主网、若干个固态变压器以及多个交直流微电网，其中，固态变压器为三级式结构，分别为低压级、隔离级和中压级；固态变压器低压级构建了低压交直流母线并连接多个交直流微电网，固态变压器隔离级将低压级和中压级互联，各固态变压器中压级与主网相连，主网与固态变压器中压级连接处设置有断路器，依据各个断路器的通断状态，系统分为有源互联模式、无源互联模式和固态变压器孤岛模式三种工作模式；系统依据模式切换条件判断是否进行模式切换，若需要进行模式切换则按照预设模式切换步骤完成各模式间切换；

系统功率协调控制方法由中压级、隔离级、低压级的控制策略共同组成，低压级的控制目标为控制其交流输出电压，低压级交流输出电压的幅值和频率给定值分别由低压无功下垂控制策略与低压直流电压-交流频率控制策略得到；隔离级的控制目标为控制中压直流电压，中压直流电压给定值由低压直流-中压直流控制策略得到；中压级的控制目标为控制中压交流输出电压，中压交流输出电压的幅值和频率给定值分别由中压无功下垂控制策略与中压直流电压-交流频率控制策略得到；采用所述的系统功率协调控制方法，系统运行不依赖于通讯，三种工作模式间切换时无需切换控制策略，仅在切换至有源互联模式或无源互联模式时采用预同步控制策略。

进一步的，基于固态变压器的交直流混合配电系统包括主网、一号固态变压器、二号固态变压器、一号直流微电网、二号直流微电网、一号交流微电网、二号交流微电网；一号固态变压器中，一号低压级连接一号直流微电网和一号交流微电网，一号隔离级连接一号低压级和一号中压级，一号中压级经一号断路器、主网侧断路器与主网相连；二号固态变压器中，二号低压级连接二号直流微电网和二号交流微电网，二号隔离级连接二号低压级和二号中压级，二号中压级经二号断路器、主网侧断路器与主网相连；一号固态变压器和二号固态变压器并联连接。

进一步的，基于固态变压器的交直流混合配电系统有三种工作模式：当主网侧断路器、一号断路器和二号断路器均闭合时，系统处于有源互联模式；当主网侧断路器断开，一号断路器和二号断路器闭合时，系统处于无源互联模式；当主网侧断路器、一号断路器和二号断路器均断开时，系统处于固态变压器孤岛模式。

进一步的，系统在运行时，若满足模式切换条件，则需进行模式切换：当固态变压器及交直流微电网在故障维护或定期检修后，要启动时，系统应由停运模式切换至固态变压器孤岛模式；要重新并入主网运行时，系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式；系统处于有源互联模式时，若主网发生故障，系统由有源互联模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，当系统中可再生能源发电总功率和储能装置总功率不足以支持负荷功率时，系统由无源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；系统处于有源互联模式时，若固态变压器中压级或隔离级突发故障，系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；当固态变压器因自身故障检修完成需与系统重新并联时，若主网故障，但中压交流母线电压和频率已由系统中的其他固态变压器支撑，则系统由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，若主网在故障消除后电压恢复正常，系统由无源互联模式切换至有源互联模式。

进一步的，系统在进行模式切换时，按照预设模式切换步骤进行：系统由停运模式切换至固态变压器孤岛模式时，直流微电网中储能单元先启动建立直流母线电压，接着直流微电网中光伏单元启动，进一步提升直流母线电压；固态变压器低压级依据低压级控制策略建立低压级交流母线；然后交流微电网中储能单元与光伏单元接入至交流母线，系统进入固态变压器孤岛模式；系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式时，固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动，中压级依据中压级控制策略启动，获取主网电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式，主网侧断路器和固态变压器中压级断路器断开，固态变压器中压级、隔离级停止运行；系统由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式，固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动，中压级依据中压级控制策略启动，获取中压交流母线电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与中压交流母线电压相同，合断路器，系统进入无源互联模式；系统由无源互联模式切换至有源互联模式，各固态变压器中压级执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；系统由无源互联模式切换至有源互联模式，获取主网电压信息，各固态变压器中压级分别执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；断开主网侧断路器，系统由有源互联模式切换至无源互联模式。

进一步的，低压级的控制策略为：固态变压器低压级依据下式得到低压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至低压级，控制低压级交流电压跟随电压幅值和频率给定值；

式中，f_LA为低压交流频率；f_LAn为低压交流频率额定值；V_LD为低压直流电压；V_LDn为低压直流电压额定值；K_L为低压直流电压变化范围与低压交流频率变化范围的比值；V_LA为低压交流电压；V_LAn为低压交流电压额定值；K_LQ为低压无功下垂系数；Q_LA为低压级交流输出无功功率；Q_LAn为低压无功功率额定值。

通过低压级的控制将交流微电网的频率与直流微电网的直流电压建立关联，而交流微电网的频率和直流微电网的电压分别表示交直流微电网的功率状态。因此，低压级可无通讯同时感知交直流微电网的功率状态，当直流微电网功率盈余时，低压直流电压升高，低压级交流侧频率升高，与交流微电网的相位差增加，向交流微电网传输功率，反之，从交流微电网吸收功率，实现了交直流微电网的相互支撑。

进一步的，隔离级的控制策略为：固态变压器隔离级低压直流电压由微电网状态决定，隔离级依据下式得到隔离级中压直流电压给定值，输入至单移相控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至隔离级，控制隔离级中压直流电压跟随中压直流电压给定值；

V_MDref＝n(V_LD-V_LDn)+V_MDn

式中，V_MDref为中压直流电压给定值；V_MDn为中压直流电压额定值；n为隔离级变比。

通过隔离级的控制策略将隔离级中压直流电压与低压直流电压建立关联，而低压直流电压与可再生能源状态相关，因此中压直流电压也代表了可再生能源的状态。

进一步的，中压级的控制策略为：固态变压器中压级依据下式得到中压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至中压级，控制中压级交流电压跟随电压幅值和频率给定值；

式中，f_MA为中压交流频率；f_MAn为中压交流频率额定值；V_MD为中压直流电压；V_MDn为中压直流电压额定值；K_M为中压直流电压变化范围与中压交流频率变化范围的比值；V_MA为中压交流电压；V_MAn为中压交流电压额定值；K_MQ为中压无功下垂系数；Q_MA为中压级交流输出无功功率；Q_MAn为中压无功功率额定值。

通过中压级的控制将中压级交流电压频率与中压直流电压建立关联，因此中压交流频率也代表可再生能源的功率状态，当可再生能源功率增加时，低压直流电压增加，中压直流电压增加，中压级输出频率增加，与中压交流母线之间相角增加，向中压交流母线传输功率。反之，从中压交流母线吸收功率。实现了中压交流侧和低压直流侧的互济互助。同时，中压级具备自主建立电压和频率的能力，在切换至有源互联模式时无需切换控制策略。

进一步的，在系统切换至有源互联模式或无源互联模式时，固态变压器中压级通过预同步控制策略，将中压输出交流电压与中压交流母线电压的相位、幅值、频率保持一致，减小模式切换带来的冲击，所述预同步控制策略原理如下式所示：

式中，V_pre为幅值预同步的输出；RMS为有效值估计函数，V_MAref为中压交流母线电压；f_pre为频率预同步的输出；

和

分别为V_MA和V_MAref的相角，k_p和k_i分别为相位预同步模块中的PI控制器的比例和积分增益。

综上所述，本发明系统包括主网、若干个固态变压器以及多个交直流微电网，固态变压器为低压级、隔离级、中压级的三级式结构，低压级连接交直流微电网，隔离级将低压级与中压级互联，中压级连接主网或别的固态变压器。本发明方法由固态变压器低压级、隔离级、中压级控制策略以及预同步控制策略组成；低压级关联了代表交直流微电网功率状态的低压交流频率与低压直流电压，无通讯地实现了交直流微电网之间的功率协调；隔离级与中压级使得中压级交流电压频率与低压直流母线电压建立联系，实现了可再生能源依据自身状态与中压交流母线交互功率；预同步控制策略使得各个模式无缝切换。

与现有技术相比，本发明方法中的系统运行不依赖于通讯，在模式切换时无需切换控制策略，增加了系统运行可靠性，降低了建设成本，有利于可再生能源的大量消纳。

附图说明

图1为基于固态变压器的交直流混合配电系统的结构示意图。

图2为基于固态变压器的交直流混合配电系统处于有源互联模式示意图。

图3为基于固态变压器的交直流混合配电系统处于无源互联模式示意图。

图4为基于固态变压器的交直流混合配电系统处于固态变压器孤岛模式示意图。

图5为基于固态变压器的交直流混合配电系统各模式切换条件示意图。

图6为基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法流程示意图。

图7为基于固态变压器的交直流混合配电系统由停机模式切换至固态变压器孤岛模式实验波形图。

图8为隔离级中压级启动实验波形图。

图9为基于固态变压器的交直流混合配电系统切换至有源互联模式实验波形图。

图10为基于固态变压器的交直流混合配电系统切换至无源互联模式实验波形图

图中：1-主网、2-一号固态变压器、3-二号固态变压器；10-主网侧断路器；20-一号断路器、21-一号中压级、22-一号隔离级、23-一号低压级、24-一号直流微电网、25-一号交流微电网；30-二号断路器、31-二号中压级、32-二号隔离级、33-二号低压级、34-二号直流微电网、35-二号交流微电网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例提供了一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其中，所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统包括主网、若干个固态变压器以及多个交直流微电网，其中，固态变压器为三级式结构，分别为低压级、隔离级和中压级；固态变压器低压级构建了低压交直流母线并连接多个交直流微电网，固态变压器隔离级将低压级和中压级互联，各固态变压器中压级与主网相连，主网与固态变压器中压级连接处设置有断路器，依据各个断路器的通断状态，系统分为有源互联模式、无源互联模式和固态变压器孤岛模式三种工作模式；系统依据模式切换条件判断是否进行模式切换，若需要进行模式切换则按照预设模式切换步骤完成各模式间切换。所述的系统功率协调控制方法由中压级、隔离级、低压级的控制策略共同组成，低压级的控制目标为控制其交流输出电压，低压级交流输出电压的幅值和频率给定值分别由低压无功下垂控制策略与低压直流电压-交流频率控制策略得到；隔离级的控制目标为控制中压直流电压，中压直流电压给定值由低压直流-中压直流控制策略得到；中压级的控制目标为控制中压交流输出电压，中压交流输出电压的幅值和频率给定值分别由中压无功下垂控制策略与中压直流电压-交流频率控制策略得到；采用所述的系统功率协调控制方法，系统运行不依赖于通讯，三种工作模式间切换时无需切换控制策略，仅在切换至有源互联模式或无源互联模式时采用预同步控制策略。

本实施例中，基于固态变压器的交直流混合配电系统以两个固态变压器为例，如图1所示，其包括主网1、一号固态变压器2、二号固态变压器3、一号直流微电网24、二号直流微电网34、一号交流微电网25、二号交流微电网35；在一号固态变压器2中，一号低压级23连接一号直流微电网24和一号交流微电网25,一号隔离级22连接一号低压级23和一号中压级21,一号中压级21经一号断路器20、主网侧断路器10与主网1相连；在二号固态变压器3中，二号低压级33连接二号直流微电网34和二号交流微电网35,二号隔离级32连接二号低压级33和二号中压级31,二号中压级31经二号断路器30、主网侧断路器10与主网1相连；一号固态变压器2与二号固态变压器3为并联关系。

所述的系统功率协调控制方法的流程如图6所示，具体包括如下步骤：

S1采集主网侧电压、固态变压器各级电压、频率信息，并将信息上传至固态变压器各级。

S2中央控制器依据各断路器状态判断系统工作模式；

S2-1若各固态变压器低压直流电压为零，系统处于停机模式；

S2-2若主网侧断路器10、一号断路器20和二号断路器30均闭合，系统处于有源互联模式，有源互联模式结构示意图如图2所示；

S2-3若主网侧断路器10断开，一号断路器20和二号断路器30闭合，系统处于无源互联状态，无源互联模式结构示意图如图3所示；

S2-4若主网侧断路器10、一号断路器20和二号断路器30均断开，系统处于固态变压器孤岛状态，固态变压器孤岛模式结构示意图如图4所示。

S3判断是否满足模式切换条件；

系统在运行时，若满足模式切换条件，则需进行模式切换：当固态变压器及交直流微电网在故障维护或定期检修后，要启动时，系统应由停运模式切换至固态变压器孤岛模式；要重新并入主网运行时，系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式；系统处于有源互联模式时，若主网发生故障，系统由有源互联模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，当系统中可再生能源发电总功率和储能装置总功率不足以支持负荷功率时，系统由无源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；系统处于有源互联模式时，若固态变压器中压级或隔离级突发故障，系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；当固态变压器因自身故障检修完成需与系统重新并联时，若主网故障，但中压交流母线电压和频率已由系统中的其他固态变压器支撑，则系统应由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，若主网在故障消除后电压恢复正常，系统由无源互联模式切换至有源互联模式；系统各模式切换条件示意图如图5所示。

S4若需进行模式切换，按照切换步骤进行；

S4-1系统由停运模式切换至固态变压器孤岛模式：直流微电网中储能单元先启动建立直流母线电压，接着直流微电网中光伏单元启动，进一步提升直流母线电压；低压级依据低压级控制策略建立低压级交流母线；然后交流微电网中储能单元与光伏单元接入至交流母线，系统进入固态变压器孤岛模式；

S4-2系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式:固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动；中压级依据中压级控制策略启动；获取主网电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；

S4-3系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式:主网侧和固态变压器中压级断路器断开，固态变压器中压级、隔离级停止运行；

S4-4系统由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式:固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动；中压级依据中压级控制策略启动；获取中压交流母线电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与中压交流母线电压相同，合断路器，系统进入无源互联模式；

S4-5系统由无源互联模式切换至有源互联模式：各固态变压器中压级执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器,系统进入有源互联模式；

S4-6系统由无源互联模式切换至有源互联模式:获取主网电压信息，各固态变压器中压级分别执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；

S4-7系统由有源互联模式切换至无源互联模式:主网侧断路器断开。

上述模式切换步骤中涉及的低压级、隔离级、中压级、预同步等控制策略具体如下：

固态变压器低压级控制策略：固态变压器低压级依据下式得到低压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至低压级，控制低压级交流电压跟随低压交流电压幅值和频率给定值；

式中，f_LA为低压交流频率；f_LAn为低压交流频率额定值；V_LD为低压直流电压；V_LDn为低压直流电压额定值；K_L为低压直流电压变化范围与低压交流频率变化范围的比值；V_LA为低压交流电压；V_LAn为低压交流电压额定值；K_LQ为低压无功下垂系数；Q_LA为低压级交流输出无功功率；Q_LAn为低压无功功率额定值。

固态变压器隔离级控制策略：固态变压器隔离级低压直流电压由微电网状态决定，固态变压器隔离级通过下式得到隔离级中压直流电压给定值，输入至单移相控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至隔离级，控制隔离级中压直流电压跟随中压直流电压给定值；

V_MDref＝n(V_LD-V_LDn)+V_MDn

式中，V_MDref为中压直流电压给定值；V_MDn为中压直流电压额定值；n为隔离级变比。

固态变压器中压级控制策略：固态变压器中压级由下式得到中压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至中压级，控制中压级交流电压跟随电压幅值和频率给定值；

式中，f_MA为中压交流频率；f_MAn为中压交流频率额定值；V_MD为中压直流电压；V_MDn为中压直流电压额定值；K_M为中压直流电压变化范围与中压交流频率变化范围的比值；V_MA为中压交流电压；V_MAn为中压交流电压额定值；K_MQ为中压无功下垂系数；Q_MA为中压级交流输出无功功率；Q_MAn为中压无功功率额定值。

预同步控制策略：在系统切换至有源互联模式或无源互联模式时，固态变压器中压级通过预同步控制策略，将中压输出交流电压与中压交流母线电压的相位、幅值、频率保持一致，减小模式切换带来的冲击，所述预同步控制策略原理如下式所示：

式中，V_pre为幅值预同步的输出；RMS为有效值估计函数，V_MAref为中压交流母线电压；f_pre为频率预同步的输出；

和

分别为V_MA和V_MAref的相角，k_p和k_i分别为相位预同步模块中的PI控制器的比例和积分增益。

图7为系统由停机模式切换至固态变压器孤岛模式实验波形图。图中，P_ds为直流微电网中储能单元的功率；P_dp为直流微电网中光伏单元的功率；P_as为交流微电网中储能单元的功率；P_ap为交流微电网中光伏单元的功率；P_dt为交直流微电网交互的功率，以直流微电网向交流微电网传递功率为正。从图中可知，0s时，系统处于停机模式，t₁、t₂时刻直流微电网中的光伏单元和储能单元相继启动并协同运行。t₃时启动固态变压器低压级，同时交流微电网中的光伏单元和储能单元开始工作，系统进入到固态变压器孤岛模式。由于交直流微电网中都没有负载，所以光伏单元发出的功率等于储能单元吸收的功率。并且，由于交直流微电网中光伏单元和储能单元的配置相同，所以交直流微电网之间没有功率交互，即P_dt为零。

图8为隔离级中压级启动实验波形图。图中，P_dse和P_ase分别为直流微电网和交流微电网中光伏与储能功率之和。从图中可知，0s时只有固态变压器低压级工作。t₁时启动隔离级开关，交直流微电网通过隔离级为中压直流电容充电，由于电容较大，因此低压直流母线电压短时间下降然后恢复，中压母线电压上升至设定值。t₂时启动固态变压器中压级建立中压交流母线电压。

图9为系统切换至有源互联模式实验波形图。图中，P_g为流过主网侧断路器的有功功率，以流出主网方向为正；图中相位差为固态变压器中压级电压与主网电压之间的相位差。从图中可知，0s时系统工作在固态变压器孤岛模式，此时配电网正常，t₁时执行预同步指令调整中压输出交流电压，t₂时与配电网相位差稳定为零，固态变压器处的断路器S₁闭合完成并网操作，系统进入到有源互联模式。

图10为系统切换至无源互联模式实验波形图。图中，V_LD1为一号固态变压器的低压直流电压；f_MA1为一号固态变压器的中压交流频率；V_LD2为二号固态变压器的低压直流电压；f_MA2为二号固态变压器的中压交流频率；图中相位差为一号固态变压器中压交流电压与二号固态变压器中压交流电压之间的相位差。从图中可知，系统由固态变压器孤岛模式切换到无源互联模式需要与别的固态变压器进行协调运行。为了更清楚地表示其并联的过程，为二号固态变压器增加了一个直流负载使其低压直流电压和中压交流频率均低于一号固态变压器，因此一号固态变压器和二号固态变压器的中压交流电压在t₁之前存在相位差。t₁时启动预同步环节，t₂时相位差稳定为零，开关闭合，系统进入到无源互联模式。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：

基于固态变压器的交直流混合配电系统包括主网、若干个固态变压器以及多个交直流微电网，其中，固态变压器为三级式结构，分别为低压级、隔离级和中压级；固态变压器低压级构建了低压交直流母线并连接多个交直流微电网，固态变压器隔离级将低压级和中压级互联，各固态变压器中压级与主网相连，主网与固态变压器中压级连接处设置有断路器，依据各个断路器的通断状态，系统分为有源互联模式、无源互联模式和固态变压器孤岛模式三种工作模式；系统依据模式切换条件判断是否进行模式切换，若需要进行模式切换则按照预设模式切换步骤完成各模式间切换；

系统功率协调控制方法由中压级、隔离级、低压级的控制策略共同组成，低压级的控制目标为控制其交流输出电压，低压级交流输出电压的幅值和频率给定值分别由低压无功下垂控制策略与低压直流电压-交流频率控制策略得到；隔离级的控制目标为控制中压直流电压，中压直流电压给定值由低压直流-中压直流控制策略得到；中压级的控制目标为控制中压交流输出电压，中压交流输出电压的幅值和频率给定值分别由中压无功下垂控制策略与中压直流电压-交流频率控制策略得到；采用所述的系统功率协调控制方法，系统运行不依赖于通讯，三种工作模式间切换时无需切换控制策略，仅在切换至有源互联模式或无源互联模式时采用预同步控制策略。

2.根据权利要求1所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：基于固态变压器的交直流混合配电系统包括主网、一号固态变压器、二号固态变压器、一号直流微电网、二号直流微电网、一号交流微电网、二号交流微电网；一号固态变压器中，一号低压级连接一号直流微电网和一号交流微电网，一号隔离级连接一号低压级和一号中压级，一号中压级经一号断路器、主网侧断路器与主网相连；二号固态变压器中，二号低压级连接二号直流微电网和二号交流微电网，二号隔离级连接二号低压级和二号中压级，二号中压级经二号断路器、主网侧断路器与主网相连；一号固态变压器和二号固态变压器并联连接。

3.根据权利要求2所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：当主网侧断路器、一号断路器和二号断路器均闭合时，系统处于有源互联模式；当主网侧断路器断开，一号断路器和二号断路器闭合时，系统处于无源互联模式；当主网侧断路器、一号断路器和二号断路器均断开时，系统处于固态变压器孤岛模式。

4.根据权利要求1所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：系统在运行时，若满足模式切换条件，则需进行模式切换：当固态变压器及交直流微电网在故障维护或定期检修后，要启动时，系统应由停运模式切换至固态变压器孤岛模式；要重新并入主网运行时，系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式；系统处于有源互联模式时，若主网发生故障，系统由有源互联模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，当系统中可再生能源发电总功率和储能装置总功率不足以支持负荷功率时，系统由无源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；系统处于有源互联模式时，若固态变压器中压级或隔离级突发故障，系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式；当固态变压器因自身故障检修完成需与系统重新并联时，若主网故障，但中压交流母线电压和频率已由系统中的其他固态变压器支撑，则系统由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式；系统处于无源互联模式时，若主网在故障消除后电压恢复正常，系统由无源互联模式切换至有源互联模式。

5.根据权利要求4所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：系统在进行模式切换时，按照预设模式切换步骤进行：系统由停运模式切换至固态变压器孤岛模式时，直流微电网中储能单元先启动建立直流母线电压，接着直流微电网中光伏单元启动，进一步提升直流母线电压；固态变压器低压级依据低压级控制策略建立低压级交流母线；然后交流微电网中储能单元与光伏单元接入至交流母线，系统进入固态变压器孤岛模式；系统由固态变压器孤岛模式切换至有源互联模式时，固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动，中压级依据中压级控制策略启动，获取主网电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；系统由有源互联模式切换至固态变压器孤岛模式，主网侧断路器和固态变压器中压级断路器断开，固态变压器中压级、隔离级停止运行；系统由固态变压器孤岛模式切换至无源互联模式，固态变压器隔离级依据隔离级控制策略启动，中压级依据中压级控制策略启动，获取中压交流母线电压信息，固态变压器中压级执行预同步控制，将中压级交流电压调整至与中压交流母线电压相同，合断路器，系统进入无源互联模式；系统由无源互联模式切换至有源互联模式，各固态变压器中压级执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；系统由无源互联模式切换至有源互联模式，获取主网电压信息，各固态变压器中压级分别执行预同步控制，将各中压级交流电压调整至与主网电压相同，合断路器，系统进入有源互联模式；断开主网侧断路器，系统由有源互联模式切换至无源互联模式。

6.根据权利要求5所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：固态变压器低压级依据下式得到低压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至低压级，控制低压级交流电压跟随电压幅值和频率给定值；

式中，f_LA为低压交流频率；f_LAn为低压交流频率额定值；V_LD为低压直流电压；V_LDn为低压直流电压额定值；K_L为低压直流电压变化范围与低压交流频率变化范围的比值；V_LA为低压交流电压；V_LAn为低压交流电压额定值；K_LQ为低压无功下垂系数；Q_LA为低压级交流输出无功功率；Q_LAn为低压无功功率额定值。

7.根据权利要求5所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：固态变压器隔离级低压直流电压由微电网状态决定，隔离级依据下式得到隔离级中压直流电压给定值，输入至单移相控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至隔离级，控制隔离级中压直流电压跟随中压直流电压给定值；

V_MDref＝n(V_LD-V_LDn)+V_MDn

式中，V_MDref为中压直流电压给定值；V_MDn为中压直流电压额定值；n为隔离级变比。

8.根据权利要求5所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：固态变压器中压级依据下式得到中压级交流电压的幅值和频率给定值，输入至电压控制器及触发脉冲生成器，将触发脉冲信号输入至中压级，控制中压级交流电压跟随电压幅值和频率给定值；

式中，f_MA为中压交流频率；f_MAn为中压交流频率额定值；V_MD为中压直流电压；V_MDn为中压直流电压额定值；K_M为中压直流电压变化范围与中压交流频率变化范围的比值；V_MA为中压交流电压；V_MAn为中压交流电压额定值；K_MQ为中压无功下垂系数；Q_MA为中压级交流输出无功功率；Q_MAn为中压无功功率额定值。

9.根据权利要求5所述的基于固态变压器的交直流混合配电系统功率协调控制方法，其特征在于：在系统切换至有源互联模式或无源互联模式时，固态变压器中压级通过预同步控制策略，将中压输出交流电压与中压交流母线电压的相位、幅值、频率保持一致，减小模式切换带来的冲击，所述预同步控制策略原理如下式所示：

式中，V_pre为幅值预同步的输出；RMS为有效值估计函数，V_MAref为中压交流母线电压；f_pre为频率预同步的输出；

和

分别为V_MA和V_MAref的相角，k_p和k_i分别为相位预同步模块中的PI控制器的比例和积分增益。

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