CN116154878A - 基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法 - Google Patents

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滑勉
赵峰
梁晅
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Abstract

本发明涉及混合微电网领域，具体是基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法。本发明解决了传统的控制策略控制量非线性度高、额外的分布式电源或电源管理系统增加了硬件成本和软件设计成本、未考虑接口变换器提供无功功率上限的问题。该混合微电网接口变换器由三相全桥电路、交流侧滤波电感和直流稳压电容组成。该方法将双闭环控制中的电压控制量改为电压的平方，使有功功率控制线性化，提高了闭环系统的动态性能；接口变换器外环控制中通过改变调制系数m和调制系数r实现交直侧电能平衡控制；考虑混合微电网接口变换器提供的无功功率上限，使其应用场景更加明确。本发明线性化电能平衡控制方法具有良好的实用性。

Description

基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法
技术领域
本发明涉及交直流混合微电网领域，具体为基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法。
背景技术
随着传统不可再生能源消耗严重，环境问题和能源危机已成为全球性问题。分布式新能源越来越受到关注。新能源需要通过微电网接入电网，但由于目前大部分电网为交流型，而直流电网是未来微电网发展趋势，混合微电网结合了两者的优点，是目前微电网的主要存在形式。国际和国内学者针对交流或直流微电网的控制方法开展了大量研究，与交流微电网或直流微电网相比，混合微电网的功率控制由于交流和直流子网之间的相互作用变得更为复杂。混合微电网既可以在并网模式下运行，也可以在孤岛模式下运行，其控制系统应能够支持两种运行模式以及两种模式之间的转换。因此，为了新能源的高效利用，设计高性能的交直流混合微电网接口变换器控制策略协调两侧电网平衡尤为重要。
针对混合微电网接口变换器，传统的下垂控制方式控制量非线性度高，增加了控制的复杂程度；控制交、直流微电网间的能量平衡控制策略通常需增加额外的分布式电源或电源管理系统，增加了硬件成本和软件设计成本；混合微电网电能协调控制算法很少考虑接口变换器容量上限，使其应用场景不明确。
发明内容
本发明为了解决传统下垂控制闭环系统中控制量非线性程度高，控制系统设计复杂，未考虑变换器容量上限的技术问题，设计了基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法。
本发明是基于如下技术方案实现的：基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法，混合微电网主电路包括交流微电网、直流微电网以及连接交直流微电网的接口变换器，接口变换器包括三相全桥电路、交流侧滤波电感和直流稳压电容。
在混合微电网接口变换器内环控制中使用电压平方作为控制量，从而使控制线性化，具体如下：
在混合微电网接口变换器内环控制中，采用电压电流双闭环控制方法，电流回路比电压回路跟踪速度更快。与传统的电压闭环采用电压作为控制量相比，使用电压平方代替电压作为控制量，使有功功率控制线性化，同时提高了直流电压的稳定性。
外环控制包括有功功率控制和无功功率控制，在有功功率控制中，内环直流电压参考值由式(1)得出，式中，
Figure SMS_1
为内环直流电压参考值；ΔV为电压调制量/>
Figure SMS_2
，r为调制系数/>
Figure SMS_3
，r由式(2)所示有功功率-电压表达式以及式(4)P-V下垂方程计算得出，如式(5)所示；δV为电压调制量/>
Figure SMS_4
，m为调制系数/>
Figure SMS_5
，m由式(3)所示有功功率-频率表达式以及式(4)P-V下垂方程计算得出，如式(6)所示。当两侧电网的输出电能不等时，可以通过改变调制系数 r和m的值来平衡功率传输。/>
Figure SMS_6
(1)
Figure SMS_7
(2)
Figure SMS_8
Figure SMS_9
式中，k1为有功功率-电压调制系数，kp为有功功率-频率调制系数，Pdc为直流微电网有功功率，
Figure SMS_10
为直流微电网额定电压，Vdc为直流微电网电压实际值，fN为额定频率，f为频率实际值，k 2为下垂系数。
进一步的，当通过接口变换器向交流侧提供无功时，需考虑接口变换器容量，混合微电网接口变换器提供的无功功率最大值Qmax满足：
Figure SMS_11
(7)
式中，
Figure SMS_12
是接口变换器的额定视在功率，iq、uq分别是交流测电流交轴分量和电压交轴分量。
进一步的，内环控制和外环控制均通过DSP微处理器实现。
本发明所提供的上述基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：接口变换器外环控制中通过改变调制系数m和调制系数r 实现交直侧电能平衡控制；接口变换器内环控制回路中使用电压的平方作为控制量，使有功功率控制线性化，提高了闭环系统的动态性能；考虑混合微电网接口变换器提供的无功功率上限，使其应用场景更加明确。
附图说明
图1是本发明所涉及混合微电网的典型拓扑结构。
图2是本发明所涉及线性化电能平衡控制下的混合微电网接口变换器拓扑图。
图3是本发明所涉及基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制内环电压电流控制原理图。
图4是本发明所涉及基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制外环有功功率控制原理图。
图5是本发明所涉及基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制外环无功功率控制原理图。
图6是本发明所涉及离网运行模式下混合微电网接口变换器的运行模式。
图1中：混合微电网包括由接口变换器连接的交流微电网和直流微电网。交流微电网由交流分布式能源和交流负载组成，直流微电网由直流分布式能源、直流负载和储能系统组成。接口变换器负责交流和直流微电网之间的电力传输，并且通过在逆变或整流模式下切换以保持系统功率平衡。
图2中：混合微电网接口变换器由6个开关管、线路等效电阻R、滤波电感L、直流稳压电容C组成，交流侧连接交流微电网，直流测连接直流微电网。
图3中：
Figure SMS_13
为内环直流电压参考值，Vdc为直流微电网电压实际值，id、iq分别为变换器交流测电流直轴和交轴分量，ud、uq分别为变换器交流测电压的直轴和交轴的分量，ed、eq分别为交流微电网电压的直轴和交轴的分量，w为角速度，L为滤波电感，/>
Figure SMS_14
、/>
Figure SMS_15
为内环控制中电流直轴分量参考值和交轴分量参考值。
图4中：ΔV为电压调制量
Figure SMS_16
，r为调制系数/>
Figure SMS_17
，/>
Figure SMS_18
为直流微电网额定电压，fN为额定频率，f为频率实际值，δV为电压调制量/>
Figure SMS_19
，m为调制系数/>
Figure SMS_20
。
图5中：ΔQ为无功功率，n为无功下垂系数，Vac为交流电压实际值，
Figure SMS_21
为交流额定电压，Qmax为混合微电网接口变换器提供的无功功率最大值，Qref为无功功率参考值。
图6中：当混合微电网在电网离网状态下运行时，接口变换器可分为四种运行模式，如图6示，具体如下：模式1：当交流和直流微电网均为轻载时，接口变换器正常运行，无需功率流要求。接口变换器不采取任何行动。模式2：当交流微电网为重载，直流微电网为轻载时，电压调制量I小于电压调制量II。然后内环直流电压参考值小于直流微电网额定电压，能量从直流微电网传输到交流微电网。模式3：当直流微电网为重载，交流微电网为轻载时，电压调制量I大于电压调制量II。然后内环直流电压参考值大于直流微电网额定电压，能量从交流微电网向直流微电网传输。模式4：当交直流微电网都接重载时，接口变换器的能量控制不能满足负载要求，需通过储能系统辅助调控。
具体实施方式
本发明基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法，其所述方法具体展开如下：
控制方法包括内环线性化电压电流双闭环控制、外环电能平衡控制。
(1)内环线性化电压电流双闭环控制方案
电压电流双闭环控制系统为双输入双输出系统，且两个环路之间存在耦合，为简化控制，引入电流解耦环节。电流环经解耦后，通过id控制有功功率，通过iq控制无功功率。直流电压Vdc与交流侧电流交轴分量iq非线性度较严重，考虑功率平衡控制后，采用直流侧电压平方V2 dc作为控制量代替Vdc，线性度得以改善，提高了直流微电网电压的动态响应性能。
(2)外环电能平衡控制方案
外环控制包括有功功率控制和无功功率控制，在有功功率控制中，内环直流电压参考值由式(1)得出，式中，
Figure SMS_22
为内环直流电压参考值；ΔV为电压调制量/>
Figure SMS_23
，r为调制系数/>
Figure SMS_24
，r由式(2)所示有功功率-电压表达式以及式(4)P-V下垂方程计算得出，如式(5)所示；δV为电压调制量/>
Figure SMS_25
，m为调制系数/>
Figure SMS_26
，m由式(3)所示有功功率-频率表达式以及式(4)P-V下垂方程计算得出，如式(6)所示。当两侧电网的输出电能不等时，通过改变调制系数 r和m的值来平衡功率传输。/>
Figure SMS_27
(1)
Figure SMS_28
(2)
Figure SMS_29
Figure SMS_30
式中，k1为有功功率-电压调制系数，kp为有功功率-频率调制系数，Pdc为直流微电网有功功率，
Figure SMS_31
为直流微电网额定电压，Vdc为直流微电网电压实际值，fN为额定频率，f为频率实际值，k 2为下垂系数。
进一步的，当通过接口变换器向交流侧提供无功时，需考虑变换器容量，混合微电网接口变换器提供的无功功率最大值Qmax满足：
Figure SMS_32
(7)
式中，
Figure SMS_33
是变换器的额定视在功率，iq、uq分别是交流侧电流交轴分量和电压交轴分量。
当混合微电网在电网离网状态下运行时，接口变换器可分为四种运行模式，如图6示，具体如下：
模式1：当交流和直流微电网均为轻载时，接口变换器正常运行，无需功率流要求。接口变换器不采取任何行动。
模式2：当交流微电网为重载，直流微电网为轻载时，电压调制量I小于电压调制量II。然后内环直流电压参考值小于直流微电网额定电压，能量从直流微电网传输到交流微电网。
模式3：当直流微电网为重载，交流微电网为轻载时，电压调制量I大于电压调制量II。然后内环直流电压参考值大于直流微电网额定电压，能量从交流微电网向直流微电网传输。
模式4：当交直流微电网都接重载时，接口变换器的能量控制不能满足负载要求，需通过储能系统辅助调控。

Claims (2)

1.基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法，其特征在于：包括内环控制和外环控制，在内环控制中将传统电压电流双闭环控制中的电压控制量改为电压平方控制量，使有功功率控制线性化；在外环控制中通过改变调制系数m和r实现交直侧电能平衡控制，具体如下：
内环控制电压电流双闭环控制中，采用直流侧电压平方V2 dc作为控制量代替Vdc，线性度得以改善，Vdc为直流微电网电压实际值；
外环控制包括有功功率控制和无功功率控制，在有功功率控制中，内环直流电压参考值由式
Figure QLYQS_1
得出，式中，/>
Figure QLYQS_2
为内环直流电压参考值，ΔV为电压调制量/>
Figure QLYQS_3
，r为调制系数/>
Figure QLYQS_4
；δV为电压调制量/>
Figure QLYQS_5
，m为调制系数/>
Figure QLYQS_6
，当两侧电网的输出电能不等时，通过改变调制系数 r和m的值来平衡功率传输； />
Figure QLYQS_7
为直流微电网额定电压，fN为额定频率，f为频率实际值。
2.根据权利要求1所述的基于混合微电网接口变换器的线性化电能平衡控制方法，其特征在于：当通过接口变换器向交流侧提供无功时，考虑接口变换器容量，接口变换器提供的无功功率最大值Qmax满足：
Figure QLYQS_8
，式中，/>
Figure QLYQS_9
是接口变换器的额定视在功率，iq、uq分别是变换器交流侧电流交轴分量和电压交轴分量。/>
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