CN116316912A - 基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法 - Google Patents

基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法 Download PDF

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CN116316912A CN202310340593.5A CN202310340593A CN116316912A CN 116316912 A CN116316912 A CN 116316912A CN 202310340593 A CN202310340593 A CN 202310340593A CN 116316912 A CN116316912 A CN 116316912A
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Abstract

本发明公开了基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，包括如下步骤：S1、对电网电压、负荷电压与电流以及负荷功率进行监测；S2、在电网电压波动以及自由度的作用下，计算变压器一次侧两端电压、电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率；S3、根据系统各部分额定容量限制，建立有功功率和无功功率的双自由度约束关系，计算有功功率和无功功率的双自由度约束范围；S4、将S3得到的有功功率和无功功率的双自由度约束范围载入至串并联变换器控制策略，进行闭环控制。本发明解决了现有控制技术中额定容量越限问题，可确保系统所传输功率在允许范围内运行，尤其在电网电压波动下电能路由器的安全运行。

Description

基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，尤其是基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法。
背景技术
随着经济的快速发展，人们的生活和工业对能源的依赖程度日益加深，而如今环境污染、资源短缺等问题日益严峻，难以满足当今社会对能源的需求。为了应对资源环境压力，推动能源结构调整，具备高低压交/直流多个端口的电能路由器(EERS)得到了进一步的发展。电能路由器可以通过多种电气接口将电网、分布式电源、储能系统和交直流负载集成到同一个系统中，实现了对能量的灵活控制以及对可再生能源的及时消纳。
目前针对低压配电网，电能路由器一般采用两级串联变换结构技术方案实现对能量的主动控制，如发明专利CN2021111511959、CN202111140974。上述发明专利中的控制系统虽均引入了自由度，实现了对能量的灵活控制，但该发明专利并未对自由度进行约束且并未考虑电网电压出现波动时的系统状态，使电能路由器在运行期间存在额定容量越限的风险，这是现有控制技术中的一个缺点。
为此本文以发明专利CN2021111511959和CN2021111409974中所公开的电路拓扑为基础，以自由度约束为改进措施，进一步发明公开了一种基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，从而克服了现有控制技术中额定容量越限的缺点，确保电能路由器运行于系统额定容量范围内，尤其促进了电能路由器在电网电压波动时的安全运行。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，通过对双自由度约束关系建立与范围计算，确定双自由度的工作范围，解决了现有控制技术中额定容量越限问题，可确保系统所传输功率在允许范围内运行，尤其在电网电压波动下电能路由器的安全运行。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、对电网电压、负荷电压与电流以及负荷功率进行监测；
步骤S2、在电网电压波动以及自由度的作用下，计算变压器一次侧两端电压、电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率；
步骤S3、根据电网端口额定容量、变压器一次侧所允许施加的最大电压、串联变换器额定容量、并联变换器额定容量的限制，建立有功功率和无功功率的双自由度约束关系，计算有功功率和无功功率的双自由度约束范围；
步骤S4、将步骤S3得到的有功功率和无功功率的双自由度约束范围载入至串并联变换器控制策略，进行闭环控制。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中变压器一次侧两端电压如下：
Figure BDA0004157999290000021
Figure BDA0004157999290000022
其中，UC为变压器一次侧两端电压，US为电网电压，UL为负荷电压，k为电网电压波动系数，δ为无功功率自由度。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率的具体公式如下：
PS＝kpPL，
Figure BDA0004157999290000031
Figure BDA0004157999290000032
其中，PS为电网传输的有功功率，PL为负荷有功功率，kp为有功功率自由度，PSC为串联变换器传输的有功功率，QSC为串联变换器传输的无功功率，PPC为并联变换器传输的有功功率，QPC为并联变换器传输的无功功率，
Figure BDA0004157999290000033
为负荷功率因数角。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中电网传输的有功功率PS受电网端口额定容量限制且其传输功率最大为负荷有功功率PL，以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000034
其中，
Figure BDA0004157999290000035
为电网端口额定容量，由上述可知/>
Figure BDA0004157999290000036
对kp的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000037
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中变压器一次侧两端电压小于其所允许施加的最大电压UCmax，以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000038
由上述可知UCmax对δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000041
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中串联变换器所传输的视在功率SSC被限值在100％
Figure BDA0004157999290000042
范围内,以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000043
其中，
Figure BDA0004157999290000044
为串联变换器额定容量，由上述可知/>
Figure BDA0004157999290000045
对kp和δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000046
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中并联变换器所传输的视在功率SPC被限值在100％
Figure BDA0004157999290000047
范围内，以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000048
其中，
Figure BDA0004157999290000049
为并联变换器额定容量，由上述可知/>
Figure BDA00041579992900000410
对kp和δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000051
其中，
Figure BDA0004157999290000052
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中有功功率和无功功率的双自由度约束范围表示为：
Figure BDA0004157999290000053
其中，
Figure BDA0004157999290000054
为电网端口额定容量；/>
Figure BDA0004157999290000055
为并联变换器额定容量；/>
Figure BDA0004157999290000056
为串联变换器额定容量。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4中串联变换器控制过程为：串联变换器闭环控制中负荷电流iLabc通过低通滤波器生成电网电流基波量iSdrefabc；直流母线稳压环生成直流母线电压误差调节信号
Figure BDA0004157999290000057
iSdrefabc与/>
Figure BDA0004157999290000058
进行叠加，再乘以变压器变比n以及自由度约束单元产生的kp得到电网电流参考值/>
Figure BDA0004157999290000059
对电网电流进行单闭环控制保证电网电流为三相平衡对称且无畸变的正弦波，以及直流母线电压的稳定；并联变换器控制过程为：并联变换器闭环控制中交流母线参考电压幅值Urefabc分别乘以cos(θ+δ)、cos(θ+δ+120°)、cos(θ+δ-120°)得到负荷电压参考值urefabc，以负荷电压为外环，并联变换器输出电流为内环进行双闭环控制以保证负荷电压电流为三相平衡、无畸变的正弦波。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提出的一种基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，通过对双自由度约束关系建立与范围计算，确定双自由度的工作范围，解决了现有控制技术中额定容量越限问题，可确保系统所传输功率在允许范围内运行，尤其在电网电压波动下电能路由器的安全运行。
附图说明
图1为本发明应用的串并联型EER电路拓扑图；
图2为本发明计算变压器一次侧两端电压的结构示意图；
图3为本发明串并联变换器能量流动结构示意图；
图4为本发明自由度约束下结构示意图；
图5为本发明串并联变换器闭环控制策略运行示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明提供一种基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其串并联型EER电路拓扑如图1所示，包括串联变换器、并联变换器、变压器、交流母线、直流母线、低压配电网交流接口、储能装置接口、分布式电源接口、交流负荷接口以及直流负荷接口。
基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，包括：变量计算单元、双自由度约束单元和闭环控制单元。变量计算单元包括：电网电压监测、负荷电压与电流监测、负荷功率监测、电网波动系数计算、变压器一次侧电压计算、电网传输功率计算、串联和并联变换器传输功率计算；双自由度约束单元包括：根据系统各部分额定容量限制，执行双自由度约束关系建立与约束范围计算；闭环控制单元包括：串联和并联变换器闭环控制。具体的控制方法包括如下步骤：
步骤S1、对电网电压、负荷电压与电流以及负荷功率进行监测；
步骤S2、在电网电压波动以及自由度的作用下，计算变压器一次侧两端电压、电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率；
该电能路由器中变压器一次侧分别与低压配电网交流接口和交流母线连接，变压器一次侧两端电压即变压器一次侧承受负荷侧与电网之间的压差UC，其大小方向根据电网电压US的波动以及负荷电压UL的相位而变，如图2所示，根据电网电压波动系数及无功自由度计算变压器一次侧两端电压，其电压UC为：
Figure BDA0004157999290000071
Figure BDA0004157999290000072
其中，UC为变压器一次侧两端电压，US为电网电压，UL为负荷电压，k为电网电压波动系数，δ为无功功率自由度。
步骤S3、根据系统各部分额定容量限制，建立有功功率和无功功率的双自由度约束关系，计算有功功率和无功功率的双自由度约束范围。
如图3所示，负荷所需的有功功率可由电网和并联变换器提供，而电网所传输的有功功率仅与kp和负荷性质有关；因变压器一次侧两端电压与其流过的电流之间存在相位差，致使串联变换器具有向负荷提供有功和无功传输功率的能力，PSC为负表明串联变换器从电网吸收能量，PSC为正表明其向电网输出能量，此仍为与并联变换器交互的能量；为维持系统的功率平衡，电能路由器中的储能装置和新能源发电系统可通过并联变换器自动输出电网与负荷之间的有功功率差。因此，电网输出功率PS、串并联变换器传输的有功和无功功率PSC、QSC、PPC、QPC分别为：
PS＝kpPL
Figure BDA0004157999290000073
Figure BDA0004157999290000081
其中，PS为电网传输的有功功率，PL为负荷有功功率，kp为有功功率自由度，PSC为串联变换器传输的有功功率，QSC为串联变换器传输的无功功率，PPC为并联变换器传输的有功功率，QPC为并联变换器传输的无功功率，
Figure BDA0004157999290000082
为负荷功率因数角。
如图4所示，为保障系统安全稳定运行，kp和δ应受到以下四个条件的约束:1)电网端口额定容量；2)变压器一次侧所允许施加的最大电压UCmax；3)串联变换器额定容量；4)并联变换器额定容量。以此为约束关系计算自由度约束范围，具体如下:
电网传输的有功功率PS受电网端口额定容量限制且其传输功率最大为PL，以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000083
由上述可知
Figure BDA0004157999290000084
对kp的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000085
变压器一次侧两端电压应小于其所允许施加的最大电压UCmax，以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000091
由上述可知UCmax对δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000092
串联变换器所传输的视在功率SSC被限值在100％
Figure BDA0004157999290000093
范围内,以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000094
由上述可知
Figure BDA0004157999290000095
对kp和δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000096
并联变换器所传输的视在功率SPC被限值在100％
Figure BDA0004157999290000097
范围内,以此为约束关系：
Figure BDA0004157999290000098
由上述可知
Figure BDA0004157999290000099
对kp和δ的约束范围为：
Figure BDA0004157999290000101
综合上述对kp和δ的四个约束关系，kp和δ的约束范围可以表示为：
Figure BDA0004157999290000102
其中
Figure BDA0004157999290000103
为电网端口额定容量，/>
Figure BDA0004157999290000104
为并联变换器额定容量，/>
Figure BDA0004157999290000105
为串联变换器额定容量，/>
Figure BDA0004157999290000106
根据约束范围来确定kp和δ的取值，可确保在电网电压波动时，系统传输功率在其允许的范围内，从而保障电能路由器安全稳定运行。
步骤S4、将步骤S3得到的有功功率和无功功率的双自由度约束范围载入至串并联变换器控制策略，进行闭环控制。
串并联变换器闭环控制策略如图5所示，串联变换器控制过程为：负荷电流iLabc通过低通滤波器生成电网电流基波量iSdrefabc；直流母线稳压环生成直流母线电压误差调节信号
Figure BDA0004157999290000107
iSdrefabc与/>
Figure BDA0004157999290000108
进行叠加，再乘以变压器变比n以及自由度约束单元产生的kp得到电网电流参考值/>
Figure BDA0004157999290000109
对电网电流进行单闭环控制保证电网电流为三相平衡对称且无畸变的正弦波，实现网侧单位功率因数以及直流母线电压的稳定。并联变换器控制过程为：交流母线参考电压幅值Urefabc分别乘以cos(θ+δ)、cos(θ+δ+120°)、cos(θ+δ-120°)得到负荷电压参考值urefabc，以负荷电压为外环，并联变换器输出电流为内环进行双闭环控制以保证负荷电压电流为三相平衡、无畸变的正弦波。

Claims (9)

1.基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、对电网电压、负荷电压与电流以及负荷功率进行监测；
步骤S2、在电网电压波动以及自由度的作用下，计算变压器一次侧两端电压、电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率；
步骤S3、根据电网端口额定容量、变压器一次侧所允许施加的最大电压、串联变换器额定容量、并联变换器额定容量的限制，建立有功功率和无功功率的双自由度约束关系，计算有功功率和无功功率的双自由度约束范围；
步骤S4、将步骤S3得到的有功功率和无功功率的双自由度约束范围载入至串并联变换器控制策略，进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S2中变压器一次侧两端电压如下：
Figure FDA0004157999260000011
Figure FDA0004157999260000012
其中，UC为变压器一次侧两端电压，US为电网电压，UL为负荷电压，k为电网电压波动系数，δ为无功功率自由度。
3.根据权利要求2所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S2中电网传输的有功功率、串并联变换器传输的有功功率和无功功率的具体公式如下：
PS＝kpPL，
Figure FDA0004157999260000013
Figure FDA0004157999260000021
其中，PS为电网传输的有功功率，PL为负荷有功功率，kp为有功功率自由度，PSC为串联变换器传输的有功功率，QSC为串联变换器传输的无功功率，PPC为并联变换器传输的有功功率，QPC为并联变换器传输的无功功率，
Figure FDA0004157999260000022
为负荷功率因数角。
4.根据权利要求3所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3中电网传输的有功功率PS受电网端口额定容量限制且其传输功率最大为负荷有功功率PL，以此为约束关系：
Figure FDA0004157999260000023
其中，
Figure FDA0004157999260000024
为电网端口额定容量，由上述可知/>
Figure FDA0004157999260000025
对kp的约束范围为：
Figure FDA0004157999260000026
5.根据权利要求4所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3中变压器一次侧两端电压小于其所允许施加的最大电压UCmax，以此为约束关系：
Figure FDA0004157999260000027
由上述可知UCmax对δ的约束范围为：
Figure FDA0004157999260000031
6.根据权利要求5所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3中串联变换器所传输的视在功率SSC被限值在100％
Figure FDA0004157999260000032
范围内,以此为约束关系：
Figure FDA0004157999260000033
其中，
Figure FDA0004157999260000034
为串联变换器额定容量，由上述可知/>
Figure FDA0004157999260000035
对kp和δ的约束范围为：
Figure FDA0004157999260000036
7.根据权利要求6所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3中并联变换器所传输的视在功率SPC被限值在100％
Figure FDA00041579992600000310
范围内，以此为约束关系：
Figure FDA0004157999260000037
其中，
Figure FDA0004157999260000038
为并联变换器额定容量，由上述可知/>
Figure FDA0004157999260000039
对kp和δ的约束范围为：
Figure FDA0004157999260000041
其中，
Figure FDA0004157999260000042
8.根据权利要求7所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3中有功功率和无功功率的双自由度约束范围表示为：
Figure FDA0004157999260000043
其中，
Figure FDA0004157999260000044
为电网端口额定容量；/>
Figure FDA0004157999260000045
为并联变换器额定容量；/>
Figure FDA0004157999260000046
为串联变换器额定容量。
9.根据权利要求8所述的基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法，其特征在于：所述步骤S4中串联变换器控制过程为：串联变换器闭环控制中负荷电流iLabc通过低通滤波器生成电网电流基波量iSdrefabc；直流母线稳压环生成直流母线电压误差调节信号
Figure FDA0004157999260000047
iSdrefabc与/>
Figure FDA0004157999260000048
进行叠加，再乘以变压器变比n以及自由度约束单元产生的kp得到电网电流参考值/>
Figure FDA0004157999260000049
对电网电流进行单闭环控制保证电网电流为三相平衡对称且无畸变的正弦波，以及直流母线电压的稳定；并联变换器控制过程为：并联变换器闭环控制中交流母线参考电压幅值Urefabc分别乘以cos(θ+δ)、cos(θ+δ+120°)、cos(θ+δ-120°)得到负荷电压参考值urefabc，以负荷电压为外环，并联变换器输出电流为内环进行双闭环控制以保证负荷电压电流为三相平衡、无畸变的正弦波。
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