一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法及系統，本發明首先采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的交流電壓，并根據采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率；然后將接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的頻率進行比較，并將比較結果輸入到雙向虛擬同步發電機控制器，由該雙向虛擬同步電機控制器輸出有功指令的參考值；最后根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控制接口變換器。本發明通過采用雙向虛擬同步發電機控制器對接口變換器進行控制，使其對外表現類似同步發電機的旋轉特性，進而提高整個系統的穩定性。
【專利說明】
一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法及系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法及系統，屬于電力系統
技術領域。
【背景技術】
[0002] 多種類型的分布式電源和負荷通過微電網統一接入到電力系統中。微電網可分為 交流和直流兩類，目前主要以交流形式存在，但考慮到微電網中可能存在的大量直流分布 電源以及日益增加的直流負荷，單一的交流電源供電方式不僅會提高系統成本、增加損耗、 還會不可避免地帶來嚴重的諧波問題。根據分布式電源及用戶負荷特點，采用交、直流混合 的靈活供電運行模式，可以降低投入成本及損耗，達到充分利用分布式能源的目的。在交直 流混合微電網中，雙向AC/DC接口變流器控制著直流母線和交流母線間的功率流動，對系統 的電壓穩定及電能質量的提高發揮著重要作用。
[0003] 目前，接口變換器的潮流控制已經有很多相關文獻和專利對此進行了系統論述， 但是目前潮流控制技術目標是使系統穩態時負荷分布更加理想，卻忽略了負荷波動的暫態 過程可能引起整個系統電氣指標的擾動。
[0004] 配備有潮流控制接口變換器的交直流微網典型結構如圖1所示。微電源和負荷無 序分布在微電網內，每個子網的微電源都采用下垂控制，同子網內的其他微電源共同分擔 負荷。同時，接口變換器的潮流控制作用使得任一個子網內發生有功缺額時，其他子網的微 電源都都能夠共同響應以支撐整個系統。但是，微電源接口作為電力電子裝置，響應速度 快，不具備傳統同步發電機的慣性特性。由于微電網內的負荷是每時每刻都在隨機波動的， 在電力電子裝置組成的微電網里，負荷的波動將瞬時的反應在整個系統里，這使得系統內 的每個部分都同時受到擾動影響。
[0005] 典型的接口變換器潮流控制原理如圖2所示，為了方便表達，假設微電網由一個交 流子網、一個直流子網和一臺接口變換器組成，結構更復雜的微電網也沒有本質上的不同。 交流子網和直流子網的微電源都采用下垂控制，使得各自子網內負荷能夠平均分配。而接 口變換器通過將兩個子網的電氣指標標準化生成兩個可供比較的量，這兩個量的差反應了 子網有功功率相對充裕度。接口變換器控制這兩個量相等，使得兩個子網有功充裕度相同。
[0006] 如圖3所示，現在假設交流子網發生了 △ Pa的負荷擾動，交流微電源共同響應，根 據下垂控制分配擾動，同時交流頻率發生A fa的擾動。接口變換器檢測到兩側有功裕度的 差別，通過控制保持直流電壓也發生Δ Vd的擾動，同時直流側下垂控制使得直流電源功率 變化△ Pd。接口變換器采用電力電子裝置和數字控制器，平均延時約為1.5Ts(Ts為開關周 期），由于開關頻率通常在l〇k以上，這就導致微電網內任何的負荷或者電源波動都幾乎立 刻反應在整個系統內。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法及系統，以在 不影響接口變換器潮流控制的前提下，阻止一個子網內的功率擾動向其它子網擴散。
[0008] 本發明為解決上述技術問題而提供一種交直流混合微電網接口變換器的控制方 法，該方法適用于交直流混合微電網，包括若干交流子網、若干直流子網和用于連接交流子 網和直流子網的接口變換器，每個交流子網和直流子網內都含有分布式微電源和隨機負 荷，各子網內的微電源間采用下垂控制來均分負荷，該控制方法包括以下步驟：
[0009] 1)采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的交流電壓，并根據 采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率；
[0010] 2)將接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的頻率進行比較，并將 比較結果輸入到雙向虛擬同步發電機控制器，由該雙向虛擬同步電機控制器輸出有功指令 的參考值；
[0011] 3)根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控 制接口變換器。
[0012] 所述步驟2)在將接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的頻率進行比 較時須對接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的頻率進行標準化處理，所采用 的標準化公式為：
[0015] 其中fmax和fmin分別為交流子網允許頻率的最大值和最小值;fka為接口變換器處于 交流子網k頻率測量值;f kaU為交流子網k頻率的標準值;VHx和Vdc^in分別為直流子網允許 頻率的最大值和最小值;Vid為接口變換器處直流子網k的電壓值;V idu是接口變換器處直流 子網k的電壓標準值。
[0016] 所述的雙向虛擬同步發電機機控制器的傳遞函數為：
[0018] 其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波 動，另一側子網受到影響的速度，D v是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的 下垂系數。
[0019] 所述步驟3)中的無功功率指令由交流子網無功缺額確定。
[0020] 所述步驟3)中的無功功率指令為0,即接口變換器僅在直流子網之間交換有功。 [0021 ]所述的交流側頻率由交流側電壓經過鎖相環得到。
[0022] 本發明還提供了一種交直流混合微電網接口變換器的控制系統，該控制系統包括 采集計算單元、雙向虛擬同步發電機控制器和電流環控制單元，
[0023] 所述采集計算單元用于采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子 網的交流電壓，并根據采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率；
[0024] 所述雙向虛擬同步發電機控制器用于根據接口變換器處于直流子網的直流電壓 和交流子網頻率的比較結果生成有功指令的參考值，
[0025] 所述的電流環控制單元用于根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環 生成相應的調制信號以控制接口變換器。
[0026] 該控制系統還包括標準化處理單元，用于對接口變換器處于直流子網的直流電壓 和交流子網的頻率進行標準化處理，該標準化處理單元所采用的標準化公式為：
[0029] 其中fmax和fmin分別為交流子網允許頻率的最大值和最小值;fka為接口變換器處于 交流子網k頻率測量值;f kaU為交流子網k頻率的標準值;VHx和Vdc^in分別為直流子網允許 頻率的最大值和最小值;Vid為接口變換器處直流子網k的電壓值;V idu是接口變換器處直流 子網k的電壓標準值。
[0030] 所述的雙向虛擬同步發電機機控制器的傳遞函數為：
[0032] 其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波 動，另一側子網受到影響的速度，D v是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的 下垂系數。
[0033] 本發明的有益效果是:本發明首先采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處 于交流子網的交流電壓，并根據采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率;然后將接 口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的頻率進行比較，并將比較結果輸入到 雙向虛擬同步發電機控制器，由該雙向虛擬同步電機控制器輸出有功指令的參考值;最后 根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控制接口變換 器。本發明通過采用雙向虛擬同步發電機控制器對接口變換器進行控制，使其對外表現類 似同步發電機的旋轉特性。本發明能在不影響接口變換器潮流控制的前提下，阻止一個子 網內的功率擾動向其他子網擴散，進而提高整個系統的穩定性。
【附圖說明】
[0034] 圖1是交直流混合微電網的典型結構圖；
[0035] 圖2是傳統接口變換器潮流控制方式示意圖；
[0036] 圖3是傳統接口變換器潮流控制抗擾性分析示意圖；
[0037] 圖4是接口變換器采用雙向VSG控制時微電網的響應示意圖；
[0038]圖5是本發明交直流混合微電網接口變換器的控制原理圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0040] 本發明的一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法的實施例
[0041] 本發明所針對的交直流混合微電網一般包括有若干交流子網、直流子網和用于連 接交直流子網的接口變換器，每個交直流子網內都含有若干分布式微電源和隨機負荷，子 網內的微電源間采用下垂控制來均分負荷，由于微電網內的負荷是每時每刻都在隨機波動 的，在電力電子裝置組成的微電網里，負荷的波動將瞬時的反應在整個系統里，這使得系統 內的每個部分都同時受到擾動影響。為此，本發明提供了一種交直流混合微電網接口變換 器的控制方法，如圖5所示，該方法將雙向虛擬同步發電機控制用到接口變換器上，通過檢 測、比較接口變換器交流頻率和直流電壓，經過虛擬轉子慣性環節，得到輸出有功功率的參 考值，再經過電流環輸出觸發信號驅動開關管。該方法的具體實施步驟如下：
[0042] 1.采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的交流電壓，并根據 采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率。
[0043] 本實施例中采集到的接口變換器處于直流子網的直流電壓為Vld，處于交流子網的 交流電壓為，交流子網的頻率fka>1通過對交流子網的交流電壓進行鎖相得到，k是直流子網 和交流子網的編號。
[0044] 2.對接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的頻率進行標準化處理，所 采用的標準化公式為：
[0047]其中fmax和fmin分別為交流子網允許頻率的最大值和最小值;fka為接口變換器處于 交流子網k頻率測量值;fkaU為交流子網k頻率的標準值;VHx和Vdc^in分別為直流子網允許 頻率的最大值和最小值;V id為接口變換器處直流子網k的電壓值;Vidu是接口變換器處直流 子網k的電壓標準值。
[0048] 標準化處理后的交流子網頻率代表了交流子網有功量的程度，標準化處理后的直 流子網電壓代表了直流子網的有功量的程度。
[0049] 3.將標準化處理后的接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的頻 率進行比較，并將比較結果輸入到雙向虛擬同步發電機控制器，由該雙向虛擬同步電機控 制器輸出有功指令的參考值。
[0050] 本實施例中雙向虛擬同步發電機控制器的傳遞函數Gc (s)可以具有多種形式，對 于包含有多個接口變換器，雙向虛擬同步發電機控制器的傳遞函數可采用以下形式：
[0052]其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波 動，另一側子網受到影響的速度，Dv是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的 下垂系數。
[0053]對于只包含一個接口變換器，雙向虛擬同步發電機控制器所采用的傳遞函數為：
[0055] 其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波 動，另一側子網受到影響的速度，D v是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的 下垂系數，kP，lu分別為所用PI調節器的比例和積分常數。
[0056] 4.根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控 制接口變換器。
[0057]本實施例所采用的電流環進行控制，具體的過程如下：首先電流指令生成模塊用 于根據無功功率指令α,,和雙向vsg控制器輸出的有功指令的參考值/?生成電流指令:'， 無功功率指令由交流子網無功缺額確定，為了節省成本也可以使無功指令為〇,即接口變換 器僅在交直流子網之間交換有功，本實施例中的所選用的無功功率指令6二為〇,如圖5所 示。然后將生成電流指令'與交流子網側的交流電流的dq分量進行做差比較，并將差值進 行PI控制。最后將PI控制結果進行dq反變換，得到相應的電流控制信號，該電流控制信號經 過PWM調制后，所得的調制信號即為本發明接口變換器的控制信號，由該信號觸發驅動接口 變換器的開關管，即可實現對接口變換器的控制。
[0058] 通過上述步驟，本發明根據接口變換器所處交流子網和直流子網的有功分量，通 過雙向虛擬同步發電機控制器生成相應的有功指令參考值，由該有功指令參考值生成相應 的控制信號，控制接口變換器，使接口變換器所處交流子網和直流子網的有功量達到平衡， 如圖4所示。從而能在不影響接口變換器潮流控制的前提下，阻止一個子網內的功率擾動向 其他子網擴散，進而提高整個系統的穩定性。
[0059 ]本發明的一種交直流混合微電網接口變換器的控制系統實施例 [0060]本實施例中的交直流混合微電網接口變換器控制系統包括采集計算單元、雙向虛 擬同步發電機控制器和電流環控制單元，采集計算單元用于采集接口變換器處于直流子網 的直流電壓和處于交流子網的交流電壓，并根據采集到的交流電壓計算其處于交流子網的 頻率;雙向虛擬同步發電機控制器用于根據接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子 網頻率的比較結果生成有功指令的參考值;電流環控制單元用于根據無功指令和得到的有 功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控制接口變換器。該控制系統中各單元 的具體實現手段已在方法的實施例中進行了詳細說明，這里不再贅述。
【主權項】
1. 一種交直流混合微電網接口變換器的控制方法，該方法適用于交直流混合微電網， 包括若干交流子網、若干直流子網和用于連接交流子網和直流子網的接口變換器，每個交 流子網和直流子網內都含有分布式微電源和隨機負荷，各子網內的微電源間采用下垂控制 來均分負荷，其特征在于，該控制方法包括以下步驟： 1) 采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的交流電壓，并根據采集 到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率； 2) 將接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的頻率進行比較，并將比較 結果輸入到雙向虛擬同步發電機控制器，由該雙向虛擬同步電機控制器輸出有功指令的參 考值； 3) 根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成相應的調制信號以控制接 口變換器。2. 根據權利要求1所述的交直流混合微電網接口變換器的控制方法，其特征在于，所述 步驟2)在將接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的頻率進行比較時須對接口 變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的頻率進行標準化處理，所采用的標準化公式 為：其中fmajPfmin分別為交流子網允許頻率的最大值和最小值;fka*接口變換器處于交流 子網k頻率測量值;fkau為交流子網k頻率的標準值;￥(1。._\和￥(1。.-分別為直流子網允許頻率 的最大值和最小值;Vid為接口變換器處直流子網k的電壓值;V idu是接口變換器處直流子網k 的電壓標準值。3. 根據權利要求1所述的交直流混合微電網接口變換器的控制方法，其特征在于，所述 的雙向虛擬同步發電機機控制器的傳遞函數為：其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波動，另一 側子網受到影響的速度，Dv是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的下垂系 數。4. 根據權利要求1所述的交直流混合微電網接口變換器的控制方法，其特征在于，所述 步驟3)中的無功功率指令由交流子網無功缺額確定。5. 根據權利要求1所述的交直流混合微電網接口變換器的控制方法，其特征在于，所述 步驟3)中的無功功率指令為O，即接口變換器僅在直流子網之間交換有功。6. 根據權利要求1所述的交直流混合微電網接口變換器的控制方法，其特征在于，所述 的交流側頻率由交流側電壓經過鎖相環得到。7. -種交直流混合微電網接口變換器的控制系統，其特征在于，該控制系統包括采集 計算單元、雙向虛擬同步發電機控制器和電流環控制單元， 所述采集計算單元用于采集接口變換器處于直流子網的直流電壓和處于交流子網的 交流電壓，并根據采集到的交流電壓計算其處于交流子網的頻率； 所述雙向虛擬同步發電機控制器用于根據接口變換器處于直流子網的直流電壓和交 流子網頻率的比較結果生成有功指令的參考值； 所述的電流環控制單元用于根據無功指令和得到的有功指令參考值，通過電流環生成 相應的調制信號以控制接口變換器。8. 根據權利要求7所述的交直流混合微電網接口變換器的控制系統，其特征在于，該控 制系統還包括標準化處理單元，用于對接口變換器處于直流子網的直流電壓和交流子網的 頻率進行標準化處理，該標準化處理單元所采用的標準化公式為：其中fmajPfmin分別為交流子網允許頻率的最大值和最小值;fkaS接口變換器處于交流 子網k頻率測量值;fkau為交流子網k頻率的標準值;￥(1。._\和￥(1。.-分別為直流子網允許頻率 的最大值和最小值;V id為接口變換器處直流子網k的電壓值;Vidu是接口變換器處直流子網k 的電壓標準值。9. 根據權利要求7所述的交直流混合微電網接口變換器的控制系統，其特征在于，所述 的雙向虛擬同步發電機機控制器的傳遞函數為： 其中Jv是接口變換器功率響應的虛擬慣性系數，它表征了一側子網發生負荷波動，另一 側子網受到影響的速度，Dv是接口變換器傳遞功率的等效阻尼，即雙向下垂控制的下垂系 數。
【文檔編號】H02J5/00GK106026208SQ201610569592
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月19日
【發明人】李獻偉, 高峰, 毋炳鑫, 祝鈞, 謝衛華
【申請人】許繼集團有限公司, 國家電網公司, 許昌許繼軟件技術有限公司