一种具备直流电压恢复特性的交直流微电网分层控制方法

摘要

本发明涉及一种具备直流电压恢复特性的交直流微电网分层控制方法，该方法内包括两层控制，分别为：第一层控制采用直流电压-有功功率的下垂控制方法，实现了负荷均匀分配；第二层控制针对下垂控制所导致的直流母线电压跌落，采用补偿直流母线电压参考值的方法，实现母线电压的恢复，保证了直流母线电压的质量。本发明在保证直流母线电压质量的同时，实现本地电源在负荷变动时的功率均匀分配。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电网中的控制方法，具体讲涉及一种具备直流电压恢复特性的交直流 微电网分层控制方法。

背景技术

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的 小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。采用交直流混合微电 网的形式，省略了许多变换环节和变换装置，使微网结构简单，控制更加灵活，损耗降低， 提高了整个系统的经济性和可靠性。为了实现电源和负荷之间的连接，一般采用集中控制、 主从控制、电流链控制和平均电流控制等多种方法，通过控制电力电子设备，实现负荷功率 在各并联变换器之间的均匀分配。但是这些控制方法仅仅针对纯交流微电网和直流微电网， 大多需要依赖高频通信线实现电流指令信号的传输。高频通信线会降低系统的可靠性，提升 系统维护成本。另外采用下垂控制手段，还会会造成电压跌落，降低电压的稳定性。因此提 供一种控制方法，以在实现直流负荷的均匀分配的同时，能改进电压质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具备直流电压恢复特性的交直流微电网 分层控制方法，该方法满足微电网中分布式结构要求，设计了控制策略，在保证直流母线电 压质量的同时，实现本地电源在负荷变动时的功率均匀分配。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种具备直流电压恢复特性的交直流微电网分层控制方法，所述方法适用于 交直流母线间存在两个以上交流变换器连接情况，所述交直流微电网包括通过AC/DC变流器 连接的交流微电网系统和直流微电网系统；所述交流微电网系统的交流接口连接在微电网交 流母线上；所述直流微电网系统的直流接口连接在微电网直流母线上；

其改进之处在于，所述方法通过功率-直流电压下垂控制的第一层控制和公共电压恢复控 制的第二层控制实现。

进一步地，所述第一层控制中的功率-直流电压下垂控制包括对交流变换器(交流变换器 指的是直流母线与交流母线间的DC-AC双向变流器)的输出功率和输出的直流电压进行控 制；计算输入功率误差ΔP,根据P-V下垂关系得到直流电压参考值U_dcref'，经过电压电流双 环产生交流变换器的电压调制信号P_m；第一层控制采用的控制器包括：电流内环控制器和直 流电压环控制器。

进一步地，所述电流内环控制器用于提高交流变换器输出的电能质量，动态响应快；

所述电流内环控制器采用基于帕克变换思想的dq0旋转坐标系，将三相瞬时值信号变换 到dq0旋转坐标系下，将三相控制转化为两相控制；三相瞬时值电流i_abc经过帕克变换变为 dq轴分量i_dq，与直流电压环控制器输出的参考信号i_dqref进行比较，并对误差进行PI控制输 出电压控制信号P_m；

电流内环控制器采用无补偿环节的解耦内环控制器，包括：交流电流比例积分控制器G_PI， 交流变换器传递函数G_PWM，交流变换器的惯性环节G_Delay，电感滤波器和线路的传递函数G_F； 表达式分别如下式1)～4)所示：

$G_{\mathrm{PI}}=k_1(1+\frac{1}{T_{1}s})---1);$

式中，k₁和T₁分别为电流内环控制器的比例系数和积分时间常数；

G_PWM＝K_PWM          2)；

式中，K_PWM为逆变器的增益；

$G_{\mathrm{Delay}}=\frac{1}{1+T_{D}s}---3);$

式中，T_D为时间常数；

$G_F=\frac{1}{\mathrm{Ls}+R}---4);$

式中，L和R分别为滤波器与线路的等效电感和电阻。

电流环闭环传递函数如下式5)所示：

$G_{\mathrm{Current}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{PWM}}{G}_{\mathrm{Delay}}{G}_F}{1+G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{PWM}}{G}_{\mathrm{Delay}}{G}_F}---5).$

进一步地，所述直流电压环控制器用于对直流电压和无功功率的控制，同时产生电流内 环控制器的参考信号I_ref，动态响应慢；

直流电压环控制器采用比例-积分控制器，测量得到的直流电压与参考电压比较，经过PI 控制得到内环电流i_d的参考信号，变流器交流侧电流q轴分量i_q；参考值设定为0；直流电压 环控制器包括：直流电压PI控制器G_PI，电流环传递函数G_Current，用于连接交流变换器交流 电流和直流电压的传递函数G_Udc-I，其表达式通过功率守恒得出；

在不涉及交流变换器损耗的情况下，交流变换器交直流两侧满足功率守恒关系，如下式 6)所示：

e_di_d+e_qi_q＝i_Lu_dc     6)；

式中，e_d和e_q分别为交流侧电压的d、q轴分量；u_dc为直流母线电压；i_L为交流变换器 直流侧流向直流微电网系统方向的电流；

将式6)进行小信号分析，并将结果转换到s域，得：

e_dΔi_d+i_dΔe_d+e_qΔi_q+i_qΔe_q＝i_LΔu_dc+u_dcΔi_L         7)；

若交流侧电压三相对称，且满足单位功率因数，在只涉及d轴电流干扰的情况下，解得：

$\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{\Delta i}}_d}=\frac{e_d}{i_L}---8);$

变换到s域，即

$G_{\mathrm{Udc}-i}=\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{\Delta i}}_d}=\frac{E_d\left(s\right)}{I_L\left(s\right)}---9);$

直流电压环闭环传递函数如下式10)：

$G_{\mathrm{voltage}}\left(s\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{U_{\mathrm{dcref}}\left(s\right)}=\frac{G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{Current}}{G}_{\mathrm{Udc}-I}}{1+G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{Current}}{G}_{\mathrm{udc}-I}}---10).$

进一步地，所述第二层控制中的公共电压恢复控制用于补偿下垂控制造成的电压跌落， 提高直流母线的电压质量；第二层控制采用的控制器包括下垂控制器和二次控制器。

进一步地，所述下垂控制工作原理为：交流变换器的初始运行点为A，输出的额定功率 P₀，直流侧母线额定电压为U₀；当直流微电网系统内负荷突然增大或分布式电源输出功率减 少时，交流变换器输出功率增大，导致电压下降，系统运行点变为B；

有功功率P和直流电压U的关系为：

U＝U₀+(P₀-P)K       11)；

式中，K为下垂系数；

下垂控制器采用比例控制器，测量得到的有功功率与P-V下垂控制的参考有功功率比较， 经过下垂控制得到电压参考值的补偿量；下垂控制器包括：电压环传递函数G_Voltage，用于连 接变换器有功功率和直流电压的传递函数G_Udc-P；

变流器输出有功功率和电压的关系如下式12)所示，进行小信号分析，并将结果转换到 s域，得到如下式13)：

$P=\frac{U^2}{R_L}---12);$

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta U}}=\frac{2}{R_L}---13);$

式中，R_L为负荷电阻；为以U为自变量对P求微分，ΔP表示有功功率增量，ΔU表 示电压增量。

进一步地，所述二次控制器用于对直流侧母线电压的恢复控制，所述二次控制器采用比 例-积分控制器，测量得到的直流电压与参考电压比较，经过PI控制得到电压参考值的补偿 量；G_PI为二次控制PI控制器，G_Voltage为直流电压环传递函数。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供了一种基于直流电压-有功功率下垂控制的电压恢复控制方法，适用于交直流 混合微电网的运行控制；实现本地不同换流器间的负荷均匀分配，同时进行二次控制，对母 线电压参考值进行补偿，从而达到电压恢复的目的。本发明提供的方法不仅可以保证直流母 线的电压质量，同时还可以实现负荷的均匀分配，提高了微电网的可靠性，对交直流混合微 电网的安全、稳定、可靠运行控制具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明提供的交直流混合微电网结构图；

图2是本发明提供的电压恢复控制结构图；

图3是本发明提供的电流内环控制器结构图；

图4是本发明提供的直流电压环结构框图；

图5是本发明提供的下垂控制原理图；

图6是本发明提供的下垂控制结构框图；

图7是本发明提供的二次控制结构框图。

图8是本发明提供的变流器并网示意图；

图9是本发明提供的两台逆变器并联运行结构拓扑图；

图10是本发明提供电压恢复作用时直流电压幅值波形；

图11是本发明提供电压恢复用时功率波形；

图12是本发明提供负荷波动时直流电压幅值波形；

图13是本发明提供负荷变化时功率波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提出一种新的可以对交直流配电网的负荷均匀分配并且提高直流母线质量的控制 方法。本发明的控制方法，第一层控制采用直流电压-有功功率的下垂控制方法，实现了负荷 均匀分配；第二层控制针对下垂控制所导致的直流母线电压跌落，采用补偿直流母线电压参 考值的方法，实现母线电压的恢复，保证了直流母线电压的质量。

典型的交直流混合微电网结构如图1所示。采用交直流混合微电网的形式，省略了许多 变换环节和变换装置，使微网结构简单，控制更加灵活，损耗降低，提高整个系统的经济性 和可靠性。

交直流微电网包括通过AC/DC变流器连接的交流微电网系统和直流微电网系统；所述交 流微电网系统的交流接口连接在微电网交流母线上；所述直流微电网系统的直流接口连接在 微电网直流母线上；

所述交流微电网系统包括至少一个AC/DC变流器、DC/AC变流器、光伏逆变器、储能 逆变器、交流风机、交流发电机和交流负荷；所述AC/DC变流器、交流发电机和交流负荷均 接入微电网的交流母线上；光伏逆变器与其中一个AC/DC变流器连接；储能逆变器与其中一 个AC/DC变流器连接；其中一个AC/DC变流器、DC/AC变流器和交流风机依次连接；

所述直流微电网系统包括至少一个DC/DC整流器、DC/AC变流器、光伏逆变器、储能 逆变器、直流风机和直流负荷；所述DC/DC整流器和DC/AC变流器均接入微电网的直流母 线上；光伏逆变器与其中一个DC/DC整流器连接；储能逆变器与其中一个DC/DC整流器连 接；直流负荷与其中一个DC/DC整流器连接。

本发明设计的电压恢复控制包括两层，其结构图如2所示，第一层控制为功率-直流电压 下垂控制，对每台交流变换器的输出功率和直流电压输出进行控制。计算输入功率误差ΔP得 到直流电压参考值U_dcref，经过电压电流双环产生交流变换器的调制信号Pm。其中直流电压环 控制器主要用于保证对直流电压和无功功率的控制，同时产生电流内环的参考信号Iref，一 般动态响应较慢。电流内环主要进行精细的控制，用于提高交流变换器输出的电能质量，一 般动态响应较快。第二层控制为公共的电压恢复控制，用以补偿下垂控制造成的电压跌落， 提高母线的电压质量。整个控制策略各个环节控制器设计如下。

(1)电流环控制器

内环电流控制器采用基于帕克变换思想的dq0旋转坐标系下控制，将三相瞬时值信号变 换到dq0旋转坐标系下，从而将三相控制问题转化为两相控制问题。三相瞬时值电流i_abc经过 帕克变换变为dq轴分量i_dq，与直流电压环控制器输出的参考信号i_dqref进行比较，并对误差 进行PI控制输出电压控制信号P_m。

本发明采用无补偿环节的解耦内环控制器，其结构如图3所示。其中，G_PI为交流电流比 例积分控制器，G_PWM为变换器传递函数，G_Delay为变换器的惯性环节，G_F为电感滤波器和线 路的传递函数。上述三者的表达式见式1)～4)式。

$G_{\mathrm{PI}}=k_1(1+\frac{1}{T_{1}s})---1);$

式中，k1和T1分别为电流控制器的比例系数和积分时间常数。

G_PWM＝K_PWM        2)

式中，k_PWM为逆变器的增益。

$G_{\mathrm{Delay}}=\frac{1}{1+T_{D}s}---3);$

式中，TD为时间常数。

$G_F=\frac{1}{\mathrm{Ls}+R}---4);$

式中，L和R分别为滤波器与线路的等效电感和电阻。将逆变器出口滤波器和逆变器与 母线之间的线路阻抗集总成LR串联形式，由于线路较短，此处忽略了线路电容影响，如本 发明提供的变流器并网示意图如图8所示。

综上，电流环闭环传递函数为：

$G_{\mathrm{Current}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{PWM}}{G}_{\mathrm{Delay}}{G}_F}{1+G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{PWM}}{G}_{\mathrm{Delay}}{G}_F}---5);$

(2)直流电压环控制器：

直流电压环控制采用比例-积分控制器，测量得到直流电压与参考电压将比较，经过PI 控制得到内环电流id的参考信号，iq参考值设定为0。直流电压环的控制结构如图4所示。 其中，G_PI为直流电压PI控制器，G_Current为电流环传递函数，G_Udc-I为用于连接变换器交流电 流和直流电压的传递函数，其表达式通过功率守恒得出。

具体来讲，在不考虑变换器损耗的情况下，变换器交直流两侧满足功率守恒关系，如式 6)：

e_di_d+e_qi_q＝i_Lu_dc     6)；

式中，e_d、e_q分别为交流侧电压的d、q轴分量；Udc为直流母线电压；i_L分别为变换器 直流侧流向直流微电网方向的电流。

将式(6)进行小信号分析，并将结果转换到s域，可以得到

e_dΔi_d+i_dΔe_d+e_qΔi_q+i_qΔe_q＝i_LΔu_dc+u_dcΔi_L           7)；

若交流侧电压三相对称，且满足单位功率因数，在只考虑d轴电流干扰的情况下，解得

$\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{\Delta i}}_d}=\frac{e_d}{i_L}---8);$

变换到s域，即

$G_{\mathrm{Udc}-i}=\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{\Delta i}}_d}=\frac{E_d\left(s\right)}{I_L\left(s\right)}---9);$

综上，直流电压环闭环传递函数为：

$G_{\mathrm{voltage}}\left(s\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{U_{\mathrm{dcref}}\left(s\right)}=\frac{G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{Current}}{G}_{\mathrm{Udc}-I}}{1+G_{\mathrm{PI}}{G}_{\mathrm{Current}}{G}_{\mathrm{udc}-I}}---10);$

(3)下垂控制器

下垂控制器是模仿发电机组工频静特性的一种控制方法，其控制原理如图5所示。

图5中，变换器的初始运行点为A，输出的额定功率P0，直流侧母线额定电压为V0。 当直流微电网内负荷突然增大或分布式电源输出功率减少时，变换器输出功率增大，导致电 压下降，系统运行点变为B。

由图5可以给出有功功率P和直流电压U的关系为

U＝U₀+(P₀-P)K    11)；

式中，K为下垂系数；

下垂控制器采用比例控制器，控制结构图如图6所示。测量得到有功功率与参考功率将 比较，经过下垂控制得到电压参考值的补偿量。其中，G_Voltage为电压环传递函数，G_Udc-P为用 于连接变换器有功功率和直流电压的传递函数。

功率和电压的关系如式12)所示，进行小信号分析，并将结果转换到s域，可以得到式 13)。

$P=\frac{U^2}{R_L}---12);$

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta U}}=\frac{2}{R_L}---13);$

式中，R_L为负荷电阻；为以U为自变量对P求微分，ΔP表示有功功率增量，ΔU表 示电压增量。

(4)二次控制器：

二次控制采用比例-积分控制器，测量得到直流电压与参考电压将比较，经过PI控制得 到电压参考值的补偿量。直流电压环的控制结构如图7所示。其中，G_PI为二次控制PI控制 器，G_Voltage为电压环传递函数。

实施例

以下采用Digsilent软件对两台变换器并列运行方式下本发明控制策略及其稳态和暂态控 制效果进行说明，网络拓扑图如图9所示。

两台变换器均采用电压恢复控制，参考电压U0为0.7kV但是参数不同，其他网络参数 如表1所示。直流侧接有两个直流恒阻性负荷和一个分布式直流电源。电压基准值1kV。

表1仿真算例参数设置表

仿真开始时两台变换器按照下垂控制均匀分配功率，t＝0.5s时电压恢复控制开始作用， 此时的直流电压波形如图10所示，两台变换器的输出功率波形如11所示。由图10和图11 可以看出，在电压恢复作用前，母线电压已经稳定在0.69kV，两台变换器的输出功率分别稳 定在0.48MW和0.36MW，实现了负荷的均与分配。二次控制投入运行，经过约0.1s，系统 达到了新的稳定状态，母线电压稳定在0.70kV，说明二次的电压恢复控制很好的保证了直流 母线电压的质量，证明了电压恢复控制方法的有效性；两台变换器的输出功率分别稳定在 0.50MW和0.37MW，证明了在下垂控制和电压恢复控制的共同作用下，两台变换器按照各 自的参考功率和下垂系数，对负荷功率进行了均匀分配。

t＝1s时，将负荷Load1切除，直流电压波形如图12所示，两台变换器的输出功率波形如 图13所示。由图12和图13可以看出，在负荷变化后，系统经过大约0.02s的暂态过程，达 到了新的稳定运行状态，母线电压仍被稳定在0.70kV，说明二次的电压恢复控制很好的保证 了直流母线电压的质量，电压恢复控制的抗干扰能力满足要求；两台变换器的输出功率分别 下降为0.32MW和0.24MW，证明了在负荷波动的作用下，两台变换器按照各自的参考功率 和下垂系数，实现了对本地负荷的均匀分配。

综上，本发明可实现交直流混合微电网稳态及暂态条件下交流变换器有功的均匀分配， 同时保证了直流母线电压稳定。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体 实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换， 均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。