孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分层控制方法

摘要

本发明公开了一种孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分层控制方法，该控制策略分三层，底层采用基于本地信息的下垂控制，第二层采用一种直流侧的电压分布式二次控制策略，第三层通过接收每台双向变换器直流母线电压，经过直流母线电压估计，求出直流母线电压的实时平均值，作为电压二次控制器的参考电压值。该方法可以实现多台双向变换器孤岛运行时的分布式控制，理论上可以克服传统分层控制策略在上层中央控制器通信失败时导致的孤岛运行的混合微网母线电压跌落不可控的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分层控制方法。

背景技术

在能源和环境双重危机的背景下，可再生清洁能源分布式发电成为人类谋求发展的重 要出路。为了解决分布式发电并网的诸多难题，微网技术应运而生。但无论是单纯交流微 网或者是直流微网，对于吸纳这部分可再生能源都将面临频繁功率变换带来的效率与可靠 性低下的问题。此外，单纯交流或者直流微网对于交流负荷以及新兴直流负荷也有类似的 缺陷。考虑到可再生能源分布式发电运行的经济性，将它们合理分配到不同母线，与储能 装置和负载组成AC/DC混合微网成为一种必然选择。

作为微电网的一种类型，混合微网同时具有并网和孤岛运行模式。在并网模式下，分 布式发电单元可以为大电网提供功率，若微网功率不足，大电网可以为其内负载供电；在 孤岛模式下，微网与大电网电气隔离，分布式发电单元一方面为内部负载提供功率，另一 方面需要维持微网电能质量。孤岛运行可以在大电网故障条件下为敏感负荷、关键负荷供 能，对于提高局部电网可靠性，保证科学、医疗、生活生产等方面的正常运行意义重大。

随着未来电网的容量和规模的进一步扩大，发电装置将以可再生能源为主，而其间歇 性不稳定性的特征，对以交流为主的大型电力系统带来巨大的挑战。采用直流输配电，不 仅可以提高电力系统容量，满足未来电网中的负荷对直流供电的需求，提高整体效率，而 且可以免除因交流而造成的系统稳定性问题，从而有助于提高输电网的安全可靠性。因此， 未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主的运行模式方向发展。考虑到直流微源 及负载在整个电网环境中的重要作用，研究混合微网孤岛运行下的直流侧控制策略将尤为 重要。

目前已有的混合微网双向变换器孤岛控制策略分三种：集中控制、分散控制、分层控 制。集中控制，主要是指通过分布于混合微网内的传感器网络实时监测微网运行状态，根 据能量管理系统由统一的中央控制器协调混合微网内各微源运行。混合微网以及各微源的 运行模式切换均由中央控制器统一处理，各微源只与中央控制器通信，微源之间没有通信。 混合微网的分散控制，是相对于集中控制而言的，各个微源之间通过检测本地信息来调整 运行状态，不需要中央控制器统一调度即可以自治运行，具有“即插即用”的特性。混合 微网的分层控制融合了集中控制与分散控制的思想，底层是基于本地信息的分散控制，上 两层是基于系统信息低带宽通信的集中控制。

三种控制策略均有各自的缺陷。集中控制无法保证混合微网的扩展性，无法解决中央 控制器的通信依赖问题；分散控制无法保证系统的优化运行和混合微网的可控性；分层控 制综合了集中控制与分散控制的优点，但是并没有从根本上解决上层集中控制对于中央控 制器的通信依赖问题，无法保证弱通信条件及系统故障下的稳定运行，对于混合微网系统 复杂问题的解决能力不足。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分 层控制方法，该方法分三层，底层采用基于本地信息的下垂控制，第二层采用一种直流侧 的电压分布式二次控制策略，第三层通过接收每台双向变换器直流母线电压，经过直流母线 电压估计，求出直流母线电压的实时平均值，作为电压二次控制器的参考电压值。该方法可 以实现多台双向变换器孤岛运行时的分布式控制，理论上可以克服传统分层控制策略在上 层中央控制器通信失败时导致的混合微网不可控问题。相比于混合微网双向变换器传统控 制策略，该控制策略在保障混合微网扩展性的基础上，可以避免系统控制器通信失败后无 法进行孤岛运行的混合微网母线电压分布式控制的问题，保障了混合微网的可控性，增加 了局部电网的供电可靠性，对混合微网的研究具有重要的理论和应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分层控制系统，包括多台并联的双向 变换器、交流侧和控制器，双向变换器均为LCL滤波的两电平变换器，包括并联的三相桥臂， 每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点经LCL滤波器与交流电压源连接；每台双 向变换器的输入端并联有一个电容；在N台并联的双向变换器直流侧并联有直流负载，每台 双向变换器的各个IGBT管均由控制电路驱动。

所述LCL滤波电路的阻尼电阻具有一附加阻值，以抑制LCL滤波器固有的谐振问题。

所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路，采样调理电路连接DSP模块， DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂 中IGBT管的开通与关断。

所述采样调理电路采集输入电压源的直流电压、直流电流、滤波器输出的三相电压值大 小。

所述双向变换器均包含一个直流电压下垂控制器和一个直流电压外环、交流电流内环的 闭环控制，下垂控制器采集直流电压和直流功率信号，经过下垂控制器输出一个直流电压偏 差值，送到直流电压外环，作为参考电压，直流电压外环采用PI控制器，用于稳定直流电压， 交流电流内环采用基于dq坐标系的闭环控制器，采用PI控制器实时跟踪给定值，控制变换器 输出功率跟踪给定值。

一种孤岛运行混合微网双向变换器的直流侧分布式分层控制方法，包括：

(1)对每台双向变换器设置三层控制，分别为第一控制层、第二控制层和第三控制层， 其中第三控制层则属于信息交换层，通过低带宽通信与第二控制层交换信息；

(2)第一控制层的直流电压外环采用PI控制器，用于稳定直流电压，交流电流内环采用 基于dq坐标系的闭环控制器，采用PI控制器实时跟踪给定值，控制变换器输出功率跟踪给定 值；

(3)第二控制层为电压二次控制，通过实时检测本地变换器直流母线电压，与参考值的 误差经过PI控制器输出一个直流电压校正值，送到直流电压外环，作为参考电压的修正量， 用来消除由下垂控制产生的直流母线电压偏差，使直流母线稳定在额定电压值；

(4)第三控制层通过接收每台双向变换器直流母线电压，经过直流母线电压估计，求出 直流母线电压的实时平均值，通过低带宽通信送至第二控制层控制，作为电压二次控制器的 参考电压值。

所述步骤(2)中，第一控制层包含有下垂控制、直流电压外环和交流电流内环的闭环控 制，下垂控制器采集直流电压和直流功率信号，经过下垂控制器输出一个直流电压偏差值， 送到直流电压外环，作为参考电压，直流电压外环采用PI控制器，用于稳定直流电压，交流 电流内环采用基于dq坐标系的闭环控制器，采用PI控制器实时跟踪给定值，控制变换器输出 功率跟踪给定值。

所述步骤(4)中，直流母线电压估计公式为：

$V_{\mathrm{dcref}\_\mathrm{avr}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_i{V}_{\mathrm{dci}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_i}$

其中，V_{dcref_avr}是直流母线电压估计值，即平均值；N为双向变换器台数；V_dci为第i台双向 变换器的直流母线电压；k_i为考虑第i台双向变换器功率等因素的加权系数，对于N台配置一样 的双向变换器并联系统，k_i值为1。

本发明的有益效果为：

1、相比于孤岛运行混合微网双向变换器传统控制策略，该控制策略在保障混合微网扩展 性的基础上，可以避免系统控制器通信失败后无法保证混合微网独立控制直流电压基准的问 题；

2、相比于孤岛运行混合微网双向变换器传统控制策略，该控制策略可以稳定直流母线电 压，保证直流微源及负载的正常运行；

3、相比于孤岛运行混合微网双向变换器传统控制策略，该控制策略增加了局部电网的供 电可靠性，对混合微网的研究具有重要的理论和应用价值；

4、相比于混合微网双向变换器传统分层控制策略，该控制策略不增加硬件成本，但具有 如上优势，且应用前景广阔。

附图说明

图1为混合微网并联双向变换器系统结构图；

图2为混合微网并联双向变换器孤岛运行传统集中控制框图；

图3为混合微网并联双向变换器孤岛运行分散控制框图；

图4为混合微网并联双向变换器孤岛运行传统分层控制框图；

图5为本发明方法的控制框图；

图6为采用传统集中控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形图；

图7为采用分散控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形图；

图8(a)为1/500秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；

图8(b)为1/500秒通信延迟下采用本发明控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；

图9(a)为1/100秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；

图9(b)为1/100秒通信延迟下分别采用本发明控制的并联双向变换器直流侧电压及电流 波形图；

图10(a)为1/10秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；

图10(b)为1/10秒通信延迟下采用本发明控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；

图11为采用本发明方法的混合微网系统中第i台并联双向变换器控制电路图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为混合微网并联双向变换器系统结构图，双向变换器主电路为两电平DC/AC变换器， 直流侧电容连接各项桥臂的两个IGBT管的一端，滤波器为LCL滤波器。直流侧与公共直流负 载相并联，交流输出端与电网相连。相同拓扑结构的N台双向变换器的直流侧并联在一起， 滤波器交流输出端并联在一起。N台双向变换器可同时向公共直流负载1和公共直流负载2提 供功率。

信号调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信 号。AD转换器的采样与转换由DSP进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信 号的处理以及SPWM控制、PWM产生均由DSP实现，最终生成的PWM信号送给驱动电路 去控制IGBT管的开通与关断。

图2为混合微网并联双向变换器孤岛运行传统集中控制框图，上位机能量管理系统接收 并处理系统信息，得出各个双向变换器的直流电压参考值。每个双向变换器均包含有直流电 压闭环控制和交流电流闭环控制，直流电压外环采用PI控制器，用于稳定直流电压，交流电 流内环采用基于dq坐标系的闭环控制器，采用PI控制器实时跟踪给定值，控制变换器输出功 率恒定。采用该方法一旦上位机与双向变换器本地控制器通信发生故障，双向变换器无法及 时接收参考信号，输出功率将无法实现平均分配，严重时系统崩溃。

图3为混合微网并联双向变换器孤岛运行分散控制框图，每台双向变换器均包含一个直流 电压下垂控制器和一个直流电压外环、交流电流内环的闭环控制，下垂控制器采集直流电压 和直流功率信号，经过下垂控制器输出一个直流电压偏差值，送到直流电压外环，作为参考 电压，直流电压外环采用PI控制器，用于稳定直流电压，交流电流内环采用基于dq坐标系的 闭环控制器，采用PI控制器实时跟踪给定值，控制变换器输出功率跟踪给定值。采用该方法， 虽然可以避免上述集中控制的缺陷，但是由于采用下垂控制器，双向变换器直流母线电压会 因为突加负载导致跌落，低于直流母线额定参考值，危害系统运行。

图4为混合微网并联双向变换器孤岛运行传统分层控制框图，包含有两层控制结构，其中 每台双向变换器均包含有第一层控制，第二层控制则属于集中控制，通过低带宽通信与第一 层交换信息。第一层具体又包含有下垂控制、直流电压外环和交流电流内环的闭环控制，具 体控制方法和分散控制一致。第二层为电压二次控制，通过实时检测直流母线电压，与参考 值的误差经过PI控制器输出一个直流电压校正值，送到每台双向变换器的直流电压外环，作 为参考电压的修正量，用来消除由下垂控制产生的直流母线电压偏差，使直流母线稳定在额 定电压值。采用该方法虽然可以采用电压二次控制保证系统直流母线电压质量，且第一层控 制可以保证系统在上层控制通信失败时依然能自治运行，但是此时系统直流母线电压将产生 跌落，没有从根本上解决上层集中控制对于通信的依赖问题。

图5为本发明混合微网并联双向变换器孤岛运行分布式分层方法的控制框图，包含有三层 控制结构，其中每台双向变换器均包含有第一层控制和第二层控制，第三层控制则属于信息 交换层，通过低带宽通信与第二层交换信息。第一层包含有下垂控制、直流电压外环和交流 电流内环的闭环控制，具体控制方法和分散控制一致。第二层为电压二次控制，通过实时检 测本地变换器直流母线电压，与参考值的误差经过PI控制器输出一个直流电压校正值，送到 直流电压外环，作为参考电压的修正量，用来消除由下垂控制产生的直流母线电压偏差，使 直流母线稳定在额定电压值。第三层通过接收每台双向变换器直流母线电压，经过直流母线 电压估计，求出直流母线电压的实时平均值，通过低带宽通信送至第二层控制，作为电压二 次控制器的参考电压值。

直流母线电压估计公式为：

$V_{\mathrm{dcref}\_\mathrm{avr}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_i{V}_{\mathrm{dci}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_i}$

其中，V_{dcref_avr}是直流母线电压估计值，即平均值；N为双向变换器台数；V_dci为第i台双向 变换器的直流母线电压；k_i为考虑第i台双向变换器功率等因素的加权系数，对于N台配置一样 的双向变换器并联系统，k_i值为1。

不失一般性，同时考虑双向变换器并联最小系统，以下波形均为考虑两台相同配置双向 变换器并联运行所得。开关频率，及闭环控制器参数均一致，直流额定参考电压700伏，总运 行时间1.6秒，在0.8秒突加负载。波形图从上到下依次是第一台双向变换器直流侧电压，第二 台双向变换器直流侧电压，第一台双向变换器直流侧电流，第二台双向变换器直流侧电流。

图6为采用传统集中控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形图。可以看出，双向变 换器并联系统在0-0.8s时基本稳定在直流电压参考值700伏，0.8秒时刻突加负载，系统电压短 暂跌落，经过0.1秒调整，直流侧电压恢复到参考电压700伏，电流恢复稳定。

图7为采用分散控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形图。可以看出，双向变换器 并联系统在0-0.8秒时空载运行，基本稳定在直流电压参考值700伏，0.8秒时刻突加负载，系 统电压短暂大幅跌落，经过0.1秒调整，直流侧电压、电流恢复稳定，由于下垂控制器作用， 直流母线电压产生偏差，低于参考值，稳定在695伏左右。

图8(a)为1/500秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图。可以看出，双向变换器并联系统在0-0.8秒时空载运行，经过电压二次控制调整，稳定在 直流电压参考值700伏，0.8秒时刻突加负载，系统电压短暂大幅跌落，经过0.1秒调整，直流 侧电压、电流恢复稳定，由于二次控制器校正作用，补偿了因下垂控制器调节直流母线电压 产生的偏差，使得直流母线电压重新稳定在参考值。

为模拟工业应用中实际通信情况，假设双向变换器并联系统的通信延迟分别为1/500、 1/100、1/10秒。其中1/10秒延迟等效为通信故障。

图8(b)为1/500秒通信延迟下采用本发明控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图；可以看出，双向变换器并联系统在0-0.8秒时空载运行，经过分布式电压二次控制调整， 稳定在直流电压参考值700伏，0.8秒时刻突加负载，系统电压短暂大幅跌落，经过0.1秒调整， 直流侧电压、电流恢复稳定，由于分布式二次控制器校正作用，补偿了因下垂控制器调节直 流母线电压产生的偏差，使得直流母线电压重新稳定在参考值。在1/500秒通信延迟下分布式 分层控制可以实现与传统分层控制同样的控制效果。

图9(a)为1/100秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图。可以看出，双向变换器在1/100秒延迟下，直流电压波形纹波增大，控制效果较1/500延迟 下稍差，但仍可以稳定运行。图9(b)为1/100秒通信延迟下分别采用本发明控制的并联双向变 换器直流侧电压及电流波形图。可以看出，在1/100秒通信延迟下分布式分层控制可以实现与 传统分层控制同样的控制效果。

图10(a)为1/10秒通信延迟下采用传统分层控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形 图。可以看出，双向变换器在1/10秒延迟下直流电流波形发散、不可控，系统已无法稳定运 行。图10(b)为1/10秒通信延迟下采用本发明控制的并联双向变换器直流侧电压及电流波形图。 可以看出，在1/10秒通信延迟下分布式分层控制仍可以稳定直流母线电压，保证直流电流稳 定输出，实现较好控制效果。

图11为采用本发明方法的混合微网系统中第i台并联双向变换器控制电路图。控制电路包 括保护电路、驱动电路和采样调理电路，采样调理电路包括直流电压V_dci、直流电流I_dci、滤 波器输出的三相电压v_ai、v_bi、v_ci以及滤波器输出的三相电流i_ai、i_bi、i_ci，信号调理电路和控制 电压具有过/欠压保护和过流保护；驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

因此，采用本发明方法可以实现多台双向变换器孤岛运行时的分布式控制，理论上可以 克服传统分层控制策略在上层中央控制器通信失败时导致的混合微网不可控问题。相比于混 合微网双向变换器传统控制策略，该控制策略在保障混合微网扩展性的基础上，可以避免系 统控制器通信失败后无法进行孤岛运行的混合微网母线电压分布式控制的问题，保障了混 合微网的可控性，增加了局部电网的供电可靠性，对混合微网的研究具有重要的理论和应用 价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。