适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法
阅读说明：本技术 适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法 (Bidirectional interface converter optimization control method suitable for alternating current-direct current series-parallel micro-grid ) 是由 高飞 郑启鹏 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：一种适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法,包括步骤：在交直流混联微电网系统中的交流子网和直流子网中分别实施下垂控制,利用通讯网络将直流子网的等效频率值发送到双向接口变换器的控制器中；通过锁相环测量的交流母线频率和控制器接收到的直流子网的等效频率,归一化计算后确定双向接口变换器传输功率的参考值；进行双向接口变换器的电流控制,最终实现交直流混联微电网的双向功率协调控制。本发明相较于利用直流侧母线电压作为双向接口变换器控制输入量的传统控制方法具有更高的双向接口变换器功率传输上限,在相同的系统参数下具有更优的系统稳定性,并且能够有效抑制由于直流线路阻抗带来的稳态环流现象。(A bidirectional interface converter optimization control method suitable for an alternating current-direct current series-parallel micro-grid comprises the following steps: respectively implementing droop control in an alternating current sub-network and a direct current sub-network in the alternating current-direct current hybrid micro-grid system, and transmitting the equivalent frequency value of the direct current sub-network to a controller of a bidirectional interface converter by using a communication network; determining a reference value of transmission power of the bidirectional interface converter after normalization calculation through alternating current bus frequency measured by the phase-locked loop and equivalent frequency of a direct current sub-network received by the controller; and carrying out current control on the bidirectional interface converter, and finally realizing bidirectional power coordination control of the alternating current-direct current series-parallel micro-grid. Compared with the traditional control method which utilizes the direct-current side bus voltage as the control input quantity of the bidirectional interface converter, the bidirectional interface converter has higher power transmission upper limit, has better system stability under the same system parameters, and can effectively inhibit the steady-state circulating current phenomenon caused by the impedance of a direct-current line.)
技术领域
本发明属于微电网运行控制，特别是一种适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法。
背景技术
微电网内包含了多种分布式电源、储能、负荷、能量转换装置以及相关监测、控制系统，可看作一个多种能源形式相互依存、多种运行功能相互影响的复杂动力系统。在实际工程中，一方面，交流设备仍然是目前电网中用电负载的主要形式，交流微电网借助与电网接口相融的天然优势发展起步早，其运行与控制技术已经趋于成熟；另一方面，大量电动汽车、直流照明等直流用电设备广泛使用，直流微电网具有系统效率高、供电电能质量高等优势，成为了未来微电网的重要发展方向。交直流源、交直流母线与交直流负载共存的复杂微电网结构在未来将长时期存在，称为交直流混联微电网。相较于纯直流微电网或者交流微电网，交直流混联微电网中同时包含直流母线与交流母线，各分布式电源、负载等可以直接连到相应的母线上，减少了电力电子变换器的数量，提高了系统的传输效率；系统可以同时连接多种类型的分布式电源如分布式光伏发电和分布式风力发电等，增强了系统的供电可靠性；系统同时保留了交流微电网和直流微电网各自的原有优势。
典型的交直流混联微电网系统由直流子网、交流子网以及双向接口变换器组成，根据每个瞬间所需的功率方向，双向接口变换器可以充当整流器或者逆变器，其主要的运行目标是对交直流混合微电网中不同子网的能量进行管理。一般而言，交直流混联微电网系统有并网运行模式或者孤岛运行模式，在并网模式下，由于主电网具有类似无限大功率的恒压源，因此双向接口变换器可以直接从电网中吸收能量向微电网系统供电，其能量管理相对简单；而在孤岛模式下，双向接口变换器需要实时调整自身的传输功率以平衡交流子网与直流子网中的负载功率。在孤岛模式下，归一化自治控制是双向接口变换器的传统控制方法，直流子网的母线电压与直流子网中等效分布式电源的输出功率呈下垂关系，交流子网的母线频率与交流子网中等效分布式电源的输出功率呈下垂关系；双向接口变换器通过测量直流端的母线电压以及交流端的母线频率，通过归一化计算后能够确定双向接口变换器传输功率的参考值，再根据传输功率参考值确定双向接口变换器的电流参考值，最终实现交直流混联微电网的能量协调控制。上述传统归一化自治控制方法的稳定裕度较小，并且直流线路阻抗的存在会导致双向接口变换器测量到的母线电压与实际的直流子网的母线电压存在偏差，使得在多个双向接口变换器并联系统中可能会产生稳态环流现象。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法。该方法在双向接口变换器的传统控制方法基础上，对直流侧的下垂控制量进行了改进：在直流子网中产生一个等效频率，该直流等效频率与直流子网中分布式电源的输出功率呈下垂关系，利用通讯将直流等效频率值发送到双向接口变换器的控制器中，替代传统控制方法中的直流电压值。该双向接口变换器的优化控制方法相较于传统方法具有更优的稳定裕度，并且该直流等效频率不受直流线路阻抗影响，能够有效抑制多个双向接口变换器并联系统中产生的稳态环流现象，改善交直流混联微电网系统中的功率协调分配。
本发明的技术解决方案如下：
2、一种适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)所述的交直流混联微电网系统由直流子网、交流子网和双向接口变换器组成，双向接口变换器的直流端与直流子网的直流母线相连，双向接口变换器的交流端与交流子网的交流母线相连，在直流子网与双向接口变换器之间构建通讯网络，在交直流混联微电网系统的交流子网和直流子网分别实施下垂控制：
1.1)交流子网中f-P下垂控制，双向接口变换器中的锁相环测量的交流母线频率由交流子网中分布式电源控制，其随着分布式电源输出功率的增大而下降，如下式所示：
fac＝fmax-KacPac
式中，fac为交流母线的频率，fmax为交流母线频率的最大值，Pac为交流子网中分布式电源的输出功率，Kac为交流子网的下垂系数；
1.2)直流子网中f-P下垂控制，使直流子网中的等效频率值随着交流母线频率随着分布式电源输出功率的增大而下降，如下式所示：
fdc＝fmax-KdcPdc
式中，fdc为直流子网中的等效频率，Pdc为直流子网中分布式电源的输出功率，Kdc为直流子网的下垂系数，
将计算得到直流子网的等效频率值fdc通过所述的通讯网络发送到所述的双向接口变换器的控制器中；
2)所述的双向接口变换器的控制器根据通过锁相环测量的交流母线频率和控制器接收到的直流子网的等效频率，进行下列归一化计算，以确定双向接口变换器传输功率的参考值：
2.1)对交流母线的频率与直流子网中的等效频率按下式进行归一化计算，得到交流母线频率与直流子网的直流等效频率的归一化计算值：
式中，fac,pu、fdc,pu分别为交流母线频率与直流等效频率的归一化计算值；
2.2)根据所述的交流母线频率fac,pu与直流等效频率fdc,pu的归一化计算值按下式确定所述的双向接口变换器的传输功率参考值Pref：
Pref＝KBIC(fdc,pu-fac,pu)
式中，Pref为双向接口变换器的传输功率参考值，假设功率从直流子网注入交流子网为正；KBIC为双向接口变换器的功率系数；
3)所述的双向接口变换器将所述的双向接口变换器传输功率的参考值Pref，根据Park变换理论按下式确定为双向接口变换器d轴电流参考值：
式中，idref为双向接口变换器的电流控制器中d轴电流参考值，Ud为交流母线电压的d轴分量；
4)所述的双向接口变换器根据d轴电流参考值idref进行电流控制，最终实现交直流混联微电网系统的双向功率协调控制。
如果交流子网的负载功率大于直流子网的负载功率，则稳态时双向接口变换器的传输功率大于零，说明双向接口变换器从直流子网中吸收能量注入到交流子网中以减小交流子网中分布式电源的负担；同理当直流子网的负载功率大于交流子网的负载功率，则稳态时双向接口变换器传输功率小于零，说明双向接口变换器从交流子网中吸收能量注入到直流子网中。无论交流子网和直流子网的负载功率情况如何，双向接口变换器始终能够确保从负载较轻的一侧吸收功率注入到负载较重的一侧，以实现交流子网与直流子网之间的功率协调控制。对于交直流混联微电网系统运行来说，总是希望能够使得交流子网与直流子网中分布式电源的功率输出尽可能相同，以确保两者不会长时间运行在过载工况下，提高系统的寿命与效率。为了达到这一目的，需要双向接口变换器的功率系数KBIC尽可能地大，以传输更高的功率平衡交流子网与直流子网的负载功率，然而随着功率系数的增大交直流混联微电网系统可能会由稳定变成不稳定状态，因此稳定性的制约限制了双向接口变换器传输功率的上限。本发明提出的双向接口变换器优化控制方法相较于传统控制方法能够提高双向接口变换器的功率系数上限，从而提高双向接口变换器的传输功率上限，改善系统的稳定性能。
在交直流混联微电网中，为了确保一台双向接口变换器故障时系统仍然能够进行功率协调，往往将多台双向接口变换器并联运行以提高系统的可靠性，每台双向接口变换器的功率系数应当与各自的功率等级成比例，功率等级高的双向接口变换器应当具有更大的功率系数以承担更大的传输功率。本发明提出的双向接口变换器优化控制方法能够推广到多台双向接口变换器并联的应用场景，每台双向接口变换器的传输功率参考值可以表达为下式：
Pref,k＝KBIC,k(fdc,pu-fac,pu)
式中Pref,k为系统中第k台双向接口变换器的传输功率参考值，假设功率从直流子网注入交流子网为正；KBIC,k为系统中第k台双向接口变换器的功率系数。由于系统中每台双向接口变换器均采用交流母线频率和直流等效频率作为输入控制量，而这两个下垂控制量对于每台双向接口变换器来说都是相等的，因此每台双向接口变换器的传输功率与各自的功率系数KBIC,k成正比，能够有效抑制由直流线路阻抗带来的稳态环流。
附图说明
图1为本发明实施例中的交直流混联微电网示意图。
图2为本发明实施例中的交流子网电压源的控制框图。
图3为本发明实施例中的直流子网电压源的控制框图。
图4为本发明双向接口变换器优化控制方法的流程框图。
图5为本发明实施例中的双向接口变换器的控制框图。
图6为本发明实施例中的时域仿真的接口变换器传输功率波形图。
图7为本发明实施例中的时域仿真的多接口变换器并联系统传输功率波形图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
本发明实施例中考虑的交直流混联微电网如图1所示，直流子网中用BOOST升压电路1作为等效分布式电源，所述的BOOST升压电路1输出端与直流负载2并联到直流母线上；交流子网中用一个逆变器3作为等效分布式电源，所述的逆变器3的输出端经过LC滤波器4与交流负载5并联到交流母线上；直流母线与交流母线之间通过双向接口变换器6互连，将DC/AC变流器作为双向接口变换器，其交流端经过滤波电感7后与交流母线相连。
本发明优化控制方法并不局限于实施例中的交直流混联微电网结构，对于一般的交直流混联微电网仍具有适用性。实际的交直流混联微电网结构相较于实施例可能更为复杂，如会同时包括多个直流子网以及交流子网，而每个子网都会有相应的直流母线以及交流母线。技术人员只需要在直流母线和交流母线之间安装双向接口变换器，并且按照所述的方法在直流子网和交流子网中实施下垂控制，并在直流子网与双向接口变换器之间构建通讯网络，整个交直流混联微电网便能够通过双向接口变换器的优化控制方法实现不同直流子网与交流子网之间的双向功率协调控制，从而优化改善交直流混联微电网的能量管理。本实施例考虑的交直流混联微电网结构具有通用性、典型性，对于具体的交直流混联微电网有相当的借鉴意义。
为了保证交流母线频率与交流子网中分布式电源输出功率满足下垂关系，交流子网中逆变器采用d-q坐标系下电压电流双闭环前馈解耦控制方法，控制框图如图2所示，可表示为：
式中，Udref、Ud、Uqref、Uq分别为交流母线电压参考值与实际值的d轴与q轴分量；s是拉普拉斯算子；iod、ioq表示交流子网中逆变器输出电流的dq轴分量；Kpacv、Kiacv分别为电压外环PI控制器中的比例系数与积分系数；idref、iqref分别为d轴与q轴电压外环PI控制器的输出量，作为电流内环的参考值；Kpaci、Kiaci分别为电流内环PI控制器中的比例系数与积分系数；Uds,ac、Uqs,ac分别为d轴与q轴电流内环PI控制器的输出量，即为逆变器的输出电压，经过Park逆变换和比例环节后作为PWM调制模块的三相输入信号，控制开关管的开通与关断。
交流子网中频率与输出的有功功率满足下垂关系式：
为了实现直流子网中的电压母线稳定，BOOST电路采用电压电流双闭环控制方法，控制框图如图3所示，可表示为：
式中，Kiv、Kpv分别为电压外环PI控制器的积分系数与比例系数，Kii、Kpi分别为电流内环PI控制器的积分系数与比例系数；Vref、vdc分别为直流母线电压的参考值和实际值；iLref、iL分别为内环电流参考值和流过电感的实际值；d为占空比信号。
根据下垂关系计算直流子网中等效频率值，如下式：
fdc＝fmax-KdcPdc＝fmax-Kdciovdc
式中io为BOOST电路的输出电流。
双向接口变换器作为连接交流子网与直流子网的桥梁，需要根据交流子网和直流子网的负载功率情况确定自身的传输功率参考值，双向接口变换器的工作原理如图4所示。双向接口变换器的控制器通过锁相环模块测量交流母线的频率，并接收直流等效频率值，经过归一化计算得到上述两个频率量的归一化值。再根据交流母线频率和直流等效频率的归一化值得到双向接口变换器的传输功率参考值，如下式：
Pref＝KBIC(fdc,pu-fac,pu)
根据Park变换理论，按下式计算d轴电流的参考值：
将得到的d轴电流参考值输入电流控制器，实现双向接口变换器的电流控制，电流控制器的控制框图如图5所示，可用下式表示：
式中，idref,ic、id,ic、iqref,ic、iq,ic分别为电流环d轴与q轴的电流参考值和实际值；Kp,ic、Ki,ic分别为电流环PI控制器中的比例系数与积分系数；Uds,ic、Uqs,ic分别接口变换器输出电压的d轴、q轴分量，经过Park逆变换和比例环节后作为PWM调制模块的三相输入信号，控制开关管的开通与关断。
下面详细介绍本发明实施例。
实施例中的直流子网的额定电压为400V，分布式电源最大输出功率为4kW；交流子网的额定电压幅值200V，额定频率50Hz，频率最大值与最小值分别为50.5Hz与49.5Hz，分布式电源最大输出功率为4kW。交流负载功率为2.4kW，直流负载功率为3.6kW，双向接口变换器为了平衡交流子网与直流子网的负载功率，应当承担两子网负载功率差的一半即0.6kW的传输功率。为了对比传统控制方法与本发明提出的优化控制方法，在仿真中不断增大双向接口变换器的功率系数，从而比较判断两种方法的稳定性优劣。
实施例的时域仿真结果见图6，图6(a)为双向接口变换器在传统控制方法下的传输功率时域波形图，图6(b)为双向接口变换器在优化控制方法下的传输功率时域波形图。从图6(a)可以看到，传统控制方法在功率系数增大到4000时双向接口变换器的传输功率波形发生振荡，系统进入不稳定状态；而图6(b)中，在优化控制下当双向接口变换器的功率系数增大到7000左右系统进入不稳定状态，其稳定性相较于传统控制方法有了明显的提升。从图6中可以看到，双向接口变换器的传输功率为负值，这说明双向接口变换器从交流子网中吸收功率注入到直流子网中，实现了交流子网与直流子网的功率协调控制。
为了说明直流线路阻抗对传统控制方法的影响，本发明实例可以推广到多个双向接口变换器并联的系统中，本发明实例中考虑两台双向接口变换器并联的情况，两台双向接口变换器的功率系数分别为1000和2000。在发明实例中的直流线路上加入线路阻抗，在0～0.3s时采用传统控制方法，在0.3s后采用优化控制方法，仿真时长共0.6s。
实施例的时域仿真结果见图7，在0～0.3s期间采用传统控制方法，由于直流线路阻抗的存在，导致两台双向接口变换器测量到的直流端口电压值并不相同，从而两台双向接口变换器的传输功率方向相反，表明在两台双向接口变换器中存在稳态环流现象；当0.3s以后，双向接口变换器采用本发明提出的优化控制方法，两台双向接口变换器控制器获得的两个下垂控制量均相等，从而使得两台双向接口变换器的传输功率与各自的功率系数成正比，从理论上有效抑制了稳态环流的产生。
由本实施例可以看出，本发明提出的适用于交直流混联微电网的双向接口变换器优化控制方法用直流等效频率取代了传统控制方法中的直流母线电压，能够有效地提升系统的稳定性，提高双向接口变换器的传输功率上限值，在多台双向接口变换器并联系统中能够有效抑制由于直流线路阻抗带来的稳态环流现象，改善交直流混联微电网系统的功率协调控制效果。
尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。