CN105071393A - 一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，在并网状态下AC/DC潮流控制器调节直流母线电压，将并网模式下直流母线电压以设定电压值U_dc为基准分为逆变模式、空闲模式和整流模式三个区间段，三种模式对应的电压区间分别是[U_dc-ref01，U_dc-ref02]、[U_dc-ref011，U_dc-ref01]、[U_dc-ref022，U_dc-ref011]；按照下垂控制特性控制，逆变模式调节直流母线电压下降，空闲模式对直流母线电压不调节，整流模式调节直流母线电压升高。离网状态下，直流母线电压的控制由连接储能设备的多个DC/DC控制器来进行自主偏差稳定控制。本发明避免了直流母线电压一有波动就调节的频繁充放电，增加了系统的稳定性，延长了AC/DC潮流控制器的使用寿命。

Description

一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种适用于交直流混合微电网直流母线电压自主偏差稳定控制的方法。

背景技术

单一的直流微电网或者交流微电网都难以满足各种负荷的高效用电需求，从而产生了将交流微电网和直流微电网集成的交直流混合微电网。采用交直流混合的供电模式更有利于整合各种分布式发电，形成若干交直流混合微电网与大电网协调工作的局面，也是目前解决高密度分布式能源接入并提高其能量利用效率的最有效途径之一。但是交直流混合微电网的系统结构较复杂，控制目标较多，增加了系统稳定运行和协调控制的难度和复杂性，特别是交直流混合微电网的直流母线电压稳定控制问题是一个难点之一。

现有技术中有提出用电压双闭环控制算法来实现对直流母线电压控制的方法，在这种情况下如果针对直流母线电压波动就调节，就会使得AC/DC潮流控制器充放电频繁增加系统的不稳定性。

因此，亟需一种方案用来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，用以解决现有技术中控制直流母线电压调节时充放电频繁增加系统不稳定性的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，交直流混合微电网系统包括子直流微电网和子交流微电网，子直流微电网包括直流母线，直流母线通过AC/DC潮流控制器连接到子交流微电网的交流母线上；在并网运行状态下所述子直流微电网直流母线电压的控制方法如下：

AC/DC潮流控制器控制调节直流母线电压，将并网模式下直流母线电压以设定电压值U_dc为基准分为逆变模式、空闲模式和整流模式三个区间段，其中逆变模式的电压区间范围是[U_dc-ref01，U_dc-ref02]，空闲模式的电压区间范围是[U_dc-ref011，U_dc-ref01],整流模式的电压区间范围是[U_dc-ref022，U_dc-ref011]；按照下垂控制特性控制，逆变模式调节直流母线电压下降，空闲模式对直流母线电压不调节，整流模式调节直流母线电压升高。

具体的，AC/DC潮流控制器的一种下垂控制特性如下：

进一步的，当交直流混合微电网处于离网状态时，DC/DC控制器控制调节直流母线电压：当直流母线电压处于区间[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}]时，电压控制主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC变换器；当直流母线电压处于区间[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}]或[V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}]时，电压控制主导权自动过渡到接入超级电容的DC/DC变换器；其中V_{dc_ref}为DC/AC潮流控制器的稳定电压设定值。

本发明提供的一种适用于交直流混合微电网直流母线电压控制的方法，通过在并网模式下增加了空闲模式，使得直流母线电压在偏离设定值一定范围后才开始调节，避免了直流母线电压一有波动就调节的频繁充放电，增加了系统的稳定性，延长了AC/DC潮流控制器的使用寿命。

同时系统采用两级式的母线电压控制方法，有利于电力电子装置的上期运行，提高了效率。

附图说明

图1是直流母线电压控制流程图；

图2是并网模式下AC/DC稳定直流母线电压下垂特性；

图3是交直流混合微电网拓扑结构图；

图4是两级式DC/DC与DC/AC潮流控制器接入系统结构图；

图5是并网状态下直流母线电压自主控制逻辑图；

图6是交直流混合微电网离网状态下直流母线电压自主控制结构图；

图7是偏差控制转恒功率环直流母线电压自主控制试验波形；

图8是空载离网转并网切换直流母线电压自主控制波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本发明针对交直流混合微电网中，两级式潮流变换器实时监测直流母线电压，自动进行充放电逻辑状态转换。

下面重点对并网模式下AC/DC潮流控制器对直流母线电压的自主调节做出详细说明：

如图1所示，本发明为了避免AC/DC潮流控制器频繁的充放电，关于直流母线电压的下垂特性，设计了一个空闲模式，当直流母线电压在U_dc-ref011≤U_dc≤U_dc-ref01时，AC/DC潮流控制器处于逆变模式，以将直流母线系统中多余功率送到交流系统中；当电压在U_dc-ref011≤U_dc≤U_dc-ref01时，AC/DC潮流控制器处于空闲模式，不充不放；当电压处于U_dc-ref022≤U_dc≤U_dc-ref011时，AC/DC潮流控制器自行进行整流模式以弥补直流母线电压功率缺额。并网模式下直流母线电压的AC/DC潮流控制器下垂控制特性可以具体表示如下：

关于逆变模式和整流模式，本实施例中，采用上面的下垂特性公式，作为其他实施方式，也可以采用其他类型的下垂特性公式，比如现有技术中的各种下垂特性。

如图2所示，交直流混合微电网主要由子直流微电网和子交流微电网两部分组成，其中子直流微电网包括直流母线、连接到直流母线上的模拟负载、电动汽车充换电站、以及分别通过一个DC/DC控制器连接到直流母线的蓄电池和超级电容，直流母线通过AC/DC潮流控制器连接到子交流微电网的交流母线上。子交流微电网由交流母线，连接到交流母线上的模拟负载、燃气轮机、风机、负载、模拟电网组成，交流母线与大电网之间设有一个用于切换混合微电网与大电网连接的PCC点。

如图3所示，给出了DC/DC电流变换器以及AC/DC潮流变换器接入混合微电网系统的结构原理图。超级电容和蓄电池分别连接到一个DC/DC控制器上，然后并联到直流母线上，直流母线的正负之间并有一个电容器，采集电容器两端的电压U_dc和直流母线上的电流i_dc；进而直流母线连接到AC/DC潮流控制器上，AC/DC潮流控制器连接到交流母线上进而通过三相变压器和PCC点连接到大电网。

首先将采集到的直流母线电压首先送入

判定AC/DC潮流控制器应该处于逆变模式、空闲模式或者是整流模式，将判定完成后计算的功率P_{dc_ref}进行变换得到设定电流值i_{dc_ref}，设定电流值i_{dc_ref}与直流母线电流i_dc共同送入比例调节器得到大电网电流设定值i_{d_ref}，将大电网电流设定值和从大电网反馈回来后经过DQ变换的电流值i_d共同送入比例积分调节器，将得到的值进行abc/dq变换，将得到的值变换成SVPWM信号，进而调控AC/DC潮流控制器。

具体的来说，如图4所示，在交直流混合微电网并网模式下，直流母线电压的控制权由AC/DC来进行稳定控制，此时铅酸蓄电池以及超级电容的DC/DC变流器的直流电压环处于饱和状态，功率控制环开放。

当直流微电网内部功率供大于求时，即DC/DC处于充电模式下，这会导致直流母线电压的电压值上升。当直流母线系统功率波动超过一定范围时，直流母线电压超过稳定值V_{dc_ref}时，此时AC/DC潮流变换器经PI控制环输出为I_{d_ref}，此值电流内环以及DQ变换，最终产生SVPWM信号送入到AC/DC潮流控制器，使得AC/DC潮流控制器处于逆变模式，将多余电能逆变到交流侧，当直流母线电压重新回到V_{dc_ref}时，AC/DC停止工作。

当DC/DC处于放电模式，直流母线内部功率供不应求时，直流母线电压下降，当低于V_{dc_ref011}时，此时经过AC/DC电压环的PI控制输出为I_{d_ref},此值经过电流内环以及DQ变换，最终产生SVPWM信号送入到AC/DC潮流控制器，使得AC/DC潮流控制器处于整流模式，使得交流侧输出电流对直流母线电压进行充电，当直流母线电压回到V_{dc_ref}时，AC/DC停止工作。

交直流混合微电网中对直流母线电压的调节还包括离网模式。本实施例中，离网模式可以采用现有技术中的控制策略。

实施例2

本实施例中，关于并网时的控制模式，与实施例1中的并网模式相同。不同仅在于离网时的控制模式。下面具体进行说明。

如图5所示，具体过程如下：首先检查交直流混合微电网是否处于并网运行状态，如果交直流混合微电网处于并网运行状态，则AC/DC潮流控制器起作用，将直流母线电压稳定为电压设定值U_{dc_ref}；此时DC/DC控制器的直流电压环因为PI调节器中积分项影响，处于饱和状态，对直流母线电压稳定调节不起作用；如果交直流混合微电网处于脱网运行状态，则此时查看直流微电网中的DC/DC控制器是否处于充电状态；如果DC/DC控制器没有处于充电状态，且此时直流母线电压低于V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}，指令为V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压控制主导权自动过渡到蓄电池的DC/DC控制器，如果直流母线电压继续降低到低于V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}的值，则指令为V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压控制主导权自动过渡到超级电容的DC/DC控制器；如果DC/DC控制器处于充电状态，且此时直流母线电压超出V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}的值，则此时直流为V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压控制主导权自动过渡到蓄电池的DC/DC控制器；如果此时直流母线电压继续升高到超出V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}的值，则此时指令为V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}的控制环退出饱和，电压控制主导权自动过渡到超级电容的DC/DC控制器。上述实施例1对并网模式下直流母线电压的调节已经做出了详细的说明，下面主要详细解释离网模式下直流母线电压的调节：

交直流混合微电网中直流母线一侧接AC/DC，另一侧接铅酸蓄电池DC/DC，超级电容DC/DC以及直流负荷。

如图6所示，在交直流混合微电网与大电网PCC点断开后，直流母线电压的控制权从AC/DC潮流控制器转到DC/DC控制器来控制，设铅酸蓄电池DC/DC控制的直流母线电压稳定值区间为[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}]，超级电容DC/DC控制的直流母线电压稳定值区间为[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}]，并且ΔV_{dc_ref1}<ΔV_{dc_ref2}且-ΔV_{dc_ref2}<-ΔV_{dc_ref1}。

当DC/DC控制器处于充电模式，即直流母线系统中有剩余功率时，直流母线电压就会逐步提升，则此时指令为V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC控制器控制；当给铅酸蓄电池侧充电的端电压达到最大值，此时直流母线电压超过铅酸蓄电池DC/DC控制器稳定的电压上线值V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，铅酸蓄电池DC/DC控制就转为恒压限流充电模式，不再稳定直流母线电压，直流母线电压继续上升，超级电容DC/DC控制器的直流电压环此时退出饱和，进行稳定直流母线电压；当DC/DC都处于放电模式，则直流电压降低，指令为V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}的控制环退出饱和，电压主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC控制器控制；当电压下降到V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}以下时，直流母线的稳定控制自动转到超级电容所接DC-DC来稳定。这样就实现了离网模式下的直流母线电压的自主电压稳定控制。

关于离网模式和并网模式的判断，属于现有技术，故在此不再赘述。

下面是对本发明所提供交直流混合微电网直流母线电压控制方法的具体验证：

如图7所示，首先是对DC/AC潮流控制器稳定电压的电压值进行设定，在此设定该稳定电压值为700V，则铅酸蓄电池DC/DC控制器的稳定电压设定值V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}为730V，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}为670V，超级电容DC/DC控制器的稳定电压设定值V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}为760V，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}为640V。

当电网处于并网模式时，DC/AC潮流控制器将直流母线电压调控在稳定电压700V。但在交直流混合微电网从并网模式转换成离网模式时，DC/DC控制器恒功率放电1KW，则AC/DC潮流控制器停机不工作，此时铅酸蓄电池DC/DC控制器的偏差电压环起调节作用，功率环进入饱和状态，直流母线电压稳定在730V。在实验波形中的a点，交直流混合微电网从离网转换成并网状态，此时DC/AC潮流控制器启动，夺回对直流母线电压的控制权，重新将直流母线电压调节成700V；而DC/DC潮流控制器偏差电压环饱和，功率环逐渐退出饱和，且放电1KW。

如图8所示，当初始状态即为离网模式时，此时直流母线电压由铅酸蓄电池的DC/DC控制器稳定在670V，当AC/DC潮流控制器接收到并网指令时，闭合PCC开关，在从离网转并网的过程中，DC/DC电压环饱和，功率环退出饱和，DC/AC潮流控制器逐步夺回直流母线电压的控制权，将母线电压稳定在700V，系统切换至并网运行模式。

以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，交直流混合微电网系统包括子直流微电网和子交流微电网，子直流微电网包括直流母线，直流母线通过AC/DC潮流控制器连接到子交流微电网的交流母线上；其特征在于，在并网运行状态下所述子直流微电网直流母线电压的控制方法如下：

AC/DC潮流控制器控制调节直流母线电压，将并网模式下直流母线电压以设定电压值U_dc为基准分为逆变模式、空闲模式和整流模式三个区间段，其中逆变模式的电压区间范围是[U_dc-ref01，U_dc-ref02]，空闲模式的电压区间范围是[U_dc-ref011，U_dc-ref01],整流模式的电压区间范围是[U_dc-ref022，U_dc-ref011]；按照下垂控制特性控制，逆变模式调节直流母线电压下降，空闲模式对直流母线电压不调节，整流模式调节直流母线电压升高。

2.根据权利要求1所述的一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，其特征在于，AC/DC潮流控制器的一种下垂控制特性如下：

3.根据权利要求1所述的一种交直流混合微电网直流母线电压控制方法，其特征在于，当交直流混合微电网处于离网状态时，DC/DC控制器控制调节直流母线电压：当直流母线电压处于区间[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}]时，电压控制主导权自动过渡到接入蓄电池的DC/DC变换器；当直流母线电压处于区间[V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}+ΔV_{dc_ref2}]或[V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref1}，V_{dc_ref}-ΔV_{dc_ref2}]时，电压控制主导权自动过渡到接入超级电容的DC/DC变换器；其中V_{dc_ref}为DC/AC潮流控制器的稳定电压设定值。