CN108173296A - 一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多个双向功率变换器并联运行控制策略领域，尤其涉及低压交直流混合微网中多个双向功率变换器直接并联时的零序环流抑制控制方法，具体为一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法。该控制方法基于比例积分控制器实现零轴电流的单独控制，并将其嵌套在应用同步旋转坐标系dq0坐标系的电流内环控制器中，无需对双向功率变换器原有功率/电压外环做出改变，极大的提高了零序环流抑制控制的应用灵活性，使每个双向功率变换器的零序电流抑制目标值向理想值靠近，实现无通讯条件下时多并联双向功率变换器的零序环流抑制。

Description

一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法

技术领域

本发明属于多个双向功率变换器并联运行控制策略领域，尤其涉及采用两电平调制控制的多个双向功率变换器共直流母线直接并联时的零序环流抑制控制方法，具体为一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法。

背景技术

在交直流混合微电网中，采用多个共直流母线的双向功率变换器直接并联运行，可以显著提高微电网的功率等级、运行可靠性及稳定性，为微电网的经济建设提供便利。但多个变换器直接并联会带来环流问题，如图1所示的共直流母线直接并联的结构会为环流提供通路，环流可以分为零序环流和非零序环流，对于含有输出滤波器且具有电流内环的并联模块，非零序环流很小可以忽略，零序环流是环流的主要成分，由于并联模块之间硬件参数的不同与控制信号的差异，不可避免的会在不同变换器的同相之间产生零序环流，零序环流在采用分布式控制的控制***中更为严重，零序环流会使变换器输出电流波形产生畸变，增加***整体损耗，增加功率器件应力，降低***效率，因此，抑制多并联双向功率变换器之间的零序环流十分必要。

目前针对两电平变换器采用的零序环流抑制手段只有：一、采用硬件切断零序环流的通路来抑制零序环流，如直流侧采用各自独立直流源、交流侧采用多绕组变压器等，这类通过阻断零序环流路径的方法可以消除环流，但会增加产品体积和成本；二、采用专用调制方法降低零序电压，如采用SVPWM调制、2MV1Z调制方法等，通过调节零矢量的位置降低环路中的零序电压大小，从而抑制零序环流，但这种方法需要分析零序环流通路进而分析零矢量的位置，根据并联变换器的数量的不同针对性的修改调制开关表，因此该类方法的设计复杂度会随着变换器数量的增加而增加，从而降低了策略的易用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对交直流混合微电网中多个双向功率变换器共母线直接并联时的情形，提供了一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法，交直流混合微电网包括采用共交、直流母线的并联结构的N台两电平双向功率变换器，其中，每台两电平双向功率变换器又包括主电路和控制电路，其中每台两电平双向功率变换器的主电路包括LC输出滤波器、三相逆变桥和直流侧电容器；每台两电平双向功率变换器的控制电路包括PLL模块、功率计算模块、等量坐标变换模块、包含零序环流抑制的电流内环模块、abc/dq0模块、dq0/abc模块和SPWM调制模块；PLL模块为锁相环模块，用于确定交流子网母线电压电流的相位与频率信息，并为abc/dq0模块和dq0/abc模块提供坐标参考；功率计算模块用于控制双向功率变换器的传输功率大小与流向，从而保证交直流混合微电网能够稳定运行，功率计算模块根据交直流混合微电网的母线电压、电流、频率信息，计算并给定双向功率变换器传输的有功功率指令值、无功功率指令值；等量坐标变换模块用于将功率计算模块得到的有功功率指令值、无功功率指令值转换为dq0轴电流内环的指令值，其值分别为i_dnref、i_qnref、i_0nref，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器；包含零序环流抑制的电流内环模块包括dq轴电流控制模块与零序环流抑制控制模块，dq轴电流控制模块的输入端与等量坐标变换模块及abc/dq0模块的d、q轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接；零序环流抑制控制模块的输入端与abc/dq0模块的0轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接；所述的SPWM调制模块将dq0/abc模块的输出量转换为PWM控制调制信号输出至三相逆变桥电路，控制IGBT的开通与关断；

控制方法的具体步骤为：

A、首先，每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的相位通过abc/dq0模块进行转换，得到d、q、0轴下的实际电压分量V_dn、V_qn、V_0n和实际电流分量I_dn、I_qn、I_0n，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器；

B、每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、直流子网母线电压值V_dc、直流子网母线电流值I_dc、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的频率由功率计算模块计算，得到传输功率指令P_nref、Q_nref，其中P_nref、Q_nref分别为有功功率传输指令值、无功功率传输指令值；

C、等量坐标变换模块根据P_nref、Q_nref及abc/dq0模块输出的dq0轴下的实际电压电流信息，通过以下公式计算得到每个双向功率变换器各自dq轴下的电流内环指令值i_dnref、i_qnref，零轴电流内环指令值I_0nref设定为0，I_dnref＝2P_nref/(3V_d)，I_qnref＝2Q_nref/(3V_d)；

D、包含零序环流抑制的电流内环模块的dq轴电流控制模块计算d、q轴的控制分量，通过电流解耦计算可以得到d、q轴的控制分量分别为V_dnref、V_qnref；同时，零序环流抑制控制模块将零轴电流内环指令值I_0nref与零序电流目标值做差，将差值送入等效电路环节与比例积分控制器进行计算，计算可以得到0轴的控制分量为V_0nref；

E、将上一步中得到的V_dnref、V_qnref、V_0nref一起输入dq0/abc变换模块，并经过SPWM调制模块，最终得到abc坐标系下的三相PWM脉宽调制信号并输出。

本发明的发明目的是这样实现的：基于比例积分控制器的零轴电流单独控制方法，将其嵌套在应用同步旋转坐标系dq0坐标系的电流内环控制器中，无需对原有功率/电压外环做出改变，且控制器的设计复杂度与并联双向功率变换器的个数无关，因此极大的提高了零序环流抑制控制的应用灵活性。特别适用于无通讯条件下分布式控制的多并联双向功率变换器之间的零序环流抑制。

附图说明

图1是n个双向功率变换器并联结构图。

图2是包含零序电流抑制的单个双向功率变换器控制框图。

图3是包含零序环流抑制模块的电流内环模块。

图4是零轴电流环控制框图。

图5是无零序环流抑制时两台直接并联变换器的零序电流图。

图6是有零序环流抑制时两台直接并联变换器的零序电流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法，包括连接在交直流混合微电网中的N台两电平双向功率变换器，其中，每台两电平双向功率变换器又包括主电路和控制电路两部分，且均采用共交、直流母线的并联结构。

其中每个双向功率变换器的主电路结构叙述如下，包括LC输出滤波器、三相逆变桥、直流侧电容器。n台双向功率变换器直接并联的详细拓扑结构连接图如附图1所示。

所述的每个双向功率变换器的LC输出滤波器，包含如图1中所示的R_in、L_in、C_in，其中i＝a，b，c表示不同的相序；n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器。如图2所示为单个双向功率变换器的结构示意图，为方便表示，图2中采用简略电路，其中LC输出滤波器在图2主电路中简化为L、R、C组成，其中L为等效输出电感，R为等效输出电阻，C为等效输出电容。

所述的每个双向功率变换器的三相逆变桥电路，其与交流子网母线经由LC输出滤波器相连，所述的三相逆变桥电路由相互并联的三组IGBT桥臂构成，其中所述的IGBT桥臂由两个相互串联的IGBT构成，所述的IGBT由功率管和反并联的二极管构成，每个双向功率变换器的IGBT分别为T_1n、T_2n、T_3n、T_4n、T_5n、T_6n，n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器。

所述的每个双向功率变换器的直流侧电容器C_dc与IGBT桥臂并联，N个双向功率变换器采用如1所示的方式直接并联时，直流侧等效电容表示为C_ref。

所述的每个双向功率变换器的控制电路由PLL模块、功率计算模块、等量坐标变换模块、包含零序环流抑制的电流内环模块、abc/dq0模块、dq0/abc模块、SPWM调制模块组成。

所述的PLL模块为锁相环模块，用于确定交流子网电压电流的相位与频率信息，并为abc/dq0模块和dq0/abc模块提供坐标参考。

所述的功率计算模块用于控制双向功率变换器的传输功率大小与流向，从而保证交直流混合微电网能够稳定运行，其根据交直流混合微电网的母线电压、电流、频率信息，计算并给定双向功率变换器传输的有功功率/无功功率指令值，功率计算模块通常可以采用多种算法得到指令值，如恒压控制、VF控制，恒功率控制、自治运行等方法，需要特别说明的是，功率模块算法的不同并不影响本发明所述方法的零序环流抑制效果。所述的等量坐标变换模块用于将功率计算模块得到的有功功率/无功功率指令值P_nref、Q_nref转换为dq0轴电流内环的指令值，其值分别为i_dnref、i_qnref、i_0nref，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器。

所述的包含零序环流抑制的电流内环模块结构如图3所示，它由dq轴电流控制模块与零序环流抑制控制模块构成，dq轴电流控制模块的输入端与等量坐标变换模块及abc/dq0模块的d、q轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接；零序环流抑制控制模块的输入端与abc/dq0模块的0轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接。

所述的SPWM调制模块将dq0/abc模块的输出量转换为PWM控制调制信号输出至三相逆变桥电路，控制IGBT的开通与关断。

本发明是通过如下步骤实现的：

A、首先，每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的相位通过abc/dq0模块进行转换，得到d、q、0轴下的实际电压分量V_dn、V_qn、V_0n和实际电流分量I_dn、I_qn、I_0n，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器；

B、每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、直流子网母线电压值V_dc、直流子网母线电流值I_dc、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的频率由功率计算模块计算，得到传输功率指令P_nref、Q_nref，其中P_nref、Q_nref分别为有功功率传输指令值、无功功率传输指令值；

C、等量坐标变换模块根据P_nref、Q_nref及abc/dq0模块输出的dq0轴下的实际电压电流信息，通过以下公式计算得到每个双向功率变换器各自dq轴下的电流内环指令值i_dnref、i_qnref，零轴电流内环指令值I_0nref设定为0，I_dnref＝2P_nref/(3V_d)，I_qnref＝2Q_nref/(3V_d)；

D、包含零序环流抑制的电流内环模块的dq轴电流控制模块计算d、q轴的控制分量，通过电流解耦计算可以得到d、q轴的控制分量分别为V_dnref、V_qnref；同时，零序环流抑制控制模块将零轴电流内环指令值I_0nref与零序电流目标值做差，将差值送入等效电路环节与比例积分控制器进行计算，计算可以得到0轴的控制分量为V_0nref；等效电路环节与比例积分控制器的等效开环传递函数为：

其中k_pwm、T_s分别为SPWM环节增益和采样周期，k_0i、k_0pi分别为零轴比例积分控制器的积分系数、比例系数；

E、将上一步中得到的V_dnref、V_qnref、V_0nref一起输入dq0/abc变换模块，并经过SPWM调制模块，最终得到abc坐标系下的三相PWM脉宽调制信号并输出。

本发明通过零序环流抑制控制实现了多个双向功率变换器直接并联时的稳定运行。

图5和图6分别无零序环流抑制控制和有零序环流抑制控制时两台直接并联变换器的零序电流图仿真波形图。其中给定每台双向功率变换器额定功率12kW，直流母线电压600V，额定网侧相电压220V，电网频率50Hz；两台双向功率变换器采用分布式控制，相互之间没有通讯网络，保持相对独立运行。通过图5和图6的仿真波形图可以看出，采用零序环流抑制前，两台双向功率变换器的零序环流峰值可达10A，采用零序环流抑制后，两台双向功率变换器的零序环流峰值被抑制在0.5A以内，说明了本发明的有效性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种交直流混合微电网的零序环流抑制控制方法，其特征在于交直流混合微电网包括采用共交、直流母线的并联结构的N台两电平双向功率变换器，其中，每台两电平双向功率变换器又包括主电路和控制电路，其中每台两电平双向功率变换器的主电路包括LC输出滤波器、三相逆变桥和直流侧电容器；每台两电平双向功率变换器的控制电路包括PLL模块、功率计算模块、等量坐标变换模块、包含零序环流抑制的电流内环模块、abc/dq0模块、dq0/abc模块和SPWM调制模块；PLL模块为锁相环模块，用于确定交流子网母线电压电流的相位与频率信息，并为abc/dq0模块和dq0/abc模块提供坐标参考；功率计算模块用于控制双向功率变换器的传输功率大小与流向，从而保证交直流混合微电网能够稳定运行，功率计算模块根据交直流混合微电网的母线电压、电流、频率信息，计算并给定双向功率变换器传输的有功功率指令值、无功功率指令值；等量坐标变换模块用于将功率计算模块得到的有功功率指令值、无功功率指令值转换为dq0轴电流内环的指令值，其值分别为i_dnref、i_qnref、i_0nref，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器；包含零序环流抑制的电流内环模块包括dq轴电流控制模块与零序环流抑制控制模块，dq轴电流控制模块的输入端与等量坐标变换模块及abc/dq0模块的d、q轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接；零序环流抑制控制模块的输入端与abc/dq0模块的0轴分量输出端相连接，其输出端与dq0/abc模块的输入端相连接；所述的SPWM调制模块将dq0/abc模块的输出量转换为PWM控制调制信号输出至三相逆变桥电路，控制IGBT的开通与关断；

控制方法的具体步骤为：

A、首先，每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的相位通过abc/dq0模块进行转换，得到d、q、0轴下的实际电压分量V_dn、V_qn、V_0n和实际电流分量I_dn、I_qn、I_0n，其中n＝1,2,3…N，表示第n台双向功率变换器；

B、每个双向功率变换器将各自采集的交流子网三相电压值V_an、V_bn、V_cn，三相电流值I_an、I_bn、I_cn、直流子网母线电压值V_dc、直流子网母线电流值I_dc、由PLL模块确定的交流子网母线电压电流的频率由功率计算模块计算，得到传输功率指令P_nref、Q_nref，其中P_nref、Q_nref分别为有功功率传输指令值、无功功率传输指令值；

C、等量坐标变换模块根据P_nref、Q_nref及abc/dq0模块输出的dq0轴下的实际电压电流信息，通过以下公式计算得到每个双向功率变换器各自dq轴下的电流内环指令值i_dnref、i_qnref，零轴电流内环指令值I_0nref设定为0，I_dnref＝2P_nref/(3V_d)，I_qnref＝2Q_nref/(3V_d)；

D、包含零序环流抑制的电流内环模块的dq轴电流控制模块计算d、q轴的控制分量，通过电流解耦计算可以得到d、q轴的控制分量分别为V_dnref、V_qnref；同时，零序环流抑制控制模块将零轴电流内环指令值I_0nref与零序电流目标值做差，将差值送入等效电路环节与比例积分控制器进行计算，计算可以得到0轴的控制分量为V_0nref；

E、将上一步中得到的V_dnref、V_qnref、V_0nref一起输入dq0/abc变换模块，并经过SPWM调制模块，最终得到abc坐标系下的三相PWM脉宽调制信号并输出。