CN111049201B - 一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，该协调控制方法包括功率传输级控制方法和功率缓冲级控制方法，采用电压环电流环双闭环控制对交直流电网混合式大功率接口变流器中的功率传输级和功率缓冲级进行协调控制；本发明的优势之处在于，在交直流混合电网中，能降低直流电网中的纹波、闪变对交流电网的影响，并能在较少增加接口变流器损耗的前提下，大幅提升大功率接口变流器的直流侧动态性能，改善接口变流器交流侧的并网波形质量。

Description

一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，特别是一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法。

背景技术

大功率交直流接口变流器是构建交、直流混合配网的关键设备。为保障接口变流器的运行效率，变流器的开关频率与其额定功率成反比关系。随着变流器额定功率的提升，采用传统三相全控型整流器结构的开关频率也会随之下降，由此导致接口变流器的动态运行性能变差，以至于无法较好的满***、直流网接口变流器的运行需求，当直流电网发生闪变或纹波时，传统接口变流器本身并不具备缓冲闪变抑制纹波的能力，会将闪变与纹波能转移到交流电网中。

传统的交直流接口变流器及其控制方法，会造成交、直流电网的扰动耦合，直流网的母线电压在各类负荷的作用下，会出现一定量的直流纹波，且随着母线电容容量的减小而增大，通过接口变流器的耦合，会给交流网注入高次谐波，从而影响交流电网的电能质量。

与交直流电网接口变流器不同，传统混合式AC/DC储能变流器由于直流侧连接的是电池，因此其协调方法并不需要考虑对直流侧的快速响应能力。当前，提升传统接口变流器的动态性能通常采取两种方案：一种方案是大幅提升变流器的开关频率，高开关频率使得接口变流器可以设计更大带宽的电流环和电压环，更大的带宽意味着更好的动态性能，但交直流电网接口变流器作为连接两个电网的接口，传输的功率很大，开关频率的提升势必会大幅增加接口变流器的运行损耗；另一种方案是采用直流前馈的控制方法，将接口变流器的直流电流或直流侧功率前馈到接口变流器的电流环，从而提升接口变流器的直流侧响应速度，但前馈控制也增强了交、直流电网间的不利耦合，当直流网中存在持续的功率扰动时，前馈控制会将该扰动量前馈到电流环，从而导致接口变流器交流网侧的并网电流质量较无前馈时的控制性能更差。

以上两种传统方案的实质都是将直流网功率的快速变化转移到交流网中，这对提升变流器的直流侧响应速度有一定效果，但同时响应速度越快，在直流网扰动、闪变时对交流网的电能质量所造成的不利影响就越大。

发明内容

本发明针对以上缺点，将传统的三相全控型整流器作为接口变流器的功率传输级，将带有超级电容的直流变换器作为功率缓冲级，整合在一起构成混合式的大功率接口变流器；针对大功率接口变流器的运行特点，提出了一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，通过该方法，在交直流混合电网中，能降低直流电网中的纹波、闪变对交流电网的影响；并能在较少增加接口变流器损耗的前提下，大幅提升大功率接口变流器的直流侧动态性能，改善接口变流器交流侧的并网波形质量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，该协调控制方法包括功率传输级控制方法和功率缓冲级控制方法，采用电压环电流环双闭环控制对所述交直流电网混合式大功率接口变流器中的功率传输级和功率缓冲级进行协调控制；

所述功率传输级的电压环控制功率缓冲级中超级电容SC的电压，所述功率传输级包括三相全控桥、滤波电感L₁和第一控制***；通过控制所述功率传输级中三相全控桥的功率开关管，实现所述功率传输级的电流环跟踪交直流电网中直流电网侧稳态功率的变化，控制交流电网、直流电网以及超级电容SC三者之间的稳态功率交换；

所述功率缓冲级的电压环控制直流电网的母线电压，所述功率缓冲级包括双向boost电路、超级电容SC、滤波电容C、电感L₂和第二控制***；通过控制所述功率缓冲级中双向boost电路的功率开关管，实现所述交直流电网混合式大功率接口变流器交流电网侧的输入功率与直流电网侧的输出功率做差得到暂态功率差，将暂态功率差转变为电流前馈指令送入功率缓冲级的电流环进行功率缓冲级的电流环前馈控制。

进一步的，所述三相全控桥采用两电平三相全控桥拓扑结构，包括第一桥臂(A相)、第二桥臂(B相)、第三桥臂(C相)，所述第一桥臂包括功率开关管VT1和VT4，所述第二桥臂包括功率开关管VT3和VT6，所述第三桥臂包括功率开关管VT5和VT2，所述功率开关管VT1发射极和VT4集电极分别与滤波电感L₁ A相一端相连，所述功率开关管VT3发射极和VT6集电极分别与滤波电感L₁ B相一端相连，所述功率开关管VT5发射极和VT2集电极分别与滤波电感L₁C相相连，所述滤波电感L₁ A相另一端、B相另一端和C相另一端分别接入交流电网；所述第一控制***包括第一电压环控制器G_v1、低通滤波器G_LF、第一电流环控制器G_i11、第二电流环控制器G_i12和第一PWM发生器G_PWM-1；所述双向boost电路包括第四桥臂，所述第四桥臂包括功率开关管VT7和VT8，所述功率开关管VT7发射极和VT8集电极分别与电感L₂一端相连，所述电感L₂另一端与超级电容SC一端相连，所述第二控制***包括第二电压环控制器G_v2、第三电流环控制器G_i2和第二PWM发生器G_PWM-2；所述功率开关管VT1、VT3、VT5和VT7的集电极和滤波电容C的一端分别相连后接入直流电网，所述功率开关管VT4、VT6、VT2和VT8的发射极和滤波电容C的另一端分别相连后接入直流电网。

进一步的，所述功率传输级控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定超级电容电压的指令值V_SC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算维持超级电容SC电压稳定的功率指令P_ref-1，将V_SC,ref的平方减去u_SC的平方后，送入第一电压环控制器G_v1，得到P_ref-1，所述第一电压环控制器G_v1采用标准的PI控制器，控制器传递函数表达式如式(1)所示；

式(1)中k_sc,vp，k_sc,vi分别为第一电压环控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交流电网需向直流电网传递的稳态功率P_ref-2，令u_DC与i_dc相乘后，送入低通滤波器G_LF，得到P_ref-2，所述低通滤波器可采用一阶低通滤波器，其传递函数表达式如式(2)所示：

式(2)中ω₁控制着低通滤波器G_LF的滤波带宽，设置ω₁≤31.4rad/s；

步骤四：计算功率传输级需要从交流电网向直流电网传输的总功率P_ref-t，计算公式如式(3)所示：

P_ref-t＝P_ref-1+P_ref-2 (3)

步骤五：计算交流网侧电压在dq旋转坐标系下的有功分量u_d与无功分量u_q，将u_a、u_b、u_c经过第一变换矩阵G_abc-dq1即可获得，计算公式如式(4)所示：

式中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤六：计算功率传输级需传递的有功功率到有功电流的转换函数G_f1，将步骤五中计算出的u_d带入到公式(5)中：

步骤七：计算功率传输级的电流环在dq旋转坐标系下的有功电流指令值i_ref-d与无功电流指令值i_ref-q，将步骤四中计算出的P_ref-t乘以步骤六中计算出的G_f1，得到i_ref-d，令i_ref-q＝0；

步骤八：计算功率传输级交流侧电流在dq旋转坐标系下有功分量i_d与无功分量i_q，将i_a、i_b、i_c经过第二变换矩阵G_abc-dq2即可获得，计算公式如式(6)所示：

式(6)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤九：计算功率传输级交流电网侧滤波电感L₁电压在dq旋转坐标系下有功分量u_L-d与无功分量u_L-q，将步骤七中得到的i_ref-d减去步骤八中得到的i_d，得到的差送入功率传输级的第一电流环控制器G_i11得到u_L-d，将步骤七中得到的i_ref-q减去步骤八中得到的i_q，得到的差送入功率传输级的第二电流环控制器G_i12则可得到u_L-q，所述第一电流环控制器G_i11和第二电流环控制器G_i12均采用标准的PI控制器，所述第一电流环控制器G_i11传递函数与第二电流环控制器G_i12的表达式相同，如式(7)所示：

式(7)中k_cp，k_ci分别为功率传输级的第一电流环控制器、第二电流环控制器的比例系数和积分系数；

步骤十：计算功率传输级交流电网侧调制波在dq旋转坐标系下有功分量u_c-d与无功分量u_c-q，计算公式如式(8)所示：

步骤十一：计算功率传输级交流电网侧在abc坐标系下的三相调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c，将步骤十中的u_c-d、u_c-q经过第三变换矩阵G_dq-abc，即可得到u_c-a、u_c-b、u_c-c，计算公式如式(9)所示：

式(9)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤十二：获取功率传输级的功率开关动作指令，将u_c-a、u_c-b、u_c-c送入第一PWM发生器G_PWM-1，通过SPWM调制，将调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c转化为三相全控桥中功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的动作信号，控制VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6动作，完成功率传输级的控制。

进一步的，所述功率传输级的运行模式为：为保障接口变流器的运行效率，所述功率传输级工作在低开关频率下，作为交流电网和直流电网能量交换的主要通道，所述功率传输级跟踪直流电网有功功率的变化，满足直流电网有功能量的稳态需求，为保障接口变流器的运行效率。功率传输级的电压环控制功率缓冲级中超级电容的电压，由于超级电容是一个较大的惯性环节，可以看作恒压源，因此低开关频率的功率传输级也可以较好的实现对超级电容的电压控制。功率传输级不再控制直流网的母线电压，功率传输级的电流环跟踪直流网稳态功率的变化，控制交流网、直流网以及超级电容三者之间的稳态功率交换。为阻断功率传输级对暂态功率的交换，本发明先将采集的直流网功率进行低通滤波，再转换为直流网所需要提供的稳态电流指令，最后送入功率传输级的电流环，控制功率传输级对稳态功率的跟踪。

进一步的，所述功率缓冲级控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定直流网母线电压的指令值V_DC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、超级电容输出电流的实时采样值i_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算稳态时维持直流电网母线电压的电流指令i_ref-1，将V_DC,ref的平方减去u_DC的平方后，进入第二电压环控制器G_v2得到i_ref-1，所述第二电压环控制器G_v2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(10)所示：

式中k_v,p，k_v,i分别为第二电压环电压控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交直流电网混合式大功率接口变流器交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro，计算方法如式(11)所示：

P_erro＝U_aI_a+U_bI_b+U_cI_c-u_DCi_dc (11)

式中，U_a、U_b、U_c分别是交流电网A、B、C三相电压的有效值，I_a、I_b、I_c分别是交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器A、B、C三相的电流有效值；

步骤四：计算交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro到功率缓冲级前馈电流指令的转换函数G_f2，其表达式如式(12)所示：

步骤五：计算功率缓冲级的前馈电流指令i_ref-2，将步骤三得到的P_erro乘以步骤四得到的G_f2，得到i_ref-2，其计算公式如式(13)所示：

i_ref-2＝P_erro·G_f2 (13)

步骤六：计算功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc，其计算方法如式(14)所示：

i_ref-sc＝i_ref-1-i_ref-2 (14)

步骤七：获取功率缓冲级的调制波信号u_ref-pb，令功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc减去i_sc，进入第三电流环控制器G_i2，得到u_ref-pb，所述第三电流环控制器G_i2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(15)所示：

式中k_sc,cp，k_sc,ci分别为第三电流环控制器G_i2的比例系数和积分系数；

步骤八：获取功率缓冲级的功率开关动作指令；u_ref-pb送入到第二PWM发生器G_PWM-2，通过SPWM调制，将调制波u_ref-pb转化为双向boost电路中功率开关管VT7、VT8的动作信号，控制VT7、VT8动作，完成功率缓冲级的控制。

进一步的，所述功率缓冲级的运行模式为：所述功率缓冲级工作在高开关频率下，当直流电网电压纹波或闪变发生时，所述功率缓冲级与电网发生能量的交换，交换能量的大小与导致直流网纹波或闪变的功率相关。功率缓冲级的电压环控制直流电网的母线电压，由于功率缓冲级的开关频率高，使得直流网母线电压的控制带宽较传统方法明显增大，从而可以有效提升接口变流器对直流网控制的动态性能。当交直流电网间通过接口变流器发生暂态的功率交换时，为减少交、直流电网间的暂态耦合，提升功率缓冲级对暂态能量的响应速度，本发明将接口变流器交流侧的流入功率与直流侧的输出功率做差，得到暂态功率差，将暂态功率差转变为电流前馈指令送入功率缓冲级的电流环。

本发明具有如下优点：

本发明提出的一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，通过协调混合式大功率接口变流器两级的控制能实现：

(1)在较少增加接口变流器损耗的前提下，大幅提升大功率接口变流器的直流侧动态性能；

(2)降低直流网闪变、扰动对交流电网的耦合影响，同时改善接口变流器交、直流侧的并网波形质量。

附图说明

图1为混合式大功率接口变流器的拓扑结构图；

图2为功率传输级与功率缓冲级的协调控制原理图；

图1中：1：功率传输级，2：功率缓冲级

图2中：

3：V_SC,ref为超级电容SC电压的指令值；

4：u_sc为超级电容电压的实时采样值；

5：G_squ1为第一平方器，其作用是将输入的信号进行平方；

6：G_squ2为第二平方器，其作用是将输入的信号进行平方；

7：G_v1为第一电压环控制器；

8：u_DC为直流电网母线电压的实时采样值；

9：i_dc是接口变流器流向直流电网的电流实时采样值，方向如图1中所示；

10：G_LF为低通滤波器：

11：G_f1为功率传输级1需传递的有功功率到有功电流的转换函数；

12：i_a、i_b、i_c是交流电网流入接口变流器电流的实时采样值，方向如图1中所示；

13：u_a、u_b、u_c是交流电网电压的实时采样值；

14：G_abc-dq1为三相静止坐标系到两相旋转坐标系的第一变换矩阵；

15：G_abc-dq2为三相静止坐标系到两相旋转坐标系的第二变换矩阵；

16：G_i11为功率传输级的第一电流环控制器；

17：G_i12为功率传输级的第二电流环控制器；

18：G_dq-abc为两相旋转坐标系到三相静止坐标系的第三变换矩阵；

19：G_PWM-1为功率传输级的第一PWM发生器；

20：V_DC,ref为直流电网母线电压的指令值；

21：P_erro为接口变流器交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差；

22：G_f2为交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差到功率缓冲级前馈电流指令的转换函数；

23：G_squ3为第三平方器，其作用是将输入的信号进行平方；

24：G_squ4为第四平方器，其作用是将输入的信号进行平方；

25：G_v2为第二电压环控制器；

26：i_sc为超级电容SC输出电流的实时采样值，电流方向如图1中所示；

27：G_i2为功率缓冲级的第三电流环控制器；

28：G_PWM-2为功率缓冲级的第二PWM发生器；

29：P_ref-1为维持超级电容电压稳定的功率指令，是功率传输级电流环指令信号的一部分；

30：P_ref-t为功率传输级需要从交流电网向直流电网传输的总功率；

31：i_ref-d为功率传输级的电流环在dq旋转坐标系下的有功电流指令值；

32：i_ref-q为功率传输级的电流环在dq旋转坐标系下的无功电流指令值；

33：i_d为功率传输级交流侧电流在dq旋转坐标系下有功分量；

34：i_q为功率传输级交流侧电流在dq旋转坐标系下无功分量；

35：u_L-d为功率传输级交流侧电感电压在dq旋转坐标系下有功分量；

36：u_L-q为功率传输级交流侧电感电压在dq旋转坐标系下无功分量；

37：u_d为交流电网电压在dq旋转坐标系下的有功分量；

38：u_q为交流电网电压在dq旋转坐标系下的无功分量；

39：u_c-d为功率传输级交流侧调制波在dq旋转坐标系下有功分量；

40：u_c-q为功率传输级交流侧调制波在dq旋转坐标系下无功分量；

41：P_ref-2为交流电网需向直流电网传递的稳态功率，是功率传输级电流环指令信号的另一部分；

42：i_ref-1为稳态时维持直流网母线电压的电流指令，是功率缓冲级电流环指令信号的一部分；

43：i_ref-2为功率缓冲级的前馈电流指令，是功率缓冲级电流环指令信号的另一部分；

44：u_ref-pb为功率缓冲级的调制波；

45：u_c-a、u_c-b、u_c-c为功率传输级的调制波。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，如图1所示，该协调控制方法包括功率传输级控制方法和功率缓冲级控制方法，采用电压环电流环双闭环控制对所述交直流电网混合式大功率接口变流器中的功率传输级1和功率缓冲级2进行协调控制；

所述功率传输级1的电压环控制功率缓冲级中超级电容SC的电压，所述功率传输级1包括三相全控桥、滤波电感L₁和第一控制***；所述功率传输级的电流环跟踪交直流电网中直流电网侧稳态功率的变化，控制交流电网、直流电网以及超级电容SC三者之间的稳态功率交换；

所述功率缓冲级2的电压环控制直流电网的母线电压，所述功率缓冲级2包括双向boost电路、超级电容SC、滤波电容C、电感L₂和第二控制***；所述交直流电网混合式大功率接口变流器交流电网侧的输入功率与直流电网侧的输出功率做差得到暂态功率差，将暂态功率差转变为电流前馈指令送入功率缓冲级的电流环进行功率缓冲级的电流环前馈控制。

所述三相全控桥采用两电平三相全控桥拓扑结构，包括第一桥臂(A相)、第二桥臂(B相)、第三桥臂(C相)，所述第一桥臂包括功率开关管VT1和VT4，所述第二桥臂包括功率开关管VT3和VT6，所述第三桥臂包括功率开关管VT5和VT2，所述功率开关管VT1发射极和VT4集电极分别与滤波电感L₁ A相一端相连，所述功率开关管VT3发射极和VT6集电极分别与滤波电感L₁ B相一端相连，所述功率开关管VT5发射极和VT2集电极分别与滤波电感L₁C相相连，所述滤波电感L₁ A相另一端、B相另一端和C相另一端分别接入交流电网；所述第一控制***包括第一电压环控制器G_v17、低通滤波器G_LF10、第一电流环控制器G_i1116、第二电流环控制器G_i1217和第一PWM发生器G_PWM-119；所述双向boost电路包括第四桥臂，所述第四桥臂包括功率开关管VT7和VT8，所述功率开关管VT7发射极和VT8集电极分别与电感L₂一端相连，所述电感L₂另一端与超级电容SC一端相连，所述第二控制***包括第二电压环控制器G_v225、第三电流环控制器G_i227和第二PWM发生器G_PWM-228；所述功率开关管VT1、VT3、VT5和VT7的集电极和滤波电容C的一端分别相连后接入直流电网，所述功率开关管VT4、VT6、VT2和VT8的发射极和滤波电容C的另一端分别相连后接入直流电网。

如图2所示，所述功率传输级1控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定超级电容电压的指令值V_SC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算维持超级电容SC电压稳定的功率指令P_ref-1，将V_SC,ref的平方减去u_SC的平方后，送入第一电压环控制器G_v1，得到P_ref-1，所述第一电压环控制器G_v1采用标准的PI控制器，控制器传递函数表达式如式(1)所示；

式(1)中k_sc,vp，k_sc,vi分别为第一电压环控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交流电网需向直流电网传递的稳态功率P_ref-2，令u_DC与i_dc相乘后，送入低通滤波器G_LF，得到P_ref-2，所述低通滤波器可采用一阶低通滤波器，其传递函数表达式如式(2)所示：

式(2)中ω₁控制着低通滤波器G_LF的滤波带宽，设置ω₁≤31.4rad/s；

步骤四：计算功率传输级需要从交流电网向直流电网传输的总功率P_ref-t，计算公式如式(3)所示：

P_ref-t＝P_ref-1+P_ref-2 (3)

步骤五：计算交流网侧电压在dq旋转坐标系下的有功分量u_d与无功分量u_q，将u_a、u_b、u_c经过第一变换矩阵G_abc-dq1即可获得，计算公式如式(4)所示：

式中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤六：计算功率传输级需传递的有功功率到有功电流的转换函数G_f1，将步骤五中计算出的u_d带入到公式(5)中：

步骤七：计算功率传输级的电流环在dq旋转坐标系下的有功电流指令值i_ref-d与无功电流指令值i_ref-q，将步骤四中计算出的P_ref-t乘以步骤六中计算出的G_f1，得到i_ref-d，令i_ref-q＝0；

步骤八：计算功率传输级交流侧电流在dq旋转坐标系下有功分量i_d与无功分量i_q，将i_a、i_b、i_c经过第二变换矩阵G_abc-d_q2即可获得，计算公式如式(6)所示：

式(6)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤九：计算功率传输级交流电网侧滤波电感L₁电压在dq旋转坐标系下有功分量u_L-d与无功分量u_L-q，将步骤七中得到的i_ref-d减去步骤八中得到的i_d，得到的差送入功率传输级的第一电流环控制器G_i11得到u_L-d，将步骤七中得到的i_ref-q减去步骤八中得到的i_q，得到的差送入功率传输级的第二电流环控制器G_i12则可得到u_L-q，所述第一电流环控制器G_i11和第二电流环控制器G_i12均采用标准的PI控制器，所述第一电流环控制器G_i11传递函数与第二电流环控制器G_i12的表达式相同，如式(7)所示：

式(7)中k_cp，k_ci分别为功率传输级的第一电流环控制器、第二电流环控制器的比例系数和积分系数；

步骤十：计算功率传输级交流电网侧调制波在dq旋转坐标系下有功分量u_c-d与无功分量u_c-q，计算公式如式(8)所示：

步骤十一：计算功率传输级交流电网侧在abc坐标系下的三相调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c，将步骤十中的u_c-d、u_c-q经过第三变换矩阵G_dq-abc，即可得到u_c-a、u_c-b、u_c-c，计算公式如式(9)所示：

式(9)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤十二：获取功率传输级的功率开关动作指令，将u_c-a、u_c-b、u_c-c送入第一PWM发生器G_PWM-1，通过SPWM调制，将调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c转化为三相全控桥中功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的动作信号，控制VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6动作，完成功率传输级的控制。

所述功率传输级的运行模式为：为保障接口变流器的运行效率，所述功率传输级工作在低开关频率下，作为交流电网和直流电网能量交换的主要通道，所述功率传输级跟踪直流电网有功功率的变化，满足直流电网有功能量的稳态需求，为保障接口变流器的运行效率。功率传输级的电压环控制功率缓冲级中超级电容的电压，由于超级电容是一个较大的惯性环节，可以看作恒压源，因此低开关频率的功率传输级也可以较好的实现对超级电容的电压控制。功率传输级不再控制直流网的母线电压，功率传输级的电流环跟踪直流网稳态功率的变化，控制交流网、直流网以及超级电容三者之间的稳态功率交换。为阻断功率传输级对暂态功率的交换，本发明先将采集的直流网功率进行低通滤波，再转换为直流网所需要提供的稳态电流指令，最后送入功率传输级的电流环，控制功率传输级对稳态功率的跟踪。

如图2所示，所述功率缓冲级控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定直流网母线电压的指令值V_DC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、超级电容输出电流的实时采样值i_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算稳态时维持直流电网母线电压的电流指令i_ref-1，将V_DC,ref的平方减去u_DC的平方后，进入第二电压环控制器G_v2得到i_ref-1，所述第二电压环控制器G_v2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(10)所示：

式中k_v,p，k_v,i分别为第二电压环电压控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交直流电网混合式大功率接口变流器交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro，计算方法如式(11)所示：

P_erro＝U_aI_a+U_bI_b+U_cI_c-u_DCi_dc (11)

式中，U_a、U_b、U_c分别是交流电网A、B、C三相电压的有效值，I_a、I_b、I_c分别是交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器A、B、C三相的电流有效值；

步骤四：计算交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro到功率缓冲级前馈电流指令的转换函数G_f2，其表达式如式(12)所示：

步骤五：计算功率缓冲级的前馈电流指令i_ref-2，将步骤三得到的P_erro乘以步骤四得到的G_f2，得到i_ref-2，其计算公式如式(13)所示：

i_ref-2＝P_erro·G_f2 (13)

步骤六：计算功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc，其计算方法如式(14)所示：

i_ref-sc＝i_ref-1-i_ref-2 (14)

步骤七：获取功率缓冲级的调制波信号u_ref-pb，令功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc减去i_sc，进入第三电流环控制器G_i2，得到u_ref-pb，所述第三电流环控制器G_i2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(15)所示：

式中k_sc,cp，k_sc,ci分别为第三电流环控制器G_i2的比例系数和积分系数；

步骤八：获取功率缓冲级的功率开关动作指令；u_ref-pb送入到第二PWM发生器G_PWM-2，通过SPWM调制，将调制波u_ref-pb转化为双向boost电路中功率开关管VT7、VT8的动作信号，控制VT7、VT8动作，完成功率缓冲级的控制。

所述功率缓冲级的运行模式为：所述功率缓冲级工作在高开关频率下，当直流电网电压纹波或闪变发生时，所述功率缓冲级与电网发生能量的交换，交换能量的大小与导致直流网纹波或闪变的功率相关。功率缓冲级的电压环控制直流电网的母线电压，由于功率缓冲级的开关频率高，使得直流网母线电压的控制带宽较传统方法明显增大，从而可以有效提升了接口变流器对直流网控制的动态性能。当交直流电网间通过接口变流器发生暂态的功率交换时，为减少交、直流电网间的暂态耦合，提升功率缓冲级对暂态能量的响应速度，本发明将接口变流器交流侧的流入功率与直流侧的输出功率做差，得到暂态功率差，将暂态功率差转变为电流前馈指令送入功率缓冲级的电流环。

通过以上协调控制：

稳态时，直流电网母线电压稳定。由于交直流网间主要的能量交换由功率传输级完成，接口变流器交流电网输入的功率等于直流电网输出的功率，其暂态功率差为零，因此功率缓冲级的电流环指令电流较小，虽然功率缓冲级的频率较高，有一定的***损耗，但功率缓冲级与电网发生的能量交换较小；当直流网母线电压出现纹波时，由于功率缓冲级控制着直流电网的母线电压，功率缓冲级的电压环高带宽相较于低开关频率的功率传输级控制直流电网母线电压来说，对直流电网母线电压纹波的抑制效果会更好。这时，功率缓冲级与直流电网之间发生功率交换，功率交换的大小与造成直流电网母线电压纹波的直流纹波功率相关，但一般来说导致直流电网电压波动的功率不会过大。

因此，稳态下本发明提出的协调控制方法在保障接口变流器稳态性能的同时，较传统低开关频率的大功率整流器来说损耗不会大幅提升，而较传统高开关频率的大功率整流器来说，本发明提出的协调控制方法损耗会更小。

暂态时，直流负荷发生跳变，因为功率传输级仅控制稳态功率的传输，因此不会立刻响应这一负荷跳变而导致的功率变化，交、直流电网间的能量传递不会发生突变，从而降低了直流电网闪变对交流电网的耦合影响。此时，接口变流器交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差不为零，暂态功率差对功率缓冲级电流环的前馈控制，使得直流电网的跳变功率，绝大部分将会由功率缓冲级提供。由于功率缓冲级的高开关频率，使得对暂态功率的响应速度更快。此时，功率缓冲级与直流电网之间发生功率交换，功率交换的大小与暂态功率差有关。由于暂态功率差持续的时间很短，功率缓冲级的控制依然不会导致接口变流器损耗的大幅提升。

因此，本发明提出的协调控制方法在暂态下，较传统大功率整流器控制来说，降低了直流电网闪变对交流电网的耦合影响，同时，接口变流器的***损耗不会大幅提升。

Claims (6)

1.一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，该协调控制方法包括功率传输级控制方法和功率缓冲级控制方法，采用电压环电流环双闭环控制对所述交直流电网混合式大功率接口变流器中的功率传输级和功率缓冲级进行协调控制；

所述功率传输级包括三相全控桥、滤波电感L1和第一控制***，功率传输级电压环通过采集功率缓冲级中超级电容SC两端电压，生成功率传输级中三相全控桥的功率开关管控制信号，控制功率缓冲级中超级电容SC的电压，实现所述功率传输级的电流环跟踪交直流电网中直流电网侧稳态功率的变化，控制交流电网、直流电网以及超级电容SC三者之间的稳态功率交换；

所述功率缓冲级包括双向boost电路、超级电容SC，滤波电容C、电感L2和第二控制***，功率缓冲级电压环通过采集功率传输级中直流电网的母线电压，生成所述功率缓冲级中双向boost电路的功率开关管控制信号，控制功率传输级中直流电网的母线电压，所述交直流电网混合式大功率接口变流器交制功流电网侧的输入功率与直流电网侧的输出功率做差得到暂态功率差，将暂态功率差转变为电流前馈指令送入功率缓冲级的电流环进行功率缓冲级的电流环前馈控制。

2.根据权利要求1所述交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，所述三相全控桥采用两电平三相全控桥拓扑结构，包括第一桥臂A相、第二桥臂B相、第三桥臂C相，所述第一桥臂包括功率开关管VT1和VT4，所述第二桥臂包括功率开关管VT3和VT6，所述第三桥臂包括功率开关管VT5和VT2，所述功率开关管VT1发射极和VT4集电极分别与滤波电感L₁ A相一端相连，所述功率开关管VT3发射极和VT6集电极分别与滤波电感L₁ B相一端相连，所述功率开关管VT5发射极和VT2集电极分别与滤波电感L₁C相相连，所述滤波电感L₁ A相另一端、B相另一端和C相另一端分别接入交流电网；所述第一控制***包括第一电压环控制器G_v1、低通滤波器G_LF、第一电流环控制器G_i11、第二电流环控制器G_i12和第一PWM发生器G_PWM-1；所述双向boost电路包括第四桥臂，所述第四桥臂包括功率开关管VT7和VT8，所述功率开关管VT7发射极和VT8集电极分别与电感L₂一端相连，所述电感L₂另一端与超级电容SC一端相连，所述第二控制***包括第二电压环控制器G_v2、第三电流环控制器G_i2和第二PWM发生器G_PWM-2；所述功率开关管VT1、VT3、VT5和VT7的集电极和滤波电容C的一端分别相连后接入直流电网，所述功率开关管VT4、VT6、VT2和VT8的发射极和滤波电容C的另一端分别相连后接入直流电网。

3.根据权利要求2所述交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，所述功率传输级控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定超级电容电压的指令值V_SC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算维持超级电容SC电压稳定的功率指令P_ref-1，将V_SC,ref的平方减去u_SC的平方后，送入第一电压环控制器G_v1，得到P_ref-1，所述第一电压环控制器G_v1采用标准的PI控制器，控制器传递函数表达式如式(1)所示；

式(1)中k_sc,vp，k_sc,vi分别为第一电压环控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交流电网需向直流电网传递的稳态功率P_ref-2，令u_DC与i_dc相乘后，送入低通滤波器G_LF，得到P_ref-2，所述低通滤波器可采用一阶低通滤波器，其传递函数表达式如式(2)所示：

式(2)中ω₁控制着低通滤波器G_LF的滤波带宽，设置ω₁≤31.4rad/s；

步骤四：计算功率传输级需要从交流电网向直流电网传输的总功率P_ref-t，计算公式如式(3)所示：

P_ref-t＝P_ref-1+P_ref-2 (3)

步骤五：计算交流网侧电压在dq旋转坐标系下的有功分量u_d与无功分量u_q，将u_a、u_b、u_c经过第一变换矩阵G_abc-dq1即可获得，计算公式如式(4)所示：

式中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤六：计算功率传输级需传递的有功功率到有功电流的转换函数G_f1，将步骤五中计算出的u_d带入到公式(5)中：

步骤七：计算功率传输级的电流环在dq旋转坐标系下的有功电流指令值i_ref-d与无功电流指令值i_ref-q，将步骤四中计算出的P_ref-t乘以步骤六中计算出的G_f1，得到i_ref-d，令i_ref-q＝0；

步骤八：计算功率传输级交流侧电流在dq旋转坐标系下有功分量i_d与无功分量i_q，将i_a、i_b、i_c经过第二变换矩阵G_abc-dq2即可获得，计算公式如式(6)所示：

式(6)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤九：计算功率传输级交流电网侧滤波电感L₁电压在dq旋转坐标系下有功分量u_L-d与无功分量u_L-q，将步骤七中得到的i_ref-d减去步骤八中得到的i_d，得到的差送入功率传输级的第一电流环控制器G_i11得到u_L-d，将步骤七中得到的i_ref-q减去步骤八中得到的i_q，得到的差送入功率传输级的第二电流环控制器G_i12则可得到u_L-q，所述第一电流环控制器G_i11和第二电流环控制器G_i12均采用标准的PI控制器，所述第一电流环控制器G_i11传递函数与第二电流环控制器G_i12的表达式相同，如式(7)所示：

式(7)中k_cp，k_ci分别为功率传输级的第一电流环控制器、第二电流环控制器的比例系数和积分系数；

步骤十：计算功率传输级交流电网侧调制波在dq旋转坐标系下有功分量u_c-d与无功分量u_c-q，计算公式如式(8)所示：

步骤十一：计算功率传输级交流电网侧在abc坐标系下的三相调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c，将步骤十中的u_c-d、u_c-q经过第三变换矩阵G_dq-abc，即可得到u_c-a、u_c-b、u_c-c，计算公式如式(9)所示：

式(9)中，θ为交流网电网电压A相的实时角度；

步骤十二：获取功率传输级的功率开关动作指令，将u_c-a、u_c-b、u_c-c送入第一PWM发生器G_PWM-1，通过SPWM调制，将调制波u_c-a、u_c-b、u_c-c转化为三相全控桥中功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的动作信号，控制VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6动作，完成功率传输级的控制。

4.根据权利要求3所述交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，所述功率传输级的运行模式为：为保障接口变流器的运行效率，所述功率传输级工作在低开关频率下，作为交流电网和直流电网能量交换的主要通道；所述功率传输级跟踪直流电网有功功率的变化，满足直流电网有功能量的稳态需求。

5.根据权利要求2所述交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，所述功率缓冲级控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：设定直流网母线电压的指令值V_DC,ref，并获取所述交直流电网混合式大功率接口变流器的实时电流、电压信号，包括直流电网母线电压的实时采样值u_DC、超级电容电压SC的实时采样值u_sc、超级电容输出电流的实时采样值i_sc、接口变流器流向直流电网的电流实时采样值i_dc、交流电网电压的实时采样值u_a、u_b、u_c和交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器电流的实时采样值i_a、i_b、i_c；

步骤二：计算稳态时维持直流电网母线电压的电流指令i_ref-1，将V_DC,ref的平方减去u_DC的平方后，进入第二电压环控制器G_v2得到i_ref-1，所述第二电压环控制器G_v2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(10)所示：

式中k_v,p，k_v,i分别为第二电压环电压控制器的比例系数和积分系数；

步骤三：计算交直流电网混合式大功率接口变流器交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro，计算方法如式(11)所示：

P_erro＝U_aI_a+U_bI_b+U_cI_c-u_DCi_dc (11)

式中，U_a、U_b、U_c分别是交流电网A、B、C三相电压的有效值，I_a、I_b、I_c分别是交流电网流入所述交直流电网混合式大功率接口变流器A、B、C三相的电流有效值；

步骤四：计算交流电网输入功率与直流电网输出功率的暂态功率差P_erro到功率缓冲级前馈电流指令的转换函数G_f2，其表达式如式(12)所示：

步骤五：计算功率缓冲级的前馈电流指令i_ref-2，将步骤三得到的P_erro乘以步骤四得到的G_f2，得到i_ref-2，其计算公式如式(13)所示：

i_ref-2＝P_erro·G_f2 (13)

步骤六：计算功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc，其计算方法如式(14)所示：

i_ref-sc＝i_ref-1-i_ref-2 (14)

步骤七：获取功率缓冲级的调制波信号u_ref-pb，令功率缓冲级的电流环指令i_ref-sc减去i_sc，进入第三电流环控制器G_i2，得到u_ref-pb，所述第三电流环控制器G_i2采用标准的PI控制器，其传递函数表达式如式(15)所示：

式中k_sc,cp，k_sc,ci分别为第三电流环控制器G_i2的比例系数和积分系数；

步骤八：获取功率缓冲级的功率开关动作指令；u_ref-pb送入到第二PWM发生器G_PWM-2，通过SPWM调制，将调制波u_ref-pb转化为双向boost电路中功率开关管VT7、VT8的动作信号，控制VT7、VT8动作，完成功率缓冲级的控制。

6.根据权利要求5所述交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法，其特征在于，所述功率缓冲级的运行模式为：所述功率缓冲级工作在高开关频率下，当直流电网电压纹波或闪变发生时，所述功率缓冲级与电网发生能量的交换，交换能量的大小与导致直流网纹波或闪变的功率相关。

Images