CN111064195A - 基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***及其多运行模式自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***及其多运行模式自适应控制方法，该***包含电力电子变压器、干路变压器、双向逆变器、交流母线和直流母线，电力电子变压器的高压交流端口通过并网点连接到上级电网，低压交流端口连接到交流母线，低压直流端口连接到直流母线，干路变压器低压端连接到交流母线，高压端通过并网点连接到上级电网，双向逆变器直流端连接到直流母线，交流端连接到干路变压器低压端。本发明采用双端闭环供电拓扑结构，实现了混合微电网多模式灵活运行，保证了混合微电网的供电可靠性，并且解决了混合微电网发生故障时电能质量恶化问题，提升了使用效果。

Description

基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***及其多 运行模式自适应控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***及其多运行模式自适应控制方法。

背景技术

近年来，以可再生能源为核心的能源革命快速演进，开发利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全，应对气候变化，促进低碳、绿色、可持续发展的共同选择。由于可再生能源接入交流微电网需要多级能量变换装置，而直流微电网由于不存在频率，无需频率控制和相位跟踪，可节省大量的电力电子换流环节，显著提高了可靠性和可控性，所以，同时具有交流特性和直流特性的交直流混合微电网被认为是一种极具发展前景的供电形式。

在混合微电网中，与配电网相连的公共连接点是配电网、交流微网和直流微网三者之间能量流动的中转站，公共连接点处的能量协调管理至关重要，而实现功率的准确协调，需要一台可靠的“能量路由器”。电力电子变压器由电力电子变换电路与高频变压器组成，具有变压、隔离和能量传输功能，可以作为“能量路由器”将交流微电网、直流微电网和大电网有机的连接起来，实现对公共连接点处的能量协调管理。

但是现有的交直流混合微电网多研究微电网的协调控制方法，而较少考虑利用混合微电网灵活运行的特点来提高***稳定性。所以需要一个新的技术方案来解决这个问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***及其多运行模式自适应控制方法，其实现了混合微电网多模式灵活运行，在故障条件下能够自动切换运行模式，保证了混合微电网的供电可靠性。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***，包含电力电子变压器、干路变压器、双向逆变器、交流母线和直流母线，所述电力电子变压器包含至少两个高压交流端口，一个低压交流端口和一个低压直流端口，所述电力电子变压器的高压交流端口通过并网点连接到上级电网，所述低压交流端口连接到交流母线，所述低压直流端口连接到直流母线，所述干路变压器低压端连接到交流母线，高压端通过并网点连接到上级电网，所述双向逆变器直流端连接到直流母线，交流端连接到干路变压器低压端。

进一步的，所述电力电子变压器包含的两个高压交流端口功率相同，可各自独立运行。

进一步的，所述直流母线配有分布式电源和储能，可各自独立运行。

进一步的，所述交流母线分为两段供电，配有分布式电源和储能，可各自独立运行。

一种适用于混合微电网的电力电子变压器的协调控制和模式切换方法，统包括并网模式1、并网模式2、并网模式3、并网模式4、离网运行模式1和离网运行模式2，其具体过程如下：

正常情况下，混合微电网运行于并网模式1，此时电力电子变压器左侧高压交流端口AC1采用恒直流电压控制，为直流端口提供稳定的电压源；电力电子变压器右侧高压交流端口AC2采用恒功率控制，消纳集中光伏电站发出的电能。电力电子变压器低压交直流端口均运行于恒压控制，负责交直流母线调压。储能运行于三段下垂控制的第二段，按照功率参考值输出功率。该运行模式要求并网点1处电压符合电力电子变压器要求且高压端口AC1正常工作；

在电力电子变压器内部，AC2被设计为AC1的备用模块。在正常情况下，AC2工作于恒功率控制模式。一旦电力电子变压器左侧高压端口AC1发生故障导致模块闭锁，此时交直流母线失去支撑电源，AC1闭锁警告，则右侧高压端口AC2迅速切换为恒直流电压控制，其余变流器控制方法不变，即转入并网模式2；

在极端情况下，若电力电子变压器两侧高压端口同时发生故障，则微电网自动转入并网模式3。在并网模式3下，由于直流母线失去支撑电源导致电压降低，储能模块检测到母线电压下降从而运行于三段下垂的第三段，增大输出功率。当直流母线上电压下降到一定值时干路变压器下的双向逆变器启动计时，当电压下降且持续时间达到设定值时，整流器判断PET故障，电力电子变压器解除闭锁运行于恒直流电压控制，一段时间后直流母线电压恒定则储能恢复恒功率控制模式；

在并网模式3的基础上，电力电子变压器的内部故障有可能进一步扩大，导致整个电力电子变压器闭锁退出运行。此时由干路变压器稳定交流母线电压，干路变压器下的双向逆变器稳定直流母线电压，此即转入并网模式4；

当微电网运行于并网模式3时，若上级电网或干路变压器发生故障，则此时混合微电网失去并网点，转入离网运行模式1。在离网运行模式1下，由于直流储能容量较大，且直流负荷较轻，充电桩也能运行于逆变模式，所以由直流储能为直流母线提供功率支撑，运行于下垂控制；由电力电子变压器的低压交流端口运行于恒压恒频控制，为交流母线提供功率支撑；

在离网运行模式1的基础上，若电力电子变压器的低压端口发生故障，则类似于并网模式4，电力电子变压器退出运行。此时微电网失去大电网的功率支撑，交直流储能均运行于下垂控制，为交直流母线提供功率支撑。在离网运行模式2下交直流母线无功率交换；

本发明的多运行模式自适应控制方法可以总结为：在电力电子变压器正常时，控制电力电子变压器运行于并网模式，为低压交流电网和低压直流电网提供电压支撑；在电力电子变压器异常时，控制干路变压器和双向逆变器运行于并网模式，为低压交流电网和低压直流电网提供电压支撑；在电力电子变压器、干路变压器和双向逆变器运行均异常时，控制储能运行于离网运行模式，为低压交流微网和低压直流微网提供电压支撑。

有益效果：本发明与现有技术相比，***采用双端闭环供电拓扑结构，实现了混合微电网多模式灵活运行，保证了混合微电网的供电可靠性，并且解决了混合微电网发生故障时电能质量恶化问题，提升了使用效果。

附图说明

图1为本发明实施例交直流混合微电网拓扑***结构图；

图2为本发明实施例微电网状态切换示意图；

图3为本发明实施例电力电子变压器恒压恒频控制结构图；

图4为本发明实施例电力电子变压器恒功率控制结构图；

图5为本发明实施例储能变流器直流电压下垂控制结构示意图；

图6为本发明实施例并网模式1至并网模式2切换结果波形；

图7为本发明实施例并网模式1至并网模式2切换信号波形；

图8为本发明实施例并网模式2至并网模式3切换结果波形；

图9为本发明实施例并网模式3至离网运行模式1切换结果波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本实施例中将双端闭环拓扑结构作用于混合微电网，如图1所示，混合微电网***包含一台电力电子变压器，一台干路变压器，一台双向逆变器，需要供电的一条低压交流母线和一条低压直流母线及其对交直流母线进行供电的配电网、分布式电源和储能，储能运行于三段下垂控制。其中，电力电子变压器包括两个高压交流端口、一个低压直流端口和一个低压交流端口，低压直流端口连接到低压直流母线，低压交流端口连接到低压交流母线，两个高压交流端口通过并网点1(PCC1)和并网点2(PCC2)连接到上级电网；干路变压器低压端连接到交流母线，高压端通过并网点3(PCC3)连接到上级电网；双向逆变器直流端连接到直流母线，交流端连接到干路变压器低压端。

该混合微电网拓扑结构主要为一个环网结构，图1中靠上的部分为10kV交流母线，通过变压器接入110KV变电站；中间一部分为750V直流母线；下面一部分为380V交流母线。

传统的微电网运行模式识别方法需要中央控制器通过采集开关位置信号和微电网特征变量，从而通过微电网的逻辑四则运算表达式进行综合判断。在微电网的自适用控制中，本地逆变器需要通过有限的信息来判断控制模式，相比于微电网的逻辑运算，三元式由于更接近目标代码，其一般表达形式为：

(op,arg1,arg2) (1)

如图1所示，本实施例提供的混合微电网通过电力电子变压器及干路变压器并网，且共有三处并网点，分别是位于电力电子变压器的并网点1(PCC1)，并网点2(PCC2)和位于干路变压器的并网点3(PCC3)；其中交流母线有两个并网点分别是连接到电力电子变压器低压交流端口的QF1和连接到干路变压器支路的QF2。为了实现微电网模式平滑切换，本实施例针对北京崇礼冬奥专区的具体拓扑结构，根据并网点开关状态的不同，设计了4种并网运行模式以及2种离网运行模式，并且提出了微电网的多运行模式自适应控制技术。

本实施例中4种并网运行模式分别为并网模式1、并网模式2、并网模式3和并网模式4，2种离网运行模式分别为离网运行模式1和离网运行模式2。如图2所示，该混合微电网***中六个模式的运行过程和切换逻辑如下：

并网模式1：

并网模式1是正常运行模式，正常情况下混合微电网运行于此模式，此时电力电子变压器左侧高压交流端口AC1采用恒直流电压控制，为直流端口提供稳定的电压源；电力电子变压器右侧高压交流端口AC2采用恒功率控制，消纳集中光伏电站发出的电能。电力电子变压器低压交直流端口均运行于恒压控制，负责交直流母线调压。本实施例中电力电子变压器其具体的恒压恒频控制结构和恒功率控制结构分别如图3和图4所示。恒压恒频控制和恒功率控制的基础都是双闭环PWM控制结构，如图所示，其内环均为电流环，负责提高变流器动态性能，外环为功能环，负责不同的控制目的。恒功率控制的主要目的是使变流器输出的有功功率和无功功率等于其参考值，其实质是将变流器输出的有功功率和无功功率解耦后分别进行控制。将有功功率信道和无功功率信道上的参考信号替三相电压的直轴和交轴信道，即为恒压恒频控制的典型结构。

储能运行于三段下垂控制的第二段，按照功率参考值输出功率。该运行模式要求并网点1(PCC1)处电压符合电力电子变压器要求且高压端口AC1正常工作，本实施例中记为U(AC1)>9000，且将并网模式1简记为CM1，则其稳态判据可用三元式记为：

CM1＝(&,U(AC1)＞9000,TRUE) (1)

在并网模式1下，电力电子变压器的AC1模块会一直检测CM1的真假，一旦检测到CM1为假，则会发出AC1闭锁警告，并迅速转入并网模式2。

并网模式2：

在电力电子变压器内部，AC2被设计为AC1的备用模块。在正常情况下，AC2工作于恒功率控制模式。一旦电力电子变压器左侧高压端口AC1发生故障导致AC1模块闭锁，本实施例中AC1故障的基准为PCC1电压小于9KV且持续20ms，此时交直流母线失去支撑电源，AC1闭锁警告，则右侧高压端口AC2迅速切换为恒直流电压控制，其余变流器控制方法不变，即并网模式2。并网模式2的稳态判据可用三元式记为：

CM2＝(&,U(AC1)＜9000,U(AC2)＞9000) (2)

在并网模式2下，AC1会定时检测自己是否符合并网条件，若上端电网故障解除或自身故障排除，则AC1启动同期操作，重新并入电网。电力电子变压器的两个高压端口互为备用，均设计为可长时间独立运行，正常情况下并网模式2运行一段时间后，由于故障排除可转入并网模式1。在极端情况下，若电力电子变压器两侧高压端口同时发生故障，也就说PCC2电压也小于9KV且持续20ms，即CM2为假，则混合微电网自动转入并网模式3。

并网模式3：

在并网模式3下，由于直流母线失去支撑电源导致电压降低，储能模块检测到母线电压下降从而运行于三段下垂的第三段，增大输出功率。当直流母线上电压下降到一定值时电力电子变压器下的整流器启动计时，当PCC3电压下降至小于9KV且持续20ms以上时整流器判断电力电子变压器故障，解除闭锁运行于恒直流电压控制，一段时间后直流母线电压恒定则储能恢复恒功率控制模式，即可实现并网模式2到并网模式3的自动切换。并网模式3的稳态判据可用三元式记为：

CM3＝(&,！CM2,U(PCC3)＞9000) (3)

在并网模式3下，混合微电网也会检测PCC1和PCC2的故障排除情况，在合适条件下微电网会自动转入并网模式1或并网模式2。

并网模式4：

在并网模式3的基础上，电力电子变压器内部故障有可能进一步扩大(QF1电压小于200V且持续20ms以上)，导致整个电力电子变压器闭锁退出运行。此时QF1处电流迅速减小，导致QF1闭锁。QF2通过通信得到QF1闭锁的消息，迅速闭合从而维持交流母线的功率平衡，此即并网模式4，其模式切换判据为：

CM4＝(&,！CM3,U(QF1)＜200) (4)

在并网模式4下，QF2会一直检测QF1的开关位置，一旦QF1检测到电力电子变压器低压端口故障排除，则会向QF2发送闭锁预解除消息，随后收到QF2的确认消息解除闭锁。QF2收到QF1的闭锁预解除消息，返回一个确认消息后闭锁。

离网运行模式1：

当混合微电网运行于并网模式3时，若上级电网或干路变压器发生故障(PCC3电压小于9KV且持续20ms以上)，则此时混合微电网失去并网点，转入离网运行模式1。在离网运行模式1下，由于直流储能容量较大，且直流负荷较轻，充电桩也能运行于逆变模式，所以由直流储能为直流母线提供功率支撑，运行于下垂控制，其具体的控制结构如图5所示；由电力电子变压器的低压交流端口运行于恒压恒频控制，为交流母线提供功率支撑。离网运行模式1可简记为IM1，其模式切换判据为：

IM1＝(&,！CM3,U(PCC3)＜9000) (5)

离网运行模式2：

在离网运行模式1的基础上，若电力电子变压器的低压端口发生故障(QF1电压小于200V且持续20ms以上)，则类似于并网模式4，电力电子变压器退出运行。此时混合微电网失去大电网的功率支撑，交直流储能均运行于下垂控制，为交直流母线提供功率支撑。在离网运行模式2下交直流母线无功率交换，其模式切换判据为：

IM2＝(&,！IM1,U(QF1)＜200) (6)

为了验证混合微电网***的运行效果，本实施例进行了仿真试验，如图6-9所示。

如图6所示，为混合微电网从并网模式1切换至并网模式2的仿真结果。微电网初始时刻运行于并网模式1，从波形可知，直流电压稳定于750V；直流侧储能接受上级管理***调度，其调度指令为-50kW(充电)，储能经过短暂的过渡后充电50kW，此时PET的AC2模块运行于恒功率控制模式，指令为800kW，与波形相符。0.4s后，AC1进行出现故障，AC1模块闭锁，并对AC2模块发出闭锁信号，AC2从恒功率控制转换成恒直流电压控制，实现并网模式1到并网模式2的转变。在转化过程中，AC2注入功率从原先的800kW快速过渡至350kW，由于直流电压的变化从而导致了储能出力的变化，以支撑策略的稳定切换。由于稳定后直流母线恢复至750V，因此储能输出功率恢复至-50kW。干变整流器模块实时检测直流母线电压，由于AC2模块的作用，最终直流电压恢复至额定值，因此干变整流器模块未启动稳压控制，如图7所示。

如图8所示为微电网由并网模式2切换到并网模式3的仿真结果波形图。0.2s时微电网进入并网模式2，从波形可知，此时PET的AC2模块运行于稳压控制模式，直流电压稳定于750V；直流侧储能运行于三段下垂控制的第二段，其参考功率为-50kW(充电)，干变整流器模块闭锁。0.2s后，AC2故障导致模块闭锁。此时，***暂时失去电压源支撑，直流母线电压骤降，储能输出功率从-50kW升至300kW以支撑电压，并最终稳定至720V左右。干变整流器模块一直处于闭锁状态直至认为直流电压稳定低于额定值，认为***失去主电源，因此，0.7s后，干变整流器模块充当***主电源，从闭锁状态切换至稳压控制，最终直流电压恢复至750V，储能输出功率恢复至-50kW。

微电网由并网模式3切换至离网模式1的仿真结果如图9所示。图中微电网在0.5s时切换至并网模式3，此时直流母线电压为750V，储能输出功率为-50kW(充电)，低压交流母线的负荷由PET低压模块供电，其中风力发电及交流侧储能运行于恒功率控制模式。0.7s后，干变侧***出现故障，干变整流器模块闭锁，此时直流母线电压由储能支撑，并稳定至720V左右，储能输出功率达350kW。由于负荷的突变，导致直流母线电压在交流负荷转移期间出现了小幅振荡，但并不影响稳定性，从图中看出暂态切换过程时间较短，切换过程平缓。此时，750V直流母线由储能作为主电源，运行于改进的下垂控制式，PET低压交流端口运行于恒压恒频控制方式。

Claims (6)

1.一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***，其特征在于：包含电力电子变压器、干路变压器、双向逆变器、交流母线和直流母线，所述电力电子变压器包含至少两个高压交流端口，一个低压交流端口和一个低压直流端口，所述电力电子变压器的高压交流端口通过并网点连接到上级电网，所述低压交流端口连接到交流母线，所述低压直流端口连接到直流母线，所述干路变压器低压端连接到交流母线，高压端通过并网点连接到上级电网，所述双向逆变器直流端连接到直流母线，交流端连接到干路变压器低压端。

2.根据权利要求1所述的一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***，其特征在于：所述电力电子变压器中高压交流端口的数量为两个且功率相同，两个高压交流端口各自独立运行。

3.根据权利要求1所述的一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***，其特征在于：所述直流母线配有各自独立运行的分布式电源和储能。

4.根据权利要求1所述的一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***，其特征在于：所述交流母线分为两段供电，均配置有各自独立运行的分布式电源和储能。

5.根据权利要求1所述的一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***的多运行模式自适应控制方法，其特征在于：***包括并网模式1、并网模式2、并网模式3和并网模式4，其具体控制和切换过程如下：

并网模式1：混合微电网运行于并网模式1，电力电子变压器左侧高压交流端口AC1采用恒直流电压控制，为低压直流端口提供电压源；电力电子变压器右侧高压交流端口AC2采用恒功率控制；电力电子变压器低压交直流端口均运行于恒压控制，负责交直流母线调压；在电力电子变压器内部，AC2模块为AC1模块的备用模块，在并网模式1时，AC2工作于恒功率控制模式；

并网模式2：当电力电子变压器左侧高压端口AC1发生故障导致模块闭锁，交直流母线失去支撑电源，AC1闭锁警告，则右侧高压端口AC2切换为恒直流电压控制，即转入并网模式2；

并网模式3：当电力电子变压器左侧高压端口AC1和右侧高压端口AC2同时发生故障，混合微电网自动转入并网模式3，在并网模式3下，由于直流母线失去支撑电源导致电压降低，储能模块检测到母线电压下降，配置于直流母线的储能模块运行用于增大输出功率；当直流母线上电压下降到设定值时双向逆变器启动计时，当电压持续下降时间达到设定值时，整流器判断PET故障，电力电子变压器解除闭锁运行于恒直流电压控制，直流母线电压恒定，储能恢复恒功率控制模式；

并网模式4：在并网模式3的基础上，当电力电子变压器内部故障导致整个电子变压器闭锁退出运行，由干路变压器稳定交流母线电压，干路变压器下的双向逆变器稳定直流母线电压，即转入并网模式4。

6.根据权利要求5所述的一种基于电力电子变压器的混合微电网双端供电拓扑***的多运行模式自适应控制方法，其特征在于：***还包括离网运行模式1和离网运行模式2，其具体控制和切换过程如下：

离网运行模式1：当混合微电网运行于并网模式3时，若上级电网或干路变压器发生故障，混合微电网失去并网点，转入离网运行模式1，在离网运行模式1下，直流储能为直流母线提供功率支撑，运行于下垂控制；由电力电子变压器的低压交流端口运行于恒压恒频控制，为交流母线提供功率支撑；

离网运行模式2：在离网运行模式1的基础上，若电力电子变压器的低压端口发生故障，电力电子变压器退出运行，微电网失去大电网的功率支撑，交直流储能均运行于下垂控制，为交直流母线提供功率支撑，转入到离网运行模式2，在离网运行模式2下交直流母线无功率交换。

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