CN111740455A - 一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交直流混合微电网母线接口变换器控制及电能质量治理领域，具体是指一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法。本发明有效解决了电压不平衡条件下，二倍频波动功率在交直流子网之间耦合带来的不同电压质量问题。主电路由交、直流子网以及连接两子网的双向接口变换器组成；控制电路由交流与直流两部分组成。交流侧通过双向功率流动以及比例谐振算法对变换器进行控制，并利用变换器传输的功率余量对负序电压进行补偿；直流侧引入升压斩波电路，通过功率补偿原理平抑直流母线脉动电压。本发明通过控制母线接口变换器实现了同时补偿交直流电压的目的，提高了双向接口变换器利用率，保证了微电网运行的可靠性。

Description

一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变 换器控制方法

技术领域

本发明涉及混合微电网交直流母线接口变换器控制及混合微电网电能质量治理领域，具体是指一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法。

背景技术

随着新能源渗透率的不断升高，交直流混合微电网因其能够有效地结合交流微电网与直流微电网各自的优点，逐渐成为微电网未来发展的趋势。实际的交直流混合微电网往往处于配电网末端且自身容量相对较小，当大电网发生不对称故障或负载出现不平衡时，电网电压、电流或负载电压、电流中会出现负序分量，导致PCC处电压不平衡，进一步引起直流电压脉动。与此同时，一些对电能质量要求较高的单相交流负荷往往会通过逆变器接入直流微电网，也会引起直流母线电压二倍频脉动，进一步导致交流谐波污染。交流不平衡电压及直流二倍频脉动电压不但影响交直流子网各自以及双向接口变换器正常运行，而且会通过双向AC/DC变换器耦合至另一侧带来其他电能质量问题，影响整个混合微电网安全稳定运行。

目前，大量文献针对混合微电网中不同电能质量问题给出许多解决办法。对于三相不平衡电压的补偿方法大致分为两类：一、串联或并联电能质量调节器，但需要增加额外的装置，增大成本，具有明显的缺陷；二、利用分布式能源或储能变换器等对三相不平衡电压进行补偿。对于直流电压脉动控制策略也可分为两类：一、引入无源或有源滤波电路，该方法可以有效抑制直流纹波电压，但是也存在引入额外装置带来的成本问题；二、通过阻抗重塑控制方法间接消除二倍频脉动电压。然而，现有技术控制目标较为单一，很少有研究涉及混合微电网交直流电压质量统一治理的方法。

发明内容

本发明为了解决电压不平衡条件下，二倍频波动功率在交直流子网之间耦合带来的不同电压质量问题，针对现有技术缺陷，设计了一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法。

本发明的技术方案为：一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，混合微电网主电路包括交流微电网、直流微电网以及连接交直流微电网的双向接口变换器，双向接口变换器包括三相全桥电路和升压斩波电路，三相全桥电路的直流电容并联于全桥电路桥臂两侧，交流侧采用电感L滤波，升压斩波电路为波动功率补偿电路，包括电感L_ac、电容C_ac和一组由相互串联的IGBT组成的桥臂，电感L_ac一端连接于三相全桥电路直流侧上桥臂，另一端连接于补偿电路桥臂中间，电容C_ac的一端和补偿电路上桥臂连接，电容C_ac的另一端和三相全桥电路直流侧下桥臂连接，补偿电路下桥臂和三相全桥电路直流侧下桥臂连接；双向接口变换器交流侧接交流微电网，直流侧接直流微电网，主电路经公共并网点PCC与大电网相连，混合微电网控制电路包括交流控制器和直流控制器，交流控制器包括正序控制器、负序控制器和PR控制器。

控制方法中交流侧正序控制器得到交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}，负序控制器得到交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}，交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}、交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}合成总电流参考值，总电流参考值与交流电流总实际值比较后输入PR控制器，再经过PWM调制输出触发脉冲控制三相全桥电路，直流侧直流控制器根据输入的交流侧电压电流和直流微电网直流负载电压电流得出二次谐波电流值i_2rd，再由给定交流电容C_ac电压参考值与实际电容电压比较后经过PI控制得到电流参考信号，电流参考信号加上二次谐波电流值i_2rd得到最终电感电流参考值，电感电流参考值与补偿电路中实际电感电流相比，所得误差信号经过PI控制器补偿后，再经过PWM调制输出一系列占空比可调的触发脉冲控制波动功率补偿电路。

如上述的一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，是指在交流侧建立ɑβ坐标系下双向AC/DC变换器的数学模型，通过双向功率流动以及比例谐振(PR)算法对变换器基波功率以及正序电流进行控制，并利用变换器传输的功率余量对负序电压进行补偿；在直流侧引入升压型波动功率补偿电路，通过功率补偿原理使其同时吸收交直流两侧二倍频波动功率，最终实现同时消除交流负序电压与直流脉动电压的一种方法。所述方法具体展开如下：

步骤一：检测三相全桥电路交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量u_αβ、i_αβ，对u_αβ和i_αβ进行正负序分离，得到正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^－；

步骤二：在正序控制器中，将步骤一得到的正序电压u_αβ ⁺进行坐标变换，提取abc坐标系下正序电压幅值U_ac，然后采集三相全桥电路直流电容电压

并通过陷波器滤除二倍频分量得到直流电压平均值U_dc，，对正序电压幅值U_ac和直流电压平均值U_dc分别进行归一化处理得到U_{ac_norm}和U_{dc_norm}，再对两个归一化处理标量做差，差值ΔU_norm与功率参考值P_ref、Q_ref相乘控制功率双向流动，将ΔU_norm、P_ref、Q_ref以及u_αβ ⁺输入参考电流计算模块经过参考电流计算得到交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}；

步骤三：在负序控制器中，首先对α-β坐标系下的电流各轴分量i_α、i_β求均方根值，然后从中选择较大值与变换器额定电流I_max(额定电流I_max代表变换器额定功率，根据变换器的容量可以自己设定)比较，将误差信号输入比例控制器得到负序电压补偿系数；其次，将步骤一中得到的负序电压u_αβ ^－乘以负序电压补偿系数得到交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}；最后，与步骤二中得到的交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}相减得到总电流参考值，总电流参考值再与交流电流总实际值i_αβ比较后输入PR控制器，采用PR控制器跟踪电流参考值，经过PWM调制输出触发脉冲控制三相全桥电路；

步骤四：上述步骤达到了消除交流电压负序分量的目的，但是仍然无法完全消除二倍频波动功率，因此需要对直流侧波动功率补偿电路进行控制。在直流控制器中，将正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^－输入到交流波动功率计算模块中，根据瞬时功率理论计算得出变换器交流输出交流侧二倍频波动功率p₁，同时采集直流微电网直流负载电压电流U_{ac_L}、i_{ac_L}输入到直流功率计算模块中，然后通过带通滤波器提取直流侧二倍频波动功率p₂，交流侧二倍频波动功率p₁和直流侧二倍频波动功率p₂相加得到有功功率二次波动值

将有功功率二次波动值

输入二倍频电流计算模块并除以直流电压U_dc，得到补偿电路需要吸收的二次谐波电流值i_2rd；

步骤五：给定交流电容C_ac电压参考值u^ref _{ac_c}与实际电容电压u_{ac_c}比较后经过PI控制得到电流参考信号i^ref _{ac_c}，加上步骤四所得的二次谐波电流值i_2rd，得到最终电感电流参考值，与补偿电路中实际电感电流i_{ac_c}相比，所得误差信号经过PI控制器补偿后，再经过PWM调制输出一系列占空比可调的触发脉冲控制波动功率补偿电路。

本发明所提供的一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，与现有技术相比所具有的优点有：(1)当交直流混合微电网处于不平衡工况时，可以实现同时补偿交流负序电压与直流脉动电压的目的，提高了双向AC/DC变换器的利用率，确保微电网能够优化稳定运行。(2)引入升压型波动功率补偿电路，在不增加额外装置的情况下，有效抑制了有功功率二次波动，并且可以极大地减小直流母线电容容量，降低了微电网的投资和运行成本，节约了微电网的空间。

附图说明

图1是本发明所涉及一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器结构图；

图2是本发明所涉及一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿原理图。

具体实施方式

一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，混合微电网主电路包括双向接口变换器、交流微电网和直流微电网，双向接口变换器包括三相全桥电路和升压斩波电路，其中三相全桥电路包括相互并联的三组桥臂，每组桥臂都包括两个相互串联的IGBT，IGBT由功率管和反并联的二极管构成，三相全桥电路的直流电容并联于全桥电路桥臂两侧，交流侧采用电感L滤波，升压斩波电路为波动功率补偿电路，包括电感L_ac、电容C_ac和一组由相互串联的IGBT组成的桥臂，电感L_ac一端连接于三相全桥电路直流侧上桥臂，另一端连接于补偿电路桥臂中间，电容C_ac的一端和补偿电路上桥臂连接，电容C_ac的另一端和三相全桥电路直流侧下桥臂连接，补偿电路下桥臂和三相全桥电路直流侧下桥臂连接；双向接口变换器交流侧接交流微电网，直流侧接直流微电网，主电路经公共并网点PCC与大电网相连，混合微电网控制电路包括交流控制器和直流控制器，交流控制器包括正序控制器、负序控制器和PR控制器。

如上述的一种基于升压型功率补偿电路的混合微电网母线接口变换器交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿方法，具体实施方法如下：

步骤一：检测双向AC/DC变换器交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量u_αβ、i_αβ，并对u_αβ和i_αβ进行正负序分离，得到正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^-；

步骤二：在正序控制器中，将步骤一得到的正序电压u_αβ ⁺进行坐标变换，提取abc坐标系下正序电压幅值U_ac，然后采集三相全桥电路直流电容电压

并通过陷波器滤除二倍频分量得到直流电压平均值U_dc，对交直流侧电压分别进行归一化处理得到U_{ac_norm}和U_{dc_norm}，再对两个标量做差，差值ΔU_norm与功率参考值P_ref、Q_ref相乘控制功率双向流动，将ΔU_norm、P_ref、Q_ref以及u_αβ ⁺输入参考电流计算模块经过参考电流计算得到交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}；

步骤三：在负序控制器中，首先对α-β坐标系下的电流各轴分量求均方根值，选择较大值与变换器额定电流比较，将误差信号输入比例控制器得到负序电压补偿系数；其次，将步骤一中得到的负序电压u_αβ ^－乘以负序电压补偿系数可以得到交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}；最后，与步骤二中得到的交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}相减，再与交流正序电流实际值比较，采用PR控制器跟踪电流参考值，经过PWM调制输出触发脉冲控制三相PWM变换器；

步骤四：在直流控制器中，正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^－输入到交流波动功率计算模块中，根据瞬时功率理论计算得出变换器交流输出交流侧二倍频波动功率p₁，同时采集直流微电网直流负载电压电流U_{ac_L}、i_{ac_L}输入到直流功率计算模块中，然后通过带通滤波器提取直流侧二倍频波动功率p₂，交流侧二倍频波动功率p₁和直流侧二倍频波动功率p₂相加得到有功功率二次波动值

将有功功率二次波动值

输入二倍频电流计算模块除以直流电压，得到补偿电路需要吸收的二次谐波电流值i_2rd；

步骤五：给定交流电容电压参考值u^ref _{ac_c}，与实际电容电压u_{ac_c}比较后经过PI控制得到电流参考信号i^ref _{ac_c}，加上步骤四所得的二次谐波电流值i_2rd，得到最终电感电流参考值，与补偿电路中实际电感电流i_{ac_c}相比，所得误差信号经过PI控制器补偿后，再经过PWM调制输出一系列占空比可调的触发脉冲控制波动功率补偿电路。

Claims (2)

1.一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，其特征在于混合微电网主电路包括交流微电网、直流微电网以及连接交直流微电网的双向接口变换器，双向接口变换器包括三相全桥电路和升压斩波电路，三相全桥电路的直流电容并联于全桥电路桥臂两侧，交流侧采用电感L滤波，升压斩波电路为波动功率补偿电路，包括电感L_ac、电容C_ac和一组由相互串联的IGBT组成的桥臂，电感L_ac一端连接于三相全桥电路直流侧上桥臂，另一端连接于补偿电路桥臂中间，电容C_ac的一端和补偿电路上桥臂连接，电容C_ac的另一端和三相全桥电路直流侧下桥臂连接，补偿电路下桥臂和三相全桥电路直流侧下桥臂连接；双向接口变换器交流侧接交流微电网，直流侧接直流微电网，主电路经公共并网点PCC与大电网相连；双向接口变换器控制电路包括交流控制器和直流控制器，交流控制器包括正序控制器、负序控制器和PR控制器；控制方法中交流侧正序控制器得到交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}，负序控制器得到交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}，交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}、交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}合成交流总电流参考值，交流总电流参考值与交流总电流实际值比较后输入PR控制器，再经过PWM调制输出触发脉冲控制三相全桥电路；直流侧直流控制器根据输入的接口变换器交流侧电压电流和直流微电网负载侧电压电流得出交直流两侧波动功率，经过二倍频电流计算得出二次谐波电流值i_2rd，再由给定交流电容C_ac电压参考值与实际电容电压比较后经过PI控制得到电流参考信号，电流参考信号加上二次谐波电流值i_2rd得到最终电感电流参考值，电感电流参考值与补偿电路中实际电感电流相比，所得误差信号经过PI控制器补偿后，再经过PWM调制输出一系列占空比可调的触发脉冲控制波动功率补偿电路。

2.如权利要求1所述的一种交流不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的母线接口变换器控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：检测三相全桥电路交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的各个量u_αβ、i_αβ，对u_αβ和i_αβ进行正负序分离，得到正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^－；

步骤二：在正序控制器中，将步骤一得到的正序电压u_αβ ⁺进行坐标变换，提取abc坐标系下正序电压幅值U_ac，然后采集三相全桥电路直流电容电压

并通过陷波器滤除二倍频分量得到直流电压平均值U_dc，，对正序电压幅值U_ac和直流电压平均值U_dc分别进行归一化处理得到U_{ac_norm}和U_{dc_norm}，再对两个归一化处理标量做差，差值ΔU_norm与功率参考值P_ref、Q_ref相乘控制功率双向流动，将ΔU_norm、P_ref、Q_ref以及u_αβ ⁺输入参考电流计算模块经过参考电流计算得到交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}；

步骤三：在负序控制器中，首先对α-β坐标系下的电流各轴分量i_α、i_β求均方根值，然后从中选择较大值与变换器额定电流I_max比较，将误差信号输入比例控制器得到负序电压补偿系数；其次，将步骤一中得到的负序电压u_αβ ^－乘以负序电压补偿系数得到交流负序电流参考值i^- _{αβ_ref}；最后，与步骤二中得到的交流正序电流参考值i⁺ _{αβ_ref}相减得到总电流参考值，总电流参考值再与交流电流总实际值i_αβ比较后输入PR控制器，采用PR控制器跟踪电流参考值，经过PWM调制输出触发脉冲控制三相全桥电路；

步骤四：上述步骤达到了消除交流电压负序分量的目的，但是仍然无法完全消除二倍频波动功率，因此需要对直流侧波动功率补偿电路进行控制；在直流控制器中，将正序电压u_αβ ⁺、正序电流i_αβ ⁺和负序电压u_αβ ^－、负序电流i_αβ ^－输入到交流波动功率计算模块中，根据瞬时功率理论计算得出变换器交流输出交流侧二倍频波动功率p₁，同时采集直流微电网直流负载电压电流U_{ac_L}、i_{ac_L}输入到直流功率计算模块中，然后通过带通滤波器提取直流侧二倍频波动功率p₂，交流侧二倍频波动功率p₁和直流侧二倍频波动功率p₂相加得到有功功率二次波动值

将有功功率二次波动值

输入二倍频电流计算模块并除以直流电压U_dc，得到补偿电路需要吸收的二次谐波电流值i_2rd；

步骤五：给定交流电容C_ac电压参考值u^ref _{ac_c}与实际电容电压u_{ac_c}比较后经过PI控制得到电流参考信号i^ref _{ac_c}，加上步骤四所得的二次谐波电流值i_2rd，得到最终电感电流参考值，与补偿电路中实际电感电流i_{ac_c}相比，所得误差信号经过PI控制器补偿后，再经过PWM调制输出一系列占空比可调的触发脉冲控制波动功率补偿电路。

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