本发明涉及交直流母线接口变换器的控制技术领域。一种双向功率变换器双模式并网控制策略，适用于该策略的交直流母线接口变换器的电路中，直流母线正负极P、N通过双向功率变换器直流侧并联电容Cdc与双向功率变换器直流侧相连，双向功率变换器为6个IGBT组成的双向功率变换器，双向功率变换器交流侧通过双向功率变换器交流侧滤波电感L和双向功率变换器交流侧滤波电容C连接至PCC点，PCC点一方面为本地交流负荷进行供电，另一方面通过配电网网侧阻抗Zg与配电网母线连接进行功率交换。本发明的有益效果是针对双向功率变换器通常只考虑配电网为强电网情况下的控制策略，本发明考虑了双向功率变换器在弱电网下的应用。
1.一种双向功率变换器双模式并网控制策略，其特征在于：适用于该策略的交直流母线接口变换器的电路中，直流母线正负极P、N通过双向功率变换器直流侧并联电容Cdc与双向功率变换器直流侧相连，双向功率变换器为6个IGBT组成的双向功率变换器，双向功率变换器交流侧通过双向功率变换器交流侧滤波电感L和双向功率变换器交流侧滤波电容C连接至PCC点，PCC点一方面为本地交流负荷进行供电，另一方面通过配电网网侧阻抗Zg与配电网母线连接进行功率交换，Udc表示直流母线电压，S1～S6为6个IGBT组成双向功率变换器，egi为双向功率变换器交流侧输出电压；iLi为双向功率变换器交流侧输出电流，uPCC和iPCC分别为PCC点电压和电流，ugi为配电网母线电压，n为三相中性点，egi、iLi、ugi中的i＝a,b,c，具体控制策略按如下步骤进行步骤一、系统正常情况运行在电流源控制模式，分为整流/逆变过程运行，当外界某种因素使配电网电网强度变弱，此时在PCC点注入扰动，通过采集PCC点电压uPCC和电流iPCC得到其谐波含量，进而对配电网网侧阻抗Zg进行测量，进行功率折算后计算出短路比大小，短路比大小根据公式进行计算，其中KSCR为短路比大小，Sac为配电网短路容量，SB为双向功率变换器接入容量，UN为PCC点额定电压，PCC的额定电压为已知量，双向功率变换器接入容量SB的接入容量可从上级调度部门获得；
步骤二、根据步骤一所求短路比大小KSCR与预设的阈值进行比较从而判断电网的强弱，当所得短路比大于临界状态时，证明系统处于强电网工况，此时系统控制策略为电流源控制模式，当所得短路比小于临界状态时，证明系统处于弱电网工况，此时系统控制策略为电压源控制模式；
步骤三、分别对电流源控制模式与电压源控制模式进行设计，其中电流源控制模式具体控制方法，根据其下垂特性
进行设计，其中Udc为直流母线电压；kdc为有功功率下垂系数；PBIC为变换器传输有功功率； 为直流母线电压额定电压；
具体运行分为以下3种情况：1.当直流子网内部有功功率平衡时，直流母线电压此时双向功率变换器传输功率为0；2.逆变模式：当直流子网切除负载，直流子网内部功率供大于求，直流母线电压 双向功率变换器工作于逆变模式，将直流侧多余功率传输给交流侧，此时双向功率变换器传输功率PBIC＞0；3.整流模式：当直流子网负荷增加，直流子网内部功率供不应求，直流母线电压 双向功率变换器工作于整流模式，交流配电网通过变换器输送功率到直流子网维持其电压稳定，此时双向功率变换器传输功率PBIC＜0，将所得PBIC作为输入参考量与实际反馈量Pe做差输入到PI调节器得到d轴参考电流idref，考虑双向功率变换器的容量问题，以传递有功功率为目的，在设计控制时将q轴参考电流iqref初始值设为0，将电流指令idref和iqref信号与接口变换器输出电流实际值id，iq分别做差后输入PI调节器；与实际电压反馈量ud，uq相加，并在d轴控制中减去解耦量iq·ωL和在q轴控制中加上解耦量id·ωL,其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标‑1系下的调制信号经过(Tabc/dq0) 转换至abc坐标系下输入至SPWM调制环节；
电压源控制模式具体控制方法，通过有功控制器模拟同步发电机的惯性和一次调频特性；无功控制器模拟了同步发电机的一次调压特性，根据公式
设计有功控制器，其中J为虚拟转动惯量；ω和ωn分别虚拟同步机的输出角频率和电网的额定角频率；Tref和Te分别为给定转矩和电磁转矩；D为有功阻尼系数；Pref为有功功率；Pe为瞬时输出有功功率；θ为虚拟同步机内电势的相位，根据公式设计无功控制器，其中E为虚拟同步机的内电势有效值；E0为虚拟同步机的空载电动势；
ΔEQ为无功电压下垂调节部分；Dq为无功阻尼系数；Qref和Qe分别为无功功率给定值和输出值；将所得E和θ作为输入参考量通过公式
及abc/dq0坐标变换得到d轴和q轴的电压参考量edref和eqref，将参考量edref和eqref与电压反馈量ud、uq做差作为电压外环输入值输入到PI调节器与电流反馈值id、iq相加，并在d轴控制中加上解耦量uq·ωC和在q轴控制中减去解耦量ud·ωC得到电流参考指令idref和iqref，将电流参考指令idref、iqref与电流反馈值iLd，iLq分别做差后输入PI调节器；与电压反馈值ud、uq相加，并在d轴控制中减去解耦量iLq·ωL和在q轴控制中加上解耦量iLd·ωL,其‑1中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标系下的调制信号经过(Tabc/dq0) 转换至abc坐标系下，输入至SPWM调制环节；
另外，三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下的量的公式如下：
其中，Tabc/dq0表示坐标变换矩阵，即abc坐标系转换为dq0坐标系的通用变换矩阵公式，abc坐标系是静止的坐标系，dq0是旋转的坐标系，电力电子控制领域将需要控制的变量信号所在的abc坐标系转换为旋转的dq0坐标系，将三相交流电信号变换成直流电信号，这使得更加有效地控制电气系统；θ表示abc坐标系与dq0坐标系之间的夹角；将A、B、C相交流母线电压转换为dq0坐标系下变量，对此变量更能有效控制；PCC点电压为upcc通过坐标轴变换得到d、q轴的电压反馈量ud、uq；电流ipcc通过坐标轴变换得到d、q轴的电流反馈量id、iq；流过电感L的电流iL通过坐标轴变换得到d、q轴的电流反馈量iLd，iLq。
一种双向功率变换器双模式并网控制策略
技术领域
[0001] 本发明涉及交直流母线接口变换器的控制技术领域。
背景技术
[0002] 交直流混合微电网可以有效整合风、光、储等多种分布式能源，解决可再生能源的消纳问题成为目前的研究热点。对于交直流混合微电网而言，研究连接交流母线和直流母线的AC/DC双向功率变换器控制策略对交直流系统功率交互，维持母线电压、频率稳定，实现电能质量治理，提升系统的稳定性具有重要的意义。当交直流混合微电网并网运行时，目前已有控制策略均是将电网看做理想模型进行设计，配电网电压、频率基本不变。但随着高密度分布式电源接入，系统惯性水平持续下降，公共连接点(PCC)电压、频率稳定性问题显著，电网逐渐呈现弱电网工况。因此研究AC/DC双向功率变换器在并网模式下发生弱电网工况时的控制策略十分必要。目前，已有大量文献针对弱电网工况从不同方面进行定义与分析。例如，文献“Impact of short‑circuit ratio and phase‑locked‑loop parameters on the small‑signal behavior of a VSC‑HVDC converter”引入短路比(Short circuit ratio，SCR)定义系统强、弱电网的变化，用于分析变换器并网系统的相对强度和稳定性。文献“基于基波阻抗辨识的短路比测量方法”提出了一种基于基波阻抗的测量方法，利用基波阻抗和并网系统短路比之间的关系，在线测量得到系统的短路比。文献“Stability Improvement for Three‑Phase Grid‑Connected Converters Through Impedance Reshaping in Quadrature‑Axis”表明系统运行在电流型控制策略时，电网强度很弱的情况下系统极点仍趋于单位圆，稳定裕度与快速性不足。文献“虚拟同步发电机接入弱电网的序阻抗建模与稳定性分析”验证了虚拟同步控制策略在并网系统弱电网工况或者高渗透率新能源发电下依旧可以稳定运行且无锁相环的约束。文献“电池储能变换器弱电网运行控制与稳定性研究”研究了电压型与电流型两种控制方式的稳定裕度与电网强弱的关系并得出结论：弱电网环境下电流型控制策略容易引起系统振荡，电压型控制策略可以稳定运行。专利“CN201910261338.5”基于短路比辨识、电流源型控制策略和电压源型控制策略等内容提出一种双模式控制策略可实现逆变器并网模式下发生弱电网工况时的稳定运行，并在专利“CN201911308959.0”做了进一步的改进。
[0003] 综合以上文献，现有的双向功率变换器存在以下不足：
[0004] 在考虑交直流混合微电网并网运行的问题时，均是将配电网侧看做理想模型进行控制策略设计，缺乏并网模式下发生整流/逆变过程遭遇电网强度变化时的控制策略研究，对进一步的系统惯性缺失问题也缺乏考虑。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：并网运行时，如何在强电网工况/弱电网工况下双向功率变换器均能稳定运行，并且针对弱电网工况下系统惯性缺失的问题进行惯性补偿。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种双向功率变换器双模式并网控制策略，适用于该策略的交直流母线接口变换器的电路中，直流母线正负极P、N通过双向功率变换器直流侧并联电容Cdc与双向功率变换器直流侧相连，双向功率变换器为6个IGBT组成的双向功率变换器，双向功率变换器交流侧通过双向功率变换器交流侧滤波电感L和双向功率变换器交流侧滤波电容C连接至PCC点，PCC点一方面为本地交流负荷进行供电，另一方面通过配电网网侧阻抗Zg与配电网母线连接进行功率交换，Udc表示直流母线电压，S1～S6为6个IGBT组成双向功率变换器，egi(i＝a,b,c)为双向功率变换器交流侧输出电压；iLi(i＝a,b,c)为双向功率变换器交流侧输出电流，uPCC和iPCC分别为PCC点电压和电流，ugi(i＝a,b,c)为配电网母线电压，n为三相中性点，具体控制策略按如下步骤进行
[0007] 步骤一、系统正常情况运行在电流源控制模式，分为整流/逆变过程运行，当外界某种因素(如大容量分布式电源接入)使配电网电网强度变弱，此时在PCC点注入扰动，通过采集PCC点电压uPCC和电流iPCC得到其谐波含量，进而对配电网网侧阻抗Zg进行测量，进行功率折算后计算出短路比大小，短路比大小主要根据公式
[0008]
[0009] 进行计算，其中KSCR为短路比大小，Sac为配电网短路容量，SB为双向功率变换器接入容量，UN为PCC点额定电压，PCC的额定电压为已知量，双向功率变换器接入容量SB的接入容量可从上级调度部门获得；
[0010] 步骤二、根据步骤一所求短路比大小KSCR与预设的阈值进行比较从而判断电网的强弱，当所得短路比大于临界状态时，证明系统处于强电网工况，此时系统控制策略为电流源控制模式，当所得短路比小于临界状态时，证明系统处于弱电网工况，此时系统控制策略为电压源控制模式；
[0011] 步骤三、分别对电流源控制模式与电压源控制模式进行设计，其中电流源控制模式具体控制方法，根据其下垂特性
[0012]
[0013] 进行设计，其中Udc为直流母线电压；kdc为有功功率下垂系数；PBIC为变换器传输有功功率； 为直流母线电压额定电压；
[0014] 具体运行分为以下3种情况：1.当直流子网内部有功功率平衡时，直流母线电压此时双向功率变换器传输功率为0；2.逆变模式：当直流子网切除负载，直流子网内部功率供大于求，直流母线电压 双向功率变换器工作于逆变模式，将直流侧多余功率传输给交流侧，此时双向功率变换器传输功率PBIC＞0；3.整流模式：当直流子网负荷增加，直流子网内部功率供不应求，直流母线电压 双向功率变换器工作于整流模式，交流配电网通过变换器输送功率到直流子网维持其电压稳定，此时双向功率变换器传输功率PBIC＜0，将所得PBIC作为输入参考量与实际反馈量Pe做差输入到PI调节器得到d轴参考电流idref，考虑双向功率变换器的容量问题，以传递有功功率为目的，在设计控制时将q轴参考电流iqref初始值设为0，将电流指令idref和iqref信号与接口变换器输出电流实际值id，iq分别做差后输入PI调节器；与实际电压反馈量ud，uq相加，并在d轴控制中减去解耦量iq·ωL和在q轴控制中加上解耦量id·ωL,其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标‑1系下的调制信号经过(Tabc/dq0) 转换至abc坐标系下输入至SPWM调制环节；
[0015] 电压源控制模式具体控制方法，通过有功控制器模拟同步发电机的惯性和一次调频特性；无功控制器模拟了同步发电机的一次调压特性，根据公式
[0016]
[0017] 设计有功控制器，其中J为虚拟转动惯量；ω和ωn分别虚拟同步机的输出角频率和电网的额定角频率；Tref和Te分别为给定转矩和电磁转矩；D为有功阻尼系数；Pref为有功功率；Pe为瞬时输出有功功率；θ为虚拟同步机内电势的相位，根据公式
[0018]
[0019] 设计无功控制器，其中E为虚拟同步机的内电势有效值；E0为虚拟同步机的空载电动势；ΔEQ为无功电压下垂调节部分；Dq为无功阻尼系数；Qref和Qe分别为无功功率给定值和输出值。将所得E和θ作为输入参考量通过公式
[0020]
[0021] 及abc/dq0坐标变换得到d轴和q轴的电压参考量edref和eqref，将参考量edref和eqref与电压反馈量ud、uq做差作为电压外环输入值输入到PI调节器与电流反馈值id、iq相加，并在d轴控制中加上解耦量uq·ωC和在q轴控制中减去解耦量ud·ωC得到电流参考指令idref和iqref，将电流参考指令idref、iqref与电流反馈值iLd，iLq分别做差后输入PI调节器；与电压反馈值ud、uq相加，并在d轴控制中减去解耦量iLq·ωL和在q轴控制中加上解耦量iLd·ωL,‑1其中，ωL表示滤波电抗值；将所得到的dq0坐标系下的调制信号经过(Tabc/dq0) 转换至abc坐标系下，输入至SPWM调制环节；
[0022] 另外，三相静止坐标系下的量通过等量变换转换为两相旋转坐标系下的量的公式如下：
[0023]
[0024] 其中，Tabc/dq0表示坐标变换矩阵，即abc坐标系转换为dq0坐标系的通用变换矩阵公式，abc坐标系是静止的坐标系，dq0是旋转的坐标系，电力电子控制领域通常将需要控制的变量信号所在的abc坐标系转换为旋转的dq0坐标系，将三相交流电信号变换成直流电信号，这使得更加有效地控制电气系统。θ表示abc坐标系与dq0坐标系之间的夹角；将A、B、C相交流母线电压转换为dq0坐标系下变量，对此变量更能有效控制。例如，PCC点电压为upcc通过坐标轴变换得到d、q轴的电压反馈量ud、uq；电流ipcc通过坐标轴变换得到d、q轴的电流反馈量id、iq；流过电感L的电流iL通过坐标轴变换得到d、q轴的电流反馈量iLd，iLq。
[0025] 本发明的有益效果是：首先，针对双向功率变换器通常只考虑配电网为强电网情况下的控制策略，本发明考虑了双向功率变换器在弱电网下的应用。针对配电网电网强度变化的实际情况，借鉴目前已有的逆变器双模式控制策略将其改进成可以进行双向功率流动的双模式控制策略，在能量流动上具有更大的灵活性。并且在发生功率双向流动时遭遇电网强度变化均可使系统稳定运行，另外针对弱电网情况下交直流混合微电网系统惯量缺失的问题采用虚拟同步机控制策略增加系统的惯性，对交直流混合微电网与配电网的稳定运行起到重要作用。
附图说明
[0026] 图1为交直流母线接口变换器的电路拓扑及控制策略图；
[0027] 图2为短路比计算流程图；
[0028] 图3为模式切换示意图；
[0029] 图4为电流型控制策略图；
[0030] 图5为下垂特性曲线图；
[0031] 图6为电压型控制策略图；
[0032] 图7为逆变模式下发生弱电网工况整体仿真过程图；
[0033] 图8为整流模式下发生弱电网工况整体仿真过程图。
具体实施方式
[0034] 具体实施方式以边缘山区供电为背景，综合考虑配电网内部阻抗、线路阻抗、公共连接点并联逆变器个数等因素，为方便研究简化交直流混合微电网并网模式下电路拓扑及其控制方式如图1所述。所述图1为交直流母线接口变换器的电路拓扑及相应双模式控制策略示意图，P、N分别为直流母线的正负极；Udc表示直流侧母线电压；Cdc为双向功率变换器直流侧并联电容；S1～S6为6个IGBT组成双向功率变换器；egi(i＝a，b，c)为双向功率变换器交流侧输出电压；iLi(i＝a，b，c)为双向功率变换器交流侧输出电流；L，C为双向功率变换器交流侧滤波电感和滤波电容；ii(i＝a，b，c)为双向功率变换器交流侧经LC滤波后的输出电流；PCC为公共连接点；uPCC和iPCC分别为PCC点电压和电流；Zg为配电网网侧阻抗；ugi(i＝a，b，c)为配电网母线电压；n为三相中性点。具体参数参见表1。电气连接过程为：直流母线正负极P、N通过电容Cdc与双向功率变换器直流侧相连，经6个IGBT(S1～S6)组成的双向功率变换器与交流侧滤波电感L，滤波电容C连接至PCC点，PCC点一方面连接本地交流电网进行供电，另一方面通过配电网网侧阻抗与配电网连接进行功率交换。
[0035] 下面表1为系统仿真数据参数
[0036]参数 数值
直流子网额定电压Udc/V 750
交流子网额定电压幅值Ugabc/V 220
交流子网频率f/Hz 50
直流侧电容Cdc/uF 470
滤波电感L/mH 7
滤波电容C/uF 30
[0037] 具体控制过程包括四个步骤：
[0038] 步骤一，进行短路比计算。步骤二，根据计算得到的短路比大小判断电网强度的强弱，若交直流混合微电网所连配电网为强电网工况，则系统仍运行在电流源控制模式；若交直流混合微电网所连配电网为弱电网工况，则系统运行在电压源控制模式。步骤三，分别对电流源控制模式与电压源控制模式进行设计。
[0039] 步骤一，系统正常情况运行在电流源控制模式，分为整流/逆变过程运行，当外界某种因素(如大容量分布式电源接入)使交直流混合微电网所连配电网电网强度变弱，此时在PCC点注入扰动，通过采集PCC点电压uPCC，电流iPCC得到其谐波含量，进而对基波阻抗进行测量，进行功率折算后计算出短路比大小，短路比大小主要根据公式
[0040]
[0041] 进行计算，其中KSCR为短路比大小，Sac为配电网短路容量，SB为变换器接入容量，UN为PCC点额定电压。一般情况下，PCC的额定电压已知，电力电子设备SB的接入容量可从上级调度部门获得。KSCR可以通过测量线阻抗Zg得到。具体流程如图2所述。
[0042] 步骤二，根据步骤一所求短路比大小与预设的阈值进行比较从而判断电网的强弱，如图3所述。当所得短路比大于临界状态时，证明系统处于强电网工况，此时系统控制策略为电流源控制模式；当所得短路比小于临界状态时，证明系统处于弱电网工况，此时系统控制策略为电压源控制模式。
[0043] 步骤三，分别对电流源控制模式与电压源控制模式进行设计。
[0044] 运行过程一：
[0045] 双向功率变换器运行在逆变模式时发生弱电网工况PCC点电压波形整体仿真过程如图7(a)所示，电流波形如图7(b)所示，单相(以a相为例)电压电流仿真波形如图7(c)所示,双向功率变换器传输功率如图7(d)所示，PCC点传输功率如图7(e)所示，直流母线电压如图7(f)所示。
[0046] 初始时刻配电网为强电网工况，双向功率变换器根据直流母线电压与额定值之间差值进行双向功率传输。
[0047] 0～0.2s，直流母线承担10KW负载运行，母线电压约为749V，直流子网内部有功功率缺额双向功率变换器处于整流模式，配电网给直流子网提供有功功率约2KW。
[0048] 0.2s～0.3s，直流子网内10KW负荷切除，直流母线电压升高到752V，双向功率变换器处于逆变模式给本地负荷与配电网提供有功功率约4KW。
[0049] 0.3s～0.35s，交流系统由于大量分布式电源接入导致系统呈现弱电网工况，在电路中等效为系统阻抗增大，此时传统电流源型控制策略已不能正常传输功率，波形发生畸变。
[0050] 0.35s～0.65s，检测回路通过短路比测量、计算，将控制策略切换电压源型控制策略。此时，变换器给PCC点提供稳定电压和频率，并使用虚拟同步控制增加系统的惯性，额定输出功率为5KW。可以看到系统逐渐恢复正常，在0.65s时达到稳定状态并且可以在弱电网工况下保持系统稳定运行。此时直流电压相对较高，若高于限定值，可启用蓄电池来维持母线电压稳定。0.65s后为变换器稳定运行过程。
[0051] 运行过程二：
[0052] 双向功率变换器运行在整流模式时发生弱电网工况PCC点电压波形整体仿真过程如图8(a)所示，电流波形如图8(b)所示，单相(以a相为例)电压电流仿真波形如图8(c)所示,双向功率变换器传输功率如图8(d)所示，PCC点传输功率如图8(e)所示，直流母线电压如图8(f)所示。
[0053] 初始时刻配电网为强电网工况，双向功率变换器根据直流母线电压与额定值之间差值进行双向功率传输。
[0054] 0～0.2s，直流母线电压约为752V，直流子网内部有功功率冗余，双向功率变换器处于逆变模式，传输约4KW功率给交流子网。
[0055] 0.2s～0.3s，直流子网内增加10KW负荷，直流母线电压降低为749V，双向功率变换器处于整流模式由交流子网补充有功功率约为2KW。
[0056] 0.3s～0.35s，交流系统由于大量分布式电源接入导致系统呈现弱电网工况，在电路中的等效为系统阻抗增大，此时传统电流源型控制策略已不能正常传输功率，波形发生畸变并逐渐发散，系统稳定性降低。
[0057] 0.35s～0.65s，检测回路通过短路比测量、计算，将控制策略切换电压源型控制策略。此时，变换器给PCC点提供稳定电压和频率，并使用虚拟同步控制增加系统的惯性，额定输出功率为5KW。可以看到系统逐渐恢复正常，在0.65s时达到稳定状态并且可以在弱电网工况下保持系统稳定运行。此时直流电压相对较低，若低于限定值，可启用蓄电池来维持母线电压稳定。0.65s后为变换器稳定运行过程。
[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
