本发明公开了一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，属于电气工程技术领域，包括采集电网电压，依据电网电压计算电网电压跌落深度M；依据电网电压跌落深度M选择模块级联变流器运行模式：当电网电压跌落深度M不小于阈值时，模块级联变流器运行模式为电网电压正常时的控制方式；当电网电压跌落深度M小于阈值时，模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式；当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，双向DC/DC与三相半桥逆变器依据直流母线电压的高低依次对直流母线进行控制。用于解决现有控制母线电压稳定的方法失效时，无法对母线电压进行稳定控制的问题，本发明能保证低电压穿越时中间母线电压的稳定。(56)对比文件Wusong Wen et al..Low-voltage ridethrough of multi-port power electronictransformer《.iEnergy》.2022,第1卷(第2期),第243-256页.
1.一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括：
采集电网电压，依据电网电压计算电网电压跌落深度M；
依据电网电压跌落深度M选择模块级联变流器运行模式：当电网电压跌落深度M不小于阈值时，模块级联变流器运行模式为电网电压正常时的控制方式；当电网电压跌落深度M小于阈值时，模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式；
当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，双向DC/DC对直流母线的电压进行控制；当双向DC/DC连接电池的SOC超出SOC限值时，三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制方法对直流母线的电压进行控制；
模块级联变流器连接交流10kV电网与直流母线，三相半桥逆变器连接交流0.4kV电网与直流母线，双向DC/DC连接电池和直流母线；
所述双向DC/DC采用二阶直流电压偏差控制，具体包括：上偏差PI控制器的给定值Udc_ref+dU1与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值；上偏差PI控制器的积分上限值为DC/DC放电电流给定值idc_dis；
下偏差PI控制器的给定值Udc_ref‑dU1与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过下偏差PI控制器将得到电流给定值idc_ref；
将电流给定值idc_ref与(FSOC+Fidc)/2的绝对值相乘后，与DC/DC电流反馈值idc_fdb作差得到差值，其中FSOC为电池SOC值的标志位，Fidc为DC/DC放电电流的标志位；
差值通过电流PI控制器得到控制量，控制量通过PWM生成环节，得到开关管的PWM信号进行直流母线的电压控制。
2.根据权利要求1所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述阈值为0.85。
3.根据权利要求1所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制，具体包括：上偏差PI控制器的给定值Udc_ref+dU2与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值；上偏差PI控制器的积分上限值为三相半桥逆变器的放电电流给定值id_dis_L；
下偏差PI控制器的给定值Udc_ref‑dU2与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过下偏差PI控制器得到d轴电流给定值id_ref_L；d轴电流给定值id_ref_L与三相半桥逆变器d轴电流反馈值id_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到d轴控制量；
q轴电流给定值iq_ref_L与三相半桥逆变器q轴电流反馈值iq_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到q轴控制量；
d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后，再通过PWM生成环节，得到控制开关管的PWM信号进行直流母线的电压控制。
4.根据权利要求1所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，上偏差PI控制器和下偏差PI控制器的电压偏差值范围公式为：其中，ΔUsam为电压采样误差绝对值；dU1为电压偏差值一；dU2为电压偏差值二。
5.根据权利要求1所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述电网电压跌落深度M计算公式为：式中，ud+为电网电压的正序d轴分量，uq+为电网电压的正序q轴分量，UN为电网电压幅值的额定值。
6.根据权利要求1所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，低电压穿越时的d轴电流与d轴电流反馈值id_fdb_M作差后通过d轴电流环PI控制器得到d轴控制量；
低电压穿越时的q轴电流与q轴电流反馈值iq_fdb_M作差后通过q轴电流环PI控制器得到q轴控制量；
d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后再通过PWM生成环节得到控制开关管的PWM信号，控制模块级联变流器向电网电压输出无功功率。
7.根据权利要求6所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，低电压穿越时的d轴电流公式为：式中，id0为低电压穿越前的d轴电流，M为电网电压跌落深度， 为q轴电流， 为符号函数。
8.根据权利要求6所述的一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，其特征在于，低电压穿越时的q轴电流的公式为：式中， 为q轴电流。
一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电气工程技术领域，具体属于一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法。
背景技术
[0002] 交流10kV以上电压等级能量路由器端口并网时，能量路由器应具备低电压穿越能力。但多端口能量路由器在进行低电压穿越时，直流母线电压会出现偏移，当电压偏移超出允许范围时，系统将无法正常运行。
[0003] 公开号为CN110323781A、名称为一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法的专利申请，如图1所示，其能量路由器系统拓扑结构由高压输入级、中间隔离级、低压输出级及储能DC/DC组成。控制方案为：当电网电压跌落期间，若直流母线电压高于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，对储能系统进行充电，能量从直流侧流向储能系统，从而减小直流母线电压；反之，若直流母线电压低于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，对储能系统进行放电，能量从储能系统流向直流母线，从而使直流母线电压升高。
[0004] 现有技术中通过对储能DC/DC的控制实现直流母线电压的稳定，但是当直流母线电压偏高并且电池SOC大于上限值时，储能系统无法进行充电，会造成直流母线电压失稳；反之，当直流母线电压偏低并且电池SOC小于下限值时，储能系统无法进行放电，也会造成直流母线电压失稳。在以上两种情况下，现有技术控制母线电压稳定的方法会失效，无法对母线电压进行稳定控制，且现有技术需要依赖各端口控制器之间进行通信，增加了控制系统的复杂度，减少了系统的可靠性。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，用于解决上述背景技术中现有控制母线电压稳定的方法失效时，无法对母线电压进行稳定控制的问题，本发明的低电压穿越控制方法采用协调控制策略，在实现能量路由器10kV侧电网低电压穿越的同时，可以保证中间母线电压的稳定。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，包括：
[0008] 采集电网电压，依据电网电压计算电网电压跌落深度M；
[0009] 依据电网电压跌落深度M选择模块级联变流器运行模式：当电网电压跌落深度M不小于阈值时，模块级联变流器运行模式为电网电压正常时的控制方式；当电网电压跌落深度M小于阈值时，模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式；
[0010] 当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，双向DC/DC与三相半桥逆变器依据直流母线电压的高低依次对直流母线进行控制。
[0011] 优选的，当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，双向DC/DC对直流母线的电压进行控制；当双向DC/DC连接电池的SOC超出SOC限值时，三相半桥逆变器对直流母线的电压进行控制。
[0012] 优选的，所述阈值为0.85。
[0013] 优选的，所述双向DC/DC采用二阶直流电压偏差控制，具体包括：上偏差PI控制器的给定值Udc_ref+dU1与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值；上偏差PI控制器的积分上限值为DC/DC放电电流给定值idc_dis；
[0014] 下偏差PI控制器的给定值Udc_ref‑dU1与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过下偏差PI控制器将得到电流给定值idc_ref；
[0015] 将电流给定值idc_ref与(FSOC+Fidc)/2的绝对值相乘后，与DC/DC电流反馈值idc_fdb作差得到差值，其中FSOC为电池SOC值的标志位，Fidc为DC/DC放电电流的标志位；
[0016] 差值通过电流PI控制器得到控制量，控制量通过PWM生成环节，得到开关管的PWM信号进行直流母线的电压控制。
[0017] 优选的，所述三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制，具体包括： 上偏差PI控制器的给定值Udc_ref+dU2与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值；上偏差PI控制器的积分上限值为三相半桥逆变器的放电电流给定值id_dis_L；
[0018] 下偏差PI控制器的给定值Udc_ref‑dU2与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差得到的差值通过上下偏差PI控制器得到d轴电流给定值id_ref_L；d轴电流给定值id_ref_L与三相半桥逆变器d轴电流反馈值id_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到d轴控制量；
[0019] q轴电流给定值iq_ref_L与三相半桥逆变器q轴电流反馈值iq_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到q轴控制量；
[0020] d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后，再通过PWM生成环节，得到控制开关管的PWM信号进行直流母线的电压控制。
[0021] 进一步的，上偏差PI控制器和下偏差PI控制器的电压偏差值范围公式为：
[0022]
[0023] 其中，ΔUsam为电压采样误差绝对值；dU1为电压偏差值一；dU2为电压偏差值二。
[0024] 优选的，所述电网电压跌落深度M计算公式为：
[0025]
[0026] 式中，ud+为电网电压的正序d轴分量，uq+为电网电压的正序q轴分量，UN为电网电压幅值的额定值。
[0027] 优选的，当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，低电压穿越时的d轴电流与d轴电流反馈值id_fdb_M作差后通过d轴电流环PI控制器得到d轴控制量；
[0028] 低电压穿越时的q轴电流与q轴电流反馈值iq_fdb_M作差后通过q轴电流环PI控制器得到q轴控制量；
[0029] d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后再通过PWM生成环节得到控制开关管的PWM信号，控制模块级联变流器向电网电压输出无功功率。
[0030] 进一步的，低电压穿越时的d轴电流公式为：
[0031]
[0032] 式中，id0为低电压穿越前的d轴电流，M为电网电压跌落深度， 为q轴电流，为符号函数。
[0033] 进一步的，低电压穿越时的q轴电流的公式为：
[0034]
[0035] 式中， 为q轴电流。
[0036] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0037] 本发明提供一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法，通过采集电网电压信息计算电网电压跌落深度，从而在低电压穿越时，通过双向DC/DC和三相半桥逆变器对直流母线电压进行控制，可以保障多端口能量路由器在低电压穿越时直流母线电压的稳定；并且本发明中双向DC/DC和三相半桥逆变器的控制器采用二阶直流电压偏差控制方法，直流母线电压的控制权可以在双向DC/DC和三相半桥逆变器之间切换，不需要复杂的中央控制器逻辑，减少了通信的工作量，本发明的控制方案易于实现、可靠性强，在不增加控制的复杂化前提下，最大限度的维持了系统稳定运行。
附图说明
[0038] 图1为现有技术的系统拓扑结构图；
[0039] 图2为多端口能量路由器系统拓扑结构图；
[0040] 图3为本发明一种多端口能量路由器低电压穿越控制方法流程图；
[0041] 图4为模块级联变流器的控制框图；
[0042] 图5为双向DC/DC的控制框图；
[0043] 图6为三相半桥逆变器的控制框图。
具体实施方式
[0044] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0045] 如图2所示，多端口能量路由器系统拓扑包含三个端口，其中模块级联变流器连接交流10kV电网与直流母线，模块级联变流器采用双主动桥变换器（DAB）+级联H桥（CHB）高压侧串联低压侧并联的拓扑结构；三相半桥逆变器连接交流0.4kV电网与直流母线，双向DC/DC连接电池和直流母线，双向DC/DC采用双向Buck拓扑。
[0046] 当电网正常时，直流母线电压由图2中右侧的10kV模块级联变流器稳定，当电网电压跌落时，10kV模块级联变流器的控制目标变为支撑电网电压，无法稳定直流电压，控制权转交给其余两个端口，即双向DC/DC与三相半桥逆变器。
[0047] 如图3所示，本发明多端口能量路由器的低电压穿越控制方法，包括以下过程，[0048] 采集电网电压，依据电网电压计算电网电压跌落深度M。
[0049] 依据电网电压跌落深度M选择模块级联变流器运行模式；当电网电压跌落深度M≥0.85时，模块级联变流器运行模式为电网电压正常时的控制方式；当电网电压跌落深度M<
0.85时，模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式。
[0050] 当模块级联变流器运行模式为低电压穿越时的控制方式时，双向DC/DC与三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制，依据直流母线电压的高低选择直流母线的控制权，完成多端口能量路由器低电压穿越控制。
[0051] 具体的，模块级联变流器依据电网电压跌落深度M决定运行模式，图3中，采集电网电压，计算电网电压的正序d轴分量ud+和正序q轴分量uq+，依据电网电压计算电网电压跌落深度M。
[0052] M的计算如公式（1）所示，
[0053] （1）
[0054] 式中，ud+为电网电压的正序d轴分量，uq+为电网电压的正序q轴分量，UN为电网电压幅值的额定值。
[0055] 模块级联变流器的运行模式包含运行模式0和运行模式1，运行模式0对应电网电压正常时的控制方式，运行模式1对应低电压穿越时的控制方式。由电网电压跌落深度M决定模块级联变流器的运行模式，当M≥0.85时，运行模式为0；当M<0.85时，运行模式为1。0.85根据国标GBT40097第7.3.3.2节确定。
[0056] 电网电压正常时，模块级联变流器稳定直流母线电压，d轴电流由直流电压外环的输出决定，q轴电流的给定值一般为0。q轴电流和d轴电流是模块级联变流器将10kV电网的交流电流按照坐标分解形成。
[0057] 低电压穿越时，模块级联变流器需要输出无功功率对电网电压进行支撑，电网电流的大小与电网电压跌落深度M成正比，电网电流中q轴电流的给定值如公式（2）所示。为了减小有功功率的变化，d轴电流的给定值为低穿前的d轴电流值缩小M倍，低穿前的d轴电流如公式（3）所示，其中P0、id0、ud0分别是低穿前的有功功率、d轴电流和电网电压正序d轴分量。
[0058] 为了防止变流器过流，需要对d轴电流的给定值进行限幅，最终得到d轴电流给定值如公式（4）所示。
[0059] （2）
[0060] （3）
[0061] （4）
[0062] 式中，id0为低电压穿越前的d轴电流，M为电网电压跌落深度， 为q轴电流，为符号函数； 为q轴电流； 为d轴电流；P0为低穿前的有功功率、ud0为低穿前的电网电压正序d轴分量。
[0063] 如图4所示，模块级联变流器控制框图如下：Udc_ref表示直流母线电压给定值，Udc_fdb表示直流母线电压反馈值，两者作差后通过电压环PI控制器得到运行模式0下的d轴电流给定值，运行模式1下的d轴电流给定值由公式（4）得到，与d轴电流反馈值id_fdb_M作差后通过d轴电流环PI控制器得到d轴控制量；q轴电流给定值由公式（2）得到，与q轴电流反馈值iq_fdb_M作差后通过q轴电流环PI控制器得到q轴控制量。d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后再通过PWM生成环节得到控制开关管的PWM信号。
[0064] 双向DC/DC采用二阶直流电压偏差控制方法，电池充放电电流值由直流母线电压值决定，同时要考虑电池的SOC情况对电流进行限制，定义FSOC如公式（5）所示，定义Fidc如公式（6）所示。双向DC/DC的控制框图如图5所示。其中，dU1为电压偏差值一。
[0065] （5）
[0066] （6）
[0067] 其中，FSOC为电池SOC值的标志位，Fidc为DC/DC放电电流的标志位；SOC为电池荷电状态； 为电池荷电状态上限值； 为电池荷电状态下限值； 为电流给定值； 为符号函数。
[0068] 如图5所示，双向DC/DC的控制框图如下：dU1为电压偏差值一，Udc_ref+dU1为上偏差PI控制器的给定值，与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差后通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值，其中DC/DC放电电流给定值idc_dis为上偏差PI控制器的积分上限值；Udc_ref‑dU1为下偏差PI控制器的给定值，与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差后通过下偏差PI控制器得到电流给定值idc_ref，电流给定值idc_ref与(FSOC+Fidc)/2的绝对值相乘后，与DC/DC电流反馈值idc_fdb作差得到差值，差值再通过电流PI控制器得到控制量，最后通过PWM生成环节得到开关管的PWM信号。
[0069] 三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制方法，控制框图如图6所示。其中，dU2为电压偏差值二。
[0070] 低电压穿越时，模块级联变流器切换到运行方式1，直流母线电压失去控制，电压升高或下降，双向DC/DC在控制器的作用下自主接手直流母线电压的控制，当电池SOC超出SOC限值导致双向DC/DC无法稳定直流电压时，三相半桥逆变器会自主接手直流母线电压的控制。为了实现控制目标，上偏差PI控制器和下偏差PI控制器的电压偏差值应满足公式（7）的要求，其中，ΔUsam为电压采样误差绝对值。
[0071] （7）
[0072] 其中，ΔUsam为电压采样误差绝对值；dU1为电压偏差值一；dU2为电压偏差值二。
[0073] 如图6所示，三相半桥逆变器的控制框图如下：dU2为电压偏差值二，Udc_ref+dU2为上偏差PI控制器的给定值，与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差后通过上偏差PI控制器得到下偏差PI控制器的积分下限值，其中三相半桥逆变器的放电电流给定值id_dis_L为上偏差PI控制器的积分上限值；Udc_ref‑dU2为下偏差PI控制器的给定值，与直流母线电压反馈值Udc_fdb作差后通过下偏差PI控制器得到d轴电流给定值id_ref_L，与三相半桥逆变器d轴电流反馈值id_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到d轴控制量；q轴电流给定值iq_ref_L，与三相半桥逆变器q轴电流反馈值iq_fdb_L作差，再通过电流PI控制器得到q轴控制量。d轴控制量和q轴控制量通过dq/abc坐标变换后再通过PWM生成环节得到控制开关管的PWM信号。
[0074] 本发明提出的控制方法可以保障多端口能量路由器在低电压穿越时直流母线电压的稳定，双向DC/DC和三相半桥逆变器的控制器采用二阶直流电压偏差控制方法，直流母线电压的控制权可以自主得在各个控制器之间切换，不需要复杂的中央控制器逻辑，减少了通信的工作量，控制方案易于实现、可靠性强，在不增加控制的复杂化前提下，最大限度的维持了系统稳定运行。
[0075] 本发明模块级联变流器低穿时的控制方法，可以保障对电网的无功支撑，同时尽量减少有功变化，保障变流器不过流。本发明中双向DC/DC采用二阶直流电压偏差控制，在低穿时能自主接管直流母线电压的控制，电流根据电池SOC状态限幅，保障电池SOC在限值内。本发明中三相半桥逆变器采用二阶直流电压偏差控制，在双向DC/DC无法控制直流母线电压时，自主接管直流母线电压的控制。
