一种三相级联型构网电源结构及其多层级多目标功率调控方法

本发明涉及一种三相级联型构网电源的多层级多目标功率调控方法，具体为针对在三相级联型构网电源拓扑结构下采用分层控制分别实现多构网电源之间的功率调控、构网电源内部三相之间的功率调控以及同一相的相内模块间的功率合理分配。

背景技术

新能源发电比例升高，分布式可再生能源及其能量储存单元大量接入，然而分布式直流电源电压等级在常见情况下都小于并网电压等级，并联逆变器必须经过两级功率变换升压才能达到并网电压等级。多逆变器并联系统一般采用下垂控制，实现无通讯的功率共享，然而下垂控制存在不稳定、无功功率分配不精准等问题。

级联型构网电源能将低电压等级直流电源仅通过一级功率变换后串联连接并网，成为可再生能源接入电网的重要手段。然而由于电路结构不同，级联型构网电源不再满足传统下垂控制的应用条件，并且存在着相间和相内等多层功率调控的需求，现有的相间功率调控方法调控精度低，相内功率分配采取均分的形式与实际需求不符。

为了克服三相级联型构网电源的多功率调控目标难题，急需提出一种能同时实现分布式电源间、构网电源内部相间和构网电源内部模块间的多层功率调控方法。

发明内容

本文发明的目的是为了满足三相构网电源多功率调控目标的需求克服现有技术中相间功率分配精度低的不足。提供了一种三相级联型构网电源结构及其多层级多目标功率调控方法，以级联型的拓扑结构组成三相构网电网，便于低压直流新能源发电的接入，控制采用中央控制器-相控制器-模块控制器的分层控制模式，通过闭环零序电压算法实现了相间功率的精准调控，同时根据所接分布式电源的可出力程度进行合理的相内模块功率合理分配，最终实现了构网电源的多层级功率高效合理调控。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种三相级联型构网电源结构，应用于以IGBT组成的H桥单元为级联功率联模块为低压直流新能源发电接入提供高效稳定变换接口的构网电源，该结构的功率电路由主功率电路、滤波电感、滤波电容组成，该结构的控制器包括中央控制器、各相的桥臂控制器、各相内的模块控制器，各分布式构网电源通过馈线阻抗接入公共母线；所述的主功率电电路由三个桥臂组成，每个桥臂均由三个功率模块相互串联，所述功率模块包括直流单元、直流/交流转换电路，所述直流单元由直流母线电容和储能电池并联而成；所述直流/交流转换电路由四个功率开关管组成的H桥电路构成，所述直流/交流转换电路互相串联，构成单个功率桥臂，所述功率桥臂的其中一端接入所述滤波电感的输入端，所述滤波电感的输出端与所述滤波电容的输入端相接，同时经过馈线连接到公共母线，所述滤波电容的输出端与其余两个桥臂的滤波电容输出端相连，三相桥臂均为上述结构；该三相级联型分布式构网电源的采样电路为各功率单元模块采样电路、电源输出端采样电路，所述各功率单元模块采样电路包括对模块输出电流的采样电路、对模块端口电压的采样电路，以及对相应直流单元内的储能电池信息采样电路，采样得到的信息传入所述模块控制器；所述电源输出端采样电路包括对整体输出电流的采样电路、对级联型构网电源电容输出电压的采样电路，采样得到的信息传入所述电源的中央控制器。

基于上述三相级联型构网电源结构，本发明还提供了一种基于三相级联型构网电源结构的多层级多目标功率调控方法，包括以下步骤：

(1)中央控制器监测级三相构网电源各相输出电压V

(2)中央控制器内执行第一层控制，采用下垂控制实现多个构网电源间的功率分配参考的计算，将计算得到的各构网电源的参考电压幅值

(3)三相构网电源的各相的桥臂控制器接收中央控制器下发的各桥臂功率占比λ

(4)三相构网电源的各相内的模块控制器接收中央控制器下发的对应的H桥级联功率模块的功率占比λ

(5)三相构网电源的各相内的模块控制器接收中央控制器下发的考电压幅值

(a)利用电压传感器对三相级联型构网电源的各相输出电压V

其中，j代表变流器各相桥臂(j＝a,b,c)，k代表桥臂内各H桥模块编号，

(b)根据(1-1)得到的各模块输出功率P

根据上述得到的各相桥臂实际功率P

其中，P

进一步的，步骤(2)中的控制策略如下：中央控制器采用下垂控制实现多构网电源间的功率分配控制，得到构网电源运行时的频率、电压参考：

其中，D

进一步的，步骤(3)中的控制策略如下：三相级联型构网电源的相控制器接收来自中央控制器下发的各相功率占比λ

其中，k

其中，I

进一步的，步骤(4)中的控制策略如下：各模块控制器接收中央控制器下发的该模块功率占比λ

其中，k

相内各模块电压调整量由下式获得：

其中，I

进一步的，步骤(4)中的控制策略如下：各相内模块控制器接收中央控制器下发的参考电压幅值

各相内模块控制器接收相控制器下发的零序电压

结合步骤4生成的模块电压调整量

采用比例谐振控制器控制模块电压，得到各基本功率模块的调制波，通过载波移相等调制方式产生开关脉冲信号，控制功率模块的开通关断。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明通过多目标分层功率控制的方法结合所提的闭环零序电压控制方法以及相内各模块功率调控方法，实现了多构网电源间功率调控、三相构网电源内三相之间的功率调控、构网电源同一相内的模块间功率合理分配。与传统开环式的零序电压注入控制方式相比，本发明所包含的闭环零序电压注入控制方法的精确度更高；和已有的相内模块功率分配技术相比，本发明能实现根据所接分布式电源的可出力程度进行功率合理分配。本发明针对高效接入新能源构网的三相级联型构网电源，提出了多层级多目标的功率调控方法，为分布式新能源发电接入构网的功率调控提供了一种高效灵活的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三相级联型分布式构网电源的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三相级联型构网电源的分布式功率调节方法控制框图；

图3为本发明实施例提供的级联型构网电源功率控制技术的算法流程图；

图4为本发明实施例提供的仿真波形图。

图5为本发明实施例提供的实验波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1、图2、图3及图4，图1为本发明实施例提供的三相级联型分布式构网电源的结构示意图；图2为本发明实施例提供的三相级联型构网电源的分布式功率调节方法控制框图；图3为本发明实施例提供的级联型构网电源功率控制技术的算法流程图；图4为本发明实施例本发明实施例提供的仿真波形图；图5为本发明实施例提供的实验波形图。

如图1所示的一种功率模块串联组成的三相级联型分布式构网电源结构，是由主功率电路、滤波电感、滤波电容组成，各分布式构网电源通过馈线阻抗接入公共母线。构网电源主功率电路由三个桥臂并联组成，每个桥臂均由三个功率模块相互串联，所述功率模块包括直流单元、直流/交流转换电路，所述直流单元由直流母线电容和储能电池并联而成；所述直流/交流转换电路由四个功率开关管组成的单相H桥电路构成，所述直流/交流转换电路互相串联，构成单个功率桥臂，所述功率桥臂的其中一端接入所述滤波电感的输入端，所述滤波电感的输出端与所述滤波电容的输入端相接，同时经过馈线连接到公共母线，所述滤波电容的输出端与其余两个桥臂的滤波电容输出端相连，三相桥臂均为上述结构。

三相级联型分布式构网电源的采样电路为各功率单元模块采样电路、电源输出端采样电路，所述各功率单元模块采样电路包括对基本模块输出电流的采样电路、对基本功率模块端口电压的采样电路，以及对相应直流单元内的储能电池信息采样电路，采样得到的信息传入所述基本模块控制器；所述电源输出端采样电路包括对整体输出电流的采样电路、对级联型构网电源电容输出电压的采样电路，采样得到的信息传入所述电源输出侧中央控制器。

本发明针对上述的基于功率模块串联组成的三相级联型构网电源的分布式功率调节方法基本步骤如下：

步骤(1)：输出端采样电路中，利用电压传感器对级联H桥变流器各相输出电压V

其中，j代表变流器各相桥臂(j＝a,b,c)，k代表相内各H桥模块编号，

根据(1)得到的各模块输出功率P

根据上述得到的各分布式发电单元的各相的实际功率P

其中，P

将(2)得到的各相功率占比λ

步骤(2)：中央控制器执行第一层功率控制，采用下垂控制得到变流器运行时的频率、电压参考：

其中，D

将控制器计算得到的参考电压频率

步骤(3)：三相级联型构网电源的各相桥臂控制器接收来自中央控制器下发的各相桥臂功率占比λ

其中，k

其中，I

步骤(4)：各桥臂内模块控制器接收中央控制器下发的该模块功率占比λ

其中，k

相内各模块电压调整量由下式获得：

其中，I

步骤(5)：各相内模块控制器接收中央控制器下发的参考电压幅值

各相内模块控制器接收对应相桥臂控制器下发的零序电压

结合步骤4生成的模块参考电压调整量

采用比例谐振控制器控制模块电压，得到各基本功率模块的调制波，通过载波移相等调制方式产生开关序列，控制功率模块的开通关断。

综上，本专利所提方法通过分层功率控制，使三相级联型构网电源的各级功率得到有效管理，特别是相间功率控制，运用本文所提的闭环零序电压注入的方法可以实现精准快速的相间功率调控，同时还能保证各功率模块按照所接直流侧的电池的可出力程度进行功率合理分配。

如图4所示的仿真波形，提供了本专利所提的闭环零序控制方法和传统控制方法的对比，图4左侧三张波形图分别为传统零序电压控制方法的功率曲线图、输出电压波形图和输出电流波形图，图4右侧分别为本文所提的闭环零序电压注入控制方法下的功率曲线图、输出电压波形图和输出电流波形图。仿真均已2秒为界限，在2秒前不主动调控相间功率，a相、b相、c相功率分别为1285W、985W和708W。从2.0秒开始，开始应用不同的零序电压注入控制方法，在传统的零序电压注入方法控制下，最终三相的功率分别为a相1108W、b相989W、c相881W，仍存在明显功率分配误差。而采用本专利提的闭环零序电压控制方法后a、b、c三相最终功率均为993W，实现了精准的相间功率分配，而且在此过程中，三相级联型构网电源的输出电压依旧平衡良好。如图5的实验波形，提供了本专利所提的分布式功率调控方法的有效性。首先，三个分布式发单元的曲线如图5(a)所示。在阶段1中，三个分布式发单元的功率参考是1:1:1，可以清楚地看到运行中三个发电单元的有功功率和无功功率的分享达到了精确的1:1:1；在阶段2中，从分布式发电单元1到分布式发电单元3的参考功率比率为60％：20％：20％。可以从图5(a)看到分布式发电单元1的输出功率增加到3000W和1800Var，而分布式发电单元2和分布式发电单元3的输出功率分别降至1000W和600Var，这完全符合参考给定的功率比率。在阶段3和阶段4中，只在分布式发电单元1(即三相级联型构网电源)内部进行相间和模块间的功率分配，所以图5(a)的曲线不再受影响，始终满足60％：20％：20％的有功分配参考指标。然后，分布式发电单元1的相间功率变化曲线如图5(b)所示。在阶段1和阶段2，由于公共母线处带有不平衡负载，每相输出的有功和无功功率不同。在阶段3中，本专利所提的零序电压注入法被运用，使每个相的实际功率达到很好的。每相的有功功率很快变得相同，无误差，此时相间的无功功率为被动分享。第三个是级联型构网电源内部功率模块的功率变化曲线，如图5(c)所示。从阶段1到阶段3，分布式发电单元1的a相的功率模块具有相同的有功和无功功率输出。然而，第4阶段，a相内的功率模块的有功输出比例设置为30％:30％:40％，无功输出比例被设置为40％:40％:20％。最终在所提控制方法控制下，可以清楚地看到功率模块a3的有功功率变为400W，功率模块a1和a2变为300W，同时，功率模块a1、a2、a3的输出无功功率分别为350Var、350Var和175Var。有功和无功功率的分配完全按照参考设置的比率分配。

正如上述所述，传统的零序电压注入方法没有考虑负序电流，因此在稳态时仍存在不可忽略的相间功率误差，而所提出的零序电压控制方案，在闭环控制时以零序电压为参考，最终可以实现无相间功率误差。。本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。