交直流混合配电网枢纽变换器交直流互济控制装置和方法

技术领域

本发明属于电网枢纽技术领域，涉及交直流混合配电网枢纽变换器交直流互济控制装置和方法。

背景技术

传统电力系统中，同步发电机组的下垂特性以及转动惯量大等特点，在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。发电机组调节系统频率过程中的第一个阶段为发电机组依靠自身的转动惯量调节系统的快速功率波动；当频率波动超出一定的限值，则通过改变原动机功率输入来调节频率，即一次调频。

随着光伏、风电等分布式新能源的渗透率越来越高，传统的控制方式对电网的威胁越来越大，使得这些能源的友好并网成为急需解决的问题。而发电机组的频率调节对分布式发电有着良好的借鉴意义。在直流配网系统中交直流电网互为电源支撑，利用交直流系统能量的双向流动提供下垂特性和转动惯量来模拟同步发电机组的特性，即采用虚拟同步发电机技术，使其像发电机组一样参与频率和电压的调节过程，在交流系统发生暂态波动时由直流电网供能支撑，在直流系统发生暂态波动时由交流电网供能支撑，实现交直流暂态功率互济。

用于交直流混合配网的交直流功率互济控制是在虚拟同步机控制策略的基础上增加了对于直流电压波动的功率响应控制，使得交直流联络变流器拥有对于交直流两端的功率响应能力，使其对于交流侧拥有有功-调频，无功-调压的功率响应能力；同时对于直流侧的直流电压波动拥有有功功率的支援能力。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了交直流混合配电网枢纽变换器交直流互济控制装置和方法。

本发明采用如下的技术方案：

交直流混合配电网枢纽变换器交直流互济控制装置，包括功率控制外环和电压电流双环，

所述功率控制外环包括直流电压环、交流有功环及交流无功环，交流有功环及交流无功环基于虚拟同步机控制为电网提供频率响应惯性特性，直流电压环通过直流电压下垂获得直流功率指令，同时将其前馈至电压环的电压内环d轴和交流有功环中；

所述功率控制外环中的交流有功环生成参考电压的相角部分，交流无功环生成参考电压的幅值部分，相角部分和幅值部分共同组成三相参考电压；三相参考电压通过电压电流双环，使得交直流混合配电网枢纽变换器输出电压跟踪参考电压；

所述电压电流双环，包括电压环和电流环，电压环采用dq解耦的控制方式生成dq轴参考电流，再通过dq反变换得到三相电流参考值，电流环采用无差拍的控制使三相电流实时跟踪电流参考值，以实现对输出电压的跟踪。

交直流混合配电网枢纽变换器的拓扑结构为MMC，MMC输出电压与输出电流的关系离散化后得到的关系式如下：

其中，n为离散化变量，u

用目标参考输出电流参考值代替下一时刻电流值，并加入无差拍系数即可得到电流环的无差拍的关系式如下：

k

其中，k

所述k

交直流互济控制系统侧电压u

其中，u

对电压环存在前馈耦合项进行dq解耦控制，解耦的目标式为：

其中，f

虚拟同步机控制包括有功控制环，有功控制环的表达式为：

其中，ω为采样电压的角频率；ω

虚拟同步机控制包括无功控制环，无功控制环的表达式为：

E

其中，E为采样电压的幅值；E

直流有功环的表达式为：

P

其中，P

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

本发明首先对于传统控制策略的控制内环进行优化，增加了新的电压电流双环作为内环控制方式，其中电压环采用了特殊的电压dq解耦控制方式，控制特性具有响应稳定快速的比例特性；电流环采用无差拍控制环，具有控制简单，电流响应准确的控制特点。结合以上两种控制方式构成的电压电流双环控制内环具有电压输出快速准确且具有良好的电能质量。

本发明的功率控制外环结合了传统的虚拟同步机控制方式及直流电压下垂控制环。将直流电压下垂响应获得的有功功率参考输出前馈至电压内环d轴中以提高功率响应速度同时反馈至VSG有功环中以提高控制精度。通过交直流功率环的结合使得该控制方式获得了有功-直流电压，有功-交流频率及无功-交流幅值三重下垂特性，实现了设备对交直流两端的电压稳定的功率支撑能力。

本发明的交直流互济控制方法用于混合配电网枢纽变换器中可以有效提高交直流两端的电压稳定性。

附图说明

图1为交直流功率互济控制方法示意图；

图2为MMC等效电路图；

图3为dq解耦电压环控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

交直流互济控制方式：

交直流互济控制的整体控制方式如图1所示，该控制方式主要包含两个部分，功率控制外环以及电压电流双环内环控制，功率外环采用基于虚拟同步机的控制方式生成交流电压指令，有功功率指令包括设定功率值，交流频率下垂部分以及直流电压下垂部分三部分组成，有功环生成参考电压的相角部分，无功环生成参考电压的幅值部分，两部分共同组成三相参考电压。功率外环在外特性上呈现为有功-直流电压，有功-交流频率及无功-交流幅值的三重下垂关系。

参考电压通过电压电流双环，使得MMC输出电压快速跟踪参考电压，并提高输出电流的电能质量。其中电压环采用dq解耦的控制方式生成dq轴参考电流再通过dq反变换得到三相电流参考值，电流环采用无差拍的控制方式，使三相电流实时跟踪电流参考值，最终实现对于输出电压的跟踪。

电压电流双环控制方式：

图2为MMC的等效电路图。其中u

MMC输出电压与输出电流的关系离散化后得到的关系式如式(1)所示：

其中，n为离散化变量，u

用目标参考输出电流参考值代替下一时刻电流值，并加入无差拍系数即可得到无差拍电路环如式(2)所示。

令电流环k

k

其中，k

以上得到了电压电流双环的电流环部分。

由图2可以得到输出电压u

其中，u

对式(4)进行拉普拉斯变换后可以得到电压环dq解耦控制框图如图3所示。其中f

由图3可以看到电压环存在前馈耦合项，想要dq轴都具有精准的快速响应特性，需要对其进行dq解耦控制，由于耦合相由前馈产生因此对于解耦项的设置不能像传统的电流dq解耦控制那样直接得到，需要进行计算得出。前馈两相分别为L

解耦的目标式为：

其中，f

结合图3与式(5)并结合通常电压环截止频率在100rad/s以下，而ω约为基波角频率100πrad/s，因此可以推出前馈解耦各项参数为：

由于微分项在控制中会放大高频量，对于控制的稳定性及其不利，结合PI参数的设计大小，可以通过式(7)的方式忽略解耦中的微分项，采用比例的方式解决解耦项的前馈问题。

结合式(6)、式(7)及图3即可得到图1中的电压电流环控制方式。

功率外环控制方式：

功率外环采用基于虚拟同步机的控制方式，控制环如图1中功率外环中的控制框图所示，功率环包括两个部分，即有功环和无功环。

交流有功环中，ω为采样电压的角频率；ω

交流无功环中，E为采样电压的幅值；E

由图1可以得到虚拟同步机无功环的数学表达式：

E

直流有功环中，P

由图1可以得到直流有功环的数学表达式为：

P

由式(8)可知，本控制策略的交流电压频率特性由交流有功外环的有功-频率控制特性决定，其中有三个控制参数，即J、D和K

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。