一种多电平直流微网架构及其控制策略的制作方法

所属技术领域

本发明涉及一种直流微网系统，尤其涉及一种多电平直流微网架构及其控制策略。

背景技术：

配电网正在进入以“分布式能源+配电网”为特征的后碳时代。积极发展能源互联网，是中国应对下一次能源革命的战略需求，充分利用分散的太阳能、风能等可再生能源，发展分布式发电(distributedgeneration，dg)，是实现能源互联网的重要途径。由于可再生能源发电具有随机性和间歇性等特点，分散接入会使配电网潮流分布复杂多变，引起电压和频率波动等电能质量问题，严重时甚至可能影响电网的安全稳定运行。传统电力装备、电网结构和运行技术在接纳日趋增长的分布式可再生电源方面越来越力不从心。

目前以交/直流微电网方式接入配电网是解决分布式电源并网的有效方法。这种方式在一定范围内解决了分布式电源的接入问题，但由于各个分布式电源都有各自的并网变换器，系统结构复杂，控制管理困难且效率低下，不利于系统的协调优化，难以实现真正意义上的即插即用功能，也不符合能源互联网的互联网架构理念。

2008年美国国家科学基金项目“未来可再生电力能源传输与管理系统”(futurerenewableelectricenergydeliveryandmanagementsystem，freedm)，研究了一种构建在可再生能源发电和分布式储能装置基础上基于固态变压器的新型微网结构。通过对系统中的核心模块固态变压器(solidstatetransformer，sst)的结构和控制策略进行设计，可以使其应用于不同的电压等级，在实现交流、直流电能变换和电能质量控制的同时，实现分布式电源之间的互联以及并网功能。

基于固态变压器的微电网系统符合未来能源互联网架构理念，但到目前为止，由于受全控型电力电子器件igbt耐压水平和功率的限制，这种微网结构都只适用于低压小功率的单相或三相系统。同时，目前国内外关于固态变压器输入级和输出级变流器的控制器设计大都是基于dq旋转坐标系下建立的数学模型，采用基于比例-积分(proportionalintegral，pi)控制器的双闭环控制方式，通过dq解耦控制实现有功功率与无功功率的独立控制。虽然采用这种控制方式系统具有良好的响应性能，但由于需要交叉解耦，且反馈解耦效果对参数变化敏感，难以实现完全解耦控制，控制效果的好坏过度依赖于被控对象数学模型的精准程度，且控制相对复杂。由于可再生能源发电具有的随机性和间歇性等特点，分散接入会造成系统数学模型复杂多变，采用传统的控制方式不能满足系统稳定性的要求，无法实现较好的控制效果。

技术实现要素：

为了克服现有微网拓扑结构实现方案和控制系统设计的不足的难题，本发明提出一种多电平直流微网架构及其控制策略。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

多电平直流微网架构及其控制策略，包括内模控制、内模解耦、mmc-sst输出控制、能量管理四个部分。

所述内模控制按照电压外环输出的电流指令进行快速的电流控制；

所述内模解耦采用基于载波移相技术的电容电压平衡控制策略；

所述mmc-sst输出控制采用电压外环、电流内环的双环控制方式；

所述能量管理包括有源电网互联模式、无源电网互联模式和孤岛运行模式。

本发明的有益效果是：本发明可最大限度适应新能源的接入，提高系统的电能质量，实现能量的双向按需传输和动态平衡使用。仿真结果表明该系统不仅可满足不同运行方式的要求，保持稳定运行，还能够按照给定的功率因数运行，具有更快的瞬态响应速度，具有更强的鲁棒性，有利地验证了本文所提出的新型直流微网架构和控制策略的可行性和有效性，对下一代新型直流微网和能源互联网的建设肯有一定的指导意义。

附图说明

图1内模控制结构。

图2内模解耦实现框图。

图3mmc-sst输入级的控制框图。

图4mmc-sst输出级控制框图。

具体实施方案

图1中，r(s)为系统输入信号、y(s)为系统输出信号，cm(s)为内模控制器，g(s)为控制对象，m(s)为控制对象内模，d(s)为扰动传递函数，d(s)为系统输出y(s)与内模输出ym(s)之差。

图2图3中，ud、id和uq、iq为电网电压和电流的d、q轴分量；和分别为mmc直流电压给定值和输入无功功率参考值；ωs为交流电网的角频率。r′、l′分别为mmc输入侧的电感和电阻的估计值，当系统确定时其值基本也是确定的。因此λ为内模控制器唯一设计参数。

图4中，iid、iiq为三相dc/ac逆变器输出电流在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量，uld、ulq,ild、ilq为负载电压、电流在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；ulq为负载电压在dq旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量的参考值；ωl为交流输出电压角频率；ro、lf、cf分别为三相dc/ac逆变器和输出线路等效电阻、电感和滤波电容，此时，r′、l′分别为dc/ac逆变器输出侧的电感和电阻的估计值。

直流微网可以工作于有源电网互联模式、无源电网互联模式和孤岛运行模式，且3种工作模式之间可以灵活切换。

在无源电网互联模式下，直流母线电压由mmc-sst来控制，即使直流微网子系统接入配电网中，直流微网子系统内部的能量交换是在其内部完成的，直流微网和交流电网之间没有任何的能量交换。

有源电网互联模式下，受直流微网自身容量的限制，在某些特定工况下需要和交流电网之间进行能量的交换。

在孤岛运行模式下，mmc-sst退出运行，此时，直流母线电压由直流微网内部的储能电源来维持，直流微网自身负荷需求完全由直流微网内部的分布式电源提供。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种多电平直流微网架构及其控制策略，包括内模控制、内模解耦、MMC‑SST输出控制、能量管理四个部分。本发明可最大限度适应新能源的接入，提高系统的电能质量，实现能量的双向按需传输和动态平衡使用。仿真结果表明该系统不仅可满足不同运行方式的要求，保持稳定运行，还能够按照给定的功率因数运行，具有更快的瞬态响应速度，具有更强的鲁棒性，有利地验证了本文所提出的新型直流微网架构和控制策略的可行性和有效性，对下一代新型直流微网和能源互联网的建设肯有一定的指导意义。

技术研发人员：郭琳
受保护的技术使用者：郭琳
技术研发日：2016.07.22
技术公布日：2018.01.30