一种并联级联变换器的新型微网结构及控制方法与流程

本发明属于分布式能源发电、电力电子控制技术和微电网技术领域，具体涉及一种并联级联变换器的微电网结构及控制方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

可再生能源分布式发电较为分散，微电网可以将大量的中小容量的可再生能源分布式发电系统可靠地接入到电网中，实现安全、可靠、稳定、经济地运行，有利于可再生能源的充分利用。但是，可再生能源存在电压等级低、容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力有限以及对电网造成波动等问题，限制了其发展。使用合适的电力电子控制技术能够充分发挥微电网对于可再生能源的利用能力。

微电网一般运行在并网或者离网两种运行模式中，并网模式下，微电源一般受控为电流源；离网模式下，微电源一般受控为电压源，以维持离网系统的电压和频率稳定。离网运行模式下，微电网中的所有电源必须能够独立为本地负荷提供充足的电能，故在微电网中通常使用并联拓扑来提高系统容量。但是随着并联子系统的增加，单独的集中控制器将需要处理指数增长的采样变量、控制变量和控制目标，集中控制器的设计与配置将变得极为复杂，严重影响系统的可行性。

基于可再生能源与电力电子接口的分布式子系统中还存在电压等级较低的问题，常见的解决方法为采用串联或者级联逆变器作为分布式能源子系统的结构。然而在串联结构中，使用了大量的电感元件作为系统滤波设备，为了减少系统成本，减小系统占地面积，级联结构更加具有优势。在具有级联结构的分布式能源子系统中，通常使用h桥作为子模块以提升系统的电压等级。然而，级联h桥运行在频率较低的情况下，会向系统中注入大量的谐波，严重危害微电网电能质量，对用户负荷造成不良影响。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种并联级联变换器的新型微网结构及控制方法，实现了微电网功率合理分配，分布式子系统分散控制并且提高了微电网的电能质量。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种并联级联变换器的新型微网结构，包括：至少两个并联连接的分布式子系统，每一个分布式子系统通过与其相连的线路阻抗为区域负荷供电；所述分布式子系统包括若干级联连接的h桥逆变器。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种并联级联变换器的新型微网结构的控制方法，对每一个分布式子系统采用主控制器和多个从控制器集散控制方法，主控制器采用双层控制结构，其中一层采用下垂控制实现对分布式子系统功率的合理分配；另一层基于电压电流双闭环的电流跟踪控制，以实现并网电流无稳态静差；从控制器通过电压均分，对来自主控制器中的控制信号进行调整，分别得到每台级联h桥逆变器的调制波信号，随后与h桥逆变器各自的载波信号比较得到每台h桥逆变器的pwm控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

所提出的新型微电网结构，相对于传统微电网，具有更高的组网灵活性，提高了整体系统的稳定性，并且滤波电感元件的大量减少，降低了微电网系统的开发与运行成本。

分布式主控制器采用双层控制结构，上层采用基于下垂控制的分散控制方法，在无需通信条件下实现离网系统的功率合理分配及电压与频率稳定控制；下层采用基于pi控制器的双闭环控制结构实现电流的跟踪控制，在保证无静差的条件下减少稳态纹波。

在主控制器中，主要产生分布式子系统内级联h桥单元的调制波信号，而级联h桥单元的载波信号与pwm信号主要由对应的从控制器产生，极大地减轻了主控制器的计算负担。

在从控制器中采用基于电流定向的载波交错调制方式，提高了级联系统的等效开关频率，解决了分布式子系统内部级联h桥逆变器谐波含量大的问题，提高了系统的电能质量。

附图说明

图1为本发明实施例一中并联级联逆变器微电网结构与控制框图；

图2为本发明实施例一中主控制结构框图；

图3为本发明实施例一中从控制结构框图；

图4为本发明实施例一中载波交错调制示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种并联级联变换器的新型微网结构及控制方法，微网结构如图1所示，包括：至少两个并联连接的分布式子系统，每一个分布式子系统通过与其相连的线路阻抗为区域负荷供电；分布式子系统包括若干级联连接的h桥逆变器。

其中分布式子系统由多个h桥逆变器级联而成，便于单个低压分布式模块的接入，可以实现电压等级与功率容量的提升。相对于传统微电网结构，所提出的系统具有更高的组网灵活性，提高了整体系统的稳定性并且滤波元件的大量减少，降低了微电网系统的开发与运行成本。

针对所提出的微电网结构，采用集散控制方式。每一个h桥逆变器连接一个从控制器，所有从控制器均与主控制器连接；主控制器主要实现下垂控制与电流跟踪，从控制器主要用来生成h桥单元的pwm信号。相对于传统微电网结构，所提出的系统具有更高的组网灵活性，提高了整体系统的稳定性，提高了级联系统的等效开关频率，对应的控制方法提高了子系统等效开关频率，提高了系统的电能质量。

其中，分布式主控制器采用双层控制结构，上层采用基于下垂控制的分散控制方法，在无需通信条件下实现离网系统的功率合理分配及电压与频率稳定控制；下层采用基于pi控制器的双闭环控制结构实现电流的跟踪控制，在保证无静差的条件下减少稳态纹波。在主控制器中，主要产生分布式子系统内级联h桥单元的调制波信号。

为了减轻主控制器的计算负担，级联h桥单元的载波信号与pwm信号主要由对应的从控制器产生。在从控制器中，首先对并网电流进行过零点判断，并基于电流的过零点为第一台h桥逆变器的载波信号设置相位零点，然后采用载波交错的调制方法，确定所有h桥单元的载波信号，最后使用主控制器中传输的调制波信号与h桥单元各自的载波信号进行比较，从而得到每台h桥单元的pwm信号。

图2为本发明提出的主控制器框图。主控制器采用双层控制结构，上层为分布式子系统功率控制层，采用下垂控制实现功率合理分配；下层为基于电压电流双闭环的电流跟踪控制，以实现并网电流无稳态静差。其中，下垂控制环通过测量分布式子系统出口电压和电流，计算子系统的有功与无功功率，并利用下垂特性，给出电压参考值作为电压电流双闭环的输入。电压外环与电流内环均通过pi控制器实现子系统电压与电流的快速稳定控制。

为了保证分布式子系统间的功率平衡和频率同步,根据离网并联逆变器的功率传输特性,设计的分散式下垂控制方法如下：

其中，ω,e,p,q分别为子系统出口角频率、电压幅值、有功功率和无功功率。gp(s)与gq(s)分别相应的传递函数，在典型的下垂特性中，gp(s)＝m,gq(s)＝n，其中m和n分别为有功功率和无功功率下垂特性的斜率。

由于各个分布式子系统中，分布式能源的类型和容量不同，所以各个分布式子系统的下垂特性不相同。在子系统并联系统中，频率与电压幅值作为系统的隐形通信量，实现了各个子系统之间功率合理分配。

图3为作为从控制器的分散控制器结构框图。每一个分散控制器对应控制一个分布式子系统级联结构中的h桥单元。为了减轻主控制器的计算负担，分散控制器将承担电流过零点检测以及载波交错调制生成pwm信号的功能。首先，对并网电流进行过零点判断，并基于电流的过零点为第一台h桥逆变器的载波信号设置相位零点，然后采用载波交错的调制方法，确定所有h桥单元的载波信号，最后使用主控制器中传输的调制波信号与h桥单元各自的载波信号进行比较，从而得到每台h桥单元的pwm信号。其中对于级联h桥结构采用载波交错的调制方法，以减小并网电流的谐波分量，调高系统电能质量。该载波交错的调制方式采用电流定向的方法，以并网电流过零点作为分布式子系统内部第一个级联h桥的载波过零点，其余h桥的载波零点均比前一个h桥载波零点延迟一个角度φ，其表达式如下：

其中n为分布式子系统级联h桥个数。

图4为载波交错调制示意图，以三台级联h桥的载波信号为例进行说明。首先根据对并网电流基波过零点的检测，所谓第一台h桥载波信号的起始参考点，对三角载波进行调整。并根据公式(2)，计算出当分布式子系统由三台h桥逆变器级联而成时，载波信号应相差60°，故第二台h桥逆变器的载波较第一台h桥的载波相比，延迟60°。同理，第三台h桥逆变器的载波信号较第二台延迟60°。

在从控制器中，通过电压均分，对来自主控制器中的调制信号进行调整，分别得到每台级联h桥单元的调制波信号，随后与载波信号比较得到每台h桥单元的pwm控制信号。其中载波信号与主控制器中的输出信号uab关系如下：

uabi＝uab/n(3)

其中uabi分别为第i个级联h桥的调制波，uab为上层分散控制输出的参考调制波，n为分布式子系统级联h桥个数。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。