AC/DC直流源并联协调运行控制方法和控制装置与流程

本发明涉及AC/DC直流源并联协调运行控制方法和控制装置，属于直流源均流控制技术领域。

背景技术：

随着电力电子设备单机容量等级的提升，采用并联结构的电力电子设备并机数目越来越多，如图1所示，为现有的由多个AC/DC换流器并联构成的直流源，这些AC/DC换流器的直流侧均连接直流母线。这种直流源的容量得到了很大地提升，有效增大了输出功率，但是，也浮现出了很大的问题。

由于多个AC/DC换流器的输出阻抗不同和空载电压不同，就会导致在同时共直流母线进行直流电压控制时导致了不均流，然而，还有更恶劣情况，就是出现环流。由PWM整流的下垂特性可以看出，出现环流的前提条件就是换流器的空载电压不同。在满足多台换流器的空载电压不同条件下，当多台换流器的空载电压差值越大，出现环流的几率越大，且环流越大；当多台换流器的空载电压不同，当多台换流器的输出阻抗越小，出现环流的几率越大，且环流越大。每台装置内阻特性不一致导致系统在共直流母线情况下同作为直流源使用，会出现功率环流现象。

为了有效消除不均流及换流现象，公布号为CN 105048502A的中国专利申请公开了一种并联发电系统的控制方法，在进行均流控制时，计算各个模块的校正电流，然后与电压调节器输出值相加作为输出电流给定值，然后根据各个模块的输出电流给定值进行均流控制。其中，各模块的电压调节器输出值均是根据输出电压参考值与输出电压做差得到，由于输出电压参考值为定值，那么各模块对应的电压调节器输出值均与各自的输出电压相关，由于各输出电压的差异幅度可能较大，得到的各模块的电压调节器输出值之间也相应有很大的差异，因此，这种控制方法控制不灵活，可靠性较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种AC/DC直流源并联协调运行控制方法，用以解决现有的均流控制方法控制可靠性较低的问题。本发明同时提供一种AC/DC直流源并联协调运行控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种AC/DC直流源并联协调运行控制方法，包括：

计算各AC/DC换流器的校正电流的步骤，具体为：根据所有的AC/DC换流器的直流电流计算平均电流，将所述平均电流与各AC/DC换流器的直流电流做差对应得到各AC/DC换流器的校正电流；

计算各AC/DC换流器的电流指令值的步骤，具体为：设定有至少两个电压范围，根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围对应计算各AC/DC换流器的电流指令值；

并联协调运行控制的步骤，具体为：计算各AC/DC换流器的校正电流与对应AC/DC换流器的电流指令值的和值，并计算该和值与对应AC/DC换流器的直流电流的差值，该差值即为对应AC/DC换流器的输出电流给定值，根据各AC/DC换流器的输出电流给定值对对应的AC/DC换流器进行控制，实现并联协调运行控制。

所述计算各AC/DC换流器的电流指令值的步骤中，不同的电压范围对应功率输出参考值不同的计算方式，根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围对应计算各AC/DC换流器的功率输出参考值，然后根据功率输出参考值与各AC/DC换流器的直流电压来计算所述各AC/DC换流器的电流指令值。

所述电压范围设置为三个，分别为：

U_H1≤U_dc＜U_H2、U_L1≤U_dc＜U_H1和U_L2≤U_dc＜U_L1；

根据以下公式计算各AC/DC换流器的功率输出参考值：

根据以下公式计算各AC/DC换流器的电流指令值：

其中，U_dc(i)为第i个AC/DC换流器的直流电压，U_H1和U_L1分别为设定的AC/DC换流器的控制阈值电压；U_H2和U_L2分别为直流母线电压稳定变化范围的上限值和下限值，U_H2＞U_H1＞U_L1＞U_L2，P为AC/DC换流器的额定功率，P_ref(i)为第i个AC/DC换流器的功率输出参考值，I_dcref(i)为第i个AC/DC换流器的电流指令值，i＝1、2、……、n。

一种AC/DC直流源并联协调运行控制装置，包括：

用于计算各AC/DC换流器的校正电流的模块，具体为：根据所有的AC/DC换流器的直流电流计算平均电流，将所述平均电流与各AC/DC换流器的直流电流做差对应得到各AC/DC换流器的校正电流；

用于计算各AC/DC换流器的电流指令值的模块，具体为：设定有至少两个电压范围，根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围对应计算各AC/DC换流器的电流指令值；

用于并联协调运行控制的模块，具体为：计算各AC/DC换流器的校正电流与对应AC/DC换流器的电流指令值的和值，并计算该和值与对应AC/DC换流器的直流电流的差值，该差值即为对应AC/DC换流器的输出电流给定值，根据各AC/DC换流器的输出电流给定值对对应的AC/DC换流器进行控制，实现并联协调运行控制。

在计算各AC/DC换流器的电流指令值过程中，不同的电压范围对应功率输出参考值不同的计算方式，根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围对应计算各AC/DC换流器的功率输出参考值，然后根据功率输出参考值与各AC/DC换流器的直流电压来计算所述各AC/DC换流器的电流指令值。

所述电压范围设置为三个，分别为：

U_H1≤U_dc＜U_H2、U_L1≤U_dc＜U_H1和U_L2≤U_dc＜U_L1；

根据以下公式计算各AC/DC换流器的功率输出参考值：

根据以下公式计算各AC/DC换流器的电流指令值：

其中，U_dc(i)为第i个AC/DC换流器的直流电压，U_H1和U_L1分别为设定的AC/DC换流器的控制阈值电压；U_H2和U_L2分别为直流母线电压稳定变化范围的上限值和下限值，U_H2＞U_H1＞U_L1＞U_L2，P为AC/DC换流器的额定功率，P_ref(i)为第i个AC/DC换流器的功率输出参考值，I_dcref(i)为第i个AC/DC换流器的电流指令值，i＝1、2、……、n。

首先，计算出各AC/DC换流器的校正电流，以及各AC/DC换流器的电流指令值，然后再根据各AC/DC换流器的实际直流电流来计算来各AC/DC换流器的输出电流给定值，最后根据各AC/DC换流器的输出电流给定值对对应的AC/DC换流器进行并联协调运行控制，以达到各个AC/DC换流器的电流均分的效果。所以，本发明提供的并联协调控制方法能够避免出现环流的情况，满足了直流源的可靠运行，能够使各个AC/DC换流器的输出达到最优的转换效率。并且，与现有的采用直流母线电压占优的协调控制策略相比，避免出现各个AC/DC换流器输出功率不一致的情况发生。

而且，本发明提供的方法中，设定有至少两个电压范围，电流指令值是根据AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围而相应计算得到的，直流电压处于不同的电压范围对应不同的直流指令值的获取方式，所以，该方法根据直流电压所处的电压范围能够得到合适的电流指令值，因此，本发明提供的方法在利用电流指令值进行协调控制时相较于现有的方法，其可靠性得到很大地提升。并且，不管直流电压之间的差异幅度有多大，均能够根据合适的计算方式来获得合适的电流指令值，因此，本发明提供的方法控制较为灵活，而且适用于直流电压差异幅度较大的场合。

本发明提供的并联协调控制方法的控制原理是两个直流电流环控制，为实现直流电流均流控制方案，分别采用直流电流外环调节装置自身功率，利用电流内环实现在不平衡情况下系统自身的电流平衡输出不受电网状态的影响。并且，外环采用直流电流环控制能够保证输出快速响应已经电流分配均衡。所以，本发明能够实现系统的稳定运行，并能够根据直流母线并联设备特性，自动调整控制模式实现系统启动和切除时电流冲击及功率波动，最终实现输出电流均衡。

附图说明

图1是由多个AC/DC换流器并联构成的直流源的整体结构示意图；

图2是下垂特性曲线图；

图3是由两个AC/DC换流器并联构成的直流源的整体结构示意图；

图4是并联协调运行控制方法的控制原理图。

具体实施方式

方法实施例

本发明提供的AC/DC直流源并联协调运行控制方法适用于如图1所示的直流源系统，其中，n≥2，不管n的具体数值是什么，即该直流源中并联设置有多少个AC/DC换流器，均能够使用本发明提供的直流源并联协调运行控制方法进行并联协调控制。

本实施例中，AC/DC直流源中的AC/DC换流器为双向换流器，如图1所示，能够根据直流负载和直流侧电源DC/DC能量自动实现交直流功率匹配，当直流DC/DC电源提供能量大于直流负载时，AC/DC换流器能够从直流吸收能量输入到交流电网，此时换流器工作在逆变状态；反之，从交流吸收能量注入到直流电网，此时换流器工作在整流状态。

本发明提供的AC/DC直流源并联协调运行控制方法主要包括以下步骤：

计算各个换流器的校正电流的步骤，具体为：利用现有的电流检测装置来采集各个换流器直流侧的直流电流，计算所有的直流电流的平均值I_av，然后计算该平均值I_av与各个换流器的直流电流的差值，该差值即为各个换流器对应的校正电流值。

计算各个换流器的电流指令值的步骤，具体为：检测各个换流器直流侧的直流电压，可以采用现有的电压检测装置进行电压检测。设置有至少两个电压范围，各AC/DC换流器的直流电压所处于不同的电压范围就对应不同的电流指令值的计算方式，那么，根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围就能够计算出各AC/DC换流器的电流指令值。由于电流与功率和电压有着对应关系，那么在本实施例中，利用功率和电压之间的关系来计算电流，具体为：首先根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围，并依据电压范围与功率输出参考值之间的对应关系来计算各AC/DC换流器的功率输出参考值，然后根据各AC/DC换流器的功率输出参考值与对应的AC/DC换流器的直流电压来计算各AC/DC换流器的电流指令值。本实施例给出一种具体的计算方式，如下所述：

为避免AC/DC换流器中的电力电子器件不必要动作，减小电力电子器件工作引起的谐波，AC/DC换流器的下垂控制特性采用如图2所示。

其中，U_H1和U_L1为AC/DC换流器的控制阈值电压，为设定值；U_H2和U_L2为直流母线电压的稳定变化范围的上限值和下限值，即直流母线电压在上下变化时能够达到的最大值和最小值，为已知值。本实施例给出上述几个参数之间的一种具体关系：U_H2-U_H1＝15V、U_L1-U_L2＝15V、U_H1-U_L1＝30V，当然，本发明并不局限于这种具体关系。

由于该AC/DC换流器为双向AC/DC换流器，所以，其工作模式分为3种：

1)逆变模式：直流负荷的功率小于额定功率，直流源运行于轻载条件，直流母线电压上升且超过U_H1；AC/DC换流器开启并工作于逆变模式，将直流母线中剩余功率输送至交流电网；当直流母线电压恢复至U_H1时，AC/DC换流器停止工作。

2)待机模式：直流母线电压在额定值附近小范围波动，不进行交直流侧功率的传输。

3)整流模式：直流负荷功率高于额定功率，直流源重载运行，直流母线电压下降且低于U_L1；AC/DC换流器开启并工作于整流模式，直流电网内部不足电量由交流电网供给；直流母线电压恢复至U_L1时，AC/DC换流器停止工作。

因此，本实施例中，电压范围有三个，分别为：

U_H1≤U_dc＜U_H2、U_L1≤U_dc＜U_H1和U_L2≤U_dc＜U_L1。

根据上述下垂特性能够得到各AC/DC换流器对应的有功输出参考量P_ref，计算公式如下：

其中，P为AC/DC换流器的额定功率，P_ref为AC/DC换流器的功率输出参考值，不同的AC/DC换流器对应有不同的功率输出参考值，因此，P_ref(i)代表第i个AC/DC换流器的功率输出参考值，U_dc(i)为第i个AC/DC换流器的直流电压，i＝1、2、……、n。

然后根据功率输出参考值计算出各个AC/DC换流器的电流指令值，计算公式如下：

其中，I_dcref(i)为第i个AC/DC换流器的电流指令值。

上述是根据功率与电压的关系来计算电流指令值，当然，还可以使用其他的方式计算电流指令值。不管采用何种方式计算电流指令值，均是根据各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围与电流指令值之间的对应关系来计算出各个AC/DC换流器的电流指令值。

并联协调运行控制方法还包括并联协调运行控制的步骤。根据各AC/DC换流器的校正电流值、电流指令值以及实际的直流电流值来进行并联协调运行控制，由于所有的AC/DC换流器的控制策略均相同，以下以其中一个为例，具体如下：

计算该AC/DC换流器的校正电流与该AC/DC换流器的电流指令值的和值，得到的和值与该AC/DC换流器的实际的直流电流做差，得到的差值即为该AC/DC换流器的输出电流给定值，然后对该输出电流给定值进行处理以生成相应的PWM脉冲波来对该AC/DC换流器进行控制，由于该部分属于常规技术，这里就不再具体说明。对其他的AC/DC换流器也进行如此控制，实现对该直流源的并联协调运行控制。

在对输出电流给定值进行处理以生成相应的PWM脉冲波时，三相电流可以通过正负序分离，得到正序和负序分量(因为装置采用三相系统，所以输出没有电流零序分量)，具体如下：

将分离出来电流正负序分量进行park旋转变换，得到dq分量，这样利用PI控制实现直流量的无静差控制，保证电流快速稳定，具体如下：

上述正负序分离以及旋转变换均属于常规技术，，并且本发明的重点也不在于此，因此这里不再详细说明。

以下以具有代表性的n＝2为例进行说明。如图3所示，包括AC/DC换流器1和AC/DC换流器2。

如图4所示，本发明提供的直流源并联协调运行控制原理图中包括均流环和电流指令环。均流环用于计算各换流器的校正电流，电流指令环用于计算各换流器的电流指令值。

采集这两个换流器的直流电流I_dc1和I_dc2,进而求得平均电流I_av,然后，平均电流I_av与换流器1的直流电流I_dc1做差得到换流器1的校正电流ΔI_dc1，平均电流I_av与换流器2的直流电流I_dc2做差得到换流器2的校正电流ΔI_dc2。

根据这两个换流器的直流电压以及上述计算公式分别计算得到换流器1的电流指令值I_dcref(1),以及换流器2的电流指令值I_dcref(2)。

那么，换流器1的输出电流给定值I_输出1＝ΔI_dc1+I_dcref(1)-I_dc1；换流器2的输出电流给定值I_输出2＝ΔI_dc2+I_dcref(2)-I_dc2。

最后，根据得到的输出电流给定值I_输出1和I_输出2对对应的换流器进行控制，实现并联协调运行控制。

另外，针对图3的直流源，本实施例还提供了对该直流源进行启动控制的控制策略，具体如下：两台换流器直流并联协调控制同时接受监控系统下发的启动命令，换流器1接收到启动命令时，电网电压满足启动条件先开始启动，直流稳压运行；换流器2接收到启动命令通过检测换流器1电流和端口直流母线电压判断换流器1是否启动完成，判断换流器1启动完成后，换流器2开始启动。

而且，还提供了对该直流源进行停机控制的控制策略，具体如下：直流源接受到停机命令时，开始执行电流环缓降功率控制，当电流降低至一定范围时，换流器2直接停机，若换流器1接受到停机命令采取方式与换流器2相同，遇到紧急情况时，换流器2直接跳闸，则由换流器1输出电流直接接替换流器2功率输出，此时换流器1输出功率突增，会出现超调现象。换流器1遇到紧急停机情况时，与换流器2采取相同侧率，采用此种停机方案可以尽量避免启动时功率波动引起电流抖动。

上述实施例中，给出了一种各AC/DC换流器的直流电压所处的电压范围与对应AC/DC换流器的电流指令值之间的具体关系，这只是一种具体的实施方式，本发明并不局限于上述实施方式。

装置实施例

本发明还提供一种AC/DC直流源并联协调运行控制装置，包括如下模块：用于计算各AC/DC换流器的校正电流的模块；用于计算各AC/DC换流器的电流指令值的模块；用于并联协调运行控制的模块。

上述三个模块均为软件模块，具体作用均与上述方法实施例中的三个步骤相对应，由于上述方法实施例中已经对这三个步骤做出了详细的描述，这里就不再具体描述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。