一种带多直流子网的混合微电网系统及控制方法与流程

本发明属于混合微电网系统技术领域，特别是涉及带多直流子网的混合微网系统，还涉及该种混合微电网系统的控制方法。

背景技术：

微电网是由分布式发电单元、本地负荷以及储能系统按照一定拓扑结构集合在一起以便更好地利用它们优点而形成的小型电力网络，这种电力网络具备独立的管理、保护、控制能力，是以新能源发电技术为支柱、低惯性电力电子装置为主导的自治电力系统。它们既可以连接到大电网上，也可以“孤岛”运行。目前微电网主要以交流形式存在，但随着研究人员对直流微电网的稳定性、实用性、经济性以及海风发电的研究，发现建立直流微电网存在巨大的商业和实用价值。然而由于交流微电网发展时间较长，其地位并不能被直流微电网代替，因此就出现了交流微电网与直流微电网共存的局面。交直流混合微电网综合了交流微电网与直流微电网的优势，其构架可以减少变频装置、降低成本、减少能量损失，还可以简化分布式电源并入微电网时的拓扑结构、减少电力电子器件、简化整个微电网的控制。交直流混合微电网主要由分布式交直流发电单元、储能装置、互联功率变换器和交直流负荷组成。互联功率变换器作为交直流混合微电网的重要组成部分，其控制技术与常规的整流/逆变器相似，主要区别在于其加入了能量的双向控制策略，实现交直流母线间功率的双向传输。交直流混合微电网综合了交流微电网和直流微电网的优点，并且被认为是管理广泛的可再生能源(res)和分布式发电(dg)的最理想的微电网形式。它可以为常规交流负载供电，并在公共耦合点(pcc)通过断路器连接到大电网；它还可以将直流源或储能连接到不断增加的直流负载上，而不需要额外的电路来执行ac或dc转换。这些特性使混合微电网在其直流或交流子网运行时效率更高，灵活性更好。混合微电网因为系统复杂性的增加，对控制器的要求也很高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种含多个直流子网的交直流混合微电网系统及其控制方法，并设计故障补偿装置，保证重要负荷能够不断电运行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种带多直流子网的混合微电网系统，该系统包括3个直流子网、1个交流微电网、3个互联功率变换器、负载、监控单元和故障补偿装置；所述直流子网分别由光伏dg、储能dg和汽车动力电池dg供能；所述交流微电网由交流微源供能；所述监控单元包括实时监测装置和模式选择开关；所述故障补偿装置由3个dg组成；所述负载分别为各直流子网本地负荷、交流微电网的本地负荷、以及交流重要负荷和直流重要负荷；其中，互联功率变换器a的直流侧与光伏dg连接，其交流侧与交流母线连接；互联功率变换器b的直流侧与储能dg连接，其交流侧与交流母线连接；互联功率变换器c的直流侧与汽车动力电池dg连接，其交流侧与交流母线连接；互联功率变换器实现交直流微网之间的功率双向传输；

其中，光伏dg与直流母线a连接，并为本地负荷a供电；储能dg与直流母线b连接，并为本地负荷b供电；汽车动力电池dg与直流母线c连接，并为本地负荷c供电；交流微源与交流母线连接，并为本地负荷d供电；交流重要负荷与交流母线连接，直流重要负荷通过ac/dc变换器与交流母线连接；

所述故障补偿装置通过静态转换开关与交流母线连接；故障补偿装的每个dg都是由直流微源和单相逆变器组成；其中，dg-a通过静态转换开关与交流母线a、b相连接，dg-b通过静态转换开关与交流母线b、c相连接，dg-c通过静态转换开关与交流母线c、a相连接；

所述监控保护单元通过can总线与互联功率变换器a、互联功率变换器b、互联功率变换器c以及故障补偿装置进行通信。

上述的带多直流子网的混合微网系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过监控单元采集交流母线三相电压vabc，直流子网a的母线电压vdc1，直流子网b的母线电压vdc2和直流子网c的母线电压vdc3，经过锁相环得到交流母线频率的实际值f；并对混合微电网运行状态进行判断，当交流母线发生故障时，3个互联功率变换器都停机，启动故障补偿装置对交流微电网进行故障补偿，各个直流子网，即光伏dg、储能dg、汽车动力电池dg独立运行，具体情况包括：

1)交流母线a相发生故障时，启动dg-a或dg-c；

2)交流母线b相发生故障时，启动dg-a或dg-b；

3)交流母线c相发生故障时，启动dg-b或dg-c；

4)交流母线a、b相发生故障时，启动dg-a；

5)交流母线b、c相发生故障时，启动dg-b；

6)交流母线a、c相发生故障时，启动dg-c；

7)交流母线a、b、c相发生故障时，启动dg-a、dg-b、dg-c；

当交流母线没有故障时，对互联功率变换器的控制继续按步骤2进行；

步骤2，对采集到的交流母线电压频率和3个直流子网母线电压分别进行归一化，得到频率的归一值fpu、直流母线a的电压归一值vdc1.pu、直流母线b的电压归一值vdc2.pu和直流母线c的电压归一值vdc3.pu；

步骤3，将步骤2中得到的频率的归一值fpu与频率的额定归一值fn.pu进行作差比较，各个直流母线的电压归一值分别与各自的额定电压归一值进行作差比较；根据比较结果判断交直流子网的功率流动情况，进而确定各个互联功率变换器的工作模式；

1)当fpu-fn.pu>0且vdc1-vdc1.n.pu>0，互联功率变换器a停机；当fpu-fn.pu>0且vdc1-vdc1.n.pu<0，互联功率变换器a启动；当fpu-fn.pu<0且vdc1-vdc1.n.pu>0，互联功率变换器a启动；当fpu-fn.pu<0且vdc1-vdc1.n.pu<0，互联功率变换器a停机，互联功率变换器b启动。

2)当fpu-fn.pu>0且vdc2-vdc2.n.pu>0，互联功率变换器b停机；当fpu-fn.pu>0且vdc2-vdc2.n.pu<0，互联功率变换器b启动；当fpu-fn.pu<0且vdc2-vdc2.n.pu>0，互联功率变换器b启动；当fpu-fn.pu<0且vdc2-vdc2.n.pu<0，互联功率变换器b停机，互联功率变换器c启动。

3)当fpu-fn.pu>0且vdc3-vdc3.n.pu>0，互联功率变换器c停机；当fpu-fn.pu>0且vdc3-vdc3.n.pu<0，互联功率变换器c启动；当fpu-fn.pu<0且vdc3-vdc3.n.pu>0，互联功率变换器c启动；当fpu-fn.pu<0且vdc3-vdc3.n.pu<0，互联功率变换器c停机。

4)3个互联功率变换器都停机时，启动故障补偿装置，启动故障补偿装置对交流微电网进行功率补偿，各个直流子网，即光伏dg、储能dg、汽车动力电池dg独立运行。

步骤4，根据步骤3确定的各个互联功率变换器的工作情况，建立交直流微电网之间的功率流动方程，得到直流子网和交流微网之间的波动功率δp；

步骤4-1、对光伏dg供能的直流子网a与交流微网建立功率流动方程:

其中，δp1为直流子网a和交流微网之间的波动功率；pac为交流微网中交流微源发出的有功功率，pn.ac为交流微网中交流微源发出的额定有功功率；pdc1为直流子网a中直流微源发出的有功功率，pn.dc1为直流子网a中直流微源发出的额定有功功率；fn为交流微网额定频率；vn.dc1为直流母线a的额定电压；m为交流微源的下垂系数，n为直流子网a中直流微源的下垂系数。

步骤4-2、对储能dg供能的直流子网b和动力电池dg供能的直流子网c，基于soc进行功率建模，分别与交流微网之间建立功率流动方程：

其中，δp2为直流子网b和交流微网之间的波动功率；qe1为储能dg的电池容量，soc1为储能dg的荷电量；pl2为直流子网b中本地负荷需要的功率。

其中，δp3为直流子网c和交流微网之间的波动功率；qe2为汽车动力电池dg的电池容量，soc2为汽车动力电池dg的荷电量；pl3为直流子网c中本地负荷需要的功率。

步骤4-3、结合瞬时功率理论得到整个混合微电网系统的功率流动方程：

其中，δp为混合微电网系统的实际流动功率。

步骤5，将步骤4得到的δp送入有功功率调节器中，得到相角参考值δ*；

步骤6，将步骤5中得到的相角参考值δ*，与给定参考相电压幅值u，经过参考电压生成模块，得到交流母线电压参考值经过abc/dq变换之后，得到dq轴的参考电压和

坐标变换矩阵为：

其中，ω为电压角频率。

步骤7，将步骤6中得到的参考电压信号与实际采集的电压信号送入电压电流双闭环控制器，从而得到控制开关的pwm信号；电压调节器和电流调节器设计如下：

其中，kp和ki为电压调节器的比例和积分系数，τ为时间常数，s为拉普拉斯算子，l是交流微电网侧电感，r是线路阻抗；

步骤8，设计基于扩张状态观测器eso的电流前馈控制器，对电压电流控制器中的电流值进行扰动补偿。

步骤8-1、建立互联功率变换器一级dc/dc变换器的小信号模型。

对互联功率变换器一级dc/dc建立状态方程：

其中，v1为高压侧电容ch两端的电压，v2为高压侧电容cl两端的电压，il为低压侧电感lic1流过的电流，vdc为直流母线电压，vds为一级变换器输出电压，r1p低压侧寄生电阻，r1、r2分别是高压侧和低压侧的电阻。

对系统在稳定工作点附近添加小信号扰动，线性化后可以得到交流小信号空间状态方程如下所示：

其中，分别为添加小信号扰动后的电感电流、高压侧电容电压、低压侧电容电压，为扰动小信号。

且

其中d为开关信号占空比；

从而得到一级dc/dc变换器的小信号模型：

步骤8-2、建立互联功率变换器二级dc/ac变换器的小信号模型。

根据基尔霍夫电压定理、以及基尔霍夫电流定理可得电路拓扑微分方程：

其中，l为交流侧电感值，ila、ilb、ilc分别为流过三相电感的电流，vsa、vsb、vsc分别为二级dc/ac变换器输出的三相相电压，va、vb、vc分别为交流母线的三相相电压，r为线路阻抗。c为交流侧电容，

其中，c为交流侧电容值，ia、ib、ic分别为流向交流母线的三相相电流。

由此可以推出互联功率变换器二级模型在dq坐标系下的小信号交流模型：

其中，分别为dq轴上电感电流，dd、dq为dq轴的开关信号占空比，为dq轴占空比的小信号扰动，为直流母线电压扰动。

其中，分别为dq轴上交流母线电压，分别为dq轴上交流母线电流。

由于dq轴两个回路之间存在着相互耦合，对的控制不仅会影响还会影响因此分别设计电流环路和电压环路的解耦控制器。

电流环路解耦控制，

令：

其中，gil(s)为电感电流调节器，kpi和kii分别是调节器的比例系数和积分系数。

将公式(15)代入(14)中得到解耦后的电感电流微分方程：

其中，ildref、ilqref分别为dq轴电感电流的参考值。

电压环路解耦控制，

设定电流内环的参考值和电压调节器分别为：

其中，vdref、vqref分别为dq轴交流母线电压的参考值，guc(s)为电压调节器，kpv和kiv分别是调节器的比例系数和积分系数。

由：

可得

将公式(14)进行拉氏变换后代入公式(19)可得：

将gil(s)视作一阶惯性环节，即：

其中τ为时间常数，影响系统的动态性能。

由于电流环节的时间常数τ很小，1-gil(s)在宽频率带宽的情况下接近于0，于是公式(20)可以化简为：

从而得到互联功率变换器二级dc/ac变换器解耦后的小信号模型：

进而可以得出：

步骤8-3、对扰动引起的状态量变化进行观测，设计观测器如下：

其中，y11、y12分别为状态变量的估计值，和e12＝y12-vd均为观测值与实际变量的误差，y21、y22分别为的估计值，l11、l12、l21、l22为线性扩张状态观测器中需要调整的系数。对误差公式微分之后再进行拉氏变换可得：

步骤8-4、对扰动引起的状态量变化进行观测，设计观测器如下：

其中，z11、z12分别为状态变量的估计值，和e22＝z12-vq均为观测值与实际变量的误差，z21、z22分别为的估计值。对误差公式微分之后再进行拉氏变换可得：

其中，ε11即为所需要的状态量扰动补偿。

所述的三相故障补偿装置，其特征在于，应用虚拟同步机原理，将调速器和自动电压调节器产生的虚拟惯性应用于单相直流dg中，具体步骤如下：

步骤1、给定交流微电网的参考频率ωref，并带入如下转子运动方程，计算交流微电网的频率ω：

其中，j为发电机的转动惯量，dp为虚拟阻尼系数，pref为有功功率参考值，pe为交流微电网输出的有功功率，δθ为输出电压相角与电网电压相角的偏差，δω为ω与ωref的偏差。

步骤2、采集交流微电网三相相电压va、vb、vc，以及相电流ia、ib、ic，经过abc/dq变换后，分别得到d轴电压vd和d轴电流id，计算单个直流补偿dg输出的有功功率pe：

其中p为交流微电网三相瞬时功率。

步骤3、将单个直流补偿dg输出的有功功率参考值pref与单个直流补偿dg输出的有功功率pe进行作差比较，并带入调速器的惯性环节得到补偿的频率ω'。

步骤4、取步骤1中得到的交流微电网频率ω与补偿的频率ω′之和，进行积分得到输出电压相角θ。

步骤5、设计自动电压调节器，采集交流微电网线电压vab，vbc，vca；分别与给定线电压参考值vabref，vbcref，vcaref进行作差比较，差值分别带入自动电压调节器公式中，计算直流dg的输出线电压幅值um，

ka是自动电压调节器的增益，ta是自动电压调节器的时间常数。δv是线电压与参考值之差。

步骤6、根据步骤4得到的输出电压相角θ与步骤5得到的交流微网线电压幅值，得到期望输出线电压，通过pwm生成器得到开关管控制信号。

本发明提供了一种带有多个直流子微网的交直流混合微电网系统及其相应的控制方法，通过对各个子网的灵活调度，保证了系统的稳定运行，实现了供电系统的功能多样性。其有益效果是：

结构上，实现了光伏发电系统、储能系统、电动汽车及交流微源的有效整合，提高了可再生能源的利用率，提高了微电网内部的可靠性和稳定性；且多个直流子微网通过各自的互联功率变换器与交流母线星形连接，与交流子网形成合理的供电布局，提高了系统的经济性。

控制方法上，在不需要额外硬件传感器的情况下，进行基于扩张状态观测器eso电流前馈控制，有效抑制传统的双环控制难以保证较好的稳定裕度和动态响应的问题，同时也很好地保证了系统的稳定性，还能满足混合微网中分布式微源即插即用的特性；协调各个直流子微网与交流微网进行均衡的功率流动，增加功率可调度性，维持整个系统不间断运行；并且，当整个系统运行于孤岛模式时，所有重要负荷均接入交流微电网中；当整个系统的的输出功率不足时，接通故障补偿装置，保证重要负荷不断电。

附图说明

图1为本发明基于多直流子微网的混合微电网的系统结构图。

图2为本发明的控制系统流程图。

图3为本发明的互联功率变换器结构图。

图4为本发明的互联功率变换器的控制框图。

图5为本发明的解耦后的电压电流控制框图。

图6(a)为加入电流前馈控制前，互联功率变换器二级输出电压在dq坐标系下的波形。

图6(b)为加入电流前馈控制后，互联功率变换器二级输出电压在dq坐标系下的波形。

图7为本发明的故障补偿装置总体结构图。

图8为本发明的故障补偿装置的直流dg-a结构图。

图9为本发明的故障补偿装置的控制框图。

图10(a)为交流母线a相发生故障时，连接故障补偿装置后的交流母线电压波形。

图10(b)为断开连接故障补偿装置后重新接入互联功率变换器时交流母线电压波形。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术内容做进一步说明。

如图1所示，一种带有多直流子微网的混合微电网系统，包括容量为10kw的光伏dg，容量为10kw的储能dg，容量为10kw的汽车动力dg，10kw的交流微源发电系统，本地负荷为可变负荷，5kw直流重要负荷及5kw交流重要负荷。

互联功率变换器a直流侧与光伏dg组成的直流子网母线连接，交流侧与交流微电网母线连接；互联功率变换器b直流侧与储能dg组成的直流子网连接，交流侧与交流微电网母线连接；互联功率变换器c直流侧与汽车动力电池dg组成的直流子网连接，交流侧与交流微电网母线连接。

其中，本地负荷a通过直流母线a与光伏dg连接；本地负荷b通过直流母线b与储能dg连接；本地负荷c通过直流母线c与电动汽车动力电池dg连接；本地负荷d与交流微源连接；交流重要负荷与交流母线连接；直流重要负荷通过ac/dc变换器与交流母线连接。

故障补偿装置通过静态转换开关与交流母线连接；所述故障补偿装置中每个直流dg都是由直流微源和单相逆变器组成；其中，dg-a通过静态转换开关与交流母线a、b相连接，dg-b通过静态转换开关与交流母线b、c相连接，dg-c通过静态转换开关与交流母线c、a相连接。

监控保护单元通过can总线与互联功率变换器a、互联功率变换器b、互联功率变换器c以及故障补偿装置进行通信。

交流微源与交流母线连接。

直流母线额定电压的波动范围为604.5v～695.5v，交流额定频率的波动范围为49.8hz～50.2hz。光伏dg运行在mppt模式下，采用恒压控制；储能dg和汽车动力电池dg均采用下垂控制方式。

系统实际运行过程中，光伏dc/dc变换器将直流母线a的电压保持在650v左右；储能dc/dc变换器将储能dg的输出电压升高将直流母线b的电压保持在650v左右；汽车动力电池dc/dc变换器将直流母线c的电压保持在650v左右。

如图4所示系统控制实现过程描述如下：

步骤1、采集交流微网母线三相相电压va、vb、vc，经过锁相环得到交流母线频率的实际值f；采集直流子网a的母线电压vdc1，直流子网b的母线电压vdc2和直流子网c的母线电压vdc3。

步骤2、对采集到的交流母线电压频率和3个直流子网母线电压分别进行归一化，得到频率的归一值fpu、直流母线a的电压归一值vdc1.pu、直流母线b的电压归一值vdc2.pu和直流母线c的电压归一值vdc3.pu。

步骤3、将步骤2中得到的频率的归一值fpu与频率的额定归一值fn,pu进行作差比较，各个直流母线的电压归一值分别与各自的额定电压归一值进行作差比较；根据比较结果判断交直流子微电网的功率流动情况，进而确定各个互联功率变换器的工作模式，得到如下表格：

表1、本发明系统在不同状态下，各子网的功率波动情况。

具体得到：

可知，fpu-fn.pu<0且vdc1-vdc1.n.pu>0，互联功率变换器a启动。

步骤4、得到光伏dg供能的直流子网a与交流微电网之间的功率分配。

则混合微电网系统的实际流动功率δp＝δp1＝-5.916kw，负数表示功率从直流dg向交流微网流动。

步骤5、将δp*差值送入有功功率调节器中，得到相角参考值δ*。

步骤6、将步骤5中得到的相角参考值δ*，与给定参考相电压幅值u，经过参考电压生成模块，得到交流母线电压参考值经过abc/dq变换之后，得到dq轴的参考电压和

步骤7、设计基于扩张状态观测器eso的电压前馈控制器。

步骤7-1、建立如图3所示互联功率变换器一级dc/dc变换器的小信号模型：

其中，各电路参数分别设为，ch＝3000μf，cl＝1000μf，lic1＝1.5mh，r1p＝0.2ω，r1＝50ω、r2＝30ω。

步骤7-2、建立如图3所示互联功率变换器二级dc/ac变换器的小信号模型：

其中，各电路参数分别设为r＝0.2ω，c＝1500μf，l＝3mh。

步骤7-3、对扰动引起的状态量变化进行观测，设计观测器如下：

其中，l11、l12、l21、l22，根据“3w”法选取。

步骤7-4、对扰动引起的状态量变化进行观测，设计观测器如下：

步骤8、将步骤7中得到的电压前馈补偿信号与步骤6得到的电压参考值信号经过如图5所示的电压电流双闭环控制得到pwm信号。电压调节器和电流调节器设计如下：

其中，kp＝0.23ki＝0.056，τ＝0.015。

加入基于扩张状态观测器的电流前馈控制以后互联功率变换器二级dq轴输出电压波形如图6(b)所示；

如图7所示的三相故障补偿装置开启时，应用虚拟同步机原理将调速器和自动电压调节器产生的虚拟惯性应用于如图8所示的单相直流dg中，具体步骤如图9所示描述如下：

步骤1、给定交流微电网的参考频率ωref＝100π，参考有功功率pref＝3.33kw并带入如下转子运动方程，计算交流微电网的频率ω：

步骤2、采集交流微电网三相相电压va、vb、vc，以及相电流ia、ib、ic，经过abc/dq变换后，分别得到d轴电压vd和d轴电流id，计算单个直流补偿dg输出的有功功率pe。

步骤3、将单个直流补偿dg输出的有功功率参考值pref与单个直流补偿dg输出的有功功率pe进行作差比较，并带入调速器的惯性环节得到补偿的频率ω'。

步骤4、取步骤1中得到的交流微电网频率ω与补偿的频率ω′之和，进行积分得到输出电压相角θ。

步骤5、设计自动电压调节器，采集交流微电网线电压vab，vbc，vca；分别与给定线电压参考值vabref＝vbcref＝vcaref＝537v，进行作差比较，差值分别带入自动电压调节器公式中，计算直流dg的输出线电压幅值um，

ka＝120.8，ta＝0.2。

步骤6、根据步骤4得到的输出电压相角θ与步骤5得到的交流微网线电压幅值，得到期望输出线电压，通过pwm生成器得到开关管控制信号。

交流微网发生故障时，连接故障补偿装置后的交流微网母线电压仿真波形如图10(a)所示；断开故障补偿装置后重新启动互联功率变换器后的交流微网母线电压仿真波形如图10(b)所示。