一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法技术

本发明专利技术公开一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法，针对传统方法无法实现电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡问题，本发明专利技术提出了三层结构的直流电容电压平衡控制策略。首层，实现总的直流电压和功率控制；中间层，基于三相功率理论分析结果，通过电网电压的正、负序分量来求解出需注入的零序电流，进而解决电网故障造成的相间功率不平衡问题；底层，实现相内的子模块直流电容电压控制。在MATLAB/SIMULINK环境下搭建三相电能路由器仿真平台，仿真结果表明：当某一相电网故障(电网电压跌落95％)时，采用本发明专利技术所提的方法可以维持电能路由器直流电容电压平衡控制，验证了所提方法的正确性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法
本专利技术涉及电能路由器控制领域，特别是涉及一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法。
技术介绍
能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉，关乎国家根本，因此能源供给始终是世界各国的焦点。为此，众多学者提出了构建全球能源互联网或综合能源系统的解决思路，从而为各国提供更安全、更经济、更清洁、可持续的能源[1]，这将促进新能源发电(如风电、光伏等)在配电网系统的并网接入，提高电能在终端能源消费的比例，从而解决因能源消费过度依赖化石能源所造成的生态环境和能源安全问题[2-3]。在能源互联网或综合能源系统中，三相电能路由器是其中的关键组成部分，具有信息流和电能流高度融合的特点，可实现电能潮流的可控分配、无功补偿、谐波治理等功能，同时其特有的直流端口将进一步提升新能源发电的渗透率和满足分布式能源的即插即用需求[4-8]。维持电能路由器的直流电容电压平衡运行，是保证系统安全、稳定运行的基础，引起了学者的广泛关注[9-16]。文献[9-14]使用的双层电压平衡控制策略被普遍采用，本质基本相同，区别在于部分电压参考值的选取，其中首层实现总体的功率控制，底层进行个体的功率微调，从而实现直流电容电压平衡控制。在此基础上，文献[15]通过对零序环流的控制来重新分配每相有功功率，解决不同功率器件和不平衡负荷带来的功率不平衡问题；文献[16]为提高系统的电能质量，通过注入动态的零序电压来实现直流电容电压平衡和三相电网的电流平衡控制。然而，这些相关的研究都是基于三相电网处于理想对称状态，未关注电网故障情况的运行工况。当电网发生故障，如单相电网电压发生跌落时，这些传统的直流电容电压平衡控制方法将失效，不再维持子模块直流电容电压的平衡运行状态。若功率模块长期承受升高的电压易因电压应力的增大而降低其使用寿命，严重时可能损坏系统内的功率器件，使得三相电能路由器系统退出正常运行状态，从而降低了电网故障下整个系统的可靠运行能力。为提高电能路由器的电网故障穿越运行能力，关键要保障子模块的直流电容电压的平衡运行。为此，基于星型连接级联型三相电能路由器，文献[17]提出了零序电压和负序电流结合的直流电容电压平衡控制策略，考虑到三角形连接级联型结构具有更优越的平衡能力[23]，该文未涉及。电能路由器电网故障下的电容电压平衡控制研究工作较少，可参考多电平变换器在子模块和电网故障时的容错运行研究[17-21]。文献[18]提出一种零序电压注入法来维持线电压恒定，针对临界电压区间，涉及重构调制波，控制复杂，应用受限。文献[19]为促进大规模光伏并网，提出一种适用的多电平变换器新型结构，同时为提高子模块H桥故障下的系统运行能力，提出注入零序电压的思路来实现三相网侧电流平衡控制和系统的不间断运行。文献[20]针对不平衡电网，通过对桥臂注入负序二次环流和对零序环流进行抑制，保证直流电压的恒定和提高系统不平衡故障穿越能力。文献[21-22]在不平衡工况时，提出了一种比例积分谐振控制器来抑制正、负和零序部分，未考虑子模块直流电容电压波动因素，对解决不平衡功率问题具有一定的借签意义。文献[23]提出了适用于大规模光伏并网的三角形连接级联型变换器结构及其相间功率不平衡的解决方案，其中通过定义3个功率系数来表征三相实际功率流动情况，进而求解出所需注入的零序电流，但未涉及电网故障情况的控制研究。为维持三角形连接级联型电能路由器在电网故障下的直流电容电压平衡控制，基于三相功率理论分析结果，本专利技术提出了三层结构的直流电容电压平衡控制策略，其中间层通过电网电压的正、负序分量来求解出需注入的零序电流，从而解决相间功率不平衡问题。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和可行性，使得电网故障时电能路由器的直流电容电压持续保持平衡。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，为维持三角形连接级联型电能路由器在电网故障下的直流电容电压平衡控制，基于三相功率理论分析结果，提出了一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法，该方法是基于三层结构的直流电容电压平衡控制策略，其中间层通过电网电压的正、负序分量来求解出需注入的零序电流，从而解决相间功率不平衡问题。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和可行性，使得电网故障时电能路由器的直流电容电压持续保持平衡。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法，针对三角形连接级联型电能路由器，三角形连接级联型电能路由器的三级拓扑结构包括AC/DC变换器组成的前级、DC/DC变换器组成的中间级和DC/AC变换器组成的后级，前级采用级联型H桥结构，每相由N个子模块串联组成，前级的输出侧的直流电容电压为Vdcj(j＝1,2,…,3N)，能够直接并网中/高压配电网；中间级采用双主动全桥结构，由3N个DAB变换器并联组成，中间级的输出端的直流母线电压为VDC，实现宽范围的直流电压变换和电隔离功能；后级采用三相逆变器结构，包括以下步骤：(1)平均值计算；基于直流电容电压Vdcmn，通过平均值计算模块进行数据处理后，得到每相直流电容电压平均值Vdcm_ave(m＝ab,bc,ca)和总直流电容电压平均值Vdc_ave；(2)对三角形连接级联型电能路由器的前级即三相AC/DC变换器的相电压进行派克变换，使用解耦控制方法实现三相AC/DC变换器内环电流的无静差跟踪控制；(3)使用首层、中间层和底层的三层结构，降低前级输出直流电容Vdcj(j＝1,2,…,3N)二倍频信号的波动对控制器的影响，使用低通滤波器对直流电容电压Vdcmn进行数据处理，得到滤波后的直流电容电压Vdcmn(m＝ab,bc,ca；n＝1,2,…,N)；首层；前级直流电容电压参考值和总直流电容电压平均值Vdc_ave的两者偏差经PI控制得到正序直轴电流参考值实现电能路由器系统总的直流电压和功率控制；正序交轴电流参考值设置为0；中间层：通过电网电压的正、负序分量求解零序电流并注入电网以解决电网故障造成的相间功率不平衡问题；底层：对于滤波后的直流电容电压Vdcmn和每相直流电容电压平均值Vdcm_ave两者的差值，先经PI控制器，后乘以每相的相角余弦值得到对应的PWM参考信号调整量vmn，实现相内的每个H桥电压平衡控制。进一步的，零序电流的求解过程如下：最终的H桥模块PWM参考信号通过载波移相PWM调制方法，得到每个功率器件的开关信号，即式中：为电流控制器输出的PWM参考信号，v0为求解出所需注入的零序电流及其实际值两者的偏差经一个比例环节得到的PWM参考信号调整量；注入的零序电流承担的相间移动功率为式中：Pm0为电网电压发生故障t时导致的需要移动的相间功率；在两相静止坐标系(αβ)下，相间移动功率如上式所示，得零序电流的直轴分量和交轴分量，如下式，式中和分别为三相电网线电流的直轴和交轴正序分量，和分别为三相电网线电流的直轴和交轴负序分量；和分别为三相电网相电压的直轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法，针对三角形连接级联型电能路由器，三角形连接级联型电能路由器的三级拓扑结构包括AC/DC变换器组成的前级、DC/DC变换器组成的中间级和DC/AC变换器组成的后级，前级采用级联型H桥结构，每相由N个子模块串联组成，前级的输出侧的直流电容电压为V

【技术特征摘要】
1.一种电网单相故障下直流电容电压平衡控制方法，针对三角形连接级联型电能路由器，三角形连接级联型电能路由器的三级拓扑结构包括AC/DC变换器组成的前级、DC/DC变换器组成的中间级和DC/AC变换器组成的后级，前级采用级联型H桥结构，每相由N个子模块串联组成，前级的输出侧的直流电容电压为Vdcj(j＝1,2,…,3N)，能够直接并网中/高压配电网；中间级采用双主动全桥结构，由3N个DAB变换器并联组成，中间级的输出端的直流母线电压为VDC，实现宽范围的直流电压变换和电隔离功能；后级采用三相逆变器结构，其特征在于，包括以下步骤：
(1)平均值计算；基于直流电容电压Vdcmn，通过平均值计算模块进行数据处理后，得到每相直流电容电压平均值Vdcm_ave(m＝ab,bc,ca)和总直流电容电压平均值Vdc_ave；
(2)对三角形连接级联型电能路由器的前级即三相AC/DC变换器的相电压进行派克变换，使用解耦控制方法实现三相AC/DC变换器内环电流的无静差跟踪控制；
(3)使用首层、中间层和底层的三层结构，降低前级输出直流电容Vdcj(j＝1,2,…,3N)二倍频信号的波动对控制器的影响，使用低通滤波器对直流电容电压Vdcmn进行数据处理，得到滤波后的直流电容电压Vdcmn(m＝ab,bc,ca；n＝1,2,…,N)；
首层；前级直流电容电压参考值和总直流电容电压平均值Vdc_ave的两者偏差经PI控制得到正序直轴电流参考值实现电能路由器系统总的直流电压和功率控制；正序交轴电流参考值设置为0；
中间层：通过电网电压的正、负序分量求解零序电流并注入电网以解决电网故障造成的相间功率不平衡问题；
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【专利技术属性】
技术研发人员：肖迁，穆云飞，贾宏杰，侯恺，陆文标，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12