一種包含z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略，包括直流部分、交流部分以及Z源變換器；直流部分通過(guò)Z源變換器與交流部分連接。本發(fā)明在并網(wǎng)和孤島模式下，采用協(xié)調(diào)控制，使整個(gè)微電網(wǎng)中的各變換器協(xié)調(diào)配合工作，多個(gè)控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)；所設(shè)計(jì)的控制器使各變換器阻抗匹配，保證了微電網(wǎng)的穩(wěn)定。由于直流母線電壓較低，降低了直流母線與電源及負(fù)載間的變換器功率等級(jí)，使損耗得以減小，特別適合于直流微電源和直流負(fù)載電壓均比較低的情況，此外還具有控制靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)及控制策略，具體的說(shuō)，是涉及一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略。

【背景技術(shù)】
[0002]微電網(wǎng)解決了分布式發(fā)電的并網(wǎng)問(wèn)題，作為對(duì)大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充,微電網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，交流微電網(wǎng)是微電網(wǎng)的主要形式，得到的研究也相對(duì)更為廣泛和深入。在交流微電網(wǎng)中，所有微電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷都接在交流饋線上，它們都要經(jīng)過(guò)DC-DC-AC, AC-DC-AC, AC-DC-DC等多級(jí)電力電子變換器與交流饋線連接，需要對(duì)交流饋線的頻率和相位進(jìn)行跟蹤，降低了可控性和可靠性；此外與大電網(wǎng)相似，要考慮無(wú)功功率的流動(dòng)及平衡問(wèn)題。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):①直流微電源可通過(guò)DC-DC變換器接至微電網(wǎng)，而交流微電源則通過(guò)AC-DC變換器接入微電網(wǎng)，無(wú)需考慮頻率和相位的同步；②減少了電力電子變換環(huán)節(jié)，損耗也得以降低；③直流微電網(wǎng)沒(méi)有無(wú)功功率的流動(dòng)，直流母線電壓是反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，控制上更為簡(jiǎn)單。但是隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，微電源和負(fù)載的類型越來(lái)越豐富，直流和交流類型都不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此，結(jié)合了交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的交直流混合微電網(wǎng)(hybrid AC/DC micro-grid)逐漸受到人們的重視。
[0003]交直流混合微電網(wǎng)包含一條交流母線和一條直流母線。和交流母線連接的有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、交流負(fù)載等，交流母線還通過(guò)斷路器與大電網(wǎng)連接；和直流母線連接的有光伏板、蓄電池、電動(dòng)汽車充電站、直流負(fù)載等。交流母線和直流母線通過(guò)橋式AC/DC變換器連接，AC/DC變換器的作用是實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)的雙向功率交換，并且在并網(wǎng)模式下實(shí)現(xiàn)混合微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的功率交換，在孤島模式下為微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。交直流混合微網(wǎng)能夠避免交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)中過(guò)多的交-直和直-交變換，使各種可再生交、直流電源和負(fù)載更方便地接入，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
[0004]現(xiàn)有的交直流混合微電網(wǎng)存在以下不足:
[0005](I)直流母線電壓都高于交流母線的線電壓幅值。例如交流母線電壓為三相220V (相電壓)，則直流母線電壓應(yīng)至少在380V以上，并且盡量高一些，一般取為600V以上。這是因?yàn)檫B接交流母線和直流母線的三相橋式變換器本質(zhì)上為升壓型拓?fù)?，如果直流母線電壓過(guò)低，則三相橋式變換器將無(wú)法正常工作；在并網(wǎng)模式時(shí)，也需要直流側(cè)電壓高一些，才能保證高質(zhì)量的入網(wǎng)電流。但實(shí)際上，光伏發(fā)電等直流微電源、電動(dòng)汽車充電站、LED燈具等直流負(fù)載的電壓都相對(duì)較低。例如直流電動(dòng)汽車充電樁的輸出電壓一般為400V，LED路燈也是低壓設(shè)施。如果直流母線電壓過(guò)高，則需利用大功率的DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)降壓，增加成本和損耗。一種解決方法是采用不同電壓等級(jí)的多條直流母線，但兩條直流母線有功率交換時(shí)需要對(duì)連接它們的DC-DC變換器進(jìn)行功率控制，增加微電網(wǎng)控制的難度。
[0006](2)采用常規(guī)的AC/DC橋式變換器連接交流母線和直流母線。在交直流混合微電網(wǎng)中，連接交流母線和直流母線的變換器在整個(gè)微電網(wǎng)扮演著十分關(guān)鍵的角色。常規(guī)AC/DC橋式變換器除了造成第(I)點(diǎn)中提到的直流母線電壓必須較高之外，上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須插入死區(qū)時(shí)間以避免直通造成直流側(cè)短路，這不僅造成變換器輸出的交流電壓或電流波形畸變，更嚴(yán)重的是降低了變換器的可靠性，威脅著微電網(wǎng)的安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用了 Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略，用Z源變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橋式變換器實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)的接口。直流母線的電壓可以小于交流母線的幅值，從而使交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)行更為靈活；另外Z源變換器可工作于直通狀態(tài)，大大提高了整個(gè)微電網(wǎng)的可靠性。在協(xié)調(diào)控制策略的作用下，這種混合微電網(wǎng)可以在并網(wǎng)模式和孤島模式下正常運(yùn)行。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明的具體方案如下:
[0009]一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)，包括直流部分、交流部分以及Z源變換器；
[0010]所述直流部分包括光伏板，所述光伏板接至Boost變換器，Boost變換器再與蓄電池充放電路連接，兩者之間為直流負(fù)載，蓄電池充放電電路的另一側(cè)通過(guò)直流母線接Z源變換器；
[0011]所述交流部分包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，所述雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及背靠背AC-DC-AC變換器接至交流母線，Z源變換器通過(guò)LC濾波器接至交流母線，交流母線上還帶有交流負(fù)載，且交流母線經(jīng)斷路器與電網(wǎng)連接。
[0012]可選的，所述Z源變換器與所述交流母線之間還設(shè)有變壓器。
[0013]一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略:
[0014]并網(wǎng)模式下，Boost變換器利用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法跟蹤光伏板的最大功率，Z源變換器控制功率在交流母線和直流母線之間雙向流動(dòng)，DFIG及與其連接的背靠背交-直-交變換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT。
[0015]一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略:
[0016]孤島模式下，Boost變換器和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背交-直-交變換器根據(jù)功率平衡和能量限制使光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在MPPT或非MPPT狀態(tài)，Z源變換器為交流母線提供穩(wěn)定的電壓和頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流母線和直流母線的功率交換，蓄電池變換器根據(jù)功率平衡關(guān)系令蓄電池充電或放電。
[0017]本發(fā)明提供的包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)及協(xié)調(diào)控制策略在并網(wǎng)和孤島模式下，采用協(xié)調(diào)控制，使整個(gè)微電網(wǎng)中的各變換器協(xié)調(diào)配合工作，多個(gè)控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)；所設(shè)計(jì)的控制器使各變換器阻抗匹配，保證了微電網(wǎng)的穩(wěn)定。由于直流母線電壓較低，降低了直流母線與電源及負(fù)載間的變換器功率等級(jí)，使損耗得以減小，特別適合于直流微電源和直流負(fù)載電壓均比較低的情況，此外還具有控制靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中:
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例Z源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說(shuō)明用來(lái)解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0022]實(shí)施例
[0023]圖1中電感Lp L2和電容Cp C2構(gòu)成Z源網(wǎng)絡(luò)，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件S1?S6構(gòu)成三相橋式電路，Udcl為直流側(cè)電容電壓，Udc2為直流鏈電壓，圖1為Z源逆變器的典型應(yīng)用，即交流側(cè)通過(guò)濾波電感與電網(wǎng)連接構(gòu)成并網(wǎng)逆變器。
[0024]圖2中的交直流混合微電網(wǎng)分為直流部分和交流部分，兩部分各有I條母線，分別叫做直流母線和交流母線，Z源逆變器是兩部分的接口變換器，Z源變換器主要有2個(gè)作用，一是實(shí)現(xiàn)直流母線和交流母線的功率交換，二是利用Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓功能，使直流母線電壓可以高于交流母線電壓幅值，也可以小于交流母線電壓幅值；Z源變換器可采用常規(guī)拓?fù)洌部刹捎酶鞣N新型的Z源變換器；
[0025]在直流部分中，光伏板接至Boost變換器，Boost變換器再與蓄電池充放電路連接，2者之間為直流負(fù)載，蓄電池充放電電路的另一側(cè)接Z源變換器；
[0026]在交流部分中，DFIG及背靠背AC-DC-AC變換器接至交流母線，Z源變換器通過(guò)LC濾波器和變壓器(變壓器可以省略)接至交流母線，交流母線上還帶有交流負(fù)載，交流母線經(jīng)斷路器與電網(wǎng)連接。
[0027]可將Z源變換器的工作模式分為整流模式和逆變模式。控制策略可借鑒常規(guī)逆變器的直接功率控制方法，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，控制Utkl穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)是功率環(huán)，控制功率的流動(dòng)。即使Udca穩(wěn)定且穩(wěn)態(tài)精度很高，但直接影響逆變器在孤島模式時(shí)輸出電壓質(zhì)量的是直流鏈電壓udc;2，因此需對(duì)Utk2進(jìn)行閉環(huán)控制。
[0028]直通占空比至Z源網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)電容電壓的傳遞函數(shù)具有右半平面零點(diǎn)，是非最小相位系統(tǒng)，雖然采用電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制也能保證系統(tǒng)穩(wěn)定，但暫態(tài)響應(yīng)性能較差，可以采用電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制增加了傳感器的數(shù)量和控制難度，考慮到Z源網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓udc;1為直流母線電壓，正常時(shí)是恒定的，不易發(fā)生突變，因此采用電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制也可以接受。
[0029]在并網(wǎng)模式下，各變換器相互配合協(xié)調(diào)工作。Boost變換器應(yīng)通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法跟蹤光伏板的最大功率3源變換器的任務(wù)是控制功率雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電間的互補(bǔ)，維持直流母線電壓的恒定，與交流母線和電網(wǎng)同步；DFIG的背靠背交-直-交變換器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的MPPT ;蓄電池在并網(wǎng)模式下的作用并不明顯。以Boost變換器和Z源變換器為例說(shuō)明變換器間的協(xié)調(diào)控制:利用各種MPPT算法得到光伏板輸出電壓的指令值，與光伏板輸出電壓實(shí)際值相減，誤差送到電壓控制器，實(shí)現(xiàn)光伏板輸出電壓的穩(wěn)態(tài)跟蹤；為了改善跟蹤速度，增加控制Boost變換器電感電流的內(nèi)環(huán)控制。Boost變換器的輸出電壓即為直流母線電壓，同時(shí)也是Z源變換器的直流側(cè)電壓Utkl，這一電壓應(yīng)控制為恒定。由于Boost變換器只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，自由度少，其占空比已經(jīng)用于控制光伏板輸出電壓，因此Udca的必須由Z源變換器控制。Z源變換器也采用電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)(或功率內(nèi)環(huán))的雙環(huán)控制，電壓外環(huán)控制udc;1，電壓外環(huán)的輸出為d軸電流(或有功功率)的參考值，無(wú)功電流(或無(wú)功功率)的參考值根據(jù)系統(tǒng)的功率平衡要求設(shè)定。為了改善控制效果，可采用先進(jìn)的控制策略，如Z源變換器的預(yù)測(cè)功率控制等。直流鏈電壓Utk2的控制則相對(duì)獨(dú)立，與其他各控制環(huán)節(jié)的關(guān)系不是很密切。
[0030]在孤島模式下，各變換器的控制目標(biāo)發(fā)生改變。Boost變換器和DFIG背靠背交-直-交變換器的任務(wù)是根據(jù)功率平衡和能量限制使光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在MPPT或非MPPT狀態(tài)。Z源變換器的任務(wù)是為交流母線提供穩(wěn)定的電壓和頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流母線和直流母線的功率交換。蓄電池變換器的任務(wù)是根據(jù)功率平衡關(guān)系令蓄電池充電或放電。以Boost變換器一蓄電池DC-DC變換器一Z源變換器的級(jí)聯(lián)部分為例說(shuō)明此時(shí)變換器間的協(xié)調(diào)控制:當(dāng)系統(tǒng)功率沒(méi)有缺額時(shí)，Boost變換器仍工作于MPPT狀態(tài)，為蓄電池充電。直流母線電壓Udca由蓄電池DC-DC變換器控制為穩(wěn)定。Z源變換器直流鏈電壓Ude2仍獨(dú)立控制。Z源變換器交流側(cè)電壓采用單環(huán)或雙環(huán)控制。在孤島模式下，各變換器的角色不是固定的，需要通過(guò)微電網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)控制。
[0031]雖然協(xié)調(diào)控制能令所提出的交直流混合微電網(wǎng)獲得較為理想的穩(wěn)態(tài)特性，但當(dāng)各指令發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)性能很差，出現(xiàn)振蕩，使系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。造成這一現(xiàn)象的原因是變換器間的阻抗不匹配(動(dòng)態(tài)交互影響)。對(duì)于連接至同一母線的變換器，輸入阻抗之和與輸出阻抗之和之比應(yīng)小于1，即Σ ΔΖ?η/Σ AZ0Ut<lo對(duì)各變換器的控制器進(jìn)行修改，在保證被控量跟蹤指令值的基礎(chǔ)上，使Σ ΔΖ?η/Σ ΛΖ_〈1，即阻抗匹配。
[0032]以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在【具體實(shí)施方式】以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)，其特征在于: 包括直流部分、交流部分以及Z源變換器； 所述直流部分包括光伏板，所述光伏板接至Boost變換器，Boost變換器再與蓄電池充放電路連接，兩者之間為直流負(fù)載，蓄電池充放電電路的另一側(cè)通過(guò)直流母線接Z源變換器； 所述交流部分包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，所述雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及背靠背AC-DC-AC變換器接至交流母線，Z源變換器通過(guò)LC濾波器接至交流母線，交流母線上還帶有交流負(fù)載，且交流母線經(jīng)斷路器與電網(wǎng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)，其特征在于: 所述Z源變換器與所述交流母線之間還設(shè)有變壓器。
3.一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，其特征在于: 并網(wǎng)模式下，Boost變換器利用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法跟蹤光伏板的最大功率，Z源變換器控制功率在交流母線和直流母線之間雙向流動(dòng)，DFIG及與其連接的背靠背交-直-交變換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT。
4.一種包含Z源變換器的交直流混合微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，其特征在于: 孤島模式下，Boost變換器和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背交-直-交變換器根據(jù)功率平衡和能量限制使光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在MPPT或非MPPT狀態(tài)，Z源變換器為交流母線提供穩(wěn)定的電壓和頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流母線和直流母線的功率交換，蓄電池變換器根據(jù)功率平衡關(guān)系令蓄電池充電或放電。
【文檔編號(hào)】H02J5/00GK104319823SQ201410629607
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】王曉剛, 柳晶晶, 張 杰, 王清, 王佳慶 申請(qǐng)人:廣州大學(xué)