交直流混合微网中双向AC/DC变换器的控制策略研究

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交直流混合微网可以同时提供直流形式的电能和交流形式的电能,简化了新能源接入微网的拓扑结构,减小了电力电子装置的功率损耗,提高了可再生能源的利用率,已成为未来微网发展的一种趋势。双向AC/DC变换器是交直流混合微网的重要设备,其主要作用是:1、控制子网间的功率流动和平衡整个系统的功率。2、稳定直流母线电压和交流频率,提高供电质量。因此,双向AC/DC变换器对交直流混合微网运行有重要影响。本文研究交直流混合微网中双向AC/DC变换器的控制策略,主要针对以下功能需求:1、在并网条件下可以稳定直流母线电压;2、在离网条件下能同时稳定直流母线电压和交流子网频率;3、能实现功率的双向流动和单位功率因数运行;4、能根据直流子网和交流子网的功率平衡情况自动决定传输功率的大小和方向;5、能实现与蓄电池的协调工作。论文主要内容包括:1、介绍了交直流混合微网的结构,分析了4种运行方式;建立了双向AC/DC变换器的一般模型和dq模型;分析了并网和离网条件下交直流混合微网的运行特性,设计了并网和离网条件下各单元的运行方式。最后,提出了双向AC/DC变换器设计时应该考虑的三个问题:第一,能够判别功率传输的方向,稳定直流母线电压和系统频率;第二,能够确定所需传输功率的大小;第三,能够与蓄电池协调控制。2、介绍了光伏单元和蓄电池的工作原理和模型;基于并、离网模式下微网中各单元运行方式的分析,设计了各单元的控制策略。在并网条件下,直流侧光伏单元采用MPPT控制方法,交流侧光伏单元前级Boost变换器同样采用MPPT控制方法,后级并网逆变器采用基于电网电压定向的矢量控制技术(VOC),蓄电池采用恒压充放电的控制策略。在离网条件下,直流侧光伏单元仍采用MPPT控制方法,交流侧光伏单元前级Boost采用恒压控制方法,稳定直流电压,后级逆变器采用直接功率控制(DPC)策略,蓄电池依旧采用恒压控制。此外,采用设置蓄电池的充放电阈值范围的方法,减少了充放电的频次、系统谐波含量并延长其寿命。还实现了与双向AC/DC变换器的协调控制。3、设计了并网条件下双向AC/DC变换器的控制方式,提出了三环控制结构。最外环采用P-Udc耦合的改进下垂控制,主要有三方面优点:(1)可以判别功率方向和稳定直流母线电压,实现功率的双向流动。(2)可以避免双向AC/DC变换器的频繁切换,提高电能质量。(3)可以实现与蓄电池的协调控制。第二环采用直流侧电流控制传输功率的大小。内环采用交流侧电流实现跟踪控制,可以使交流侧和直流侧功率实时匹配,不至于使双向AC/DC变换器端口处产生过电流冲击。其次,还设计了并网条件下蓄电池与双向AC/DC变换器协调控制算法,分析了双向AC/DC变换器可能运行的五种模式。最后设计了电流内环和电流外环控制器。4、设计了离网条件下双向AC/DC变换器的控制方式,与并网条件一样采用三环结构,不同的是在最外环不采用P-Udc耦合的改进下垂控制。分析了直流侧和交流侧下垂特性曲线,提出了离网条件下对双向AC/DC变换器的四点要求。在外环采用的双向下垂控制中,采用归一化的数学方法对直流母线电压和交流侧频率进行处理,使直流母线电压、交流侧频率和有功功率可以表示在同一坐标系下。通过设置控制阈值改进了双向下垂控制,改进后的双向下垂控制可以同时对直流侧电压和交流侧频率进行衡量,对功率传输方向做出判别,并且可以与蓄电池进行协调控制。针对离网条件下蓄电池与双向AC/DC变换器协调运行,分析了双向AC/DC变换器可能运行的四种模式,设计了控制算法。
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