微电网中AC/DC双向功率变换器的研究

董 栋,刘天保,刘立群,刘春霞,卫璐璐

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

微电网发配电系统既可以和外部电网相配合发电，也可以通过自身发电单独运行，是现代化智能发电系统的重要组成部分[1]，是当前新型用户及分布式新能源的主要供电形式之一。微电网的控制模式主要分为三种，第1种是直流性微电网，第2种是交流微电网，第3种是交直流混合型微电网。随着分布式新能源的利用和大量电动汽车的接入等因素影响，交流微电网和直流微电网都不能够有效地满足当前用户对电力系统的需求，于是交直流混合微电网应运而生[2]。

交直流混合微电网主要分为交流母线、直流母线和AC/DC双向变换器。其中，AC/DC双向功率变换器是实现交直流微网功率双向流通的核心装置，由于交流母线和直流母线子网负荷的波动性和不确定性，AC/DC双向功率变换器要在整流和逆变状态下根据实际的工作情况进行切换，保证交直流母线的电压稳定，以实现功率的守恒，从而保证交直流母线的电压质量以及微电网安全可靠地运行。

目前大量使用的AC/DC双向功率变换器中，仅仅在直流微电网中考虑AC/DC双向功率变换器的控制策略，不存在以混合型为基础的交直流微电网变换器[3]。在交直流混合型微电网中应用的变换器并未考虑功率的双向流动的控制策略[4]。针对上述情况，本文提出一种双闭环控制策略，该策略可以使交直流混合微电网产生的误差被无静差跟踪消除，并实现功率的双向流动。

1 AC/DC双向功率变换器的拓扑结构

1.1 交直流混合微电网的结构

文献[5]对常见的交直流混合微电网的拓扑结构进行了总结。在四种拓扑结构中，第四种系统中交流子系统和直流子系统容量相对均衡，结合了前三种拓扑结构的优势，如图1所示，交直流母线在输送功率的同时还能够允许接纳多种负荷，适应性强，将并网点设置在交流测，降低了控制难度。

1.2 AC/DC双向功率变换器的拓扑结构

AC/DC双向功率变换器在交直流混合型微电网运行过程中应结合子网的实际运行状态的决定工作模式是逆变形式还是整流模式。从而维持直流母线侧的电压稳定运行，进而实现了交直流母线间的功率双向流动。而依据交直流子网负荷类型，本次设计的AC/DC双向变换器结构将采用三相半桥式电压源型变换器结构[6]，其滤波器结构采用的是LC滤波器[7]，具体拓扑结构如图2所示。

图1 交直流混合微电网的拓扑结构

图2 AC/DC双向功率变换器的拓扑结构

其中图2的ua、ub、uc和ia、ib、ic表示的是交流母线的三相电压和三相电流，ea、eb、ec分别表示输入半桥式电压源型变换器的三相电压，idc和udc则为直流侧的电压和电流，而iL表示的是负载电流。为了简化直流子网，采用直流电压源Edc和负载RL来模拟整个直流子网，使得整个系统清晰明了，不会失去精准性；而有效地滤除变换器所产生的高次谐波分量是由滤波电路完成的，从而降低电流流经变换器所产生的畸变率。根据滤波器的种类和特点，选取了LC型滤波电路作为交直流混合微电网的滤波电路，La、Lb、Lc和Ca、Cb、Cc组成了交流子网的滤波电路；其中O为滤波电容的中性点。Ra、Rb、Rc分别表示了滤波电抗的相应等效电阻。而图中的S1—S6为开关管则是由续流二极管和IGBT并联组成。在进行控制策略的研究之前，规定交流电压为三相平衡交流电压，可以看出不考虑滤波电路的磁路饱和以及开关管以及不计其开关过程及损耗是理想的。

2 混合微电网AC/DC双向功率变换器数学建模的建立

2.1 在三相静止ABC坐标系中的建模

利用开关函数Sk来表示开关管运行的状态，这里面k=a，b，c分别对应三相系统，从而Sk函数如下式：

(1)

相电压和直流电压的关系如表1所示。

根据基尔霍夫电压定律在图2可以得到a相电路方程：

(2)

其中s1为开关管的上桥臂，s4则为开关管的下桥臂。当s1导通s4关断的时候，sa=1，uaN=udc;当s1关断s4导通时，sa=0，uaN=0;得到uaN=udcsa，a相的电路方程变为：

(3)

表1 相电压和直流电压的关系

同样可得到b、c相的方程为：

(4)

由于本文针对的是三相对称平衡系统，即：

(5)

综合式(2)～式(5)可得：

(6)

直流子网侧的电流可表示为：

idc=iasa+ibsb+icsc

(7)

根据基尔霍夫电流定律可得直流子网的方程为：

(8)

由上面可以得出，三相AC/DC双向功率变换器在静止坐标系下的数学模型为：

(9)

2.2 两相同步旋转d/q坐标系下数学模型

在abc三相静止坐标系下尽管三相半桥电路的数学模型较为清晰，但由上面2个式子可以看到，明显存在交流不同相中间存在耦合关系。这让控制带来了很大的难度。为简单控制并且实现解耦，可以将Park变换该模型，使他们在abc三相静止坐标系到dq两相的旋转坐标下转换[8-10]，其中旋转坐标系旋转角速度ω为同步转速。坐标变换见图3.

图3 坐标变换

通过等功率来变换矩阵可以得到下式：

(10)

将式(9)和(10)进行坐标变换后我们可以得到三相半桥电路的数学模型(在dq两相旋转坐标轴下)：

(11)

式中：ud和id是交流子网侧电压和电流的d轴分量；uq和iq是交流子网侧电压和电流的q轴分量。

2.3 AC/DC双向功率变换器的控制方法

电压型AC/DC双向功率变换器(同步旋转d/q坐标系下)的模型可描述为：

(12)

(13)

式中：p为微分因子。

由式(13)可以观察到，经过d/q轴解耦的过程导致电压型AC/DC变换器的电流的d和q轴互相耦合，整个控制变得更加的复杂。因此本文利用了前馈解耦的方式来解除耦合，并且在此基础上通过PI控制器进行电流控制，这时ud和uq可分别表示为：

(14)

式中：Kii和Kip为电流内环的积分和内环调节系数，id·ref和iq·ref分别是id和iq的电流指令值。

由(13)，(14)可以得出：

(15)

由式(16)可知，通过这种策略可以解除d、q轴的耦合，使得控制器控制不至于太过复杂。因此利用电流电压双闭环控制策略来控制变换器的运行[11-12]，如图4：

图4 控制框图

由图4中可以看出，通过电压电流双闭环控制和PI解耦控制可以使得当直流侧因为负荷的切入或者切除以及分布式发电的接入而引起的波动，进而导致直流子网通过AC/DC变换器吸收或者发出有功功率，以上述为例，通过稳定预先设定的参考值(uq·ref)，同时也可以将直流母线电流稳定在id·ref，设定id的参考值为id·ref=0(纯有功功率)。

当直流子网的负荷增加或者直流子网侧分布式电源出力减少时，将会导致直流母线的电压下降，进而会导致直流母线的电压小于参考值，即ud·ref-udc>0此时会触发AC/DC双向功率变换器工作于整流模式，会在此基础上使得其恢复到正常电压；当直流子网的负荷减少或者直流子网侧分布式电源出力增多时，将会导致直流母线的电压上升，进而会导致直流母线的电压大于参考值，即ud·ref-udc<0此时会触发AC/DC双向功率变换器工作于逆变模式，交流子网向直流子网获取有功功率来帮助直流子网恢复到稳定的电压。

综上所述，双闭环的控制策略可以有效地帮助直流母线电压运行在一个稳定的状态，并且设计的AC/DC变换器能够根据不同的情况工作在不同的工作状态，实现了交直流混合母线间的功率双向流动。

3 仿真验证

为了验证本文所提出的AC/DC双向功率变换器的结构功能，以Matlab/Simulink为基础搭建模型进行实验，如图5所示，其控制策略仿真模型如图6所示。

图5 系统仿真模型

图6 控制策略仿真模型

该系统的仿真模型参数表2所示。

0～1.5 s时，直流子网没有负荷投入，AC/DC变换器运行于逆变模式；当运行1.5～3 s的时候，AC/DC直流子网开始投入负荷运行，此时的双向功率变换器是在整流模式下运行的。

表2 系统仿真模型的参数

图7为AC/DC双向功率变换器交流测有功功率的输出波形；图8为直流子网的电压波形；图9为交流子网A相的相电流波形图；图10则为直流子网A相的相电流波形图。

由波形图可知，0～1.5 s时，交流子网从直流子网中利用AC/DC变换器获得了有功功率，此时的AC/DC变换器工作模式是逆变模式；在1.5 s时，直流子网侧接入负载，导致直流子网的电压迅速下降。而在这个时候AC/DC变换器是在整流模式下运行的。通过交换器，交流子网此时向直流子网输出的是有功功率。从而使得直流子网电压又迅速恢复到参数设定值，而AC/DC双向功率变换器则根据不同的情况切换自己的工作模式，保证了直流子网始终维持在一个稳定的值附近。

4 结束语

AC/DC双向功率变换器已经成为下一代智能电网的核心装置，对分布式新能源的消纳、电能的灵活转换以及交直流混合微电网的健康运行起着至关重要的作用。本文对AC/DC变换器的功能和作用做了详细阐述，在现有的能量控制器控制策略基础上进行有效的研究和改善，对AC/DC双向功率变压器设计了双闭环控策略。最后通过Matlab/Simulink搭建仿真模型，对双闭环控制策略的有效运行进行了验证，使得在交直流混合微电网中能量双向流动的安全有效得到了保障。

在本文的基础上，下一步将继续研究交流母线电压或电流发生畸变以及交流母线上投切负荷时AC/DC双向功率变换器的运行状态和控制策略。