用于不平衡负载下直流微电网的电压脉动抑制方法与流程

本发明涉及一种电压脉动抑制方法，尤其涉及一种用于不平衡负载下直流微电网的电压脉动抑制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术：

直流微电网使用直流配电形式，有利于各种分布式电源协调控制，可提供更高的电能质量，因而成为微电网技术研究的新方向。然而，直流微电网也存在一定的稳定性问题。由于实际系统经常含有不平衡负载，会在交流负载侧引入基波负序分量，导致直流电压出现二倍频脉动，严重影响直流微电网的供电质量。此外，不平衡负载下逆变器输出功率的二倍频脉动量，会在直流微电网的电源和换流器产生二次纹波电流，严重影响其使用寿命。过多的纹波电流还会损害电池的电极和电解质，降低电池效率；降低光伏组件的光电转换效率，提高光伏电站的运行成本；增加换流器开关管的通态损耗和电流应力，浪费换流器容量。

目前不平衡负载下的研究，主要是针对负载侧三相逆变器提出的多种拓扑和控制策略，以改善其输出电压波形为目标，使三相电压的平衡状况满足电能质量的要求。由于对负载侧逆变器输出电压波形的控制必不可少，同时由负载的不平衡特性引起的直流微电网电压脉动问题也不容忽视，因此，需要考虑从其他角度控制直流电压。

针对上述问题，有学者提出利用储能装置吸收二倍频功率，从而抑制直流电压脉动。Guoyi Xu等人在IEEE Transactions on Energy Conversion，2012，27(4)：1036-1045.“Coordinated DC voltage control of wind turbine with embedded energy storage system”公开了一种针对具有嵌入式储能系统的风储直流微电网的直流电压脉动抑制方法。直流母线经线路侧换流器(line side converter，LSC)接入交流电网。储能系统和LSC分别采用下垂控制和双环PI控制。当风机的输出功率有脉动时，通过调整PI控制器的固有频率和下垂控制器的下垂系数协调直流母线上的电流，使储能系统对电流表现为带通特性，而LSC对电流表现为低通特性，则电流的脉动分量就会被储能系统吸收，也就是使脉动功率流入储能系统，从而保证直流电压稳定。Dong Chen等人在IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(4)：1897-1905.“Autonomous DC voltage control of a DC microgrid with multiple slack terminals”公开了一种针对多端风储直流微电网的直流电压脉动抑制方法。储能系统和并网换流器仍分别采用下垂控制和PI控制。通过调整下垂系数和PI控制器时间常数直接控制功率的传递函数，使脉动功率流入储能系统，即可抑制直流电压脉动。以上方法均是通过控制直流母线上电流或功率传递函数的频率响应特性来实现控制目标，虽然能实现较好的控制效果，但控制性能受参数的影响极大，并且调试时需要协调多个参数，过程较复杂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于不平衡负载下直流微电网的电压脉动抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于不平衡负载下直流微电网的电压脉动抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立通用直流微电网：所述直流微电网包括由风力发电机组、风机测量元件、AC/DC换流器依次级联组成的风力发电单元，由蓄电池、蓄电池测量元件、第一DC/DC换流器依次级联组成的蓄电池储能单元，由光伏阵列、光伏测量元件、第二DC/DC换流器依次级联组成的光伏发电单元，直流测量元件，并网逆变器、第一交流测量元件、交流电网依次级联组成的并网单元，第三DC/DC换流器、直流负载依次级联组成的直流负载单元，负载逆变器、第二交流测量元件、交流负载依次级联组成的交流负载单元，风力发电单元的控制系统，蓄电池储能单元的控制系统，光伏发电单元的控制系统；所述直流微电网以直流母线为中心，风力发电单元、蓄电池储能单元、光伏发电单元、直流负载单元和交流负载单元、并网单元分别通过第一至第五直流测量元件依次连入直流母线，形成辐射状结构，其中直流负载单元和交流负载单元并联后通过第四直流测量元件连入直流母线；所述风力发电单元的控制系统、蓄电池储能单元的控制系统、光伏发电单元的控制系统的输入端分别接风机测量元件、蓄电池测量元件、光伏测量元件和直流测量元件的输出端，其输出端分别接AC/DC换流器、第一DC/DC换流器、第二DC/DC换流器的输入端；

步骤2：建立基于超级电容器的直流电压控制系统：所述直流电压控制系统包括超级电容器、超级电容测量元件、第四DC/DC换流器、第四直流测量元件和超级电容器的控制系统组成；所述直流电压控制系统与直流微电网中的交流负载并联，通过第四直流测量元件连入直流母线，所述控制系统的输入端分别接所述超级电容测量元件、直流测量元件的输出端，其输出端接所述第四DC/DC换流器的输入端；

步骤3：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量负载侧直流母线的电压u_dc，由直流微电网流向所述交流负载的电流i_r，负载逆变器的输入电流i_c，超级电容器的放电电流i_sc，超级电容器端电压u_sc；计算直流微网提供给负载的功率P_r，负载吸收的功率P_L；

步骤4：确定直流电压控制系统的参考功率

其中：u为直流电压的平方，C为直流侧电容，t为时间；

步骤5：设计超级电容储能装置的参数：

超级电容器的容量为：

式中，P_max为参考功率的峰值；充放电周期为T，充电过程为T/2内超级电容器端电压u_sc由u_{sc_init}上升至u_{sc_fin}，

滤波电感L_DC为：

其中：D_Buck为Buck模式下的占空比；f_s表示DC/DC换流器的开关频率；Δi_sc为电路允许的最大纹波电流；

步骤6：确定控制误差e_i

其中：为超级电容器的电流参考值，

步骤7:确定滑模面S：

S＝e_i+K_i∫e_idt (5)

式中：K_i为正实数；

步骤8:确定滑模控制的控制率D：

D＝D_eq+ΔD (6)式中：D为DC/DC换流器的占空比，D_eq是等效控制，ΔD是开关控制；

当时，超级电容器充电，DC/DC换流器工作在Buck模式：

D₁＝D_1eq+ΔD₁ (7)

式中：D₁、D_1eq、ΔD₁对应为式(6)在Buck模式下的形式，其等效控制和开关控制分别为

式中：k₁₁和k₁₂为正实数；

当时，超级电容器放电，DC/DC换流器工作在Boost模式：

D₂＝D_2eq+ΔD₂ (10)

式中：D₂、D_2eq、ΔD₂对应为式(6)在Boost模式下的形式，其等效控制和开关控制分别为

式中：k₂₁和k₂₂为正实数；

步骤9：判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10，否则转向步骤7；

步骤10：PWM调制：将占空比D经过PWM调制后得到所述超级电容储能装置中第四DC/DC换流器开关信号，并将其送入第四DC/DC换流器进行控制。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

1.本发明针对不平衡负载下的直流微电网，在保证负载供电质量的前提下，利用超级电容器控制直流电压，可以同时保证直流微电网的供电质量。

2.本发明的控制器结构和参数调整都比较简单，控制精度高，鲁棒性强。

3.本发明提出的超级电容储能装置参数设计方法简单可靠，避免了超级电容器的容量浪费，能降低系统成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的流程图；

图2是直流微电网结构图；

图3是基于超级电容器的直流电压控制系统结构图；

图4是不平衡负载下超级电容器的控制框图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种不平衡负载下直流微电网的电压脉动抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立通用直流微电网：所述直流微电网包括由风力发电机组、风机测量元件、AC/DC换流器依次级联组成的风力发电单元，由蓄电池、蓄电池测量元件、第一DC/DC换流器依次级联组成的蓄电池储能单元，由光伏阵列、光伏测量元件、第二DC/DC换流器依次级联组成的光伏发电单元，直流测量元件，并网逆变器、第一交流测量元件、交流电网依次级联组成的并网单元，第三DC/DC换流器、直流负载依次级联组成的直流负载单元，负载逆变器、第二交流测量元件、交流负载依次级联组成的交流负载单元，风力发电单元的控制系统，蓄电池储能单元的控制系统，光伏发电单元的控制系统；所述直流微电网以直流母线为中心，风力发电单元、蓄电池储能单元、光伏发电单元、直流负载单元和交流负载单元、并网单元分别通过第一至第五直流测量元件依次连入直流母线，形成辐射状结构，其中直流负载单元和交流负载单元并联后通过第四直流测量元件连入直流母线；所述风力发电单元的控制系统、蓄电池储能单元的控制系统、光伏发电单元的控制系统的输入端分别接风机测量元件、蓄电池测量元件、光伏测量元件和直流测量元件的输出端，其输出端分别接AC/DC换流器、第一DC/DC换流器、第二DC/DC换流器的输入端；

步骤2：建立基于超级电容器的直流电压控制系统：所述直流电压控制系统包括超级电容器、超级电容测量元件、第四DC/DC换流器、第四直流测量元件和超级电容器的控制系统组成；所述直流电压控制系统与直流微电网中的交流负载并联，通过第四直流测量元件连入直流母线，所述控制系统的输入端分别接所述超级电容测量元件、直流测量元件的输出端，其输出端接所述第四DC/DC换流器的输入端；

步骤3：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量负载侧直流母线的电压u_dc，由直流微电网流向所述交流负载的电流i_r，负载逆变器的输入电流i_c，超级电容器的放电电流i_sc，超级电容器端电压u_sc；计算直流微网提供给负载的功率P_r，负载吸收的功率P_L；

步骤4：确定直流电压控制系统的参考功率

其中：u为直流电压的平方，C为直流侧电容，t为时间；

步骤5：设计超级电容储能装置参数：

在负载不平衡度(不平衡度定义为负序电流除以正序电流的百分比)最大时，超级电容器参考功率的峰值P_max，超级电容器端电压由u_{sc_init}上升至u_{sc_fin}，充放电周期为T，则超级电容器的容量为

超级电容器的等效电阻R_sc很小，一般为毫欧级。

滤波电感L_DC的参数可根据Buck电路的运行状态选择，公式为

其中：D_Buck为Buck模式下的占空比；f_s表示DC/DC换流器的开关频率；Δi_sc为电路允许的最大纹波电流，一般设为额定电流峰值的15％。

步骤6：确定控制误差e_i

其中：为超级电容器的电流参考值，

步骤7:确定滑模面S：

S＝e_i+K_i∫e_idt (5)

式中：K_i为正实数；

步骤8:确定滑模控制的控制率D：

D＝D_eq+ΔD (6)

式中：D为DC/DC换流器的占空比，D_eq是等效控制，ΔD是开关控制；

当时，超级电容器充电，DC/DC换流器工作在Buck模式：

D₁＝D_1eq+ΔD₁ (7)

式中：D₁、D_1eq、ΔD₁对应为式(6)在Buck模式下的形式，其等效控制和开关控制分别为

式中：k₁₁和k₁₂为正实数；

当时，超级电容器放电，DC/DC换流器工作在Boost模式：

D₂＝D_2eq+ΔD₂ (10)

式中：D₂、D_2eq、ΔD₂对应为式(6)在Boost模式下的形式，其等效控制和开关控制分别为

式中：k₂₁和k₂₂为正实数；

步骤9：判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10，否则转向步骤7；

步骤10：PWM调制：将占空比D经过PWM调制后得到所述超级电容储能装置中第四DC/DC换流器开关信号，并将其送入第四DC/DC换流器进行控制。

本实施例直流电压参考值一般设为交流负载相连的直流母线额定电压，即图2中节点5的额定电压，具体数值与负载功率有关。超级电容储能装置中，超级电容容量5.9mF，等效电阻2.1mΩ，滤波电感0.2mH。

所述直流微电网主要由四部分组成：包括风力发电机组和光伏发电在内的分布式发电单元，分别通过AC/DC和DC/DC换流器接入直流母线，负责为直流微电网提供电能；蓄电池储能单元，通过DC/DC换流器接入直流母线，负责维持系统内功率平衡，并在孤岛模式下稳定直流电压；直流微电网的负荷类型既有直流负荷又有交流负荷，分别通过DC/DC和DC/AC换流器接入直流母线；直流微电网通过DC/AC换流器并入交流主网。

为抑制不平衡负载下直流电压脉动，本发明增加超级电容器接入负载换流器出口的直流母线上，如图3所示，本发明采用超级电容器的简化模型，并通过非隔离型Buck-Boost双向DC/DC换流器接入直流母线。图中C为直流侧电容，u_dc为电容电压，P_r为直流微网提供给负载的功率，P_L为负载吸收的功率；P_sc为超级电容器吸收的功率，S₁、S₂表示开关管，L_DC为电感，C_sc、R_sc分别表示超级电容器简化模型的等效电容和等效电阻，i_sc为超级电容器的充电电流，u_sc为超级电容器端电压，u_c为超级电容器等效电容的端电压。本发明主要针对DC/DC换流器的控制，即基于滑模控制器的直流电压控制系统。

直流侧电容的数学模型为：

则直流电压控制系统的参考功率为：

其中，u为直流电压u_dc的平方。

确立滑模控制器的控制目标；DC/DC换流器的主要控制目标是通过控制超级电容器的电流i_sc来抑制直流电压脉动，并且具有良好的动态响应性能；因此确定如下跟踪误差：

式中：为超级电容器的电流参考值，

确定滑模面，本发明采用积分滑模面：

S＝e_i+K_i∫e_idt (16)

式中：积分项的引入是为了消除系统的静态误差，K_i为正实数；

确定控制率；本发明采用如下控制率结构：

D＝D_eq+ΔD (17)

式中：D_eq为等效控制，等效控制的作用是使系统在理想状态下沿滑模面运动，等效控制可以加快系统的响应速度，减小系统的静态误差。ΔD为开关控制，开关控制可以使系统从任意的初始状态在有限的时间内到达滑模面。根据本发明的控制目标，该控制率分为两种情况：

当时，超级电容器充电，DC/DC换流器工作在Buck模式：

D₁＝D_1eq+ΔD₁ (18)

式中：D₁、D_1eq、ΔD₁对应为控制率在Buck模式下的形式，其等效控制令获得

本发明采用滑模控制中的超螺旋算法设计开关控制；根据超螺旋算法的设计规则，开关控制设计如下：

式中：k₁₁和k₁₂为正实数；

当时，超级电容器放电，DC/DC换流器工作在Boost模式：

D₂＝D_2eq+ΔD₂ (21)

式中：D₂、D_2eq、ΔD₂对应为控制率在Boost模式下的形式，同样地可以得到其等效控制和开关控制分别为

式中：k₂₁和k₂₂为正实数；

确立负载不平衡时以抑制直流电压脉动为控制目标的控制策略；由于滑模控制能够对交流量进行控制，因此，只要设置控制器的参考值为直流量，即可实现对直流电压和无静差调节，即消除直流电压的二倍频脉动动；由直流侧数学模型可以看出，直流电压的稳定实质上反映了直流微网提供给负载的功率P_r，负载吸收的功率P_L和超级电容器吸收的功率P_sc三者的平衡；只要控制P_sc补偿式(14)等号右侧功率和中的2倍频分量，即可有效抑制直流电压脉动；

图4给出了所述控制策略的控制框图。