一种计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法。考虑死区效应和功率管饱和压降等非线性因素对系统的影响，将蓄电池电压，功率管饱和压降和死区的占空比作为外部变量，计算出因非线性因素导致的误差电压，将得到的误差电压作为扰动量引入电压电流双闭环控制中，计算出等效电路中开路电压、输出阻抗和受控电压源的表达式，得到计及非线性因素的直流微电网双向储能变换器等效电路。本发明补偿了因非线性因素导致的误差电压，逼近实际直流微电网双向储能变换器的等效电路，提高了等效电路的精确性，可以用来分析多储能变换器并联均流特性。
【专利说明】
一种计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及新能源分布式发电、直流微电网领域，特别是一种计及非线性因素的 双向储能变换器分析与控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石能源的不断衰竭，新能源分布式发电技术越来越受到人们的重视，微电 网也应运而生。相比于交流微电网，直流微电网是由分布式发电、储能装置、能量变换装置 和负载等组成的系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。直流微电网系统具有结 构简单，能量转换次数少，无需考虑频率、相位和无功补偿设备，供电质量高等优势，促进了 直流微电网的快速发展。在研究多储能变换器并联均流特性时，现有文献在建模时均未考 虑死区效应和IGBT饱和压降对系统的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种计及非线性因素的 双向储能变换器分析与控制方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种计及非线性因素的双向 储能变换器分析与控制方法，该方法为：
[0005] 1)在每个采样周期的起始点，对储能变换器直流侧电容&两端的电压Udd、流过线 路阻抗Z linel的电流h和流过电感U的电流iL1分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据 通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
[0006] 2)将直流侧参考电压uref和与电容电压反馈系数Hu相乘后的储能变换器直流侧电 容&两端的电压mi相减，得到差值e u，其中，Hu取值范围为0.01〈HU〈0.02;
[0007] 3)将差值eu与外环电压PI控制器的传递函数Gu(s)相乘，得到指令电流iV，其中， 外环电压PI控制器的传递函数G u(s)的表达式为GJdikp+h/s，其中，1^是？1控制器的比例 系数，kP取值范围为0. l<kP<20，ki是PI控制器的积分系数，ki取值范围为O.OOKki彡0.1， s = j ω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；
[0008] 4)将指令电流和与电感电流反馈系数Hi相乘后的流过电感U的电流iL1相减， 得到差值ei，其中，Hi取值范围为0.09〈Hi〈0.11;
[0009] 5)将差值ei与内环电流P控制器的传递函数Gi(s)相乘，得到调制波u t，其中，内环 电流P控制器的传递函数Gds)的表达式为Gdshhk是P控制器的比例系数，k取值范围为 0.1^k^l.5；
[0010] 6)将调制波Ut与脉宽调制器的传递函数6_相乘，与储能变换器直流侧电容Ci两端 的电压u dc；1相减，再与非线性因素引起的误差电压相减，得到储能变换器的输出电压m， 其中，GP?=U bl/Uc，Ub^蓄电池电压平均值，Ubl取值范围为700彡U bl<720，Uc是三角载波的 幅值，U。取值范围为1彡U。彡10。
[0011 ]所述步骤6)中，非线性因素引起的误差电压Δ Ue3的表达式为：
[0012] Δ ue= (ubiDd+UQi)sign(iLi)
[0013] 其中，咖是蓄电池电压，诹是功率管饱和压降，Dd是死区的占空比
[0014] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明涉及了一种计及非线性因 素的双向储能变换器分析与控制方法。考虑死区效应和功率管饱和压降等非线性因素对系 统的影响，将蓄电池电压，功率管饱和压降和死区的占空比作为外部变量，计算出因非线性 因素导致的误差电压，将得到的误差电压作为扰动量引入电压电流双闭环控制中，计算出 等效电路中开路电压、输出阻抗和受控电压源的表达式，得到计及非线性因素的直流微电 网双向储能变换器等效电路。本发明补偿了因非线性因素导致的误差电压，逼近实际直流 微电网双向储能变换器的等效电路，提高了等效电路的精确性，可以用来分析多储能变换 器并联均流特性。
【附图说明】
[0015] 图1为储能系统的结构图；
[0016] 图2为本发明一实施例iL1>0时驱动信号和储能变换器的输出电压m波形；
[0017] 图3为本发明一实施例储能系统的控制框图；
[0018] 图4为本发明一实施例储能变换器的等效电路；
[0019] 图5(a)是未考虑非线性因素时储能变换器直流侧电容&两端的电压^:的仿真波 形;图5(b)是考虑非线性因素时储能变换器直流侧电容&两端的电压UM的仿真波形。
【具体实施方式】
[0020] 图1为储能系统的结构图，Buck/Boost变换器，又称储能变换器，实现能量双向流 动，DC/AC逆变器采用单相桥式电路和LC滤波器，既避免复杂的电路结构带来的控制和稳定 性问题，又对高频谐波电流起到较大的衰减作用，负载由DC/AC逆变器接阻性负载模拟。其 中，功率管&、Q 2、二极管〇:、D2和电感。构成储能变换器，功率管Q3_Q6构成单相桥式电路，电 感L fl和电容Cfl构成LC滤波器，ubjPibl分别是蓄电池电压和电流，m是储能变换器的输出电 压，u dcl是储能变换器直流侧电容&两端的电压，Uloadl·和iloadl·分别是DC/AC逆变器直流侧输 入电压和电流，udPica分别是流过阻性负载仏的电压和电流，iu和kfi分别是电感LjPL fl 的电流，ia和―汾别是电容CjPCfl的电流山是线路阻抗Ziine3l电流。
[0021] 图2为iu>0时驱动信号和储能变换器的输出电压m波形，假设流过电感1^的电流 iu流向直流母线为正，从直流母线流向储能变换器为负。以iu>0为例，q#Pq2分别是未考虑 非线性因素时的功率管Qi和Q2驱动信号，qn和q22分别是考虑非线性因素时的功率管Qi和Q2 驱动信号，m和un分别是考虑非线性因素前后的储能变换器的输出电压，td是死区时间，t〇 n 和Wf分别是功率管的导通延迟时间和关断延迟时间，可忽略不计，Ts是开关周期，uQ1和UD2 分别是功率管和二极管的饱和压降，一般UQ1和UD2的大小十分接近，即UQ1 = UD2。
[0022] 图3为储能系统的控制框图，在每个采样周期的起始点，对储能变换器直流侧电容 Ci两端的电压udcl、流过线路阻抗Zlinel的电流h和流过电感U的电流iL1分别进行采样，将经 过AD转换器转换后的数据通过并行接口送给DSP控制器进行处理。
[0023] 将直流侧参考电压uref和与电容电压反馈系数Hu相乘后的储能变换器直流侧电容 Cl两端的电压Udci相减，得到差值eu，其中，Hu取值范围为0.01〈HU〈0.02。
[0024]将差值eu与外环电压PI控制器的传递函数Gu(s)相乘，得到指令电流iV，其中，外 环电压PI控制器的传递函数Gu(s)的表达式为Gddikp+lu/s，其中，1^是？1控制器的比例系 数，匕取值范围为0.1<k P<20，ki是PI控制器的积分系数，ki取值范围为0.001<ki<0.1，S =j ω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率。
[0025]将指令电流Λι和与电感电流反馈系数Hi相乘后的流过电感Li的电流iLi相减，得 到差值ei，其中，Hi取值范围为0.09〈Hi〈0.11。
[0026] 将差值ei与内环电流P控制器的传递函数Gi(s)相乘，得到调制波ut，其中，内环电 流P控制器的传递函数GKs)的表达式为是P控制器的比例系数，k取值范围为0.1 ^k^l.5〇
[0027] 将调制波ut与脉宽调制器的传递函数6_相乘，与储能变换器直流侧电容&两端的 电压相减，再与非线性因素引起的误差电压相减，得到储能变换器的输出电压m，其 中，G_=U bl/Uc，Ub^蓄电池电压平均值，Ubl取值范围为700彡U bl<720，Uc是三角载波的幅 值，U。取值范围为非线性因素引起的误差电压Δ&的表达式为：
[0028] Δ ue= (ubiDd+UQi)sign(iLi)
[0029] 式中，咖是蓄电池电压，um是功率管饱和压降，Dd是死区的占空比
[0030]图4为储能变换器的等效电路，Re是DC/AC逆变器接阻性负载的等效负载，受控电 压源Am的表达式为：
[0036] 其中，rd为电感等效串联电阻，rd取值范围为2.5彡r d彡3.5。
[0037] 图5(a)、图5(b)为储能变换器直流侧电容Q两端的电压UM的仿真波形，图5(a)是 未考虑非线性因素时储能变换器直流侧电容心两端的电压u dcl的仿真波形，图5(b)是考虑 非线性因素时储能变换器直流侧电容&两端的电压udcl的仿真波形，从图5(a)、图5(b)中可 以看出，本发明补偿了因非线性因素导致的误差电压，减小了储能变换器直流侧电容(^两 端的电压Udcl的波动，推导出的等效电路更加逼近实际直流微电网双向储能变换器的等效 电路，提高等效电路的精确性。
【主权项】
1. 一种计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 在每个采样周期的起始点，对储能变换器直流侧电容C1两端的电压Udcl、流过线路阻 抗Z linel的电流h和流过电感L1的电流iu分别进行采样，将采样数据经过AD转换器转换后送 给DSP控制器进行处理； 2) 将直流侧参考电压Urrf和与电容电压反馈系数Hu相乘后的储能变换器直流侧电容C1 两端的电压UM相减，得到差值eu; 3) 将差值eu与外环电压PI控制器的传递函数Gu(S)相乘，得到指令电流i\1; 4) 将指令电流：?Λι和与电感电流反馈系数Hi相乘后的流过电感Li的电流iu相减，得到差 值ei; 5) 将差值ei与内环电流P控制器的传递函数G1(S)相乘，得到调制波ut; 6) 将调制波Ut与脉宽调制器的传递函数6_相乘，乘积与储能变换器直流侧电容C1两端 的电压U dcl相减，差值再与非线性因素引起的误差电压Aue相减，得到储能变换器的输出电 压m，其中，G P?=Ubl/Uc，Ub^蓄电池电压平均值，Ubl取值范围为700彡U bl<720，Uc是三角载 波的幅值，U。取值范围为2. 根据权利要求1所述的计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征 在于，步骤2)中，Hu取值范围为0.01 <HU〈0.02。3. 根据权利要求1所述的计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征 在于，步骤3)中，外环电压PI控制器的传递函数Gu(S)的表达式为Gu(S)=Ic t^k1Zis,其中，1^是 PI控制器的比例系数，kP取值范围为0. 控制器的积分系数，取值范围为 0.001彡ki彡0.1，s = jco，j是虚部单位符号，ω为电网角频率。4. 根据权利要求1所述的计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征 在于，步骤4)中，Hi取值范围为0.09〈Hi〈0.11。5. 根据权利要求1所述的计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征 在于，步骤5)中，内环电流P控制器的传递函数G 1(S)的表达式为G1(S)=I^k是P控制器的比 例系数，k取值范围为0.1彡k彡1.5。6. 根据权利要求1所述的计及非线性因素的双向储能变换器分析与控制方法，其特征 在于，步骤6)中，非线性因素引起的误差电压Au e3的表达式为：Δ Ue= (ubiDd+UQi)sign(iLi)； 其中，1^是蓄电池电压，uQ1是功率管饱和压降，Dd是死区的占空比， 。
【文档编号】H02M3/158GK106026658SQ201610622377
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月1日
【发明人】罗安, 杨苓, 陈燕东, 怀坤山, 伍文华, 周小平, 梅成成, 程石, 刘亚曦
【申请人】湖南大学