一种实现直流母线电压稳定的方法与流程

本发明涉及电压控制技术领域，尤其一种实现直流母线电压稳定的方法。

背景技术：

现存的化石能源短缺与环境污染等问题日益突出，使得具有可再生性和清洁性的新能源发电获得了快速发展。近年来，新能源发电在电力系统中所占的比例日益提高，微电网在整合新能源发电和配电网方面有着诸多优势，因此受到国内外的广泛关注。而直流微电网是一种新能源发电接入配电网的重要网架结构。

直流微电网系统不存在无功控制与频率稳定等问题，直流母线电压的稳定是系统安全可靠运行的首要目标。影响母线电压稳定运行的因素很多，直流微电网系统内供需功率不平衡是一类显著的影响因素。受环境情况波动的影响，新能源发电装置的输出功率具有较大的波动性。另外，配电网中的新型负荷如电动汽车的充电功率也具有一定的波动性。因此，平衡直流微电网系统内能量的流动对于维持直流微电网母线的稳定运行具有相当重要的实际意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种实现直流母线电压稳定的方法，可最大程度提升直流微电网的使用范围及其运行的独立性，达到清洁能源最大化利用的效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种实现直流母线电压稳定的方法，包括：

步骤s1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为两个层级；

步骤s2，根据所述直流微电网的母线电压相较于所述额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述两个层级中的哪一个层级；

步骤s3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的电源维持所述母线电压的稳定。

其中，当确定出所述母线电压位于所述两个层级中的第一层级时，采用所述直流微电网系统中的储能电池对所述直流微电网母线电压维持稳定；

当确定出所述母线电压位于所述两个层级中的第二层级时，采用所述直流电网系统外接的交流电网对所述直流微电网母线电压维持稳定。

其中，当所述直流微电网母线电压大于或等于所述额定电压的第一百分比，小于或等于所述额定电压的第二百分比时，确定所述母线电压位于所述两个层级中的所述第一层级。

其中，所述第一百分比为98％，所述第二百分比为102％。

其中，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第一百分比且大于或等于所述额定电压的第三百分比时，或者所述直流微电网母线电压大于所述额定电压的第二百分比且小于或等于所述额定电压的第四百分比时，确定所述母线电压位于所述两个层级中的所述第二层级。

其中，所述第三百分比为95％，所述第四百分比为105％。

其中，所述储能电池与所述直流母线系统通过双向直流-直流变换器连接，通过所述双向直流-直流变换器维持所述直流微电网系统中的能量平衡流动来稳定所述直流微电网母线电压。

其中，所述交流电网与所述直流母线系统通过双向交流-直流变换器连接。

其中，所述双向直流-直流变换器和所述双向交流-直流变换器都使用双环pi控制技术，即电流内环实现误差快速追踪，电压外环实现母线电压的稳定。

本发明实施例的有益效果在于：

本发明的实施例通过分层级控制稳定直流微电网母线电压，一方面，提高了直流微电网系统的稳定性，提升了直流微电网的运作独立性；另一方面，提升了直流微电网的使用范畴，从而实现清洁能源的最大化利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的图。

图1为一种实现直流微电网母线电压稳定的方法一个实施例的流程示意图。

图2为本发明的直流微电网的一个实施例的结构示意图。

图3为本发明的ac-dc变换器控制原理的一个实施例的示意图。

图4为本发明中特征根随pi参数变化的分布情况的一个实施例的示意图。

图5为本发明中开环控制系统的相角裕度与电压pi控制参数的一个实施例的关系示意图。

图6为本发明的交流电网控制下直流母线电压的一个实施例的波动示意图。

图7为本发明的储能控制下直流母线电压的一个实施例的波动示意图。

具体实施方式

下面结合图对本发明的实施例进行举例说明。

图1为一种直流微电网母线电压的控制方法的一个实施例的流程示意图。本发明适用对象为典型的直流微电网结构，如图2所示，本实施例的系统内含有新能源发电装置如光伏发电模块10和风机发电模块20，其中，风机发电模块20与直流微电网母线30通过boost变换器21相连。交流电网40通过lcl滤波电路41和ac-dc变换器42接入直流微电网母线30。储能电池50通过buck-boost变换器51接入直流微电网母线30。同时该实施例的系统中还含有直流负载60通过buck变换器61接入母线30，交流负载70通过逆变器71接入母线30。

本发明实施例，可采用图1所示的控制直流微电网母线电压稳定的方法来实现图2所示的典型直流微电网系统的直流母线电压的稳定，如图1所示，所述方法可包括：

步骤s1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为两个层级；

步骤s2，根据所述直流微电网的母线电压相较于所述额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述两个层级中的哪一个层级；

步骤s3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的电源维持所述母线电压的稳定。具体实现中，作为一种举例，当确定出所述母线电压位于所述两个层级中的第一层级时，采用所述直流微电网系统中的储能电池对所述直流微电网母线电压维持稳定；当确定出所述母线电压位于所述两个层级中的第二层级时，采用所述直流电网系统外接的交流电网对所述直流微电网母线电压维持稳定。

进一步，当所述直流微电网母线电压大于或等于所述额定电压的第一百分比，小于或等于所述额定电压的第二百分比时，确定所述母线电压位于所述两个层级中的所述第一层级。

进一步，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第一百分比且大于或等于所述额定电压的第三百分比时，或者所述直流微电网母线电压大于所述额定电压的第二百分比且小于或等于所述额定电压的第四百分比时，确定所述母线电压位于所述两个层级中的所述第二层级。

作为举例，所述第一百分比为98％，所述第二百分比为102％，所述第三百分比为95％，所述第四百分比为105％。也即，具体实现中，当0.98un<udc<1.02un时(udc为直流母线电压，un为直流母线额定电压)，母线电压由储能电池来维持稳定；当0.95un<udc<0.98un，或1.02un<udc<1.05un时，母线电压由交流电网来维持稳定。需要说明的是，上述的百分比的划分仅为举例，具体实现中，各种百分比可以根据实际需求进行更改，这些更改的百分比同样属于本发明保护的范畴。

在此先就母线电压位于第二层级时，外侧交流电网40如何对直流母线30的电压维持稳定的工作原理进行说明。其中，ac-dc变换器42采用双闭环解耦控制，如图3所示，其中外环为电压控制和无功功率控制，内环为电流环控制。直流母线30电压参考值udcref根据直流母线的额定电压un决定；无功功率参考值qref由ac-dc变换器42输出无功功率的控制目标获得。

通过3s/2r坐标转换可将三相交流相量转化为dq两相旋转相量，在dq0坐标系下，ac-dc变换器的数学模型为

式中，r为线路等效电阻与滤波器附加电阻的总和，l为滤波器等效电感。可得d轴电流闭环传递函数为：

电流闭环控制系统为典型的二阶系统，其自然频率系统阻尼选取滤波电感l＝2.8mh，等效电阻r＝20mω；电流d轴闭环控制系统的特征根随电流pi控制器参数变化的分布情况图3所示，虚线箭头表示kpid＝0.26，kiid从10增加到25时，特征根的分布情况；实线箭头表示kiid＝13.50，kpid从0.1增加到0.8时，特征根的分布情况。选取电流内环控制系统的系统阻尼系数自然频率ωn＝69.436rad/s，可得pi控制系统的比例系数kpid＝0.26，积分系数kiid＝13.50；系统的动态性能为tp＝64.72ms，ts＝67.64ms，mp＝4.02％。

分析求得ac-dc变换器母线电压闭环控制系统，可得电压控制开环传递函数为gvol(s)。其中，k为直轴电流与直流母线电流的转换系数。若忽略ac-dc变换器的功率损耗和直流母线电压的波动，那么k＝1.5ud/udc。

图4表征了母线电压开环控制系统的相角裕度与电压pi控制参数的关系，由此可知当比例系数增加时，系统相角裕度也随之增加；当积分系数增加时，系统相角裕度相应的降低。为防止系统中元件性能的变化可能造成的不利影响，母线电压开环控制系统应当保持适当的稳定裕度。当设计电压pi控制参数为kpu＝1.1，kiu＝15.8时，可得开环系统的相角裕度为48.4°，增益裕度为95.7db。

此外，当母线电压位于第一层级时，储能电池50通过buck-boostdc-dc变换器51与直流母线30进行能量交换。dc-dc变换器电流内环pi控制器的设计原理与上文ac-dc变流器的电流环设计原理相同。考虑在特定的系统参数下，如直流母线电压为400v；储能电池额定电压为160v；滤波电感lb＝7mh；线路等效电阻rb＝130mω；静态工作点的占空比d为0.6。当电流pi控制器的参数为kbpⁱ＝2×10^-3，kbii＝0.25时，可得系统的动态性能参数为ωn＝169.03rad/s，tp＝25.34ms，ts＝28.8ms，mp＝5.4％。

设计dc-dc变换器的电压外环工作参数，gvpi(s)为电压外环pi控制器，可得dc-dc变换器母线电压控制开环传递函数

设计dc-dc变换器的电压pi控制参数为kbpu＝3.52，kbiu＝3.37。可得开环系统的相角裕度为47.7°，增益裕度为101db。

针对上述具体实施方案，设计不同时刻的系统功率波动值，可得出系统电压运行仿真图，如图6-图7。

综上所述，本发明的实施例通过一种实现直流母线电压稳定的方法，一方面，有效提高了直流微电网系统的稳定性，同时提升了直流微电网的运作独立性；另一方面，提升了直流微电网的使用范畴，从而实现清洁能源的最大化利用。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。