CN116169661B - 直流微电网母线电压的综合控制方法 - Google Patents

直流微电网母线电压的综合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了直流微电网母线电压的综合控制方法，主要包括改进的自适应虚拟惯性控制、振荡抑制器和电压补偿器，其中，改进的自适应虚拟惯性控制在负荷扰动时可根据母线电压变化率自适应地调节虚拟惯性系数大小，从而改变***惯性，释放出***所需的惯性功率来减缓直流母线电压的变化速度，获得平滑母线电压暂态波形，改善***的动态特性。在此基础上，振荡抑制器通过将母线电压的高频振荡分量消除掉，避免了电压的振荡分量进入控制环节而造成电压的下一次振荡，显著地抑制了电压振荡。进一步地，电压补偿器可实现母线电压无偏差调节，解决了负荷功率增加时母线电压跌落严重的问题。

Description

直流微电网母线电压的综合控制方法
技术领域
本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是直流微电网母线电压的综合控制方法。
背景技术
在“双碳”目标的引领下，电力***正发生着重大变革，尤其是在新能源利用和负荷承载方面具有显著优势的直流微电网，因具有换流环节少、线路损耗低等优点而受到国内外工业界的广泛关注。由于新能源出力的间歇性、波动性等问题，可能会威胁电力***的安全稳定运行，因此研究新能源出力波动时直流微电网的动态性和稳定性具有重要意义。
由于直流微电网是几乎不具备惯性的，且目前对直流微电网主要采用传统下垂控制和惯性恒定的附加虚拟惯性控制，因而在负荷扰动、新能源出力波动时，直流母线电压会迅速变化，同时可能带来输出电压无法准确跟踪额定电压、母线电压振荡等问题，这可能会对电压敏感负荷产生较大影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
1)蓄电池为主电路的能量源，通过DC-DC变换器得到变换器输出电压uo，接着经过电源侧线路电阻RS、电感LS和母线电容CDC后得到直流母线电压uDC，再经负载侧线路电阻RF和电感LF后给恒功率负荷Zload供电；
2)在每个采样周期的起始点，对变换器输出电压uo、直流母线电压uDC和变换器滤波电感电流ib分别进行采样，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；
3)将变换器输出电压额定值uoN与变换器输出电压平均值uagv进行相减后，经过电压补偿器的PI控制器Gb(s)得到电压补偿量Δub，其中，电压补偿器的PI控制器Gb(s)的表达式为Gb(s)＝kpb+kib/s，kpb是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的比例系数，kib是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的积分系数，s为拉氏变换复变量算子；
4)将变换器输出电压uo经振荡抑制器Ga(s)得到过程电压uoa，接着由变换器输出电压额定值uoN与电压补偿量Δub进行加和后，再与过程电压uoa进行做差，然后经下垂控制器d得到输出量i1，其中，振荡抑制器Ga(s)的表达式为
ω是振荡抑制器Ga(s)的截止频率；
此外，下垂控制器d的表达式为：d＝kdroopUo/Us，其中kdroop是下垂系数，Uo是变换器输出电压uo的稳态值，Us是蓄电池输出电压us的稳态值；
5)将直流母线电压uDC经过高通滤波器GA(s)得到直流母线电压变化率duDC/dt，再取绝对值得到直流母线电压变化率的绝对值Δ1，将其与常数1相加得到结果1+Δ1，接着将直流母线电压变化率duDC/dt除以(1+Δ1)，再取绝对值后乘以电压调节系数m得虚拟惯性系数补偿量ΔCv，且当Δ1小于等于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝0，当Δ1大于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝1，将过程变量S1乘以虚拟惯性系数补偿量ΔCv，再加上虚拟惯性系数初值Cv0得到虚拟惯性系数Cvirb，其中，高通滤波器GA(s)的表达式为
T1是高通滤波器的时间常数；
此外，虚拟惯性系数Cvirb的表达式为
6)将变换器输出电压额定值uoN与过程电压uoa进行平方差后，再经虚拟惯性控制器Gh(s)处理得到中间变量h，其中，虚拟惯性控制器Gh(s)的表达式为：
T2是虚拟惯性控制器Gh(s)中一阶惯性环节的时间常数；
7)将中间变量h乘以虚拟惯性系数Cvirb得到改进的自适应虚拟惯性控制输出量i2，加上下垂控制器输出量i1得到变换器滤波电感电流基准值ibref，再与变换器滤波电感电流ib进行做差后经过电流环PI控制器Gii(s)处理，并通过PWM控制输出控制信号，进而对DC-DC变换器进行控制，其中，电流环PI控制器Gii(s)的表达式为Gb(s)＝kpi+kii/s，kpi是电流环PI控制器Gii(s)的比例系数，kii是电流环PI控制器Gii(s)的积分系数；变换器滤波电感电流基准值ibref的表达式为
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用直流微电网母线电压的综合控制方法，主要包括改进的自适应虚拟惯性控制、振荡抑制器和电压补偿器，其中，改进的自适应虚拟惯性控制在负荷扰动时可根据母线电压变化率自适应地调节虚拟惯性系数大小，从而改变***惯性，释放出***所需的惯性功率来减缓直流母线电压的变化速度，获得平滑母线电压暂态波形，改善***的动态特性。在此基础上，振荡抑制器通过将母线电压的高频振荡分量消除掉，避免了电压的振荡分量进入控制环节而造成电压的下一次振荡，显著地抑制了电压振荡。进一步地，电压补偿器可实现母线电压无偏差调节，解决了负荷功率增加时母线电压跌落严重的问题。
附图说明
图1为直流微电网的拓扑结构图；
图2为综合控制方法的控制框图；
图3为本发明一实施例采用传统控制方法与综合控制方法的对比波形图。
具体实施方式
图1为直流微电网的拓扑结构图，蓄电池为主电路的能量源，通过DC-DC变换器得到变换器输出电压uo，接着经过电源侧线路电阻RS、电感LS和母线电容CDC后得到直流母线电压uDC，再经负载侧线路电阻RF和电感LF后给恒功率负荷Zload供电；其中，us为蓄电池输出电压，ib为变换器滤波电感电流，io为变换器输出电流。
图2为综合控制方法的控制框图，将变换器输出电压额定值uoN与变换器输出电压平均值uagv进行相减后，经过电压补偿器的PI控制器Gb(s)得到电压补偿量Δub；
电压补偿器的PI控制器Gb(s)的表达式为
Gb(s)＝kpb+kib/s (1)
式中，kpb是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的比例系数，kib是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的积分系数，s为拉氏变换复变量算子；
将变换器输出电压uo经振荡抑制器Ga(s)得到过程电压uoa，接着由变换器输出电压额定值uoN与电压补偿量Δub进行加和后，再与过程电压uoa进行做差，然后经下垂控制器d得到输出量i1；
振荡抑制器Ga(s)的表达式为
式中，ω是振荡抑制器Ga(s)的截止频率；
下垂控制器d的表达式为
d＝kdroopUo/Us (3)
式中，kdroop是下垂系数，Uo是变换器输出电压uo的稳态值，Us是蓄电池输出电压us的稳态值；
将直流母线电压uDC经过高通滤波器GA(s)得到直流母线电压变化率duDC/dt，再取绝对值得到直流母线电压变化率的绝对值Δ1，将其与常数1相加得到结果1+Δ1，接着将直流母线电压变化率duDC/dt除以(1+Δ1)，再取绝对值后乘以电压调节系数m得虚拟惯性系数补偿量ΔCv，且当Δ1小于等于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝0，当Δ1大于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝1，将过程变量S1乘以虚拟惯性系数补偿量ΔCv，再加上虚拟惯性系数初值Cv0得到虚拟惯性系数Cvirb；
高通滤波器GA(s)的表达式为
式中，T1是高通滤波器的时间常数；
虚拟惯性系数Cvirb的表达式为
将变换器输出电压额定值uoN与过程电压uoa进行平方差后，再经虚拟惯性控制器Gh(s)处理得到中间变量h；
虚拟惯性控制器Gh(s)的表达式为
式中，T2是虚拟惯性控制器Gh(s)中一阶惯性环节的时间常数；
将中间变量h乘以虚拟惯性系数Cvirb得到改进的自适应虚拟惯性控制输出量i2，加上下垂控制器输出量i1得到变换器滤波电感电流基准值ibref，再与变换器滤波电感电流ib进行做差后经过电流环PI控制器Gii(s)处理，并通过PWM控制输出控制信号，进而对DC-DC变换器进行控制；
电流环PI控制器Gii(s)的表达式为
Gb(s)＝kpi+kii/s (7)
式中，kpi是电流环PI控制器Gii(s)的比例系数，kii是电流环PI控制器Gii(s)的积分系数；
变换器滤波电感电流基准值ibref的表达式为
改进的自适应虚拟惯性控制将虚拟惯性系数Cvirb与直流母线电压变化率duDC/dt相联系，以实现在负荷扰动时，***能根据电压的变化自适应调节虚拟惯性系数Cvirb来改变***的惯性，从而进一步提高***的动态性能；由于过大的虚拟惯性可能导致***不稳定，因此采用了一个具有限幅能力的S型函数来构造公式，避免在电压变化率过大时虚拟惯性系数Cvirb过大而导致***不稳定；其具体工作原理如下：当***正常运行时，直流母线电压变化率duDC/dt的绝对值小于等于电压变化率的设定阈值K，虚拟惯性系数Cvirb保持为虚拟惯性系数初值Cv0；当***受到负荷突变扰动时，直流母线电压突变，此时直流母线电压变化率duDC/dt的绝对值将迅速达到最大，超过电压变化率的设定阈值K时，与电压变化率相关的虚拟惯性系数补偿环节被启动，虚拟惯性系数Cvirb也在短时间内随电压变化率变化为一个较大的值，从而释放出更大的惯性功率来减缓直流母线电压的变化速度；随着电压变化率的减小，虚拟惯性系数Cvirb也逐渐变小，从而减小惯性功率的释放，加快电压恢复速度；当母线电压接近稳态值时，直流母线电压变化率duDC/dt的绝对值将小于所设阈值，虚拟惯性系数Cvirb再次保持为虚拟惯性系数初值Cv0，以助于***达到稳定。
图3为采用传统控制方法和综合控制方法的对比波形图，在1.05s时，负载由5kW突增至48kW，同时综合控制方法在1.05s时启动改进的自适应虚拟惯性控制和振荡抑制器，并在2s启动电压补偿器，可以明显看到，传统控制方法下***直流母线电压在负载突增时迅速降低至758V左右，振荡幅值约为9V，而综合控制方法下，直流母线电压跌落速度明显减缓，平滑地降低为758V，振荡幅值降低为2V左右，且在启动电压补偿器后母线电压恢复至800V左右，***电压质量明显提高。

Claims (4)

1.直流微电网母线电压的综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)蓄电池为主电路的能量源，通过DC-DC变换器得到变换器输出电压uo，接着经过电源侧线路电阻RS、电感LS和母线电容CDC后得到直流母线电压uDC，再经负载侧线路电阻RF和电感LF后给恒功率负荷Zload供电；
2)在每个采样周期的起始点，对变换器输出电压uo、直流母线电压uDC和变换器滤波电感电流ib分别进行采样，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；
3)将变换器输出电压额定值uoN与变换器输出电压平均值uagv进行相减后，经过电压补偿器的PI控制器Gb(s)得到电压补偿量Δub，其中，电压补偿器的PI控制器Gb(s)的表达式为Gb(s)＝kpb+kib/s，kpb是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的比例系数，kib是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的积分系数，s为拉氏变换复变量算子；
4)将变换器输出电压uo经振荡抑制器Ga(s)得到过程电压uoa，接着由变换器输出电压额定值uoN与电压补偿量Δub进行加和后，再与过程电压uoa进行做差，然后经下垂控制器d得到输出量i1，其中，振荡抑制器Ga(s)的表达式为
ω是振荡抑制器Ga(s)的截止频率；
此外，下垂控制器d的表达式为：d＝kdroopUo/Us，其中kdroop是下垂系数，Uo是变换器输出电压uo的稳态值，Us是蓄电池输出电压us的稳态值；
5)将直流母线电压uDC经过高通滤波器GA(s)得到直流母线电压变化率duDC/dt，再取绝对值得到直流母线电压变化率的绝对值Δ1，将其与常数1相加得到结果1+Δ1，接着将直流母线电压变化率duDC/dt除以(1+Δ1)，再取绝对值后乘以电压调节系数m得虚拟惯性系数补偿量ΔCv，且当Δ1小于等于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝0，当Δ1大于电压变化率的设定阈值K时，令过程变量S1＝1，将过程变量S1乘以虚拟惯性系数补偿量ΔCv，再加上虚拟惯性系数初值Cv0得到虚拟惯性系数Cvirb，其中，高通滤波器GA(s)的表达式为
T1是高通滤波器的时间常数；
此外，虚拟惯性系数Cvirb的表达式为
6)将变换器输出电压额定值uoN与过程电压uoa进行平方差后，再经虚拟惯性控制器Gh(s)处理得到中间变量h，其中，虚拟惯性控制器Gh(s)的表达式为：
T2是虚拟惯性控制器Gh(s)中一阶惯性环节的时间常数；
7)将中间变量h乘以虚拟惯性系数Cvirb得到改进的自适应虚拟惯性控制输出量i2，加上下垂控制器输出量i1得到变换器滤波电感电流基准值ibref，再与变换器滤波电感电流ib进行做差后经过电流环PI控制器Gii(s)处理，并通过PWM控制输出控制信号，进而对DC-DC变换器进行控制，其中，电流环PI控制器Gii(s)的表达式为Gb(s)＝kpi+kii/s，kpi是电流环PI控制器Gii(s)的比例系数，kii是电流环PI控制器Gii(s)的积分系数；变换器滤波电感电流基准值ibref的表达式为
2.根据权利要求1所述的直流微电网母线电压的综合控制方法，其特征在于，步骤3)中，kpb是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的比例系数，其取值范围为0.001≤kpb≤1；kib是电压补偿器的PI控制器Gb(s)的积分系数，其取值范围为0.4≤kib≤0.6。
3.根据权利要求1所述的直流微电网母线电压的综合控制方法，其特征在于，步骤4)中，ω是振荡抑制器Ga(s)的截止频率，其取值范围为31.4rad/s≤ω≤628rad/s。
4.根据权利要求1所述的直流微电网母线电压的综合控制方法，其特征在于，步骤5)中，Cv0是虚拟惯性系数初值，其取值范围为0.01≤Cv0≤0.4；K是电压变化率的设定阈值，其取值范围为0.01≤K≤10；m是电压调节系数，其取值范围为0.01≤m≤1。
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