CN116613781B - 基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法，主要包括振荡电流控制环和占空比计算环，其中，振荡电流控制环以直流微电网母线电流为输入量，经过一系列计算获得直流微电网母线振荡电流，并将振荡抑制装置电容电压提升到额定值；占空比计算环将振荡电流转换为占空比输出，使装置产生相位相反的振荡电流抵消母线振荡电流。本发明可以有效识别和快速准确抑制负载波动导致的母线振荡，能适应不同的***工况，显著提升直流微电网的稳定性。

Description

基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网储能***领域，特别是基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法的控制方法。
背景技术
直流微电网可以将风电、光伏等分布式电源充分利用、存储并且接入大电网，目前得到了极为广泛的关注和研究。直流微电网的母线电压是衡量其电能质量和稳定性的唯一指标，保证直流母线电压稳定是实现直流微电网稳定运行的首要条件。分布式电源如光电、风电等新能源发电受环境因素影响较大，导致此类电源的输出功率具有较大的波动性。若分布式电源与负荷之间出现功率失衡，将导致直流母线电压的波动和突变，使直流微电网的稳定运行受到严重影响，无法保证供电的质量；此外，由于直流微电网大量接入的电力电子装置以及线路阻抗之间存在相互耦合，产生大量振荡功率，可导致直流母线出现振荡波动，严重威胁电气设备的安全运作，甚至造成保护动作，导致供电中断。直流微电网中如蓄电池等储能装置能够减小母线电压振荡，提升微电网稳定性，但是在功率波动较大的情况下对***的稳定性支持能力不足，因此需要添加振荡抑制装置减少直流微电网母线中存在的振荡功率，提升直流微电网稳定性。
常见的振荡抑制装置主要有两大类：无源振荡抑制装置和有源振荡抑制装置。无源振荡抑制装置通过LC匹配设计，对电路中特定频率振荡提供低阻抗回路，实现抑制振荡的效果。无源振荡抑制装置具有结构简单，成本低，工作容量大等优势，然而电路受***阻抗和负载干扰严重，易发生振荡放大和共振，且阻尼特性较差，因而在滤波要求较高的环境下，以及***阻抗和负载频繁变化的条件下，无源振荡抑制装置的实际应用能力较差。相比之下，有源振荡抑制装置可以主动且动态地检测电路中的谐波情况，并且通过生成与需要抵消的振荡幅值相等的反极性电流，反向输送至电网，从而实现主动跟踪和消除振荡。
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)交流电网通过网侧变换器、网侧线路电阻Rl1以及网侧线路电感Ll1汇入直流母线，蓄电池通过蓄电池侧变换器、蓄电池侧线路电阻Rl2以及蓄电池侧线路电感Ll2也汇入直流母线，经负载侧线路电阻Rl3和负载侧线路电感Ll3共同给恒功率负载供电；
2)在网侧电压环中，检测网侧直流电容Cg两端电压Udcg，将其与网侧直流母线电压参考值同时输入网侧电压环得到网侧d轴参考电流/>其中网侧d轴参考电流/>的表达式为
其中，s为拉普拉斯算子，Kdroopg为网侧下垂系数，Cvirg为网侧虚拟惯性系数，Tg为网侧时间常数；
3)通过网侧锁相环PLL得到相角θPLL，对交流电网电压uabc进行Park变换得到电网电压d轴分量ud和电网电压q轴分量uq；同时检测流经网侧电感Lg的交流电网电流iabc进行Park变换得到电网电流d轴分量id和电网电流q轴分量iq；
4)在网侧电流环中，通过电网电压d轴分量ud、电网电压q轴分量uq、电网电流d轴分量id、电网电流q轴分量iq、网侧d轴参考电流网侧q轴参考电流/>计算得到网侧变换器驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq，再通过反Park变换生成三相电压信号与三角波作比较产生调制信号，对网侧变换器进行控制，其中，驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq的表达式分别为
其中，ωe为同步旋转角频率，Lg为网侧变换器的并网电感，Gd(s)和Gq(s)分别为网侧电流环d轴PI控制器与q轴PI控制器；
5)在蓄电池侧电压环中，检测蓄电池侧直流电容Cb两端电压Udcb，将其与蓄电池侧直流母线电压参考值同时输入蓄电池侧电压环得到蓄电池侧参考电流/>其中蓄电池侧参考电流/>的表达式为
其中，Kdroopb为蓄电池侧下垂系数，Cvirb为蓄电池侧虚拟惯性系数，Tb为蓄电池侧时间常数；
6)在蓄电池侧电流环中，检测蓄电池电感电流ib，将蓄电池侧参考电流与蓄电池电感电流ib相减后经过蓄电池侧PI控制器Gb(s)得到蓄电池侧变换器驱动电压Ub，再与三角波作比较产生调制信号，对蓄电池侧变换器进行控制；
7)在振荡抑制装置的振荡电流控制环中，检测直流母线电流idc，将直流母线电流idc与直流母线电流idc通过低通滤波器的输出值相减，得到母线振荡电流idcr，经过三个并联的PR控制器后的值相加得到的振荡电流控制环输出值ibref，再与振荡抑制装置的电容电压环输出值相加得到振荡参考电流/>其中PR控制器的表达式为：
其中，Kik分别为PR控制器的比例系数，KRk为PR控制器的控制器系数，Qk为PR控制器的带宽，ωk为直流母线振荡功率的振荡频率，k＝1、2、3；
振荡抑制装置的电容电压环的表达式为：
其中，为振荡抑制装置的电容电压环输出值，/>为振荡抑制装置的电容电压参考值，Ucs为振荡抑制装置的电容电压实际值，Gu(s)为振荡抑制装置的电容电压环PI控制器；
8)在振荡抑制装置的占空比计算环中，将振荡参考电流通过两个表达式进行计算，得到振荡抑制装置中IGBT1占空比D+和IGBT2占空比D-，再与三角波作比较产生调制信号，IGBT1占空比D+与IGBT2占空比D-表达式分别为
其中，fs为振荡抑制装置的三角波频率，Ls为振荡抑制装置的电感，udc为直流母线电压。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明公开了一种基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法，主要包括振荡电流控制环和占空比计算环，其中，振荡电流控制环以直流微电网母线电流为输入量，经过一系列计算获得直流微电网母线振荡电流，并将振荡抑制装置电容电压提升到额定值；占空比计算环将振荡电流转换为占空比输出，使装置产生相位相反的振荡电流抵消母线振荡电流。本发明可以有效识别和快速准确抑制负载波动导致的母线振荡，能适应不同的***工况，显著提升直流微电网的稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例含直流母线振荡抑制装置的拓扑结构及控制框图；
图2为本发明一实施例母线电压udc和负载输入电流igo变化波形；
图3为本发明一实施例抑制装置输出电流波形；
图4为本发明一实施例在加入抑制装置前，母线电压udc的FFT分析图；
图5为本发明一实施例在加入抑制装置后，母线电压udc的FFT分析图；
图6为本发明一实施例在加入抑制装置前，负载输入电流igo的FFT分析图；
图7为本发明一实施例在加入抑制装置后，负载输入电流igo的FFT分析图。
具体实施方式
图1为含直流母线振荡抑制装置的拓扑结构及控制框图，交流电网通过网侧变换器、网侧线路电阻Rl1以及网侧线路电感Ll1汇入直流母线，蓄电池通过蓄电池侧变换器、蓄电池侧线路电阻Rl2以及蓄电池侧线路电感Ll2也汇入直流母线，经负载侧线路电阻Rl3和负载侧线路电感Ll3共同给恒功率负载供电；
在网侧电压环中，检测网侧直流电容Cg两端电压Udcg，将其与网侧直流母线电压参考值同时输入网侧电压环得到网侧d轴参考电流/>其中网侧d轴参考电流/>的表达式为
其中，s为拉普拉斯算子，Kdroopg为网侧下垂系数，Cvirg为网侧虚拟惯性系数，Tg为网侧时间常数；
通过网侧锁相环PLL得到相角θPLL，对交流电网电压uabc进行Park变换得到电网电压d轴分量ud和电网电压q轴分量uq；同时检测流经网侧电感Lg的交流电网电流iabc进行Park变换得到电网电流d轴分量id和电网电流q轴分量iq；
在网侧电流环中，通过电网电压d轴分量ud、电网电压q轴分量uq、电网电流d轴分量id、电网电流q轴分量iq、网侧d轴参考电流网侧q轴参考电流/>计算得到网侧变换器驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq，再通过反Park变换生成三相电压信号与三角波作比较产生调制信号，对网侧变换器进行控制，其中，驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq的表达式分别为
其中，ωe为同步旋转角频率，Lg为网侧变换器的并网电感，Gd(s)和Gq(s)分别为网侧电流环d轴PI控制器与q轴PI控制器；
在蓄电池侧电压环中，检测蓄电池侧直流电容Cb两端电压Udcb，将其与蓄电池侧直流母线电压参考值同时输入蓄电池侧电压环得到蓄电池侧参考电流/>其中蓄电池侧参考电流/>的表达式为
其中，Kdroopb为蓄电池侧下垂系数，Cvirb为蓄电池侧虚拟惯性系数，Tb为蓄电池侧时间常数；
在蓄电池侧电流环中，检测蓄电池电感电流ib，将蓄电池侧参考电流与蓄电池电感电流ib相减后经过蓄电池侧PI控制器Gb(s)得到蓄电池侧变换器驱动电压Ub，再与三角波作比较产生调制信号，对蓄电池侧变换器进行控制；
在振荡抑制装置的振荡电流控制环中，检测直流母线电流idc，将直流母线电流idc与直流母线电流idc通过低通滤波器的输出值相减，得到母线振荡电流idcr，经过三个并联的PR控制器后的值相加得到的振荡电流控制环输出值ibref，再与振荡抑制装置的电容电压环输出值相加得到振荡参考电流/>其中PR控制器的表达式为：
其中，Kik分别为PR控制器的比例系数，KRk为PR控制器的控制器系数，Qk为PR控制器的带宽，ωk为直流母线振荡功率的振荡频率，k＝1、2、3；
振荡抑制装置的电容电压环的表达式为：
其中，为振荡抑制装置的电容电压环输出值，/>为振荡抑制装置的电容电压参考值，Ucs为振荡抑制装置的电容电压实际值，Gu(s)为振荡抑制装置的电容电压环PI控制器；
在振荡抑制装置的占空比计算环中，将振荡参考电流通过两个表达式进行计算，得到振荡抑制装置中IGBT1占空比D+和IGBT2占空比D-，再与三角波作比较产生调制信号，IGBT1占空比D+与IGBT2占空比D-表达式分别为
其中，fs为振荡抑制装置的三角波频率，Ls为振荡抑制装置的电感，udc为直流母线电压。
最终，在引入抑制装置后，负载输入电流igo＝idc-iripple，在抑制装置产生的抑制电流iripple的作用下，负载输入电流igo中的振荡显著减少，直流微电网的电能质量得到改善。
图2为母线电压udc和负载输入电流igo变化波形，图3为抑制装置输出电流波形，***在3.5s时抑制装置切入电路，电压电流的波形由振荡发散变为趋于稳定。
图4和图5分别为加入抑制装置前后，母线电压udc的FFT分析图，图6和图7分别为加入抑制装置前后，负载输入电流igo的FFT分析图，通过FFT分析可以看出，在母线电压中，振荡频率为71Hz的电压幅值由加入振荡抑制装置前的0.94V，在装置接入后下降到0.17V，负载输入电流振荡幅值则由77.9A下降到9.4A，振荡大幅度削减，***趋于稳定运行。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于占空比计算的直流母线振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)交流电网通过网侧变换器、网侧线路电阻Rl1以及网侧线路电感Ll1汇入直流母线，蓄电池通过蓄电池侧变换器、蓄电池侧线路电阻Rl2以及蓄电池侧线路电感Ll2也汇入直流母线，经负载侧线路电阻Rl3和负载侧线路电感Ll3共同给恒功率负载供电；
2)在网侧电压环中，检测网侧直流电容Cg两端电压Udcg，将其与网侧直流母线电压参考值同时输入网侧电压环得到网侧d轴参考电流/>其中网侧d轴参考电流/>的表达式为
其中，s为拉普拉斯算子，Kdroopg为网侧下垂系数，Cvirg为网侧虚拟惯性系数，Tg为网侧时间常数；
3)通过网侧锁相环PLL得到相角θPLL，对交流电网电压uabc进行Park变换得到电网电压d轴分量ud和电网电压q轴分量uq；同时检测流经网侧电感Lg的交流电网电流iabc进行Park变换得到电网电流d轴分量id和电网电流q轴分量iq；
4)在网侧电流环中，通过电网电压d轴分量ud、电网电压q轴分量uq、电网电流d轴分量id、电网电流q轴分量iq、网侧d轴参考电流网侧q轴参考电流/>计算得到网侧变换器驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq，再通过反Park变换生成三相电压信号与三角波作比较产生调制信号，对网侧变换器进行控制，其中，驱动电压d轴分量Ud和驱动电压q轴分量Uq的表达式分别为
其中，ωe为同步旋转角频率，Lg为网侧变换器的并网电感，Gd(s)和Gq(s)分别为网侧电流环d轴PI控制器与q轴PI控制器；
5)在蓄电池侧电压环中，检测蓄电池侧直流电容Cb两端电压Udcb，将其与蓄电池侧直流母线电压参考值同时输入蓄电池侧电压环得到蓄电池侧参考电流/>其中蓄电池侧参考电流/>的表达式为
其中，Kdroopb为蓄电池侧下垂系数，Cvirb为蓄电池侧虚拟惯性系数，Tb为蓄电池侧时间常数；
6)在蓄电池侧电流环中，检测蓄电池电感电流ib，将蓄电池侧参考电流与蓄电池电感电流ib相减后经过蓄电池侧PI控制器Gb(s)得到蓄电池侧变换器驱动电压Ub，再与三角波作比较产生调制信号，对蓄电池侧变换器进行控制；
7)在振荡抑制装置的振荡电流控制环中，检测直流母线电流idc，将直流母线电流idc与直流母线电流idc通过低通滤波器的输出值相减，得到母线振荡电流idcr，经过三个并联的PR控制器后的值相加得到的振荡电流控制环输出值ibref，再与振荡抑制装置的电容电压环输出值相加得到振荡参考电流/>其中PR控制器的表达式为：
其中，Kik分别为PR控制器的比例系数，KRk为PR控制器的控制器系数，Qk为PR控制器的带宽，ωk为直流母线振荡功率的振荡频率，k＝1、2、3；
振荡抑制装置的电容电压环的表达式为：
其中，为振荡抑制装置的电容电压环输出值，/>为振荡抑制装置的电容电压参考值，Ucs为振荡抑制装置的电容电压实际值，Gu(s)为振荡抑制装置的电容电压环PI控制器；
8)在振荡抑制装置的占空比计算环中，将振荡参考电流通过两个表达式进行计算，得到振荡抑制装置中IGBT1占空比D+和IGBT2占空比D-，再与三角波作比较产生调制信号，IGBT1占空比D+与IGBT2占空比D-表达式分别为
其中，fs为振荡抑制装置的三角波频率，Ls为振荡抑制装置的电感，udc为直流母线电压。
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