CN104158213B - 基于下垂特性调整的微电网dc/dc变换器并网控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置及控制方法。各DC/DC变换器电流环的输出量作为电压环指令信号的主要分量的调整量。在电流闭环控制中，电流环控制器的指令信号来自于微电网上层能量管理系统或者由各分布式发电系统控制软件中的最大功率跟踪模块产生。电压环控制器的指令信号的主要分量由实际输出电流根据预先设定的DC/DC变换器下垂特性计算得到。通过正饱和限幅环节对合成的电压环控制器指令信号进行限幅处理，指令信号与反馈回来的实际微网母线电压的偏差经电压控制器运算后得到PWM调制的控制信号。多个分布式发电系统可运行在各自可能的最佳工作点上，根据各自可获取的功率实现稳定的并联输出。

Description

基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种直流微电网分布式发电并网控制装置及控制方法，具体地说是一种在直流微电网中基于对DC/DC变换器的下垂特性进行调整，将分布式发电系统的电能并入微电网的双闭环并网控制技术。

背景技术

分布式发电系统中可能包含太阳能光伏发电系统、风力发电系统、海洋潮流能发电系统等。在直流微电网条件下，这些发电均通过DC/DC变换器将直流电能输送到微网母线上。由于这些发电系统的设计容量各不相同，即使容量相同，在同一时刻，受控制(运行)模式、天气和环境因素等的影响，各发电装系统可输出电能的功率也很可能存在较大的差异。例如，夜晚太阳能发电无输出，而风力发电则是可用的。而潮流发电系统受地月相对运动的影响也颇大。

与此同时，为了从自然界获取更多的电能，各发电系统可能均根据各自实际情况设置了最大功率捕获(MPPT，MaximumPowerPointTracking)算法，各系统以电流控制模式(即近似可控的电流源)向微网母线注入能量，则在独立微电网模式下，若不采取适当的控制措施就会造成直流微网母线电压的起伏波动，可能危及整个微网系统的稳定运行。因此，需要通过有效的控制手段保持微网直流母线电压的相对稳定或者将其波动限定在某个允许的范围内，以可靠供给负载或作为后级负载变换器的前级电源。

申请号为201310472197.4，名为“一种光伏直流微电网能量协调控制方法”的专利文件中，采用主从并联法与直流母线电压下垂法相结合的控制方法，在并网模式下采用主从并联法，由大电网接口电路维持微电网中的能量平衡，并稳定微电网中直流母线电压；在孤岛模式下，采用直流母线电压下垂法控制，针对直流母线电压不同的状态由接口电路进行实时调节光伏阵列和蓄电池组的运行模式。由此实现输出电流的有效控制，维持微电网的能量平衡，从而保证直流母线电压稳定在恒压状态。其在孤岛模式下所采用的是固定的下垂特性，与本发明申请所述的结合输出电流闭环与母线电压(限幅)闭环控制的双闭环结构、并利用电流环输出对DC/DC变换器下垂特性进行调整的直流微网并网思路是有显著区别的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现各发电系统并联向微电网中注入不同的电功率，实现微电网电流控制模式并网下的稳压控制的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置。本发明的目的还在于提供一种基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制方法。

本发明的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置为：电流传感器CS1～CSN检测各DC/DC变换器模块的输出电流，电压传感器VS1～VSN用于各发电系统检测直流回流母线的电压值，电流参考发生器模块CRG根据发电装置的运行情况产生可获取最大功率的指令电流值或者接收上层电能管理系统发出的指令电流命令值i_ref1，指令电流命令值与发电系统中DC/DC变换器的实际输出电流i_o1的偏差用于进行电流外环的PI调节，PI控制器的输出△v₁作为电压内环控制指令一部分与电压下垂模块的输出信号v_droop1叠加合成信号v_r1，电压限制模块对v_r1进行限幅处理，其输出v_ref1不超过系统允许的最大值V_max；v_ref1与微网母线电压v_bus的偏差v_e1用于电压内环的PI调节，产生控制信号v_c1经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比可调的脉冲序列；各DC/DC变换器的正(+)、负(-)输出端分别连接在一起，且分别连接在微网直流母线的BUS+和BUS-上。

本发明的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制方法为：

(1)初始化；

(2)根据电流参考值发生器CRG模块输出的电流参考值i_refN与利用电流传感器CSN获得的实际输出电流i_oN做差，得到电流偏差信号i_eN＝(i_refN-i_oN)；

(3)将电流偏差信号i_eN用于控制结构中外部电流PI调节器运算，获得内部电压控制器的指令调整量信号△v_N；

(4)利用采样获得的实际输出电流i_oN，根据预设的VDM电压下垂模块特性，得到内部电压控制器的指令主分量信号v_droopN；其中，在VDM电压下垂模块中，纵轴为下垂电压值，横轴为电流，v_omax为DC/DC变换器的理想控制电压，K_dN为DC/DC变换器输出电压的下垂调整率；

(5)将之前所获得的△v_N和v_droopN叠加，得到内部电压控制指令信号v_rN＝△v_N+v_droopN；

(6)将v_rN信号送入电压限制模块VLM，使其幅值不超过预设的系统运行允许的上限V_limit，将经限幅处理后的电压指令信号记为v_refN；

(7)将v_refN与利用电压传感器VSN获得的直流母线电压v_bus之差v_refN-v_bus送入电压PI控制器运算，将其结果v_cN作为并网DC/DC变换器的PWM调制信号，所获得的脉冲用于控制DC/DC变换器运行；

(8)在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤(2)～(7)，否则退出运行状态。

为了使独立的直流微电网系统中各发电子系统的DC/DC变换器实现在无互联线情况下的稳定并联运行，针对单个DC/DC变换器向微网母线注入直流电能的控制问题，在DC/DC变换器的控制系统设计基于DC/DC变换器电压输出下垂特性调整的双闭环控制结构。与常规的变流器电压在外，电流环在内的双环嵌套控制系统的结构和目的不同，本发明所述的两个控制环路中，电流环在外，电压环在内，通过这种结构实现将微网母线电压控制在允许的变化范围的同时，可以实现分布式发电系统前端对功率捕获的要求(例如，满足微网电压变换范围要求的MPPT控制)。控制系统中，外环电流指令信号由上层的电能管理系统或本地控制系统的电流参考发生器(CurrentReferenceGenerator，CRG)模块产生(例如MPPT)。电流控制器的输出作为电压内环指令信号的调整量，而非象一般双闭环系统，将其作为内环控制器的给定信号。内环电压控制器的指令信号由当前DC/DC变换器的输出电流根据预置的DC/DC变换器电压下垂特性换算值和电流控制器的输出叠加而成，其与微网母线电压的偏差经电压控制器运算后，作为最终的PWM调制器的输入信号。

本发明的主要贡献和特点在于：基于具有不同输出电压下垂特性的DC/DC变换器并联时各DC/DC变换器的输出电流按各自下垂特性自动分配的规律，本发明提出一种具有稳压能力的直流微电网中分布式发电系统利用DC/DC变换器实现双闭环并网控制的方法，在这种控制方式下：

(1)在无互联通信线的条件下，可实现各发电系统并联向微电网中注入不同的电功率；

(2)在(1)的条件下，各发电系统可按预置的控制规律运行在各自不同的工作点上；

(3)虽然微电网系统中任意一个发电子系统在任何时刻均处于电流控制模式，但通过内环电压限幅控制，可有效保证微电网直流母线电压不超过允许的设计值，即实现了微电网电流控制模式并网下的稳压控制。

附图说明

图1为本发明所述采用分布式发电的直流微电网的示意图。

图2为利用电压下垂特性实现各变流器输出电流的自动分配(各DC/DC变换器具有相同的理想空载电压)。

图3为利用电压下垂特性实现各变流器输出电流的自动分配(各DC/DC变换器具有相同的电压下垂斜率)。

图4是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置做更详细的描述：

结合图1，以发电系统1为例进行说明。图1中CS1～CSN为电流HALL传感器，用于检测各DC/DC变换器模块的输出电流。VS1～VSN为电压HALL传感器，用于各发电系统检测直流回流母线的电压值。CRG为电流参考发生器模块，例如它可以通过MPPT算法，根据发电装置(例如太阳能电池、风力发电机等，在图中未表示出)的运行情况产生可获取最大功率的指令电流值，或者接收上层电能管理系统发出的指令电流命令值，指令电流值如图中的i_ref1。此值与发电系统中DC/DC变换器的实际输出电流i_o1的偏差被用于进行电流外环的PI调节，图1中的PI控制器的输出△v₁作为电压内环控制指令一部分，与电压下垂模块(VoltageDroopModule，VDM)的输出信号v_droop1叠加合成信号v_r1。电压限制模块(VoltageLimitingModule，VLM)对v_r1进行限幅处理，其输出v_ref1不超过系统允许的最大值V_max。

v_ref1与微网母线电压v_bus的偏差v_e1用于电压内环的PI调节，产生控制信号v_c1，该信号经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比可调的脉冲序列。

各DC/DC变换器的正(+)、负(-)输出端分别连接在一起，且分别连接在微网直流母线的BUS+和BUS-上。汇集在微网直流母线上的直流电能通过负载变换器1～负载变换器N的处理后供后级负载使用。

(1)在各DC/DC变换器的并网控制系统中，电流控制环路与电压控制环路是嵌套的关系，且电流环为外环，电压环为内环，各DC/DC变换器电流环的输出量△v_N(N＝1,2,3…n)作为电压环指令信号的主要分量v_droopN(N＝1,2,3…n)的调整量。在电流闭环控制中，电流环控制器的指令信号来自于微电网上层能量管理系统或者由各分布式发电系统控制软件中的最大功率跟踪模块产生。

(2)为了使多个DC/DC变换器实现在无互联线通信的情况下的并网运行，电压环控制器的指令信号的主要分量v_droopN(N＝1,2,3…n)由实际输出电流根据预先设定的DC/DC变换器下垂特性计算得到。

(3)通过一个正饱和限幅环节对合成的电压环控制器指令信号v_rN＝v_droopN+△v_N进行限幅处理，将其限制在直流微电网可允许的最高电压限制值V_limit，限幅输出作为最终的电压控制器指令信号v_refN(N＝1,2,3…n)。该指令信号与反馈回来的实际微网母线电压v_bus的偏差v_eN(N＝1,2,3…n)经电压控制器运算后得到PWM调制的控制信号v_cN(N＝1,2,3…n)。

(4)在上述控制作用下，可保证在外环电流控制并网模式下DC/DC变换器的输出不过压，从而将使直流微电网的母线电压稳定的限制在V_limit以下。并且在无互联通信线的条件下，多个分布式发电系统可运行在各自可能的最佳工作点上，根据各自可获取的功率实现稳定的并联输出。

下面结合图3对本发明的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制方法做详细的描述。

(1)首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软、硬件初始化工作，例如对附图1中虚线框中所示控制结构中的程序关键控制变量的初始化(置零操作)。

(2)在完成初始化操作之后，根据电流参考值发生器CRG模块输出的电流参考值i_refN，将其与利用电流传感器CSN获得的实际输出电流i_oN做差，得到电流偏差信号i_eN＝(i_refN-i_oN)。

(3)将电流偏差信号i_eN用于控制结构中外部电流PI调节器运算，获得内部电压控制器的指令调整量信号△v_N。

(4)利用采样获得的实际输出电流i_oN，根据预设的VDM电压下垂模块特性，得到内部电压控制器的指令主分量信号v_droopN。其中，在VDM电压下垂模块中，纵轴为下垂电压值，横轴为电流，v_omax为DC/DC变换器的理想控制电压(该电压也即是直流微电网所允许的最高限制电压V_limit)，K_dN为DC/DC变换器输出电压的下垂调整率。

(5)将之前所获得的△v_N和v_droopN叠加，得到内部电压控制指令信号v_rN＝△v_N+v_droopN。

(6)将v_rN信号送入电压限制模块VLM，使其幅值不超过预设的系统运行允许的上限V_limit。VLM实质上是一个软件实现的饱和限幅环节。将经限幅处理后的电压指令信号记为v_refN。

(7)将v_refN与利用电压传感器VSN获得的直流母线电压v_bus之差(v_refN-v_bus)送入电压PI控制器运算，将其结果v_cN作为并网DC/DC变换器的PWM调制信号，所获得的脉冲用于控制DC/DC变换器运行。其中，对应附图1，PWM调制器可采用锯齿波或者三角波，其幅值为V_M。

(8)在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(7)步骤，否则退出运行状态。

1对DC/DC变换器运行原理的说明

依据图1进行说明。图1中i_oN(N＝1,2,3…n)为各DC/DC变换器馈入直流微网的输出电流；v_bus为微网直流母线电压；i_refN(N＝1,2,3…n)为各DC/DC变换器的电流指令，i_eN(N＝1,2,3…n)为i_refN与i_oN的电压控制的偏差；△v_N(N＝1,2,3…n)为电流环PI调节器的输出，v_droopN(N＝1,2,3…n)为电压下垂模块VDM的输出信号，其输入为DC/DC变换器的输出电流i_oN。v_rN(N＝1,2,3…n)为v_droopN与△v_N之和，v_refN为电压限制模块VLM的输出作为最终的电压指令信号，其输入为v_rN。v_refN与微网母线电压v_bus的偏差v_e1用于电压内环的PI调节，产生控制信号v_c1，该信号经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比可调的脉冲序列。V_M为锯齿或三角载波的幅值；对于数字控制器而言即为增计数模式或增减技术模式下定时器计数的最大值；开关周期对应的周期数字量；图1中虚线框所示“发电系统1”为一个完整的DC/DC变换器软硬件系统，其它“发电系统2”到“发电系统N”均采用与“发电系统1”一致的控制结构。“负载变换器1”到“负载变换器N”可为任意交的DC/AC逆变器或者DC/DC直流变换器，并且对它们的控制模式没有特殊的要求。

设微网直流母线允许的最高电压限制值为V_limit，即应通过控制满足v_bus≤V_limit。图1中给出的电流环和电压环控制器为常用的PI控制器，但实际使用并不限于此，任何能够保证系统稳定运行且满足性能要求的控制器均可行。

2对VDM工作原理的说明

附图1中的VDM模块根据下式(1)产生电压控制内环的电压指令信号的标称值v_droopN，

v_droopN＝V_omax-K_dN×i_oN(1)

式(1)中K_dN(N＝1,2,3…n)为各发电子系统DC/DC变换器的输出电压下垂系数，可按照以下方式来确定：

K_dN＝(V_omax-V_omin)/(P_eN/V_omin-0)＝ΔV×V_omin/P_eN(2)

式(2)中V_omin为各DC/DC变换器工作范围内允许的最低电压，P_eN(N＝1,2,3…n)为各发电系统的额定功率(此值与DC/DC变换器可变换的电功率一致)，将V_omax作为各DC/DC变换器共同的理想空载电压，且满足V_omax<V_limit，即此值小于微网直流母线允许的最高电压。

如此在式(1)的约束下，只要DC/DC变换器向微网注入电能(i_oN>0)，则必有v_droopN<V_omax<V_limit，这样一方面可保证电压指令始终小于允许的微网母线电压最大值。另一方面由于下垂系数的存在，相当于构造了人为的虚拟输出电阻，有利于实现各变流器的无互联线并联输出，并自动按各自能够获取输出功率的能力向微网母线注入能量，从而有利于母线电压保持稳定。各DC/DC变换器利用电压下垂特性实现输出电流的自动分配如附图2所示。例如，在微网母线电压V_bus1条件下，电压下垂系数最小的3号DC/DC变换器向微网母线注入的电流值为最大(图示I_o3)。

3对外环电流控制器对VDM下垂输出的修正的说明

根据附图1所示，在外环电流控制器作用下，经其修正的后的内环电压控制指令为：

v_rN＝v_droopN+△v_N＝(V_omax+△v_N)-K_dN×i_oN(3)

其实质相当于是对各DC/DC变换器设定的理想空载电压值进行修正，当外环电流参考值i_refN相对i_oN增加时，若电流偏差i_eN＝i_refN-i_oN>0，则电流环PI控制器的输出△v_N将向大于零的正方向变化，(V_omax+△v_N)整体增加，具有了向微网母线注入更多的电能的能力。反之，(V_omax+△v_N)整体减小，则可以减少注入直流微电网的电能。附图3给出此种情况下具有相同电压下垂特性，而具有不同理想空载电压的DC/DC变换器并联时各自输出电流分配的规律。由图中曲线可以看出，在下垂斜率相同的情况下，理想空载电压较高的DC/DC变换器，其输出电流将会更大。

4对电压指令限幅环节VLM作用的说明

VLM对经外环电流控制器输出修正后的参考电压v_rN进行限幅处理，其限幅值为直流微电网可靠运行允许的最高直流电压V_limit，由于内环电压闭环控制的反馈量为直流微电网的母线电压v_bus。因此，可以有效地保证各发电子系统的DC/DC变换器的输出电压不会超过V_limit。即使某发电子系统可捕获到足够的电功率，使得电流外环的电流参考值i_refN很大，但该子系统并入直流微电网时其输出的电压值也不会越限。

综上所述，可见这个VLM环节虽然很简单，但是它在整个DC/DC变换器并网控制系统的中却具有很重要的作用。

5对电流指令CRM模块的说明

图1中的CRM模块用于产生并网电流的参考指令。该指令电流可主要来自于两个渠道：

(1)来自于上层电能管理系统对微电网中各分布式发电系统的负荷分配的要求，如日照良好的情况下，希望光伏发电系统提供更多的发电量。在此情况下，上层电能管理系统可通过通信网络(如CAN总线或以太网等)将电流参考指令i_refN(N＝1,2,3…n)发送给各发电子系统。

(2)来自于各发电系统的控制系统中的MPPT算法，在此情况下，各发电子系统根据当前各自可获取的能量及其运行情况，通过用于功率捕获的自动寻优的方式(如常用的爬山法、导纳增量法等)，生成各自的电流参考指令i_refN(N＝1,2,3…n)。在此情况下，各发电子系统具备了可运行在各自最佳的工作点的前提条件。

Claims (2)

1.一种基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置，其特征是：电流传感器CS1～CSN检测各DC/DC变换器模块的输出电流，电压传感器VS1～VSN用于各发电系统检测直流回流母线的电压值，电流参考发生器模块CRG根据发电装置的运行情况产生可获取最大功率的指令电流值或者接收上层电能管理系统发出的指令电流命令值i_ref1，指令电流命令值与发电系统中DC/DC变换器的实际输出电流i_o1的偏差用于进行电流外环的PI调节，PI控制器的输出△v₁作为电压内环控制指令一部分与电压下垂模块的输出信号v_droop1叠加合成信号v_r1，电压限制模块对v_r1进行限幅处理，其输出v_ref1不超过系统允许的最大值V_max；v_ref1与直流微网母线电压v_bus的偏差v_e1用于电压内环的PI调节，产生控制信号v_c1经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比可调的脉冲序列；各DC/DC变换器的正(+)、负(-)输出端分别连接在一起，且分别连接在直流微网母线的BUS+和BUS-上。

2.一种基于权利要求1所述的基于下垂特性调整的微电网DC/DC变换器并网控制装置的控制方法，其特征是：

(1)初始化；

(2)根据电流参考值发生器CRG模块输出的电流参考值i_refN与利用电流传感器CSN获得的实际输出电流i_oN做差，得到电流偏差信号i_eN＝(i_refN-i_oN)；

(3)将电流偏差信号i_eN用于控制结构中外部电流PI调节器运算，获得内部电压控制器的指令调整量信号△v_N；

(4)利用采样获得的实际输出电流i_oN，根据预设的VDM电压下垂模块特性，得到内部电压控制器的指令主分量信号v_droopN；其中，在VDM电压下垂模块中，纵轴为下垂电压值，横轴为电流，v_omax为DC/DC变换器的理想控制电压，K_dN为DC/DC变换器输出电压的下垂调整率；

(5)将之前所获得的△v_N和v_droopN叠加，得到内部电压控制指令信号v_rN＝△v_N+v_droopN；

(6)将v_rN信号送入电压限制模块VLM，使其幅值不超过预设的系统运行允许的上限V_limit，将经限幅处理后的电压指令信号记为v_refN；

(7)将v_refN与利用电压传感器VSN获得的直流微网母线电压v_bus之差v_refN-v_bus送入电压PI控制器运算，将其结果v_cN作为并网DC/DC变换器的PWM调制信号，所获得的脉冲用于控制DC/DC变换器运行；

(8)在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤(2)～(7)，否则退出运行状态。