CN104184140A - 分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置及控制方法。为了使多个发电装置的变流器实现在无互联线通信的情况下的并联运行，电压指令信号由实际输出电流根据预先设定的下垂特性计算得到，电流指令信号由MPPT算法或由系统根据实际情况给定，由电压控制环与电流控制环运算得到的两个控制信号被送入CPU控制软件的取小环节，将该环节的输出用于进行PWM调制，保证电流控制模式时不过压，电压控制模式时不过流，实现多个电力变换装置在电流控制模式和电压控制模式下的平滑切换，并且在无互联通信线的条件下，多个变换器可根据各自可获取的功率实现稳定的并联输出。

Description

分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种分布式发电系统中直流母线电压稳定控制技术。

背景技术

分布式发电系统中可能包含多个光伏太阳能发电装置、风力发电装置、海流发电装置及生物质发电装置等。在直流汇流或者直流微电网条件下，这些装置均将直流电能输送到汇流母线上。由于这些发电装置的设计容量各不相同，即使容量相同，在同一时刻，受天气和环境因素的影响，各发电装置可输出电能的功率也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。

另一个方面，为了从自然界获取更多的电能，各发电装置可能均根据各自实际情况设置了最大功率捕获(MPPT，Maximum Power Point Tracking)算法，各装置以电流模式(近似可控电流源)向汇流母线注入能量，如此在独立微电网模式下，会造成直流汇流母线电压起伏波动，不利于整个系统的运行。因此，需要通过有效的控制手段保持直流汇流母线电压的相对稳定或者将其限定在某个允许的设定值下，以可靠供给负载或作为后级负载变换器的直流电源。

专利申请号为201310154325.0、名为“一种直流母线光电实时汇流系统及控制方法”的专利文件中公开的技术方案，通过对母线电容组的电压多级滞环控制来确定系统的工作方式，从而实现直流稳压输出。其思路与本发明申请所提出的通过并行控制环路实现电压控制模式和电流控制模式的无缝转换，从而保持直流母线电压的稳定是完全不同的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能保持直流母线电压的稳定的分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置。本发明的目的还在于提供一种分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制方法。

本发明的分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置为：电流传感器CS1～CSN用于检测各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，最大功率点跟踪模块MPPT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i_r1，指令电流值i_r1与发电系统的实际输出电流i_o1的偏差用于电流PI调节器进行PI调节产生控制信号v_c1，电压下垂模块DROOP的垂系数为K_d1、输入信号为发电系统的实际输出电流i_o1、其输出为根据方程v_r1＝V_omax-K_d1×i_o1获得的指令电压值v_r1，指令电压值v_r1与汇流母线电压v_bus的偏差用于电压PI调节器进行PI调节，产生控制信号v_u1，形成的两个控制信号v_c1和v_u1同时送入CPU软件的取小环节min，选择v_c1和v_u1中的小量作为最终的调制信号v_m1，v_m1经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比为d₁的脉冲序列，各DC/DC变换器的正(+)负(-)输出端分别汇集在一起，分别连接在共同的直流汇流母线的BUS+和BUS-上，汇集在汇流母线上的电能通过负载变换器1～负载变换器N的处理后供其负载使用。

本发明的分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制方法为：

(1)初始化，使电压控制器输出v_cN＝0、电流控制器输出v_uN＝0；

(2)将根据最大功率点跟踪模块MPPT得到的信号作为电流指令i_rN与实际输出电流i_oN之差即i_rN-i_oN经电流PI调节器运算后得到电流控制器输出量v_cN；

(3)根据电流传感器CSN采样得到的实际输出电流i_oN，依据预设的电压下垂特性DROOP模块获得电压指令信号v_rN，即：v_rN＝V_omax-K_dN×i_oN，v_rN与利用电压传感器VSN获得的实际输出电压v_bus之差即v_rN-v_bus经电压PI调节器运算后得到电压控制器输出量v_uN；

(4)根据所获得的电压控制器输出信号v_cN和电流控制器输出信号v_uN，将它们送入求取最小值环节，取其小者作为DC/DC变换器占空比控制信号v_mN，即有v_mN＝min(v_cN，v_uN)；

(5)将占空比控制信号v_mN作为调制信号，用于PWM调制，PWM调制器采用锯齿波或者三角波作为载波，载波幅值为V_M，v_mN被调制后形成占空比为d_N的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动DC/DC变换器工作；

(6)在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤(2)～(5)，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直流变流装置实现在无互联线情况下的稳定并联输出，针对单个直流电力变换装置向直流汇流母线注入直流电能的控制问题，在变流装置的控制系统中同时设置了电压控制环路和电流控制环路，与常规的变流器双环嵌套系统的性质和目的不同，本发明的两个控制环路呈并行的关系，电压指令信号由实际输出电流根据预先设定的下垂特性计算得到，以保证多个直流变换器在进入电压(限制)控制情况下可根据各自可获取功率情况通过下垂阻抗的调整实现稳定的并联输出；电流指令信号由MPPT算法得到或者由系统根据实际运行情况给定。分别由电压控制环与电流控制环运算得到的两个控制信号被送入控制系统软件的取小环节min(x，y)，将取小环节的输出用于PWM调制。

本发明的主要贡献和特点在于：通过对直流微电网中的直流变换器施加并行的电压控制(结合电压指令信号的下垂调整)和电流控制，并取两个控制器输出的最小值。如此：

(1)可保证直流变换器电流控制时不过压，电压控制时不过流，实现多个电力变换装置在电流控制模式和电压(限制)控制模式下的平滑切换；

(2)在无互联通信线的条件下，多个变换器可根据各自可获取的功率实现稳定的无互联线的并联输出；

(3)微电网系统中任意一个发电子系统在任何时刻均可处于电压或电流并网模式，并保证微电网直流汇流母线电压不超过允许的设计值。

附图说明

图1为采用直流汇流的分布式发电系统示意图。

图2为利用电压下垂特性实现各变流器输出电流自动分配示意图。

图3为三个电力变换装置互联均工作在电流控制模式时各自输出电流的波形图。

图4为对应于图3工况的汇流母线电压波形图(工作在电流控制模式)。

图5为三个电力变换装置互联均工作式时各自输出电流的波形图(存在电流和电压控制模式的切换)。

图6为对应于图5工况的汇流母线电压波形图(存在电流和电压控制模式的切换)。

图7为本发明的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1和图2，以发电系统1为例进行说明。

附图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。MPPT为最大功率点跟踪模块，根据发电装置(例如太阳能电池、风力发电机等，在图中未表出)的运行情况产生可获取最大功率的指令电流值i_r1，此值与发电系统的实际输出电流i_o1的偏差被用于进行PI调节，产生控制信号v_c1；附图2中的DROOP为电压下垂模块，其下垂系数为K_d1，输入信号为发电系统的实际输出电流i_o1，其输出为根据方程v_r1＝V_omax-K_d1×i_o1获得的指令电压值v_r1，此值与汇流母线电压v_bus的偏差被用于进行PI调节，产生控制信号v_u1。所形成的两个控制信号v_c1和v_u1被同时送入CPU软件的取小环节min，选择v_c1和v_u1中的小量作为最终的调制信号v_m1，v_m1经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比为d₁的脉冲序列。

各DC/DC变换器的正(+)负(-)输出端分别汇集在一起，分别连接在共同的直流汇流母线的BUS+和BUS-上，汇集在汇流母线上的电能通过负载变换器1～负载变换器N的处理后供其负载使用。

结合图7，本发明的控制方法说明如下。

(1)首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，其中重要的工作是置程序中的控制变量电压控制器输出v_cN＝0，电流控制器输出v_uN＝0。

(2)将控制系统中根据MPPT算法模块得到的信号作为电流指令i_rN，该信号与实际输出电流i_oN之差(i_rN-i_oN)经电流PI调节器运算后得到电流控制器输出量v_cN。

(3)继而，控制系统根据电流传感器CSN采样得到的实际输出电流i_oN，依据预设的电压下垂特性DROOP模块，获得电压指令信号v_rN，即：v_rN＝V_omax-K_dN×i_oN，该信号与利用电压传感器VSN获得的实际输出电压v_bus之差(v_rN-v_bus)经电压PI调节器运算后得到电压控制器输出量v_uN。其中对应附图1中的电压下垂特性DROOP模块，其纵轴为DC/DC变换器的输出电压，横轴为DC/DC变换器的输出电流，v_omax为DC/DC变换器的理想空载电压，K_dN为DC/DC变换器输出电压下垂率。

(4)根据所获得的电压控制其输出信号v_cN和电流控制器输出信号v_uN，将它们送入控制系统的求取最小值环节，取其小者作为DC/DC变换器占空比控制信号v_mN，即有v_mN＝min(v_cN，v_uN)。

(5)将占空比控制信号v_mN作为调制信号，用于PWM调制，PWM调制器可采用锯齿波或者三角波作为载波，载波幅值为V_M，v_mN被调制后形成占空比为d_N的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动DC/DC变换器工作。

(6)在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(5)步骤，否则退出运行状态。

1 变流器的运行原理与工作模式

附图1中i_oN(N＝1,2,3…n)为各电力变换装置输出电流；v_bus为直流母线电压；i_rN和v_rN(N＝1,2,3…n)分别为各电力变换装置的电流和电压控制指令；v_cN和v_uN(N＝1,2,3…n)分别为各变流装置并行电流控制器和电压控制器输出的控制信号；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；d_N(N＝1,2,3…n)为各变流装置经PWM调制得到的占空比。附图1中虚线框所示“发电系统1”为一个完整的变流装置软硬件系统，其它“发电系统2”到“发电系统N”均采用与“发电系统1”类似的控制结构。“负载变换器1”到“负载变换器N”可为任意交直流变换器，对其控制模式没有特定的要求。

设直流母线允许的最高电压为V_omax，即应通过控制满足v_bus≤V_omax。附图1中给出的并行电压环和电流环控制器为常用的PI控制器，事实上并不限于此，任何保证系统稳定运行的控制器均可行。

控制系统存在以下2种工作模式及其相互间的切换。

(1)工作模式1-电流控制模式

各发电子系统的DC/DC直流变流器以电流源方式向汇流母线上注入能量，实际输出电流i_oN跟踪满足指令电流，即i_rN＝i_oN。在母线电压低于其指令电压值，即满足v_rN≥v_bus时，电压调节器将逐渐进入饱和输出状态，因此对应于附图1总有v_cN≤v_uN成立。此时，相当于只有电流控制环起作用。

(2)工作模式2-电压控制模式

当接入母线的负载减小或者由于各变流器MPPT模块的作用使得注入母线电流增加而导致v_bus上升，当满足v_rN<v_bus时，电压调节器退出饱和状态而进入线性调节区，此时视实际运行情况若电流给定值i_rN>i_oN(持续)则电流调节器将逐渐进入饱和状态，使得v_cN≥v_uN变流器进入电压控制模式。否则占空比输出d_N由min(x,y)环节来决定。

(3)工作模式切换

当负载增加(i_oN增加)或受环境影响部分发电子系统捕获功率减小时，v_bus下降，当满足v_rN≥v_bus时，电压控制又可能进入饱和，从而在min(x,y)作用下，变流器又进入以电流控制为主的工作模式。

2 对电压指令发生器DROOP模块的说明

图1中的DROOP模块用于产生电压控制环路的电压指令信号

v_rN＝V_omax-K_dN×i_oN   (1)

式(1)中K_dN(N＝1,2,3…n)为各发电子系统变流器的电压下垂系数，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为各变流器工作范围内允许的最低电压，P_eN(N＝1,2,3…n)为各变流器额定功率，将V_omax作为各变流器共同的理想空载电压。

如此，一方面可保证电压指令始终小于允许的直流母线电压最大值，即v_rN≤V_omax。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，并自动按各自输出功率的能力向母线提供能量，而母线保持电压稳定。如图2所示。例如，在母线电压V_bus条件下，电压下垂系数最小的3号变流器向母线注入的电流值为最大(I_o3)。

3 对电流指令MPPT模块的说明

图1中的MPPT模块用于产生电流参考指令，其中MPPT算法可为任意一种可提高新能源捕获效率的方法。当然，在保证系统安全或者不过载的前提下，根据系统实际运行情况按照其它任何规律来设定电流值都是可接受的。

(六)实验结果

采用本发明所述方法，以3个电力变换装置互联为例，直流汇流母线最大允许电压值为V_omax＝630V，V_omin＝580V。图3所示为电流波形图(电流控制模式)，分别i_o1＝10A，i_o2＝20A，i_o3＝30A，共向母线注入电流i_o＝60A，图4为汇流母线电压波形图(电流控制模式)，v_bus＝600V。

Claims (2)

1.一种分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置，其特征是：电流传感器CS1～CSN用于检测各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，最大功率点跟踪模块MPPT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i_r1，指令电流值i_r1与发电系统的实际输出电流i_o1的偏差用于电流PI调节器进行PI调节产生控制信号v_c1，电压下垂模块DROOP的垂系数为K_d1、输入信号为发电系统的实际输出电流i_o1、其输出为根据方程v_r1＝V_omax-K_d1×i_o1获得的指令电压值v_r1，指令电压值v_r1与汇流母线电压v_bus的偏差用于电压PI调节器进行PI调节，产生控制信号v_u1，形成的两个控制信号v_c1和v_u1同时送入CPU软件的取小环节min，选择v_c1和v_u1中的小量作为最终的调制信号v_m1，v_m1经调制器1/V_M环节后形成控制DC/DC变换器的占空比为d₁的脉冲序列，各DC/DC变换器的正(+)负(-)输出端分别汇集在一起，分别连接在共同的直流汇流母线的BUS+和BUS-上，汇集在汇流母线上的电能通过负载变换器1～负载变换器N的处理后供其负载使用。

2.一种基于权利要求1所述的分布式发电系统中保持汇流直流母线电压稳定的控制装置的控制方法，其特征是：

(1)初始化，使电压控制器输出v_cN＝0、电流控制器输出v_uN＝0；

(2)将根据最大功率点跟踪模块MPPT得到的信号作为电流指令i_rN与实际输出电流i_oN之差即i_rN-i_oN经电流PI调节器运算后得到电流控制器输出量v_cN；

(3)根据电流传感器CSN采样得到的实际输出电流i_oN，依据预设的电压下垂特性DROOP模块获得电压指令信号v_rN，即：v_rN＝V_omax-K_dN×i_oN，v_rN与利用电压传感器VSN获得的实际输出电压v_bus之差即v_rN-v_bus经电压PI调节器运算后得到电压控制器输出量v_uN；

(4)根据所获得的电压控制器输出信号v_cN和电流控制器输出信号v_uN，将它们送入求取最小值环节，取其小者作为DC/DC变换器占空比控制信号v_mN，即有v_mN＝min(v_cN，v_uN)；

(5)将占空比控制信号v_mN作为调制信号，用于PWM调制，PWM调制器采用锯齿波或者三角波作为载波，载波幅值为V_M，v_mN被调制后形成占空比为d_N的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动DC/DC变换器工作；

(6)在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤(2)～(5)，否则退出运行状态。