CN104333026A - 基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法。孤立直流微电网系统平台包含多个电路模块，通过直流母线连接在一起，直流母线作为直流微电网系统的能量交换中介，保持直流母线电压恒定对系统能量变换和稳定运行有着重要意义。针对直流微电网中可再生能源输出功率波动及负载波动带来的直流母线电压波动，采用功率前馈补偿的稳压控制方法，抑制和消除系统直流母线电压波动，提高系统运行的稳定性，提高设备工作可靠性，降低设备维护成本，延长设备寿命。

Description

基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法
技术领域
本发明专利涉及光伏发电和风力发电等可再生能源发电技术的微电网领域，更具体地说是基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法。
背景技术
随着当今世界社会经济的快速发展，导致社会对能源需求快速增长，同时各种化石能源消耗带来的环境问题也日益突出，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发现，已成为人类社会的普遍共识，开发清洁的可再生能源资源已成为世界各国社会和经济可持续发展的重要战略。以分布式电源为基础发展起来的微电网，具有结构灵活、能效利用率高和控制智能化等特点，对于未来能源发展具有很好前景，是很多国家未来电力发展趋势。
微电网是将分布式电源、负荷、储能系统及控制装置等结合，形成一个单一可控供电系统，其运行方式灵活，可以并网运行，也可以孤立运行。对于大电网覆盖不到的我国西部偏远地区和海岛等，其自然能源(风能和太阳能)丰富，采用分布式发电的微电网系统提供能源供应具有很大的优势。然而，直流微电网相对于交流微电网有诸多优点，交直流混合微电网构建起来比较复杂。在直流微电网中不必考虑分布式电源输出电压的频率和相位等问题，各种分布式电源能方便地接入直流母线。交流微电网的运行控制在很大程度上决定于微电网的电流，存在环流等问题，而直流微电网的运行控制主要取决直流母线电压，运行控制相对于交流微电网简单，且容易实现。
对于直流微电网系统来说，直流母线作为其能量交换的中介，前级发电端可再生能源功率输出波动和后级供能端负载实时波动等情况引起的系统瞬时能量不平衡，都会导致直流母线电压波动，影响整个系统稳定运行；直流微电网系统不用考虑无功功率流，母线电压成为反映系统功率平衡的重要指标，为了确保直流微电网系统正常运行，直流母线电压值必须控制在一个限定的范围内。因此，保持直流母线电压恒定对直流微电网系统能量变换和稳定运行有着重要意义，控制直流母线电压稳定能有效的维持系统稳定运行，如果发生电压失稳，很可能引起保护动作或甩负荷，甚至还会危及整个系统的正常运行。
孤立运行情况下，直流微电网系统通常通过分布式电源或者储能装置的变流器来控制直流母线电压稳定。由于超级电容的能量密度较蓄电池高，有更快的响应速度，目前对将超级电容应用于母线稳压控制研究较多，但这只是对蓄电池储能控制的传统优化，没有从扰动产生的源头出发去解决问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法，更好地解决在直流微电网中前级发电端可再生能源功率输出波动和后级供能端负载实时波动等情况引起的直流母线电压波动问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法，该方法用于孤立运行直流微电网系统，所述系统包含蓄电池Boost/Buck充放电电路、光伏Boost升压电路、风机Boost升压电路、单相逆变电路和直流母线，所述直流母线的正极、负极，正负极间设有直流母线电容，连接在直流母线正极与负极之间的直流母线电容Cdc。所述蓄电池Boost/Buck充放电电路、光伏Boost升压电路、风机Boost升压电路、单相逆变电路的正负极分别与直流母线的正负极连接，通过直流母线实现所述系统能量交换，使所述系统稳压。
直流母线稳压控制是系统运行的关键，所述稳压控制方法的实现是：通过DSP控制器采集实时电压信号和电流信号，实现基于功率前馈补偿的储能母线稳压控制方法，产生PWM脉冲控制信号对系统各部分电路实现控制；其中，蓄电池Boost/Buck充放电电路和单相逆变电路的控制共需要三路互补PWM脉冲控制信号，光伏Boost升压电路和风机Boost升压电路的控制共需要两路独立PWM脉冲控制信号；DSP控制器连接有保护电路、采样调理电路和电平转换电路；所述保护电路针对IPM故障信号和直流母线过压保护故障信号动作，对系统起到保护作用；所述采样调理电路采集实时的电压信号和电流信号，并通过调理电路传入DSP控制器；所述电平转换电路连接有I/O信息模块和驱动模块，驱动模块发出PWM脉冲控制信号对变流器实现控制。所述实时的电压信号和电流信号包含直流母线电压udc、蓄电池输出电压ubat、光伏输出电压uPV、风机整流后输出电压uw、单相逆变输出电压uac、蓄电池输出电流ibat、光伏输出电流iPV、风机整流后输出电流iw和单相逆变输出电流iac。
上述的基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，功率前馈量是系统瞬时扰动有功功率，所述系统瞬时扰动有功功率等于单相逆变电路输出的瞬时有功功率减去风机Boost升压电路输出瞬时功率与光伏Boost升压电路输出瞬时功率之和。所述单相逆变电路输出的瞬时有功功率的计算方法是：构造与所测量的单相逆变器输出电压和电流的正交的虚拟电压和虚拟电流，再利用三相系统瞬时功率理论测算出单相逆变输出的瞬时有功功率。
上述的基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，利用串级控制思想的扰动补偿的复合校正，在反馈控制回路中加入功率前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相结合的系统，用以减小或消除稳态误差，抑制包括低频强扰动的可量测功率扰动。
上述基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，所述DSP控制器采用32位TMS320F28335 DSP处理器实现。
本发明与现有技术比较的有益效果：
1.本发明有效提高了系统稳定性和能源利用效率。直流微电网在孤立运行情况下，没有大电网支撑，光伏和风力等可再生能源发电输出功率存在不稳定性，会导致直流母线电压波动，需要利用储能装置来保证系统瞬时能量平衡，维持直流母线电压稳定。
2.本发明对于传统的基于储能的双闭环控制的母线稳压控制策略，能在一定程度上维持直流母线电压稳定，可以极大地减小乃至消除稳态误差，而且可以抑制几乎所有的可量测功率扰动，包括低频强扰动。
附图说明
图1为本发明孤立运行直流微电网系统图。
图中：蓄电池Boost/Buck充放电电路1、光伏Boost升压电路2、风机Boost升压电路3、单相逆变电路4、直流母线5、光伏板6、风力7、风机整流桥8、蓄电池Boost/Buck电路储能电感9、蓄电池Boost/Buck电路滤波电容10、光伏Boost升压电路储能电感11、光伏Boost升压电路滤波电容12、风机Boost升压电路储能电感13、风机Boost升压电路滤波电容14、直流母线电容15、单相逆变电路滤波电感16、单相逆变电路滤波电容17、直流母线18、直流母线正极18-1、直流母线负极18-2、蓄电池19。
图2为本发明的DSP控制器结构框图。
图中：DSP控制器6、udc直流母线电压、ubat蓄电池输出电压、uPV光伏输出电压、uw风机整流后输出电压、uac单相逆变输出电压、ibat蓄电池输出电流、iPV光伏输出电流、iw风机整流后输出电流、iac单相逆变输出电流、脉冲控制信号PMW
图3为功率前馈补偿的母线储能稳压控制策略框图。
图4传统储能稳压控制时光伏输出功率突变下直流母线电压波形图。
图5功率前馈控制时光伏输出功率突变下直流母线电压波形图。
图6传统储能稳压控制时负载功率突变下直流母线电压波形图。
图7功率前馈控制时负载功率突变下直流母线电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明孤立运行直流微电网系统如图1所示，系统包含蓄电池Boost/Buck充放电电路1、光伏Boost升压电路2、风机Boost升压电路3、单相逆变电路4和直流母线5，所述直流母线5的正极18-1、负极18-2，正负极间设有直流母线电容15，连接在直流母线正极与负极之间的直流母线电容Cdc。所述蓄电池Boost/Buck充放电电路1、光伏Boost升压电路2、风机Boost升压电路3、单相逆变电路4的正负极分别与直流母线5的正负极连接，通过直流母线5实现所述系统能量交换，使所述系统稳压。
直流母线5稳压控制是系统运行的关键，所述稳压控制方法的实现是：通过DSP控制器6实现，DSP控制器结构如图2所示，采集实时电压信号和电流信号，实现基于功率前馈补偿的储能母线稳压控制方法，产生PWM脉冲控制信号对系统各部分电路实现控制；其中，蓄电池Boost/Buck充放电电路1和单相逆变电路4的控制共需要三路互补PWM脉冲控制信号，光伏Boost升压电路2和风机Boost升压电路3的控制共需要两路独立PWM脉冲控制信号；DSP控制器连接有保护电路、采样调理电路和电平转换电路；所述保护电路针对IPM故障信号和直流母线过压保护故障信号动作，对系统起到保护作用；所述采样调理电路采集实时的电压信号和电流信号，并通过调理电路传入DSP控制器；所述电平转换电路连接有I/O信息模块和驱动模块，驱动模块发出PWM脉冲控制信号对变流器实现控制。所述实时的电压信号和电流信号包含直流母线电压udc、蓄电池输出电压ubat、光伏输出电压uPV、风机整流后输出电压uw、单相逆变输出电压uac、蓄电池输出电流ibat、光伏输出电流iPV、风机整流后输出电流iw和单相逆变输出电流iac；利用所采集信号，在DSP控制器6内编程实现基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，并输出PMW脉冲控制信号。所述PMW脉冲控制信号用于控制蓄电池Boost/Buck充放电电路1、光伏Boost升压电路2、风机Boost升压电路3和单相逆变电路4，实现系统稳定运行；所述控制的关键是控制蓄电池19充放电实现直流母线18电压稳定，保证系统运行稳定可靠。
图3所示功率前馈补偿的母线储能稳压控制策略框图中，L和RL分别为电池的续流电感的电感值及其寄生电阻的阻值，Cdc为直流母线电容值，Gu(s)为电压外环PI控制器，Gi(s)为电流内环PI控制器，Pd_e为系统扰动有功功率，ka为比例增益，根据变流器输入输出功率平衡关系可知比例系数ka＝ubat/udc，ubat和udc分别为蓄电池输出电压和直流母线电压。为直流母线电压的参考给定值，电压误差信号经过电压外环PI调节器得到蓄电池输出电流给定信号(其中，)，Ku和Tu分别为电压外环PI调节器的比例系数和积分系数。ibat为蓄电池输出电流值，电流误差信号经过电流内环PI调节器后得到控制器PWM调制波信号(其中，)，Ki和Ti分别为电流内环PI调节器的比例系数和积分系数。PWM发生器对调制波信号进行SPWM调制得到2路PWM脉冲信号驱动蓄电池Boost/Buck充放电电路，从而实现对储能蓄电池充放电控制维持直流母线电压稳定。
图4至图7为以100V直流母线电压的孤立运行微电网系统进行的两组对比实验的实验波形图。图4和图5为可再生能源光伏发电输出功率突变时直流母线电压波形，对比实验结果显示：相同工况下，加入功率前馈补偿控制后，直流母线电压波动从7V降低到1V，稳压控制效果明显。图6和图7为负载突变时直流母线电压波形，对比实验结果显示：相同工况下，加入功率前馈补偿控制后，直流母线电压波动从10V降低到2V，稳压控制效果明显。

Claims (4)

1.基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法，该方法用于孤立运行直流微电网系统，所述系统包含蓄电池Boost/Buck充放电电路(1)、光伏Boost升压电路(2)、风机Boost升压电路(3)、单相逆变电路(4)和直流母线(5)，所述直流母线(5)的正极(18-1)、负极(18-2)，正负极间设有直流母线电容(15)，其特征在于，所述蓄电池Boost/Buck充放电电路(1)、光伏Boost升压电路(2)、风机Boost升压电路(3)、单相逆变电路(4)的正负极分别与直流母线(5)的正负极连接，通过直流母线(5)实现所述系统能量交换，使所述系统稳压；
直流母线(5)稳压控制是系统运行的关键；所述稳压控制方法的实现是：通过DSP控制器(6)采集实时电压信号和电流信号，实现基于功率前馈补偿的储能母线稳压控制方法，产生PWM脉冲控制信号对系统各部分电路实现控制；其中，蓄电池Boost/Buck充放电电路(1)和单相逆变电路(4)的控制共需要三路互补PWM脉冲控制信号，光伏Boost升压电路(2)和风机Boost升压电路(3)的控制共需要两路独立PWM脉冲控制信号；DSP控制器连接有保护电路、采样调理电路、电平转换电路；所述保护电路针对IPM故障信号和直流母线过压保护故障信号动作，对系统起到保护作用；所述采样调理电路采集实时的电压信号和电流信号，并通过调理电路传入DSP控制器；所述电平转换电路连接有I/O信息模块和驱动模块，驱动模块发出PWM脉冲控制信号对变流器实现控制；所述实时的电压信号和电流信号包含直流母线电压udc、蓄电池输出电压ubat、光伏输出电压uPV、风机整流后输出电压uw、单相逆变输出电压uac、蓄电池输出电流ibat、光伏输出电流iPV、风机整流后输出电流iw和单相逆变输出电流iac。
2.如权利要求1所述的基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，其特征在于，功率前馈量是系统瞬时扰动有功功率，所述系统瞬时扰动有功功率等于单相逆变电路(4)输出的瞬时有功功率减去风机Boost升压电路(3)输出瞬时功率与光伏Boost升压电路(2)输出瞬时功率之和；所述单相逆变电路(4)输出的瞬时有功功率的计算方法是：构造与所测量的单相逆变器输出电压和电流的正交的虚拟电压和虚拟电流，再利用三相系统瞬时功率理论测算出单相逆变输出的瞬时有功功率。
3.如权利要求1所述的基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，其特征在于，利用串级控制思想的扰动补偿的复合校正，在反馈控制回路中加入功率前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相结合的系统，用以减小或消除稳态误差，抑制包括低频强扰动的可量测功率扰动。
4.如权利要求1所述基于功率前馈补偿的母线储能稳压控制方法，所述DSP控制器采用32位TMS320F28335DSP处理器实现。
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