CN104600692B - 天然气电站直流微电网混合cpu多重双向dc端口装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置及其实现方法，涉及一种天然气电站直流微电网双向DC端口装置，本发明为解决现有天然气发动机组动态响应慢，同时采用逆变器支撑的非负载和不平衡负载引入大量偶次基频谐波，降低了直流微电网电能质量，消耗天然气发电机容量，降低系统效率的问题。本发明包括DSP指令计算模块、FPGA逻辑信号处理模块、多重DC/DC功率变换模块、检测与保护模块、控制采样与信号整定模块、CAN总线通信模块和储能模块；该装置采用的控制方式包括：主从模式补偿控制、孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制、直流母线DC端口谐波抑制控制。本发明用于天然气电站双向供电。

Description

天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种天然气电站直流微电网双向DC端口装置。

背景技术

天然气电站是由若干台天然气发电机组经整流模块后组建的具有较大功率的直流供电系统，可为各种直流负载及逆变器单元提供可靠支撑。天然气发电机组较比传统的柴油发电机组碳、硫排放量低，同时同等能量下天然气较比柴油的价格低。因此，采用天然气发电机组系统在节能减排和降低发电成本方面都有很大优势。

但是，天然气发电机组的动态功率调节能力较比柴油发电机组差，这种动态响应慢的特性制约了其在供电网络冲击性负载场合的应用。当直流微电网中负载变化率和前后功率差较大时，往往会造成天然气发电机组的停车事故，中断直流微电网能量供给。

同时，逆变器单元所支撑的非线性负载及不平衡负载将对直流电网引入大量偶次基频谐波，降低直流微电网电能质量，消耗天然气发电机容量，降低了系统整体效率。

发明内容

本发明目的是为了解决现有天然气发动机组动态响应慢，同时采用逆变器支撑的非负载和不平衡负载引入大量偶次基频谐波，降低了直流微电网电能质量，消耗天然气发电机容量，降低系统效率的问题，提供了一种天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置及其实现方法。

本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置，它包括DSP指令计算模块、FPGA逻辑信号处理模块、多重DC/DC功率变换模块、检测与保护模块、控制采样与信号整定模块、CAN总线通信模块和储能模块；

多重DC/DC功率变换模块的两端分别连接天然气站直流微电网和储能模块，

控制采样与信号整定模块用于测量天然气站直流微电网的信息和多重DC/DC功率变换模块的电流信息，控制采样与信号整定模块分别与DSP指令计算模块和FPGA逻辑信号处理模块相连接，实现对所有监控环节的信息监控；

检测与保护模块用于检测双向DC端口装置的安全信息，将安全信息发送至FPGA逻辑信号处理模块；

CAN总线通信模块与DSP指令计算模块相连接，实现上位机对双向DC端口装置的控制。

本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，该方法的具体过程为：

步骤1、利用DSP指令计算模块采用浮点运算进行闭环控制运算，生成PWM调制波；

步骤2、DSP指令计算模块将步骤1产生的PWM调制波通过16位并行总线发送至FPGA逻辑信号处理模块；

步骤3、FPGA逻辑信号处理模块根据多重DC/DC功率变换模块中并联功率变化器的数量，将接收到的PWM调制波生成对应的PWM移向载波信号；

步骤4、FPGA逻辑信号处理模块将接收到的PWM调制波信号进行同步复制，将复制的PWM调制波信号与PWM移向载波信号相比较，生成IBGT触发信号；

步骤5、FPGA逻辑信号处理模块根据控制采样与信号整定模块获取的采样信息，判断是否处于安全范围，如果否则执行步骤6，如果是则执行步骤7；

步骤6、FPGA逻辑信号处理模块根据检测与保护模块的检测信号判断是否处于安全范围，如果是则返回执行步骤5，如果否则FPGA逻辑信号处理模块对IBGT触发信号进行封锁；

步骤7、FPGA逻辑信号处理模块将步骤4产生的IBGT触发信号经过光纤发送至多重DC/DC功率变换模块；

步骤8、DSP指令计算模块判断CAN总线通信模块是否接收到上位机控制指令，如果否则执行步骤9，如果是则执行步骤10；

步骤9、双向DC端口装置进入孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制；

步骤10、双向DC端口装置根据上位机控制指令进入主从控制或孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制。

本发明的优点：本发明能够工作在主从模式或孤立模式下，通过对天然气电站直流微电网母线电压波动进行监控，实现有功功率在微电网直流母线与储能环节间双向流动，维持直流微电网母线电压恒定，保证直流母线功率平衡。当处于主从模式下时，由CAN总线通讯单元获取上位机指令，确定功率流动方向，实现直流微电网电压与储能环节能量的协调控制；当处于孤立模式下时，由控制采样与信号整定单元对相关参数进行监控，自发实现补偿功率流动及剩余容量均衡管理。此外，通过改变DC端口功率流，可抑制由多种类负荷对微电网直流母线所引入的谐波功率扰动，改善微电网直流母线电压质量。为实现全功率补偿功能，该装置采用的控制方式包括：主从模式补偿控制、孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制、直流母线DC端口谐波抑制控制。

附图说明

图1是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的结构示意图；

图2是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法的流程框图；

图3是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制仿真曲线图，其中实现代表n＝6，虚线代表n＝2，点划线代表n＝1；

图4是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的直流母线DC端口谐波抑制控制仿真曲线图；

图5是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制输出功率波形图；

图6是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制SoC波形；

图7是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的直流母线DC端口谐波抑制控制电感电流仿真波形图；

图8是本发明所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的直流母线DC端口谐波抑制控制直流母线功率及直流母线电压仿真波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置，它包括DSP指令计算模块1、FPGA逻辑信号处理模块2、多重DC/DC功率变换模块3、检测与保护模块4、控制采样与信号整定模块5、CAN总线通信模块6和储能模块7；

多重DC/DC功率变换模块3的两端分别连接天然气站直流微电网和储能模块7，

控制采样与信号整定模块5用于测量天然气站直流微电网的信息和多重DC/DC功率变换模块3的电流信息，控制采样与信号整定模块5分别与DSP指令计算模块1和FPGA逻辑信号处理模块2相连接，实现对所有监控环节的信息监控；

检测与保护模块4用于检测双向DC端口装置的安全信息，将安全信息发送至FPGA逻辑信号处理模块2；

CAN总线通信模块6与DSP指令计算模块1相连接，实现上位机对双向DC端口装置的控制。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，该方法的具体过程为：

步骤1、利用DSP指令计算模块1采用浮点运算进行闭环控制运算，生成PWM调制波；

步骤2、DSP指令计算模块1将步骤1产生的PWM调制波通过16位并行总线发送至FPGA逻辑信号处理模块2；

步骤3、FPGA逻辑信号处理模块2根据多重DC/DC功率变换模块3中并联功率变化器的数量，将接收到的PWM调制波生成对应的PWM移向载波信号；

步骤4、FPGA逻辑信号处理模块2将接收到的PWM调制波信号进行同步复制，将复制的PWM调制波信号与PWM移向载波信号相比较，生成IBGT触发信号；

步骤5、FPGA逻辑信号处理模块2根据控制采样与信号整定模块5获取的采样信息，判断是否处于安全范围，如果否则执行步骤6，如果是则执行步骤7；

步骤6、FPGA逻辑信号处理模块2根据检测与保护模块4的检测信号判断是否处于安全范围，如果是则返回执行步骤5，如果否则FPGA逻辑信号处理模块2对IBGT触发信号进行封锁；

步骤7、FPGA逻辑信号处理模块2将步骤4产生的IBGT触发信号经过光纤发送至多重DC/DC功率变换模块3；

步骤8、DSP指令计算模块1判断CAN总线通信模块6是否接收到上位机控制指令，如果否则执行步骤9，如果是则执行步骤10；

步骤9、双向DC端口装置进入孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制；

步骤10、双向DC端口装置根据上位机控制指令进入主从控制或孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，步骤5中所述FPGA逻辑信号处理模块2根据控制采样与信号整定模块5获取的采样信息判断是否处于安全范围的具体过程为：

步骤1-1、控制采样与信号整定模块5获取双向DC端口装置的当前信息；

步骤1-2、FPGA逻辑信号处理模块2采用数字低通滤波器对步骤1-1获取的信息进行滤波；

步骤1-3、FPGA逻辑信号处理模块2判断双向DC端口装置是否出现报警，如果否则执行步骤1-4，如果是则执行步骤1-8；

步骤1-4、FPGA逻辑信号处理模块2判断双向DC端口装置中故障次数n是否为0，如果是则执行步骤1-5，如果否则执行步骤1-6；

步骤1-5、FPGA逻辑信号处理模块2继续处理当前接收到的信息；

步骤1-6、判断距离上次报警的时间是否大于150ms，如果否则返回执行步骤1-5，如果是则执行步骤1-7；

步骤1-7、将n置为“0”，FPGA逻辑信号处理模块2继续处理当前接收到的信息；

步骤1-8、FPGA逻辑信号处理模块2判断报警信息等级是否是系统保护，如果否则为短时保护，执行步骤1-9，如果是则执行步骤1-12；

步骤1-9、FPGA逻辑信号处理模块2判断n是否大于3，如果是则执行步骤1-10，如果否则执行步骤1-11；

步骤1-10、将短时保护升级为系统保护，对IGBT触发信号进行封锁；

步骤1-11、对IGBT触发信号封锁20ms，将n加1；

步骤1-12、对IGBT触发信号进行封锁。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，步骤10所述的主从控制模式具体过程为：

步骤2-1、控制采样与信号整定模块5获取双向DC端口装置的当前运行参数；

步骤2-2、CAN总线通信模块6提取上位机控制指令的信息；

步骤2-3、DSP指令计算模块1根据步骤2-1获取的当前运行参数和步骤2-2获取的上位机控制指令信息，进行电压电流双闭环控制运算，获取PWM调制波。

具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，步骤9和步骤10中所述的孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制具体过程为：

步骤3-1、控制采样与信号整定模块5获取双向DC端口装置的当前运行参数；

步骤3-2、DSP指令计算模块1计算多重DC/DC功率变换模块3的输出有功功率；

步骤3-3、DSP指令计算模块1根据当前SoC值实时计算有功下垂因子值；

步骤3-4、DSP指令计算模块1步骤3-2获取的输出有功功率和步骤3-3获取的有功下垂因子值计算指令电压；

步骤3-5、DSP指令计算模块1根据步骤3-1获取的当前运行参数和步骤3-4获取的有功下垂因子值计算指令电压，进行电压电流双闭环控制运算，获取PWM调制波。

具体实施方式六：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，该实现方法的控制模式还包括直流母线DC端口谐波抑制控制，该控制方法的具体过程为：

步骤4-1、控制采样与信号整定模块5获取双向DC端口装置的当前运行参数；

步骤4-2、DSP指令计算模块1计算当前直流母线中谐波电压含量；

步骤4-3、DSP指令计算模块1计算直流谐波补偿值，并生成PWM调制波。

本发明中，混合CPU多重双向DC端口装置的控制架构：基于数字信号处理器DSP的指令计算单元1对由CAN总线通讯单元6、控制采样与信号整定单元5所获得的控制信息，进行指令处理。将控制输出信号由并行通讯总线传输至基于现场可编程门列阵FPGA的逻辑信号处理单元2。基于现场可编程门列阵FPGA的逻辑信号处理单元2将控制信号与实际系统采集数据进行比较处理，实现对多重DC/DC功率变换单元3的驱动或保护。基于多重DC/DC功率变换单元3中系统重数，将PWM生成过程中的载波信号按照pi/n的原则进行移向，并输出响应IGBT的触发信号。系统保护由下述项目构成：直流微电网过电压保护，IGBT过电流保护，驱动信号无送达保护，驱动板故障保护，IGBT过热保护。保护等级分为2级分别为短时保护与系统保护。直流微电网电压保护与IGBT过电流保护属于短时保护。当控制采样与信号整定单元5检测到故障发生时，基于现场可编程门列阵FPGA的逻辑信号处理单元2对相应的控制信号封锁20ms，并对故障次数计数。如在150ms内为达到3次，则计数器清零；反之则由短时保护上升至系统保护。系统保护同时包括：驱动信号无送达保护，驱动板故障保护，IGBT过热保护。系统保护触发时，封锁所有针对多重DC/DC功率变换单元3的驱动信号，保证系统安全。

主从控制模式：CAN总线通信模块6将上位机要求的电流指令发送至DSP指令计算模块1与FPGA逻辑信号处理模块2的混合CPU控制系统。结合控制采样与信号整定模块5所采集的本地信息构成系统控制闭环，计算多重DC/DC功率变换模块3的控制信号，并将该控制信号经由并行总线发送至FPGA逻辑信号处理模块2。FPGA逻辑信号处理模块2进一步结合控制采样与信号整定模块5中相关系统变量，根据预设保护点，重新整定多重DC/DC功率变换模块3的控制信号。如触发系统保护，则封锁输出；如未触发系统保护，根据多重DC/DC功率变换模块3中具体机构，采用PWM载波移向控制策略，改变各独立DC/DC模块触发信号PWM载波相移角，有效改善多重DC/DC功率变换单元3的总输出电流纹波。

孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制：在一个直流微电网中，存在多个天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置，在无上位机情况下，可采用下垂控制实现各天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置独立稳定直流微电网电压，且在补偿过程中可同时实现各天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口所对应的储能环节能量平衡。

为有效抑制并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置间储能环节剩余容量误差，两台并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置间储能环节剩余容量误差应满足微分方程：

${\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{SoC}}+{\mathrm{ae}}_{\mathrm{SoC}}=0---\left(1\right)$

此时天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置所输出的有功功率时域表达式应满足：

P_ESD(t)＝a×E_ESD×SoC|_t＝0e^-at (2)

式中：P_ESD为天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置输出功率；E_ESD为储能模块7的设计容量；SoC|_t＝0为天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置储能模块7的初始SoC。只有当并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置输出功率中包含有各自储能模块7的SoC信息时，才能实现eSoC在工作过程中逐渐汇聚。基于下垂控制的天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置输出功率可表示为：

$P_i=\frac{U^{*}-U_{\mathrm{commonDC}}}{m_i}---\left(3\right)$

为满足输出功率与储能模块7中剩余能量间正比例关系，有功下垂系数设计为：

m_i＝-m_P0/ln(1-SoC_i) (4)

式中：m_P0为公共有功下垂系数。将上式推知一般，当z套蓄电池天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置并联时，存在α、β∈[1，z]，且α≠β，则SoCα，SoCβ间的收敛过程可表示为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{SoC}}=-(P_{\mathrm{bat\α}}-P_{\mathrm{bat\β}})\\ =-\frac{U^{*}-U}{m_{P0}}\×[\ln (1-{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\α}})-\ln (1-{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\β}})]\\ =P_{\mathrm{load}}\×[\ln (1-{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\α}})-\ln (1-{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\β}})/\underset{j=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}-\ln (1-{\mathrm{SoC}}_j)]\\ =a\×(1-{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\α}}-1+{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\β}})\×E_{\mathrm{ESD}}\end{array}---\left(5\right)$

为简化表达式，将对数函数以泰勒级数展开，其二阶近似可表示为：

$\ln (1-X)=\underset{j=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}-X^j/j\≈-X-X^2/2---\left(6\right)$

则式(5)中微分方程系数a可表示为：

$\begin{array}{c}a=\frac{U^{*}-U}{m_{P0}\×E_{\mathrm{ESD}}}(1+0.5{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\α}}+0.5{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\β}})\\ =\frac{P_{\mathrm{load}}(1+0.5{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\α}}+0.5{\mathrm{SoC}}_{\mathrm{\β}})}{E_{\mathrm{ESD}}\×\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-\ln (1-{\mathrm{SoC}}_j)}\end{array}---\left(\text{7}\right)$

式(7)形式的下垂控制器可使各并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置间eSoC逐渐收敛趋近于0。并联系统工作时，各储能模块7应能够以较快速度收敛至同一SoC状态，否则剩余能量较少的天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置即使运行在较低的输出功率下，也会由于长时间工作累积造成其对应的储能模块7中SoC过低从而退出并联状态，对孤岛电网造成冲击。因此，增大微分方程系数a可加快eSoC收敛。

随着各并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置内蓄电池SoC降低，任意两个并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置间eSoC的微分方程系数a都将增大，且存在SoCi趋于零时微分方程系数a近似无穷大，进而保证各并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置中蓄电池同时趋于SoCi＝0。但在实际工作过程中，为减少过放电对蓄电池使用寿命的影响，剩余10％能量时蓄电池就应退出工作。由此，在上述基础上添加常数偏移量，使各蓄电池组在合理工作范围内收敛。改进下垂控制器为：

P_i＝(U^*-U)[-ln(1+C-SoC_i)]/m_P0 (8)

式中：C为常数偏移量。可根据各储能模块7中具体使用的储能形式修正常数偏移量C，保证各储能环节8迅速收敛至同一SoC数值。

常数偏移量C可以有效改变并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的SoC收敛点数值。但应注意到，当蓄电池SoC接近于偏移量C时，有功下垂系数趋于无穷。由下垂控制小信号模型根轨迹分析可知，随着下垂系数增大极点向实轴右半平面移动，并最终进入右边平面，使下垂控制失稳。因此在实际工作时有必要对有功下垂系数变化范围加以限制，但这种限制会改变蓄电池SoC的运动轨迹，使各并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置中剩余能量组无法同时收敛于一点，因此需进一步提升eSoC收敛速度。

可构建天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置输出功率表达式:

$P_{\mathrm{ESDi}}\left(t\right)\≈n\×a_i\×E_{\mathrm{ESD}}\×{[-\ln (1-{\mathrm{SoC}}_i{|}_{t=0}{e}^{-a_{i}t})]}^n---\left(9\right)$

其中引入的加速因子n可等效增大微分方程系数a，进而提升各并联天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置中eSoC收敛速度。由此将下垂控制器改写为：

$P_i=\frac{U^{*}-U}{m_{P0}}\×n\×{[-\ln (+1+C-{\mathrm{SoC}}_i)]}^n---\left(10\right)$

天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口下垂控制器由传统下垂控制器更新为：

U＝U^*-m_P0p/(n×[-ln(1+C-SoC)]ⁿ) (11)

为避免系统在工作过程中进入不稳定区域，引入条件约束如下式所示：

n×[-ln(+1+C-SoC_i)]ⁿ≥0.1 (12)

直流母线DC端口谐波抑制控制：在天然气电站直流微电网中，其负载不单存在直流负载同样具有逆变器负载。当逆变器负载为单相负载，或三相逆变器不平衡负载及非线性负载条件下，高次谐波被引入直流母线。大容量电解电容被用于直流微电网环节直流母线电压波动，但相比较于其他电力电子期间，电解电容寿命相对较低，同时大规模的串并联使用进一步降低的系统整体可靠性。因此，采用直流微电网中储能模块7通过多重DC/DC功率变换模块3对直流微电网中谐波进行补偿，改善直流微电网电能质量。

储能模块7若使用蓄电池储能方式，具有动态响应速度较慢，且充放电寿命有限的特点，不适用与微电网直流补偿。采用基于超级电容的储能环节补偿直流微电网中存在的高频谐波。基于Goertzel算法的滑窗DFT滤波器可移除特定频率，及特定频率倍数的信号分量。该滤波器的离散域函数可表示为：

$H_{\mathrm{filter}}\left(z\right)=\frac{(1-e^{j2\mathrm{\πk}/N}{z}^{-1})(1-z^{-N})}{1-2\cos (2\mathrm{\πk}/N)z^{-1}+z^{-2}}---\left(13\right)$

k＝N·f_i/f_s (14)

式中：f_i与f_s分别为特定频率与采样频率；N为特定频率的倍数。为了有效发挥储能模块7中不同形式储能设备的特性，例如：蓄电池与超级电容。从天然气电站直流微电网直流母线电压信号中提取直流分量，并传送至基于蓄电池储能的天然气电站直流微网能量调节装置控制环节；谐波分量则发送至基于超级电容储能的天然气电站直流微网能量调节装置控制环节。

基于超级电容储能的天然气电站直流微网能量调节装置具有两个控制目标：1)补偿天气电站直流微电网中电压波动的高频分量；2)针对逆变器引入直流微电网电压母线中的基波频率的偶次谐波分量加以抑制。天然气电站直流微电网中电解电容电压与电流关系可表示为：

u_dc＝∫i_dcdt (15)

i_dc中包含有谐波分量。因此，天然气电站直流微电网中谐波电压与谐波分量电流相差90°相角。在传统DC/DC控制环路的基础上，电压前馈环节直接作用于PWM生成模块，实现针对谐波电压的补偿。在天然气电站直流微网能量调节装置中加入谐振控制器，从而通过在调制信号d上叠加交流分量实现对谐波电压补偿。三相不平衡负载会对直流微电网电压母线引入2倍基频电压波动，其谐振控制器表达式为：

$H_{\mathrm{Rh}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PR}\_i}s}{s^2+{\left(2h{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{AC}}\right)}^2}---\left(16\right)$

式中:ω_AC为逆变交流电压的基波角频率；K_{PR_i}为谐振积分参数。为避免天气电站直流微电网中直流母线偶次谐波对控制环节的扰动，串联滤波器被引入控制环路，其表达式为：

$H_{\mathrm{filter}}\left(s\right)=\underset{h=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}\frac{s^2+{\left(2h{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{AC}}\right)}^2}{s^2+\mathrm{ks}+{\left(2h{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{AC}}\right)}^2}---\left(17\right)$

在采用超级电容补偿谐波分量后，超级电容的电压同样由直流分量与谐波分量构成。超级电容电压可表示为：

u_UC＝u_{UC_dc}+u_{UC_ripple} (18)

式中，u_{UC_dc}超级电容直流电压分量；u_{UC_ripple}超级电容谐波电压分量。稳态下，逆变器桥臂的开环函数可描述为：

S＝S_dc+S_ripple (19)

式中，S是开关函数；S_dc与S_ripple是开关函数的直流分量与谐波分量。则超级电容输出的谐波电流可表示为：

i_{L_ripple}＝2ωCu_{UC_ripple} (20)

式中，i_{L_ripple}是电感谐波电流，i_{L_ripple}是i_{L_ripple}中最终被注入天然气电站直流微电网直流母线的电流，其表达式为：

i_{L_rippledc}＝i_{L_ripple}×[S_dc+S_ripple] (21)。

图3-图8本发明天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置分别利用Matlab\simulink以及模拟实物物理仿真平台对其进行了验证，两种测试方法所得结果表明，本发明天然气电站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置是正确可行的。

Claims (4)

1.基于天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置包括DSP指令计算模块(1)、FPGA逻辑信号处理模块(2)、多重DC/DC功率变换模块(3)、检测与保护模块(4)、控制采样与信号整定模块(5)、CAN总线通信模块(6)和储能模块(7)；

多重DC/DC功率变换模块(3)的两端分别连接天然气站直流微电网和储能模块(7)，

控制采样与信号整定模块(5)用于测量天然气站直流微电网的信息和多重DC/DC功率变换模块(3)的电流信息，控制采样与信号整定模块(5)分别与DSP指令计算模块(1)和FPGA逻辑信号处理模块(2)相连接，实现对所有监控环节的信息监控；

检测与保护模块(4)用于检测双向DC端口装置的安全信息，将安全信息发送至FPGA逻辑信号处理模块(2)；

CAN总线通信模块(6)与DSP指令计算模块(1)相连接，实现上位机对双向DC端口装置的控制；

其特征在于，该方法的具体过程为：

步骤1、利用DSP指令计算模块(1)采用浮点运算进行闭环控制运算，生成PWM调制波；

步骤2、DSP指令计算模块(1)将步骤1产生的PWM调制波通过16位并行总线发送至FPGA逻辑信号处理模块(2)；

步骤3、FPGA逻辑信号处理模块(2)根据多重DC/DC功率变换模块(3)中并联功率变换器的数量，将接收到的PWM调制波生成对应的PWM移向载波信号，

步骤4、FPGA逻辑信号处理模块(2)将接收到的PWM调制波信号进行同步复制，将复制的PWM调制波信号与PWM移向载波信号相比较，生成IGBT触发信号；

步骤5、FPGA逻辑信号处理模块(2)根据控制采样与信号整定模块(5)获取的采样信息，判断是否处于安全范围，如果否则执行步骤6，如果是则执行步骤7；

步骤6、FPGA逻辑信号处理模块(2)根据检测与保护模块(4)的检测信号判断是否处于安全范围，如果是则返回执行步骤5，如果否则FPGA逻辑信号处理模块(2)对IGBT触发信号进行封锁；

步骤7、FPGA逻辑信号处理模块(2)将步骤4产生的IGBT触发信号经过光纤发送至多重DC/DC功率变换模块(3)；

步骤8、DSP指令计算模块(1)判断CAN总线通信模块(6)是否接收到上位机控制指令，如果否则执行步骤9，如果是则执行步骤10；

步骤9、双向DC端口装置进入孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制；

步骤10、双向DC端口装置根据上位机控制指令进入主从控制模式或孤立模式储能剩余容量均衡补偿控制。

2.根据权利要求1所述的天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，其特征在于，步骤5中所述FPGA逻辑信号处理模块(2)根据控制采样与信号整定模块(5)获取的采样信息判断是否处于安全范围的具体过程为：

步骤1-1、控制采样与信号整定模块(5)获取双向DC端口装置的当前信息；

步骤1-2、FPGA逻辑信号处理模块(2)采用数字低通滤波器对步骤1-1获取的信息进行滤波；

步骤1-3、FPGA逻辑信号处理模块(2)判断双向DC端口装置是否出现报警，如果否则执行步骤1-4，如果是则执行步骤1-8；

步骤1-4、FPGA逻辑信号处理模块(2)判断双向DC端口装置中故障次数n是否为0，如果是则执行步骤1-5，如果否则执行步骤1-6；

步骤1-5、FPGA逻辑信号处理模块(2)继续处理当前接收到的信息；

步骤1-6、判断距离上次报警的时间是否大于150ms，如果否则返回执行步骤1-5，如果是则执行步骤1-7；

步骤1-7、将n置为“0”，FPGA逻辑信号处理模块(2)继续处理当前接收到的信息；

步骤1-8、FPGA逻辑信号处理模块(2)判断报警信息等级是否是系统保护，如果否则为短时保护，执行步骤1-9，如果是则执行步骤1-12；

步骤1-9、FPGA逻辑信号处理模块(2)判断n是否大于3，如果是则执行步骤1-10，如果否则执行步骤1-11；

步骤1-10、将短时保护升级为系统保护，对IGBT触发信号进行封锁；

步骤1-11、对IGBT触发信号封锁20ms，将n加1；

步骤1-12、对IGBT触发信号进行封锁。

3.根据权利要求1所述的天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，其特征在于，步骤10所述的主从控制模式具体过程为：

步骤2-1、控制采样与信号整定模块(5)获取双向DC端口装置的当前运行参数；

步骤2-2、CAN总线通信模块(6)提取上位机控制指令的信息；

步骤2-3、DSP指令计算模块(1)根据步骤2-1获取的当前运行参数和步骤2-2获取的上位机控制指令信息，进行电压电流双闭环控制运算，获取PWM调制波。

4.根据权利要求1所述的天然气站直流微电网混合CPU多重双向DC端口装置的实现方法，其特征在于，该实现方法的控制模式还包括直流母线DC端口谐波抑制控制，该控制方法的具体过程为：

步骤4-1、控制采样与信号整定模块(5)获取双向DC端口装置的当前运行参数；

步骤4-2、DSP指令计算模块(1)计算当前直流母线中谐波电压含量；

步骤4-3、DSP指令计算模块(1)计算直流谐波补偿值，并生成PWM调制波。