CN104810821A - 一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法,属于微网控制领域。在考虑线路阻抗参数的情况下,根据电能损耗函数,导出电能损耗与均流精度比例参数的关系,进而给出适当的均流精度比例参数以实现电能损耗最小化;根据导出的均流精度比例参数,利用低带宽通讯技术,设计均流控制算法,提高微源输出的均流精度;低带宽通讯层仅用于传输数据,即使没有通讯层的存在,系统仍能够稳定的运行。本发明提供的一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法能够有效地对微网进行高精度均流控制与优化。
Description
技术领域
本发明属于微网控制领域,涉及一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展,人们对于能源的需求也越来越大,传统的能源因为不可再生,并且会导致很多环境问题,比如雾霾、温室效应等问题,促使人们去寻找新能源取代一部分传统能源的消耗。
典型的新能源有太阳能、风能等,但这些能源由于受大自然条件的限制,要得到高效稳定的能源比较困难,为此近年来有学者提出了微网的概念。
微网是一种新型网络结构,是一组由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元,是一个能够实现自我保护、自我控制和管理的自治系统,即可以与大电网一并运行也可以独立于大电网而独立运行。按其种类分,可以分为直流微电网和交流微电网。
由于现在实际应用较多的是交流电,所以在交流微电网方面引起了许多研究人员的注意。但是,许多微电源和负载本身就具有直流耦合性质,比如光伏板、电池阵列,对这些单元的控制如果采用直流微电网仅仅需要DC/DC变换,而不需要DC/AC的变换,还有,对直流微电网的控制不用考虑频率和无功功率的影响,电路中也没有谐波这一概念,因此对直流微电网的控制比交流微电网的控制更简单。
对于直流微电网的控制,已有许多文献和专利对其进行了论述,这些专利或论文或是从直流微电网的整体控制、管理、运行等方面进行了表述,或是针对某种微源进行了论述,或是采用了分布式的、分层式的控制方法,或是考虑了微网的储能需求。但这些都没有考虑线路阻抗参数对微网的控制、优化的影响,尤其是对均流精度的影响,本发明试图寻找一种方法,在考虑线路阻抗参数的情况下,通过配置合适的均流精度比例参数,减少微网的电能损耗。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法,用于提高均流精度,减少微网的电能损耗。
本发明的目的之一是提供一种直流微网高精度均流控制与优化系统,本发明的目的之二是提供一种直流微网高精度均流控制与优化方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的:
一种直流微网高精度均流控制与优化系统,所述系统包括均流精度比例参数计算器、均流精度控制器;所述均流精度控制器包括电压传感器、电流传感器和功率传感器,本地控制器,微源的逆变器;所述电压传感器、电流传感器和功率传感器用于采集逆变器的输出电流、输出电压、功率信息,并将信息传输至比例参数计算器和本地控制器;所述均流精度比例参数计算器用于根据电能损耗最小化计算均流精度比例参数,并将该参数信息传输至本地控制器;所述本地控制器根据均流精度比例参数、输出电流、输出电压、功率信息调整PWM波的输出,进而控制微源逆变器的输出。
进一步,所述系统还包括低带宽通讯层;电压传感器、电流传感器和功率传感器采集逆变器的输出电流、输出电压、功率的信息后将其传输至低带宽通讯层和均流精度比例参数计算器;均流精度比例参数计算器根据电能损耗最小化计算出均流精度比例参数并传输至低带宽通讯层;所述低带宽通讯层将均流精度比例参数、逆变器的输出电流、输出电压、功率信息传送至本地控制器;所述低带宽通讯层仅用于传输信息。
进一步,所述均流精度比例参数计算器为DSP芯片。
进一步,所述本地控制器为DSP芯片。
进一步,所述本地控制器中含有均流控制单元、电压控制单元。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的:
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种直流微网高精度均流控制与优化方法,该方法包括以下步骤:
步骤1)系统初始化,给定线路阻抗、负载阻抗和滤波器频率等相关参数;
步骤2)设定负载母线上的参考电压信息;
步骤3)根据电能损耗函数计算均流精度比例参数;
步骤4)根据计算得到的均流精度比例参数以及负载母线上的参考电压、负载等相关信息,计算得到微源的参考输出电压;
步骤5)通过均流控制算法提高均流精度,即间接控制逆变器的输出电压;
步骤6)进而控制逆变器的输出,使得微网线路上的电能损耗最小,而且均流精度满足要求,并将逆变器输出的相关信息通过传感器反馈给低带宽通讯层。
进一步,所述步骤3)通过以下公式计算均流精度比例参数,
其中,直流微网中含有n个微源,m个负载;il1,il2,...,ilm分别为流过负载1,负载2,…,负载m的电流,且它们的和为常数;k1,k2,…,kn-1为待定的均流精度比例参数;Rdn为微电源的输出阻抗,Rlinen为传输线上的阻抗。
进一步,所述步骤4)中微源n的参考输出电压为:
其中,V为负载母线上设定的参考电压,Rdn和Rlinen分别为微源n的输出阻抗和线路上的阻抗,idcn为微源n的输出电流。
进一步,所述步骤5)中的均流控制算法具体包括以下步骤:以微源1为例:
步骤5-1)通过以下公式,计算微源1的电流平均值;
其中,idc1为第一个逆变器的输出电流,idc2为第二个逆变器的输出电流,idcn为第n个逆变器的输出电流,Gd为等效的时延项,k1,k2,...,kn-1为均流精度的比例参数;
步骤5-2)通过电流平均值,计算出电流补偿项;所述电流补偿项δi1通过idc1与作差比较后通过PI控制输出,为电流平均值,电流补偿项的计算公式为:
其中Gpic电流补偿项PI控制器的传递函数;
步骤5-3)根据计算出来的微源1的参考输出电压和计算出来的电流补偿项,计算得到微源1的实际输出电压Vdc1,
其中,β1为与线路阻抗和负载有关的定常数,Gpi,Gc分别为电压控制环中的电压环和电流环的传递函数;idc1为微源1的逆变器输出电流,idc1=(Vdc1-V)/(Rd1+Rline1);由于电压计算公式中包含有电流补偿项和电压控制环,因此可以很好的实现高精度的均流精度,并且得到稳定的输出电压;
步骤5-4)对微网中的每个逆变器均采用上述均流控制算法,且电流的均流精度满足如下等式,
本发明的有益效果在于:本发明提供的一种直流微网高精度均流控制与优化系统及方法,在考虑线路阻抗参数的情况下,通过配置相应的均流精度比例参数以实现电能损耗最小化;并且利用低带宽通讯技术,设计均流控制算法,提高微源输出的均流精度;本发明提供的一种直流微网高精度均流控制与优化方法,基于低带宽通讯技术,由于具有分散式控制的特点,具有即插即用性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:
图1为直流微电网构成框图;
图2为本发明所述系统的控制框图;
图3为微电源简化戴维南模型;
图4为本发明所述方法的流程图;
图5为电流平均值计算单元和电流补偿项模块;
图6为均流控制算法框图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
直流微电网的基本构成如图1所示,通常包含有微电源、逆变装置、直流母线、负载、储能装置等。
如图1所示,对于像太阳能、燃料电池等直流微电源只需要DC/DC逆变装置,同时对于直流负载和储能装置也只需用DC/DC逆变装置,显然DC/DC逆变装置比DC/AC逆变装置的控制要简单。同时,在该直流微电网的直流总线上没有无功功率和频率这些概念,这使得对直流微电网的控制比交流微电网要简单。
本发明提供的一种直流微网高精度均流控制与优化系统,如图2所示,所述系统包括均流精度比例参数计算器、均流精度控制器;所述均流精度控制器包括电压传感器、电流传感器和功率传感器,本地控制器,微源的逆变器;本地控制器中含有均流控制单元、电压控制单元。均流精度比例参数计算器和本地控制器为DSP芯片。
电压传感器、电流传感器和功率传感器用于采集逆变器的输出电流、输出电压、功率信息;并将信息传输至比例参数计算器和本地控制器;均流精度比例参数计算器用于根据电能损耗最小化计算均流精度比例参数,并将该参数信息传输至本地控制器;本地控制器根据均流精度比例参数、输出电流、输出电压、功率信息调整PWM波的输出,进而控制微源逆变器的输出。
系统还包括低带宽通讯层;电压传感器、电流传感器和功率传感器采集逆变器的输出电流、输出电压、功率的信息后将其传输至低带宽通讯层和均流精度比例参数计算器;均流精度比例参数计算器根据电能损耗最小化计算出均流精度比例参数并传输至低带宽通讯层;所述低带宽通讯层将均流精度比例参数、逆变器的输出电流、输出电压、功率信息传送至本地控制器,低带宽通讯层仅用于传输信息。
将低带宽通讯的方法引入到对微网的控制中去,通过引入低带宽通讯的方法,在通讯层,将均流精度比例参数、其他微源的输出电压和输出电流等相关信息传输到本微源中去,在本地微源中,设计均流控制算法,利用传输过来的信息提高均流精度。
此低带宽通讯层并不是集中式的控制器,该通讯层仅仅是传输相关信息的作用,没有计算与控制的功能。均流精度在没有通讯层存在的情况下精度有一定的下降,但这不影响系统的稳定性。并且,这种设计方式仍是分散式的,通讯层的负担也不会太大。
将直流微网的模型简化为戴维南等效模型,含有三个微电源的微电网模型如图3所示。图中Vdcn为微源的实际电压输出值,idcn为微电源的输出电流,Rdn微电源的输出阻抗,Rlinen为传输线上的阻抗,V为负载端母线上的电压。
通过该简化的电路模型我们可以看出,由于电路上存在线路阻抗,为了降低线路上的电能损耗,必须设计相应的控制算法以实现。在本发明中首先通过分析电能损耗函数,得到电能损耗函数与均流精度的关系,然后设计均流精度控制算法,以期降低电路上的电能损耗。
因此本发明提供的一种直流微网高精度均流控制与优化方法,如图4所示,该方法包括以下步骤:
步骤1)系统初始化,给定线路阻抗、负载阻抗和滤波器频率等相关参数;
步骤2)设定负载母线上的参考电压信息;
步骤3)根据电能损耗函数计算均流精度比例参数;
为了减少电路中由于线路阻抗引起的电能损耗,针对微网模型导出电能损耗函数,并从该函数中导出计算均流精度比例参数的方法;
设直流微网中含有n个微源,m个负载;il1,il2,...,ilm分别为流过负载1,负载2,…,负载m的电流;电能损耗函数为:
假定均流精度比例参数为:
将式(2)代入到式(1)中,可得
假定负载母线端的电压通过控制保持恒定不变,则负载端的电流也保持不变,即il1+il2保持恒定不变,且有idc1+idc2+idc3+…+idcn=il1+il2+…+ilm,将(2)式代入此式得:
将(4)式代入(3)式中得
通过分析该电能损耗函数,得出电能损耗主要与均流精度的比例参数有关,要想电能损耗最小化,对电能损耗求偏导,并令偏导数小于等于零,即有通过此式可以计算出合适的均流精度比例参数,该比例参数实现了电能损耗最小化。
针对图3所示的微网模型导出电能损耗函数,微网由三个微源和两个负载构成,并从该函数中导出计算均流精度比例参数的方法。
定义针对图3所示的电能损耗函数为:
并假定均流精度比例参数为:
将式(2)代入到式(1)中,可得
假定负载母线端的电压通过控制保持恒定不变,则负载端的电流也保持不变,即il1+il2保持恒定不变,且有idc1+idc2+idc3=il1+il2,将(2)式代入此式得:
将(4)式代入(3)式中得
对电能损耗求偏导,并令偏导数小于等于零,即有
步骤4)根据计算得到的均流精度比例参数以及负载母线上的参考电压、负载等相关信息,计算得到微源n的参考输出电压;
其中,V为负载母线上设定的参考电压,Rdn和Rlinen分别为微源n的输出阻抗和线路上的阻抗,idcn为微源n的输出电流。
微源1的计算公式为:
其中,V为负载母线上设定的参考电压,Rd1和Rline1分别为微源1的输出阻抗和线路上的阻抗,idc1为微源1的输出电流。
步骤5)通过均流控制算法提高均流精度,即间接控制逆变器的输出电压;
步骤5-1)电流平均值的计算框图如图5(a)所示,以微源1为例:通过以下公式,计算微源1的电流平均值;
其中,idc1为第一个逆变器的输出电流,idc2为第二个逆变器的输出电流,idcn为第n个逆变器的输出电流,Gd为等效的时延项,k1,k2,...,kn-1为均流精度的比例参数;
微网中含有三个微电源,计算微源1的电流平均值为:
其中,idc1为第一个逆变器的输出电流,idc2为第二个逆变器的输出电流,idc3为第三个逆变器的输出电流,Gd为等效的时延项,k1,k2为均流精度的比例参数;
步骤5-2)计算平均电流的目的是为了计算出电流补偿项,电流补偿项与均流精度比例系数和平均电流有关,微源1的逆变器具体电流补偿项框图如图5(b)所示。
通过电流平均值,计算出电流补偿项;所述电流补偿项δi1通过idc1与作差比较后通过PI控制输出,为电流平均值,电流补偿项的计算公式为:
其中Gpic为电流补偿项PI控制器的传递函数;
步骤5-3)利用计算出来的电流补偿项和微源1参考输出电压,以及设定的负载母线上的参考电压,可以构造如图6所示的均流控制算法框图。
如图6中所示,电压控制环为闭环,其内部主要为该控制环的传递函数,具体为电压PI控制器和电流控制器的传递函数,并且该电流控制器传递函数可以简化为一个时延单元。由图6可得,微源1的逆变器输出电流为:idc1=(Vdc1-V)/(Rd1+Rline1),其中Vdc1为微源1的逆变器的输出电压,且β1为与线路阻抗和负载有关的定常数,当该参数不知时,可以采用自适应的算法获得,Gpi,Gc分别为电压控制环中的电压环和电流环的传递函数;
步骤5-4)微网中的每个逆变器均采用上述均流控制算法,提高微源的均流精度,电流的均流精度满足如下等式:
直流微网中含有三个微源,两个负载,电流的均流精度满足如下等式:
步骤6)进而控制逆变器的输出,使得微网线路上的电能损耗最小,而且均流精度满足要求,并将逆变器输出的相关信息通过传感器反馈给低带宽通讯层。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种直流微网高精度均流控制与优化系统,其特征在于:所述系统包括均流精度比例参数计算器、均流精度控制器;所述均流精度控制器包括电压传感器、电流传感器和功率传感器,本地控制器,微源的逆变器;所述电压传感器、电流传感器和功率传感器用于采集逆变器的输出电流、输出电压、功率信息,并将信息传输至比例参数计算器和本地控制器;所述均流精度比例参数计算器用于根据电能损耗最小化计算均流精度比例参数,并将该参数信息传输至本地控制器;所述本地控制器根据均流精度比例参数、输出电流、输出电压、功率信息调整PWM波的输出,进而控制微源逆变器的输出。
2.根据权利要求1所述的一种直流微网高精度均流控制与优化系统,其特征在于:所述系统还包括低带宽通讯层;电压传感器、电流传感器和功率传感器采集微源逆变器的输出电流、输出电压、功率的信息后将其传输至低带宽通讯层和均流精度比例参数计算器;均流精度比例参数计算器根据电能损耗最小化计算出均流精度比例参数并传输至低带宽通讯层;所述低带宽通讯层将均流精度比例参数、逆变器的输出电流、输出电压、功率信息传送至本地控制器;所述低带宽通讯层仅用于传输信息。
3.根据权利要求1所述的一种直流微网高精度均流控制与优化系统,其特征在于:所述均流精度比例参数计算器为DSP芯片。
4.根据权利要求1所述的一种直流微网高精度均流控制与优化系统,其特征在于:所述本地控制器为DSP芯片。
5.根据权利要求1所述的一种直流微网高精度均流控制与优化系统,其特征在于:所述本地控制器中含有均流控制单元、电压控制单元。
6.一种直流微网高精度均流控制与优化方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
步骤1)系统初始化,设定线路阻抗、负载阻抗和滤波器频率相关参数;
步骤2)设定负载母线上的参考电压信息;
步骤3)根据电能损耗函数计算均流精度比例参数;
步骤4)根据计算得到的均流精度比例参数以及负载母线上的参考电压、负载等相关信息,计算微源的参考输出电压;
步骤5)通过均流控制算法提高均流精度,即间接控制逆变器的输出电压;
步骤6)控制逆变器的输出,使得微网线路上的电能损耗最小,而且均流精度满足要求,并将逆变器输出的相关信息通过传感器反馈给低带宽通讯层。
7.根据权利要求6所述的一种直流微网高精度均流控制与优化方法,其特征在于:所述步骤3)通过以下公式计算均流精度比例参数,
其中,直流微网中含有n个微源,m个负载;il1,il2,...,ilm分别为流过负载1,负载2,...,负载m的电流,且它们的和为常数;k1,k2,...,kn-1为待定的均流精度比例参数;Rdn为微电源的输出阻抗,Rlinen为传输线上的阻抗。
8.根据权利要求6所述的一种直流微网高精度均流控制与优化方法,其特征在于:所述步骤4)中微源n的参考输出电压为:
其中,V为负载母线上设定的参考电压,Rdn和Rlinen分别为微源n的输出阻抗和线路上的阻抗,idcn为微源n的输出电流。
9.根据权利要求6所述的一种直流微网高精度均流控制与优化方法,其特征在于:所述步骤5)中的均流控制算法具体包括以下步骤:以微源1为例:
步骤5-1)通过以下公式,计算微源1的电流平均值;
其中,idc1为第一个逆变器的输出电流,idc2为第二个逆变器的输出电流,idcn为第n个逆变器的输出电流,Gd为等效的时延项,k1,k2,...,kn-1为均流精度的比例参数;
步骤5-2)通过电流平均值,计算出电流补偿项;所述电流补偿项δi1通过idc1与作差比较后通过PI控制输出,为电流平均值,电流补偿项的计算公式为:
其中,Gpic为电流补偿项PI控制器的传递函数;
步骤5-3)根据计算出来的微源1的参考输出电压和计算出来的电流补偿项,计算得到微源1的实际输出电压Vdc1,
其中,β1为与线路阻抗和负载有关的定常数,Gpi,Gc分别为电压控制环中的电压环和电 流环的传递函数;idc1为微源1的逆变器输出电流,idc1=(Vdc1-V)/(Rd1+Rline1);
步骤5-4)对微网中的每个逆变器均采用上述均流控制算法,则电流的均流精度满足如下等式,
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170517 Termination date: 20190521 |
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