CN104810822B - 一种微网双向dc/dc变化下垂系数的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法，包括，检测输出侧的直流母线电压Udc和直流母线电流Idc；将所述Udc、Idc、直流母线电压设定值和下垂系数初始值k0输入直流母线下垂控制器中；将所述直流母线电压Udc与直流母线电压设定值进行比较，确定DC/DC工作区域，并调节各区域下垂系数；计算DC/DC输出电压参考值Udc_ref；将所述直流母线电压参考值Udc_ref与直流母线电压Udc的差值送入直流电压PI调节器，输出为电流环的给定值比较所述和直流母线电流Idc，差值输入直流电流PI调节器，并将输出作为PWM的给定值；生成PWM波，用于控制IGBT的导通和关断，以实现DC/DC的恒压控制；有效解决了下垂控制中DC/DC输出功率无法在线调节的问题，提高了直流汇集系统的动态性能、稳态性能，减小了储能单元间环流。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法。
背景技术
随着全球化石能源枯竭供应紧张、气候形势严峻，世界各国都认识到了发展新能源的重要性。预计在2014年全球光伏新增装机量将达到43GW，我国将达到14GW，分布式发电约为8GW左右。
新能源发电多数采用交流汇集方案，即新能源发电经过电力电子设备，汇集到低压交流母线，最终通过升压变压器连接到交流配电网。但采用此种方案，存在以下问题：(1)新能源发电直流电压被逆变成交流电压过程中，新能源发电的效率降低，交流传输也会产生线路损耗，从而导致发电系统成本的增加；(2)分布式电源与系统直接相连，分布式电源与系统耦合较强，分布式电源侧或系统侧故障相互影响，导致故障扩大化；(3)输送相同的功率，交流电缆造价高，与直流电缆相比，交流电缆运行时存在电阻损耗外，还有绝缘中的介质损耗以及磁感应损耗，年运行费用高。
相比之下直流汇集系统具有以下优点：(1)直流汇集方案将分布式电源与系统之间存在直流隔离和缓冲，对电源测、系统侧电能质量、故障问题形成有效隔离与控制；(2)无集肤效应，直流电源线提供了更强带载能力，直流微网比交流微网抗扰性更好，而且在基础设施的投资上花费较少；(3)直流汇集不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性大大提高，因而更加适合分布式电源与负载的接入；(4)直流电在传输过程中不需要考虑线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。
目前直流汇集系统中母线电压控制主要有主从控制、下垂控制两种。主从控制，是将一个储能单元作为主单元采用恒压控制，其余储能单元作为从单元采用恒流控制。采用主从控制可以根据所有储能单元总直流母线电流对各从储能单元输出进行调节，控制精度高，且各储能单元不会出现环流，但采用该控制策略则系统无法采用冗余控制，若主储能单元发生故障则整个系统无法正常工作。
下垂控制，各储能单元均做恒压控制。采用下垂控制不需要通信线的连接，简化了系统结构，易实现冗余控制，扩容简单方便。但是由于直流电压给定值需经下垂控制器校正，会使直流母线电压有一定偏差。当下垂控制系数较小时直流母线电压偏差较小，但调节速度较慢，动态性能较差；当下垂控制系数较大时调节速度快，系统动态性能好，但直流母线电压偏差较大，特别是当功率流动较大时电压会更为明显。并且一旦下垂控制系数确定后各储能单元充放电功率比例即确定，无法再次进行调节。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法，采用变系数下垂控制控制策略以恒定母线电压；在传统下垂控制的基础之上根据母线电压偏差以及储能系统自身容量不断调节下垂系数，当母线电压偏差较小即系统内功率流动较小时增大下垂系数提高系统动态性能，当母线电压偏差较大即系统内功率流动较大时减小下垂控制系数，以减小母线电压偏差；通过对各储能单元下垂系数的调节从而控制其充放电功率大小，以提高各储能单元的利用率，使整个系统能够长期安全稳定的运行；有效解决了下垂控制中DC/DC输出功率无法在线调节的问题，提高了直流汇集系统的动态性能、稳态性能，减小了储能单元间环流。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法，所述方法包括：
(1)检测输出侧的直流母线电压Udc和直流母线电流Idc；
(2)将所述直流母线电压Udc、直流母线电流Idc、直流母线电压设定值和下垂系数初始值k0输入直流母线下垂控制器中；
(3)将所述直流母线电压Udc与直流母线电压设定值进行比较，确定DC/DC工作区域，并调节各区域下垂系数；
(4)计算DC/DC输出电压参考值Udc_ref；
(5)将所述输出电压参考值Udc_ref与直流母线电压Udc的差值送入直流电压PI调节器，直流母线电流环的给定值
(6)比较所述和直流母线电流Idc，差值输入直流电流PI调节器，并将输出作为PWM的给定值；
(7)生成PWM波，用于控制IGBT的导通和关断，以实现DC/DC的恒压控制。
优选的，所述步骤(3)包括，根据实际所需确定DC/DC工作区域，包括正常工作区V1＜Udc≤V0、母线电压偏低1区V2＜Udc≤V1、母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2、母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4、母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5、欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5。
进一步地，处于所述正常工作区V1＜Udc≤V0，直流母线电压Udc的波动在正常范围内，此时分布式新能源发电量与负荷消耗电量基本平衡，各储能单元下垂系数为初始值。
进一步地，处于所述母线电压偏低1区V2＜Udc≤V1，直流母线电压Udc偏低，此时分布式新能源发电量小于负荷消耗量,根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量减小下垂系数：
式(1)中ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki1为第i个储能单元下垂系数变化值，δL1为母线电压偏低1区的下垂系数变化量加权值，SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
所述下垂系数约束条件为：
式(2)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
进一步地，处于母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2，直流母线电压Udc偏低幅度较大；根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量继续减小下垂系数：
式3中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki2为第i个储能单元下垂系数变化值，δL2为母线电压偏低2区的下垂系数变化量加权值，且满足δL2＞δL1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(4)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
进一步地，处于所述母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4，直流母线电压Udc偏高，此时分布式新能源发电量略高于负荷消耗量，根据直流母线电压升高幅度以及各储能单元自身剩余容量调整下垂系数；
式(5)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki3为第i个储能单元下垂系数变化值，δH1为母线电压偏高1区的下垂系数变化量加权值；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(6)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
进一步地，处于母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5，所述直流母线电压Udc偏高幅度较大，继续提高储能单元下垂系数：
式(7)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki4为第i个储能单元下垂系数变化值，δH2为母线电压偏高2区的下垂系数变化量加权值，且满足δH2＞δH1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(8)中，ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
进一步地，处于欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5，直流母线电压Udc过低，向协调控制器发送欠压故障、过压故障信号。
优选的，所述步骤(4)包括，将步骤(3)得到的下垂系数ki(t+1)，带入式(10)中，计算下一时刻第i台DC/DC的给定值Udc_ref_i；
式(10)中，Idc_i为第i台DC/DC的下垂控制曲线。
优选的，所述步骤(4)中，DC/DC输出电压参考值为其中n为母线个数。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
(1)采用变系数下垂控制控制策略以恒定母线电压。在传统下垂控制的基础之上根据母线电压偏差以及储能系统自身容量不断进行下垂控制曲线的调节，当母线电压偏差较小即系统内功率流动较小时增大下垂系数提高系统动态性能，当母线电压偏差较大即系统内功率流动较大时减小下垂控制系数，以减小母线电压偏差；从而提高了系统动态性能、静态性能；实现整个系统的冗余控制，提高了系统的稳定性。
(2)通过对各储能单元下垂控制系数的调节可进一步控制其充放电功率大小，以提高各储能单元的利用率，使整个系统能够长期安全稳定的运行；有效解决了下垂控制中DC/DC输出功率无法在线调节的问题，提高了直流汇集系统的动态性能、稳态性能，减小了储能单元间环流。
(3)采用变系数下垂控制各DC/DC间不需要进行通讯连接，简化了系统结构。
附图说明
图1为本发明提供的微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法流程图；
图2本发明提供的微网系统结构示意图；
图3本发明提供的直流母线电压工作区域划分图；
图4本发明提供的变系数下垂控制框图；
图5本发明提供的下垂控制特性曲线示意图；
图6本发明提供的变系数下垂控制实验拓扑图；
图7本发明提供的变系数下垂控制波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
结合如图1和图2所示，一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法，所述方法包括：
(1)检测输出侧的直流母线电压Udc和直流母线电压电流Idc；
(2)将所述直流母线电压Udc、直流母线电流Idc、直流母线电压设定值和下垂系数初始值k0输入直流母线下垂控制器中；
(3)将所述直流母线电压Udc与直流母线电压设定值进行比较，确定DC/DC工作区域，并调节各区域下垂系数；
系统中光伏、风电以及各储能单元在直流母线处汇集，因而可以根据母线电压的变化判断潮流流向以及功率波动的大小。如图3所示，所述步骤(3)为了控制方便根据实际所需定义将直流母线电压Udc分为7个区域，所述DC/DC工作区域包括正常工作区V1＜Udc≤V0、母线电压偏低1区V2＜Udc≤V1、母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2、母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4、母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5、欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5。
处于所述正常工作区V1＜Udc≤V0，直流母线电压Udc的波动在正常范围内，此时分布式新能源发电量与负荷消耗电量基本平衡，各储能单元下垂系数为初始值。
处于所述母线电压偏低1区时V2＜Udc≤V1，直流母线电压Udc偏低，此时分布式新能源发电量小于负荷消耗量,根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量减小下垂系数：
式(1)中ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki1为第i个储能单元下垂系数变化值，δL1为母线电压偏低1区的下垂系数变化量加权值，SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
所述下垂系数约束条件为：
式(2)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
处于母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2，直流母线电压Udc偏低幅度较大；根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量继续减小下垂系数：
式3中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki2为第i个储能单元下垂系数变化值，δL2为母线电压偏低2区的下垂系数变化量加权值，且满足δL2＞δL1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(4)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
处于所述母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4，直流母线电压Udc偏高，此时分布式新能源发电量略高于负荷消耗量；根据直流母线电压升高幅度以及各储能单元自身剩余容量调整下垂系数；
式(5)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki3为第i个储能单元下垂系数变化值，δH1为母线电压偏高1区的下垂系数变化量加权值；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(6)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
处于母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5，所述直流母线电压Udc偏高幅度较大，继续提高储能单元下垂系数：
式(7)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki4为第i个储能单元下垂系数变化值，δH2为母线电压偏高2区的下垂系数变化量加权值，且满足δH2＞δH1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为初始时刻容量；
下垂系数约束条件为：
式(8)中，ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
处于欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5，直流母线电压Udc过低，向协调控制器发送欠压故障、过压故障信号。
(4)计算DC/DC输出电压参考值Udc_ref；所述步骤(4)包括，将步骤(3)得到的下垂系数ki(t+1)，带入式(10)中，计算下一时刻第i台DC/DC的给定值Udc_ref_i；不同DC/DC的下垂控制曲线如图5所示。
式(10)中，Idc_i为第i台DC/DC的下垂控制曲线。所述步骤(4)中，DC/DC输出电压参考值为其中n为母线个数。
(5)将所述直流母线电压参考值Udc_ref与直流母线电压Udc的差值送入直流电压PI调节器，直流母线电流环的给定值
(6)比较所述和直流母线电流Idc，差值输入直流电流PI调节器，并将输出作为PWM的给定值；
(7)生成PWM波，用于控制IGBT的导通和关断，以实现DC/DC的恒压控制。
如图6所示，包括：电池1、电池2、DC/DC1和DC/DC2；所述电池1、电池2分别与DC/DC1、DC/DC2直流低压侧相连，所述DC/DC1和所述DC/DC2的输出侧并联，空载电压为750V；将一台变流器直流侧与DC/DC高压侧相连，并按照50kW放电运行。其中，所述电池1和电池2的电压分别为600V、650V。
变化系数下垂控制时DC/DC1和DC/DC2的输出波形如图7所示，初始时将两台DC/DC的下垂系数相同，稳定运行一段时间后DC/DC1的下垂系数减小为原系数的0.5倍，电流增大为原来2倍，调节时间约为40ms。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种微网双向DC/DC变化下垂系数的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)检测输出侧的直流母线电压Udc和直流母线电流Idc；
(2)将所述直流母线电压Udc、直流母线电流Idc、直流母线电压设定值和下垂系数初始值k0输入直流母线下垂控制器中；
(3)将所述直流母线电压Udc与直流母线电压设定值进行比较，确定DC/DC工作区域，并调节各区域下垂系数；
(4)计算DC/DC输出电压参考值Udc_ref；
(5)将所述输出电压参考值Udc_ref与直流母线电压Udc的差值送入直流电压PI调节器，直流母线电流环的给定值
(6)比较所述和直流母线电流Idc，差值输入直流电流PI调节器，并将输出作为PWM的给定值；
(7)生成PWM波，用于控制IGBT的导通和关断，以实现DC/DC的恒压控制；
所述步骤(3)包括：根据实际所需确定DC/DC工作区域，包括正常工作区V1＜Udc≤V0、母线电压偏低1区V2＜Udc≤V1、母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2、母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4、母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5、欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5；
处于所述正常工作区V1＜Udc≤V0，直流母线电压Udc的波动在正常范围内，此时分布式新能源发电量与负荷消耗电量基本平衡，各储能单元下垂系数为初始值；
处于所述母线电压偏低1区V2＜Udc≤V1，直流母线电压Udc偏低，此时分布式新能源发电量小于负荷消耗量,根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量减小下垂系数：
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式(1)中ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki1为第i个储能单元下垂系数变化值，δL1为母线电压偏低1区的下垂系数变化量加权值，SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为第i个储能单元的初始时刻容量；
所述下垂系数约束条件为：
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式(2)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处于母线电压偏低2区V3＜Udc≤V2，直流母线电压Udc偏低幅度较大；
根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量继续减小下垂系数：
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<mn>3</mn>
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</mrow>
</mrow>
式3中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki2为第i个储能单元下垂系数变化值，δL2为母线电压偏低2区的下垂系数变化量加权值，且满足δL2＞δL1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为第i个储能单元的初始时刻容量；
下垂系数约束条件为： (4)；
<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式(4)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处于所述母线电压偏高1区V0＜Udc≤V4，直流母线电压Udc偏高，此时分布式新能源发电量略高于负荷消耗量；根据直流母线电压升高幅度以及各储能单元自身剩余容量调整下垂系数；
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(5)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki3为第i个储能单元下垂系数变化值，δH1为母线电压偏高1区的下垂系数变化量加权值；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为第i个储能单元的初始时刻容量；
下垂系数约束条件为： (6)；
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
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<mi>k</mi>
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<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式(6)中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处于母线电压偏高2区V4＜Udc≤V5，所述直流母线电压Udc偏高幅度较大，继续提高储能单元下垂系数：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(7)中，ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki4为第i个储能单元下垂系数变化值，δH2为母线电压偏高2区的下垂系数变化量加权值，且满足δH2＞δH1；SOCi为第i个储能单元的SOC，Si为第i个储能单元的初始时刻容量；
下垂系数约束条件为： (8)
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式(8)中，ki_max、ki_min分别为下垂系数最大、最小值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处于欠压故障区Udc≤V3和过压故障区Udc＞V5时，直流母线电压Udc过低，此时自动向协调控制器发送欠压故障、过压故障信号。
6.如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括，将步骤(3)得到的下垂系数ki(t+1)，带入式(10)中，计算下一时刻第i台DC/DC的给定值Udc_ref_i；
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</mrow>
2
式(10)中，Idc_i为第i台DC/DC的下垂控制曲线。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，DC/DC输出电压参考值为其中n为母线个数。
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