CN105207193A - 一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法。其中，关键负载和非关键负载的定义与当前的交流ES类似。DCES采用了能量双向的DC/DC变换器实现，同时还采用了直流变压器的概念，改变了当前交流ES中非关键负载的位置，以实现非关键负载的电压单调地随着电网电压的变化而变化。当可再生能源发电输出的直流电压偏离正常值时，DCES既能保证关键负载电压精确地跟随给定值，又能将输入直流电压的波动转移给非关键负载，从而实现电压和功率的自动平衡。本发明特别适用于屋顶光伏发电系统和小型风力发电系统，对于直流电力系统及直流微电网的电压稳定显得尤为重要。采用本发明后，普通用户可以直接使用自身发电给关键负载供电。

Description

一种直流电力弹簧拓扑及其控制方法

技术领域

本发明属于智能电网运行控制技术领域，涉及一种应用于直流电力系统及直流微电网的直流电力弹簧拓扑结构及其控制方法。

背景技术

新能源微电网代表了未来能源的发展趋势，是“互联网+”在能源领域的创新型应用。为此，国家能源局在可再生能源发展规划中将其作为可再生能源和分布式能源发展的重要方向。作为可再生能源微电网不可或缺的一部分，直流微电网也逐步得到普及和应用，国家对于屋顶光伏发电也有政策扶持。然而，当大量的分布式发电并网尤其是并入微电网后，由于太阳能、风能等可再生能源的间歇性和不稳定性，必然会影响直流电网电压的稳定，如何保证直流电网的稳定运行和供电功能已成为直流电网建设的重要研究课题。目前，直流电网的控制有很多种。然而，与当前交流供电系统的控制方式类似，针对直流电网的控制均是基于集中式的，无法满足未来智能电网中大范围、高比例的分布式发电并网的要求。几年前问世的电力弹簧(ElectricSpring，ES)虽可以被广泛应用于分布式发电系统中，但是，ES的问世主要是针对交流微电网应用场合，还未见基于DC/DC变换器实现的直流电力弹簧(DirectCurrentElectricSpring，DCES)应用于直流微电网的相关报道。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于直流微电网的直流电力弹簧拓扑及其控制方法，使得DCES能在电网电压波动的情况下实现发电量和用电量的自动平衡。

发明内容：一种直流电力弹簧拓扑，包括一个双向DC/DC变换器、一个单向DC/DC变换器、第一单相H桥、第二单相H桥、第一滤波电容、第二滤波电容以及直流源；所述双向DC/DC变换器的输入连接直流源，所述双向DC/DC变换器的输出并联第一滤波电容，同时所述双向DC/DC变换器的正输出端连接电阻以及关键负载的一端，所述电阻的另一端连接可再生能源发电输出的直流电正极，所述关键负载的另一端与可再生能源发电输出的直流电负极，所述关键负载两端并联第三滤波电容；所述单向DC/DC变换器的输入连接第一单相H桥的输出，所述单向DC/DC变换器的输出并联第二滤波电容并连接第二单相H桥的输入；所述第一单相H桥的一个输入端同时连接所述直流源的负极以及所述双向DC/DC变换器的负输出端，所述第一单相H桥的另一个输入端连接可再生能源发电输出的直流电负极；非关键负载连接在所述双向DC/DC变换器的正输出端与单向DC/DC变换器的一个输出端之间，所述单向DC/DC变换器的另一个输出端连接可再生能源发电输出的直流电负极。

进一步的，所述双向DC/DC变换器包括第一开管Q₁、第二开关管Q₂以及第一电感L₁，所述第一电感L₁的一端同时连接第一开管Q₁的漏极和第二开关管Q₂的源极；所述第一电感L₁的另一端以及第一开管Q₁的源极作为所述双向DC/DC变换器的输入，第一电感L₁连接所述直流源的正极，第一开管Q₁的源极连接所述直流源的负极。

一种直流电力弹簧拓扑的控制方法，包括对双向DC/DC变换器的控制，对单向DC/DC变换器的控制以及对所述第一单相H桥和第二单相H桥的控制；其中，所述双向DC/DC变换器的控制包括如下步骤：

1)，采集关键负载两端电压V_C，并采集经过第一开管Q₁的电流i_Q1，以及经过第二开关管Q₂的电流i_Q2；

2)，将所述关键负载两端电压V_C与其参考值V_Cref作差得到误差值E₁；

3)，将所述误差值E₁经过比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去所述电流i_Q1得到差值X₁；

4)，将所述误差值E₁的相反值-E₁经比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去所述电流i_Q2得到差值X₂；

5)，将所述差值X₂逻辑取反之后再跟所述差值X₁进行逻辑与，其结果作为所述第一开管Q₁的驱动信S₁；

6)，将所述差值X₁逻辑取反之后再跟所述差值X₂进行逻辑与，其结果作为所述第二开关管Q₂的驱动信S₂；

控制所述第一单相H桥使得输入所述单向DC/DC变换器的电压信号始终为正电压，控制所述单向DC/DC变换器使得其输出信号和输入信号幅值相同，控制所述第二单相H桥使得：当可再生能源发电输出的直流电的电压大于额定电压值时，所述第二单相H桥与关键负载连接的输出端的电位高于所述第二单相H桥与非关键负载连接的输出端的电位；当可再生能源发电输出的直流电的电压小于额定电压值时，所述第二单相H桥与关键负载连接的输出端的电位低于所述第二单相H桥与非关键负载连接的输出端的电位。

有益效果：与现有的ES相比，本发明的直流电力弹簧拓扑及其控制方法适用于直流微电网，例如屋顶光伏发电系统和小型风力发电系统，当再生能源发电系统输出直流电压和功率发生较大波动时，DCES既能保证关键负载的电压精确地跟踪给定值，又通过控制将波动的能量转移给非关键负载，以减少对储能装置的充放电功率，提高系统的可靠性。同时，相对于传统的ES拓扑结构而言，本发明的DCES拓扑采用DC/DC变换器，控制更简单。采用本发明后，普通用户可以直接使用自身发电给关键负载供电。

附图说明

图1是本发明的DCES拓扑结构图；

图2是实施例中电力弹簧拓扑结构图；

图3是DCES中双向DC/DC变换器的控制框图；

图4是当可再生能源发电输出电压小于设定值110V时的仿真波形；

图5是当可再生能源发电输出电压等于设定值时的仿真波形；

图6是当可再生能源发电输出电压大于设定值时的仿真波形。

图中各标号定义如下：

1.1为直流源V_dc，1.2为第一电感L₁，1.3为第一开管Q₁，1.4为第二开关管Q₂，1.5为第一滤波电容C₁，1.6为直流电力弹簧，1.7为非关键负载R_NC，1.8为关键负载R_C，1.9为第三滤波电容C₃，1.10为电阻R₁，1.11为可再生能源发电输出的直流电V_in，1.12为反激式变换器，1.13为第二单相H桥，1.14为第一单相H桥。2.1和2.2为减法器，2.3和2.4为PI控制器，2.5和2.6为限幅，2.7和2.8为比较器，2.9和2.10为逻辑反相器，2.11和2.12为逻辑与门，2.13为关键负载两端电压采样值，2.14为关键负载两端电压参考值V_{C_ref}，2.15和2.16为第一开管Q₁和第二开关管Q₂的驱动信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图2所示，一种直流电力弹簧拓扑包括一个双向DC/DC变换器、一个单向DC/DC变换器、第一单相H桥、第二单相H桥、第一滤波电容C₁、第二滤波电容C₂以及直流源V_dc。直流源V_dc可以是蓄电池、能量双向的AD/DC或DC/DC电源。

其中，双向DC/DC变换器包括反向并联二极管D₁的第一开管Q₁、反向并联二极管D₂的第二开关管Q₂以及第一电感L₁。第一电感L₁的一端同时连接第一开管Q₁的漏极和第二开关管Q₂的源极，第一电感L₁的另一端以及第一开管Q₁的源极作为双向DC/DC变换器的输入，第一电感L₁连接直流源V_dc的正极，第一开管Q₁的源极连接直流源V_dc的负极。双向DC/DC变换器的输出并联第一滤波电容C₁，即第一滤波电容C₁连接在第一开管Q₁的源极和第二开关管Q₂的漏极之间。同时，第二开关管Q₂的漏极和第一滤波电容C₁的公共点作为双向DC/DC变换器的正输出端连接电阻R₁的一端以及关键负载R_C的一端，电阻R₁的另一端连接可再生能源发电输出的直流电V_in正极，关键负载R_C的另一端与可再生能源发电输出的直流电V_in负极，关键负载两端并联有第三滤波电容C₃；电阻R₁即为可再生能源发电输出到负载的输电线路电阻值。第一开管Q₁的源极和第一滤波电容C₁的公共点作为双向DC/DC变换器的负输出端。双向DC/DC变换器用于实现能量双向流动，不以上述拓扑为限，第一开管Q₁和第二开关管Q2可以是MOSFET或IGBT。

第二单相H桥的结构与第一单相H桥的结构相同；第一桥臂开关管与第三桥臂开关管的公共点A作为单相H桥的一个输入，第二桥臂开关管与第四桥臂开关管的公共点B作为单相H桥的另一个输入端，第一桥臂开关管与第二桥臂开关管的公共点M作为单相H桥的一个输出端，第三桥臂开关管与第四桥臂开关管的公共点N作为单相H桥的另一个输出端。

第一单相H桥的输入端B同时连接直流源V_dc的负极以及双向DC/DC变换器的负输出端，第一单相H桥的输入端A连接可再生能源发电输出的直流电V_in负极。本实施例中，单向DC/DC变换器选用反激式变换器，单向DC/DC变换器的输入连接第一单相H桥的输出，单向DC/DC变换器的输出并联第二滤波电容C₂并连接第二单相H桥的输入，即单向DC/DC变换器的正输入端连接第一单相H桥的输出端M，单向DC/DC变换器的负输入端连接第一单相H桥的输出端N。单向DC/DC变换器的正输出端连接第二单相H桥的输入端A，单向DC/DC变换器的负输出端连接第二单相H桥的输入端B，第二滤波电容C₂连接在单向DC/DC变换器的输出端之间。非关键负载R_NC连接在双向DC/DC变换器的正输出端与单向DC/DC变换器的输出端M之间，双向DC/DC变换器的输出端N连接可再生能源发电输出的直流电V_in负极。单向DC/DC变换器还可以选用移相全桥变换器。

上述直流电力弹簧拓扑中，单向DC/DC变换器采用开环控制，控制单向DC/DC变换器的输入电压和输出电压的幅值相等；双向DC/DC变换器的控制包括如下步骤：

1)，采集关键负载R_C两端电压V_C，并采集经过第一开管Q₁的电流i_Q1，以及经过第二开关管Q₂的电流i_Q2；

2)，将关键负载R_C两端电压V_C与其参考值V_{C_ref}作差得到误差值E₁；

3)，将误差值E₁经过比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去电流i_Q1得到差值X₁；

4)，将误差值E₁的相反值-E₁经比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去电流i_Q2得到差值X₂；

5)，将差值X₂逻辑取反之后再跟差值X₁进行逻辑与，其结果作为第一开管Q₁的驱动信S₁；

6)，将差值X₁逻辑取反之后再跟差值X₂进行逻辑与，其结果作为第二开关管Q₂的驱动信S₂。

第二单相H桥与第一单相H桥接中相同序号的桥臂上的开关管接同样的控制信号，控制方法为：第二桥臂开关管与第三桥臂开关管的控制信号相同并与第一桥臂开关管、第四桥臂开关管的控制信号为互补信号。当可再生能源发电输出的直流电的电压小于额定电压值时，第一单相H桥和第二单相H桥的第一桥臂开关管与第三桥臂开关管的控制信号为高电平；当可再生能源发电输出的直流电的电压大于额定电压值时，第一单相H桥和第二单相H桥的第一桥臂开关管与第三桥臂开关管的控制信号为低电平。

为了分析方便，仿真时设置双向DC/DC变换器输入端的直流源V_dc为48V；滤波电容都选择电解电容2200uF，且都并有高频CBB电容1uF；关键负载R_C选取纯电阻2000Ω，用50Ω的纯电阻代替非关键负载R_NC，输电线等效电阻R₁为1Ω、等效电感L₁为1mH，可再生能源发电产生的直流电V_in电压参考值为110V，反激式变换器开环运行，其变压器匝比为1∶2、占空比为1/3、开关频率为20kHz。

图4是当可再生能源发电输出电压小于设定值110V时的仿真波形，从上到下的三个通道依次是双向DC/DC变换器的输出电压、非关键负载电压和关键负载电压波形；从图4可以看出，当可再生能源发电输出的电压V_in为90V时，关键负载电压V_C被控制在110V，同时非关键负载电压V_NC小于110V。这是因为此时V_in为90V时小于参考电压110V，可再生能源所发出的电能低于正常值，为了保证关键负载的电压稳定，必须通过控制DCES的输出去适当降低非关键负载的功耗，以使得总的负载功率自动随着输入功率的变化而变化，电力弹簧的调节过程为：控制图2中的双向DC/DC变换器工作在升压模式，其能量流向为从左至右；控制第一单相H桥保证输入单向DC/DC变换器的电压为正电压；单向DC/DC变换器将输入电压取反后输出，输出电压幅值与输入电压幅值不变，单向DC/DC变换器同时起到了隔离的作用；控制第二单相H桥使得非关键负载R_NC与单向DC/DC变换器输出端M连接点的电位高于关键负载R_C与单向DC/DC变换器输出端N连接点的电位。

从图5可以看出，当可再生能源发电输出电压V_in等于参考电压110V时，关键负载电压V_C为110V，非关键负载电压V_NC等于关键负载电压，此时称为直流微电网电压处于正常值。图6可以看出，当可再生能源发电输出电压大于110V时，关键负载电压V_in依然被控制在110V，但是非关键负载的电压V_NC大于110V，此时的DCES输出电压叠加关键负载电压V_C之后再给非关键负载供电，因此V_NC大于V_C；电力弹簧的调节过程为：控制图2中的双向DC/DC变换器工作在降压模式，其能量流向为从右至左；控制第一单相H桥保证输入单向DC/DC变换器的电压为正电压；单向DC/DC变换器将输入电压取反后输出，输出电压幅值与输入电压幅值不变，单向DC/DC变换器同时起到了隔离的作用；控制第二单相H桥使得非关键负载R_NC与单向DC/DC变换器输出端M连接点的电位低于关键负载R_C与单向DC/DC变换器输出端N连接点的电位。

上述仿真结果表明，DCES的控制效果一方面可以使得V_C稳定，另一方面又能使得V_NC随着输入电压的变化而变化，从而自动使得输入的电能和负载消耗的电能匹配。本发明提出的DCES的相关控制技术，可以应用到电动汽车充电控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种直流电力弹簧拓扑，其特征在于：包括一个双向DC/DC变换器、一个单向DC/DC变换器、第一单相H桥、第二单相H桥、第一滤波电容、第二滤波电容以及直流源；所述双向DC/DC变换器的输入连接直流源，所述双向DC/DC变换器的输出并联第一滤波电容，同时所述双向DC/DC变换器的正输出端连接电阻以及关键负载的一端，所述电阻的另一端连接可再生能源发电输出的直流电正极，所述关键负载的另一端与可再生能源发电输出的直流电负极，所述关键负载两端并联第三滤波电容；所述单向DC/DC变换器的输入连接第一单相H桥的输出，所述单向DC/DC变换器的输出并联第二滤波电容并连接第二单相H桥的输入；所述第一单相H桥的一个输入端同时连接所述直流源的负极以及所述双向DC/DC变换器的负输出端，所述第一单相H桥的另一个输入端连接可再生能源发电输出的直流电负极；非关键负载连接在所述双向DC/DC变换器的正输出端与单向DC/DC变换器的一个输出端之间，所述单向DC/DC变换器的另一个输出端连接可再生能源发电输出的直流电负极。

2.根据权利要求1所述的一种直流电力弹簧拓扑，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括第一开管Q₁、第二开关管Q₂以及第一电感L₁，所述第一电感L₁的一端同时连接第一开管Q₁的漏极和第二开关管Q₂的源极；所述第一电感L₁的另一端以及第一开管Q₁的源极作为所述双向DC/DC变换器的输入，第一电感L₁连接所述直流源的正极，第一开管Q₁的源极连接所述直流源的负极。

3.如权利要求2所述一种直流电力弹簧拓扑的控制方法，其特征在于：包括对双向DC/DC变换器的控制，对单向DC/DC变换器的控制以及对所述第一单相H桥和第二单相H桥的控制；其中，所述双向DC/DC变换器的控制包括如下步骤：

1)，采集关键负载两端电压V_C，并采集经过第一开管Q₁的电流i_Q1，以及经过第二开关管Q₂的电流i_Q2；

2)，将所述关键负载两端电压V_C与其参考值V_{C_ref}作差得到误差值E₁；

3)，将所述误差值E₁经过比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去所述电流i_Q1得到差值X₁；

4)，将所述误差值E₁的相反值-E₁经比例积分控制，其输出值经过限幅后再减去所述电流i_Q2得到差值X₂；

5)，将所述差值X₂逻辑取反之后再跟所述差值X₁进行逻辑与，其结果作为所述第一开管Q₁的驱动信S₁；

6)，将所述差值X₁逻辑取反之后再跟所述差值X₂进行逻辑与，其结果作为所述第二开关管Q₂的驱动信S₂；

控制所述第一单相H桥使得输入所述单向DC/DC变换器的电压信号始终为正电压，控制所述单向DC/DC变换器使得其输出信号和输入信号幅值相同，控制所述第二单相H桥使得：当可再生能源发电输出的直流电的电压大于额定电压值时，所述第二单相H桥与关键负载连接的输出端的电位高于所述第二单相H桥与非关键负载连接的输出端的电位；当可再生能源发电输出的直流电的电压小于额定电压值时，所述第二单相H桥与关键负载连接的输出端的电位低于所述第二单相H桥与非关键负载连接的输出端的电位。