CN105656022B - 一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法。该方法包括如下步骤：将直流母线参考能量E_Busref和直流母线能量E_Bus作差并输入能量环PI控制器，该控制器输出直流母线功率参考值；将直流母线功率参考值、光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat输入至功率环非线性微分平滑控制器，该控制器输出蓄电池参考输出功率p_Batref；通过蓄电池参考输出功率p_Batref和直流母线电压v_Bus获取直流母线参考电流，并进行电流滞环控制，获取三相交错双向变流器的开关信号，进而实现平滑控制。与现有技术相比，本发明具有算法简单、自由度宽、鲁棒性强等优点。

Description

一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光储直流供电系统控制方法，尤其是涉及一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法。

背景技术

分布式光伏发电具有输出电压波动大、系统稳定性差等问题，结合储能技术的分布式光储直流供电系统凭借高品质、高可靠性供电能力得到广泛应用，直流母线电压的稳定控制是实际应用的瓶颈所在，而变流装置的拓扑与控制算法的合理设计是实现光储直流供电直流母线电压稳定控制的可行方案。

变流装置拓扑方面，光伏变流器通常采用Boost电路，储能变流器通常采用Buck-boost电路，由于分布式光储直流供电系统中光伏电池与储能电池的低电压、大电流输出特性，传统变流器必须工作在极端占空比下才能获得较高的电压增益，而在极端占空比时又容易引起较大的电压、电流纹波问题。为避免传统变流器的不足，可采用交错并联变流器，利用各相电感电流纹波的抵消作用，减小输入电流纹波、平滑输出电压波形，有益于提高变流器的动态响应速度及效率。

交错并联变流器控制算法方面，目前工程中广泛采用的是PI控制器，其设计流程明确，能达到功率变流器一般性能要求，但是在输入或负载大范围变化工况下，基于特定工作点设计的PI控制难以保证交错并联变流器系统具有大信号稳定性。针对交错并联变流器本身具有非线性特性，虽然已有滑模控制、反馈线性化控制等多种非线性控制算法，这些算法克服了PI控制稳定域窄的缺点，但计算复杂，实现工程应用存在瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、稳态误差小、系统稳定性好的分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法，所述的分布式光储直流供电系统包括光伏电池、储能蓄电池、三相交错升压变流器、三相交错双向变流器、直流母线和直流负载，所述的光伏电池和储能蓄电池分别通过三相交错升压变流器和三相交错双向变流器并联至直流母线，所述的直流负载并联至直流母线，所述的非线性微分平滑控制方法包括如下步骤：

(1)分别获取直流母线电压v_Bus、直流母线参考电压v_Busref、光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat；

(2)将直流母线电压v_Bus和直流母线参考电压v_Busref分别通过电压-能量转换公式转化为直流母线能量E_Bus和直流母线参考能量E_Busref；

(3)将直流母线参考能量E_Busref和直流母线能量E_Bus作差并输入能量环PI控制器，能量环PI控制器输出直流母线功率参考值

(4)将直流母线功率参考值光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat输入至功率环非线性微分平滑控制器，该功率环非线性微分平滑控制器输出蓄电池参考输出功率p_Batref；

(5)通过蓄电池参考输出功率p_Batref和直流母线电压v_Bus获取直流母线参考电流，并进行电流滞环控制，获取三相交错双向变流器的开关信号，进而实现平滑控制。

光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat分别通过下述公式获得：

其中，v_PV为光伏电池两端电压，p_PV为光伏电池输出总功率，r_PV为三相交错升压变流器的静态损耗电阻，i_Load为流过直流负载的电流，v_Bat为储能蓄电池输出电压，i_Bat为储能蓄电池输出电流。

所述的功率环非线性微分平滑控制器的控制律为：

其中，储能蓄电池充电时，等式右边取正号，储能蓄电池放电时，等式右边取负号，u＝p_Batref，r_Bat为三相交错双向变流器的静态损耗电阻。

所述的能量环PI控制器的控制律为：

其中，K₁比例增益，K₂积分增益，为直流母线参考能量E_Busref的导数。

所述的电压-能量转换公式为：

其中，C_Bus为直流母线电容值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将直流母线电压v_Bus、直流母线参考电压v_Busref转化为直流母线能量E_Bus和直流母线参考能量E_Busref，并通过PI控制器调节形成能量外环，同时能量外环输出作为输入量进入微分平滑控制器形成功率内环，从而形成功率内环-能量外环的控制方法，功率内环采用非线性微分平滑控制方法，实现三相交错双向变流器快速充放电控制，确保分布式光储直流供电系统过载或欠载运行时，依然能够保持直流母线电压平稳，输出功率平滑；能量外环采用PI控制，实现直流母线能量跟踪参考轨迹，使得分布式光储直流供电系统功率平稳、供电可靠；

(2)本发明功率内环-能量外环的控制方法统解决传统控制方法基于小信号模型产生的稳定裕窄、自由度小的问题，静、动态控制性能优，对功率变化范围宽、负载大扰动的应用对象具有较强抗干扰能力，为可再生能源与储能装置间的协调控制及非线性变流器的稳定控制提供了简单可行的解决方案；

(3)该方法简单，无需复杂的计算，便于工程应用。

附图说明

图1为本发明分布式光储直流供电系统的主电路图；

图2为本发明分布式光储直流供电系统的降阶模型图；

图3为本发明分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法的控制框图；

图4为本发明分布式光储直流供电系统断开储能时直流母线电压波形图；

图5为本发明分布式光储直流供电系统加储能时直流母线电压波形图；

图6为发明分布式光储直流供电系统光伏电池与储能蓄电池输出功率波形图；

图7为发明分布式光储直流供电系统负载功率波形图；

图8为采用本发明非线性微分平滑控制方法与传统PI控制时直流母线电压对比图；

图中，1为光伏电池，2为储能蓄电池，3为三相交错升压变流器，4为三相交错双向变流器，5为第一电压能量转换单元，6为第二电压能量转换单元，7为能量外环，71为减法器，72为PI调节器比例环节，73为PI调节器积分环节，74为微分环节，75为三端加法器，8为功率内环，81为平滑控制器，a为光伏电池输出功率波形图，b为储能蓄电池输出功率波形图，c为采用本发明非线性微分平滑控制方法时直流母线电压波形，d为采用传统PI控制时直流母线电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示为分布式光储直流供电系统的主电路图，该包括分布式光储直流供电系统包括光伏电池1、储能蓄电池2、三相交错升压变流器3、三相交错双向变流器4、直流母线和直流负载R_Load，光伏电池1和储能蓄电池2分别通过三相交错升压变流器3和三相交错双向变流器4并联至直流母线，直流负载R_Load并联至直流母线。其中三相交错升压变流器3包括二极管D_PV1和开关管S_PV1串联形成的升压电路第一桥壁、二极管D_PV2和开关管S_PV1串联形成的升压电路第二桥壁、二极管D_PV3和开关管S_PV3串联形成的升压电路第三桥壁，升压电路的三个桥壁相互并联，三相交错升压变流器3还包括电感L_PV1、电感L_PV2和电感L_PV3，该三个电感一端相互连接并连接至光伏电池1，电感L_PV1另一端连接升压电路第一桥壁中点，电感L_PV2另一端连接升压电路第二桥壁中点，电感L_PV3另一端连接升压电路第三桥壁中点。三相交错双向变流器4包括开关管S_B1′开关管S_B1串联形成的储能电路第一桥壁、开关管S_B2′开关管S_B2串联形成的储能电路第二桥壁、开关管S_B3′开关管S_B3串联形成的储能电路第三桥壁，储能电路的三个桥壁相互并联，三相交错双向变流器4还包括电感L_Bat1、电感L_Bat2和电感L_Bat3，该三个电感一端相互连接并连接至储能蓄电池2，电感L_Bat1另一端连接储能电路第一桥壁中点，电感L_Bat2另一端连接储能电路第二桥壁中点，电感L_Bat3另一端连接储能电路第三桥壁中点。该系统中直流母线设有电容，该电容的电容值为C_Bus。

只考虑静态损耗，三相交错升压变流器3和三相交错双向变流器4可以等效为可控电流源串联等值电阻，即系统变流器降阶模型，从而得到分布式光储直流供电系统的降阶模型图，如图2所示。图中，r_PV为三相交错升压变流器的静态损耗电阻，r_Bat为三相交错双向变流器的静态损耗电阻，v_PV为光伏电池输出电压，i_PV为光伏电池输出电流，p_PV为光伏电池输出功率，v_Bat为储能蓄电池输出电压，i_Bat为储能蓄电池输出电流，p_Bat为储能蓄电池输出功率，p_PVo为光伏电池输出至直流母线的功率，p_Bato为储能蓄电池输出至直流母线的功率，v_Bus为直流母线电压，i_Load为流入直流负载的电流。

系统直流母线电容C_Bus储存能量可表示为：

式中：v_Bus表示直流母线电压，C_Bus为直流母线的电容值，E_Bus为直流母线电容储存能量值。

直流母线电容能量的导数为：

p_Load＝v_Bus·i_Load(5)

定义直流母线电容储存能量值y＝E_Bus为平滑输出，控制输入变量u＝p_Bat，状态变量x＝v_Bus，则由式(1)～(5)可得系统可逆动态方程：

由式(1)～(6)，推导储能双向交错并联变流器功率内环非线性微分平滑控制律为：

当储能蓄电池充电时取正，当储能蓄电池放电时取负，

由式(6)、(7)可知：状态变量x和控制变量u都可以用平滑输出y及y的有限阶导数表示，依据微分平滑理论，可得该三相交错双向变流器4为微分平滑系统。

当光伏电池输出功率或者负载功率发生突变时，直流母线电容能量变化将导致直流母线电压变化，为使直流母线能量跟踪参考轨迹，设计反馈控制律：

式中：K₁、K₂为控制器参数。跟踪误差e＝y-y_ref满足：

同时需满足期望特征多项式：

p(s)＝s²+2ξω_ns+ω_n ² (10)

式中：ζ和ω_n是期望阻尼比和固有频率。比较式(9)与式(10)，可得最优控制器参数K₁＝2ζω_n，K₂＝ω_n ²。

根据上述分析建立如图3所示分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法的控制框图，具体地直流母线参考电压v_Busref和直流母线电压v_Bus输入单元分别连接至第一电压能量转换单元5和第二电压能量转换单元6输入端，第一电压能量转换单元5输出端连接减法器71正输入端，第二电压能量转换单元6输出端连接减法器71负输入端，减法器71输出端连接PI调节器比例环节72输入端，PI调节器比例环节72输出端连接三端加法器75第一输入端，减法器71输出端还连接PI调节器积分73输入端，PI调节器积分环节73输出端连接三端加法器75第二输入端，另外第一电压能量转换单元5输出端还通过微分环节74连接至三端加法器75第三输入端，三端加法器75输出端连接至功率环非线性微分平滑控制器81输入端，功率环非线性微分平滑控制器81输入端还连接有功率输入单元，包括直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat。通过如上连接关系形成了能量外环7和功率内环8。

根据图3所示的控制框图得到一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法，该方法方法包括如下步骤：

(1)分别获取直流母线电压v_Bus、直流母线参考电压v_Busref、光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat；其中光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat分别通过下述公式获得：

其中，v_PV为光伏电池两端电压，p_PV为光伏电池输出总功率，r_PV为三相交错升压变流器的静态损耗电阻，i_Load为流过直流负载的电流，v_Bat为储能蓄电池输出电压，i_Bat为储能蓄电池输出电流。

(2)将直流母线电压v_Bus和直流母线参考电压v_Busref分别通过电压-能量转换公式转化为直流母线能量E_Bus和直流母线参考能量E_Busref，具体地，电压-能量转换公式为：

其中，C_Bus为直流母线电容值。

(3)将直流母线参考能量E_Busref和直流母线能量E_Bus作差并输入能量环PI控制器，能量环PI控制器输出直流母线功率参考值能量环PI控制器的控制律为：

其中，K₁比例增益，K₂积分增益，为直流母线参考能量E_Busref的导数。

(4)将直流母线功率参考值光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat输入至功率环非线性微分平滑控制器81，该功率环非线性微分平滑控制器81输出蓄电池参考输出功率p_Batref；

其中功率环非线性微分平滑控制器81的控制律为：

其中，储能蓄电池充电时，等式右边取正号，储能蓄电池放电时，等式右边取负号，u＝p_Batref，r_Bat为三相交错双向变流器的静态损耗电阻。

(5)通过蓄电池参考输出功率p_Batref和直流母线电压v_Bus获取直流母线参考电流，并进行电流滞环控制，获取三相交错双向变流器4的开关信号，进而实现平滑控制。

该控制方式下，三相交错双向变流器4采用功率内环-能量外环双闭环控制策略，功率内环采用功率环非线性微分平滑控制器81，实现三相交错双向变流器4快速充放电控制，确保分布式光储直流供电系统过载或欠载运行时，依然能够保持直流母线电压平稳，输出功率平滑；能量外环采用PI控制，实现直流母线能量跟踪参考轨迹。该方法具有算法简单、自由度宽、鲁棒性强的特点，可在较宽稳定域内确保分布式光储直流供电系统静、动态控制性能。

针对三相交错升压变流器3，采用极值搜索法实现MPPT控制。依据前一时刻电压变化率dv_PV/dt，确定当前时刻电压的变化方向是保持还是反向，通过计算光伏发电功率导数的正负，实现每个时刻光伏发电功率最大功率点跟踪。

为了验证分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法的正确性和有效性，在光伏输出或负载阶跃变化使系统直流母线电压不稳定时，通过Matlab/Simulink进行仿真研究。仿真时，光伏电池1采用行为模型，蓄电池采用受控电压源串联一个固定阻值的电阻作为等效电路模型，光伏电池行为模型仿真参数如表1所示，其中V_oc为开路电压，I_sc为短路电流，Vm为最大功率点电压，I_m为最大功率点电流，a、b、c为三个补偿系数。

表1光伏电池仿真参数

系统其它参数分别如表2所示：

表2分布式光储直流供电系统主要参数

仿真时，设置温度T＝25℃，光照初始值为1000W/m²，直流母线电压v_Bus＝80V。控制器参数K₁＝100(rad/s)、K₂＝4900(rad²/s²)，即期望阻尼比ζ＝0.707，固有频率ω_n＝70(rad/s)。

图4为分布式光储直流供电系统断开储能时直流母线电压波形图，图5为分布式光储直流供电系统加储能时直流母线电压波形图，图6为光伏电池输出功率与储能蓄电池输出功率波形图，其中a为光伏电池输出功率波形图，b为储能蓄电池输出功率波形图，图7为负载功率波形图。对比图4和图7可以看出，若断开储能蓄电池，负载功率变化时直流母线电压会发生变化，不能稳定。结合图5～7可以看出，仿真初始，光伏电池输出功率和负载功率需求都为500W，光伏电池输出功率能够满足负载需求，储能蓄电池平滑光伏输出，实现系统高品质供电目标；t＝5s时，系统转为欠载模式，负载功率降为267W，直流母线电压具有上升趋势，然而储能蓄电池快速响应直流母线电压变化，将直流母线多余的电能向储能蓄电池传输，充电功率为233W，保持直流母线电压平稳；t＝10s时，系统转为过载模式，负载功率需求为1067W，直流母线电压具有下降趋势，储能蓄电池快速切换为放电模式，放电功率为567W，依然保持直流母线电压平稳。

如图8所示，为采用本发明非线性微分平滑控制方法与传统PI控制时直流母线电压对比图，图中曲线c为采用本发明非线性微分平滑控制方法时直流母线电压波形，曲线d为采用传统PI控制时直流母线电压波形。仿真初始时负载为零，直流母线电压v_Bus＝80V，在t＝0.1s时负载需求阶跃上升到400W，负载需求突增，直流母线电压具有下降趋势，储能快速放电，维持母线电压恒定。由图8可得，PI控制跟踪阶跃响应的动态调节时间为0.06s，超调量达2％，稳态时直流母线电压波形有脉动；非线性微分平滑控制跟踪阶跃响应的动态调节时间为0.01s，实现了零超调，稳态时直流母线电压波形更为平滑。

Claims (3)

1.一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法，所述的分布式光储直流供电系统包括光伏电池(1)、储能蓄电池(2)、三相交错升压变流器(3)、三相交错双向变流器(4)、直流母线和直流负载，所述的光伏电池(1)和储能蓄电池(2)分别通过三相交错升压变流器(3)和三相交错双向变流器(4)并联至直流母线，所述的直流负载并联至直流母线，其特征在于，所述的非线性微分平滑控制方法包括如下步骤：

(1)分别获取直流母线电压v_Bus、直流母线参考电压v_Busref、光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat；

(2)将直流母线电压v_Bus和直流母线参考电压v_Busref分别通过电压-能量转换公式转化为直流母线能量E_Bus和直流母线参考能量E_Busref；

(3)将直流母线参考能量E_Busref和直流母线能量E_Bus作差并输入能量环PI控制器，能量环PI控制器输出直流母线功率参考值

(4)将直流母线功率参考值光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat输入至功率环非线性微分平滑控制器(81)，该功率环非线性微分平滑控制器(81)输出蓄电池参考输出功率p_Batref；

(5)通过蓄电池参考输出功率p_Batref和直流母线电压v_Bus获取直流母线参考电流，并进行电流滞环控制，获取三相交错双向变流器(4)的开关信号，进而实现平滑控制；

光伏电池输出至直流母线的功率p_PVo、直流负载功率p_Load和储能蓄电池输出功率p_Bat分别通过下述公式获得：

其中，v_PV为光伏电池两端电压，p_PV为光伏电池输出总功率，r_PV为三相交错升压变流器的静态损耗电阻，i_Load为流过直流负载的电流，v_Bat为储能蓄电池输出电压，i_Bat为储能蓄电池输出电流；

所述的功率环非线性微分平滑控制器(81)的控制律为：

其中，储能蓄电池充电时，等式右边取正号，储能蓄电池放电时，等式右边取负号，u＝p_Batref，r_Bat为三相交错双向变流器的静态损耗电阻。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法，其特征在于，所述的能量环PI控制器的控制律为：

其中，K₁比例增益，K₂积分增益，为直流母线参考能量E_Busref的导数。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光储直流供电系统非线性微分平滑控制方法，其特征在于，所述的电压-能量转换公式为：

其中，C_Bus为直流母线电容值。