CN106058929A - 一种基于dc/ac双向变流器控制的分布式电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，提出一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，将蓄电池超级电容器组合构成混合储能单元，通过双向DC‑DC变流器接入系统直流母线，通过双向DC‑AC变流器进行并网。设计了双向DC/AC变换器直流母线电压控制策略，给出了基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统结构图和双向DC/AC变流器控制结构图，并通过前馈补偿控制，保证DC/AC单元控制系统直流母线电压恒定，维持系统能量平衡，有效抑制大功率扰动下的直流母线电压冲击。

Description

一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及变流器系统设计，主要应用于分布式发电系统。
背景技术
采用分布式发电技术，可以有效利用各地丰富的清洁和可再生能源，在一定程度上缓解由于传统煤炭、石油等化石燃料日益消耗所带来的能源短缺及环境问题。将本地分布式发电供能系统与负荷等组成微电网，作为一个可控单元接入本地电网，能更大程度地发挥分布式电源的效益，也能避免间歇式电源影响本地用户电能质量。但由于分布式发电单元功率输出具有随机性、间歇性特性，需要利用储能系统进行波动功率调节，降低其间歇性波动功率对电网的冲击。有鉴于此，本专利提出一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，将能量型储能(蓄电池)和功率型储能(超级电容器)组合构成混合储能单元，通过双向DC-DC变流器接入系统直流母线，通过双向DC-AC变流器进行并网。通常系统并网运行时，分布式电源供电系统中的功率波动、光伏输出电流扰动、混合储能系统输出变化或双向DC-AC变流器输出功率的突变都会使直流母线电压产生波动，严重时甚至有可能触发直流母线电压保护动作，不利于系统稳定运行。因此，本系统设计了双向DC/AC变换器直流母线电压控制策略，用以保证DC-AC单元控制系统直流母线电压恒定，维持系统能量平衡，有效抑制大功率扰动下的直流母线电压冲击。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，所设计的系统如图1所示，系统主要由光伏发电单元、锂电池储能系统、超级电容器储能系统、DC/DC变换器、双向DC/AC变流器、直流母线和交流母线构成。储能单元通过双向DC/DC升降压变换器接入直流母线，通过控制开关管通断，DC/DC变换器工作于BUCK和BOOST模式，实现能量 双向流动，下桥臂开关管导通，上桥臂开关管关断时，处于BOOST状态，反之，处于BUCK状态。
双向DC/AC变换器采用直流母线电压控制方式，维持系统功率平衡。分布式电源系统中的光伏输出波动、混合储能系统的电流变化，双向DC/AC变流器输出变化都会引起直流母线电压波动，甚至破坏系统的稳定运行，必须采取有效的控制策略，抑制各种扰动对直流母线电压的冲击，维持直流母线电压稳定。双向DC/AC变流器采用图2所示的控制结构。系统进行双闭环控制，外环为电压环，直流侧电压uDC和参考电压信号进行比较，送入电压PI调节器，产生电流内环的有功电流参考信号内环采用dq电流解耦控制，从而得到双向DC/AC逆变器所需的空间矢量PWM调制信号。
在dq坐标系下，建立DC/AC双向变流器的数学模型：
则d轴电流环的闭环传递函数描述为：
其中，kpid、kiid为电流环PI控制器的比例和积分系数。设电压外环为Gupi(s)，则可得其控制结构图如图3所示，考虑到实际系统运行时，双向DC/AC变流器的输出电流响应滞后于分布式电源注入直流母线电流的变化，因此给系统加入前馈补偿环节Gfd(s)，如图4所示。
附图说明
图1基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统结构图；
图2双向DC/AC变流器控制结构图；
图3双向DC-AC变流器直流母线电压控制框图；
图4带有前馈补偿的DC-AC直流母线电压环控制图；
具体实施方式
为了使从事变流技术相关技术人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
参见图1，本系统提供了基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统结构图，该系统主要由光伏发电单元、锂电池储能系统、超级电容器储能系统、DC/DC变换器、双向DC/AC变流器、直流母线和交流母线构成。储能单元由锂电池储能和超级电容器储能构成混合储能系统，各自通过双向DC/DC升降压变换器接入直流母线，通过控制开关管通断，DC/DC变换器工作于BUCK和BOOST模式，实现能量双向流动，下桥臂开关管导通，上桥臂开关管关断时，处于BOOST状态，反之，处于BUCK状态。光伏发电系统采用最大功率输出MPPT控制。锂电池组或超级电容器组储能系统的充放电控制由上层能量管理系统根据储能单元荷电状态(SOC)进行控制。双向DC/AC变换器采用直流母线电压控制方式，维持系统功率平衡。分布式电源系统中的光伏输出波动、混合储能系统的电流变化，双向DC/AC变流器输出变化都会引起直流母线电压波动，甚至破坏系统的稳定运行，必须采取有效的控制策略，抑制各种扰动对直流母线电压的冲击，维持直流母线电压稳定。
参见图2，给出了双向DC/AC变流器控制结构图，该系统主要由直流母线、交流母线、DC/AC变流器、SVPWM脉冲生成、电流解耦控制、电压PI调节器、abc-dq变换系统等构成。双向DC/AC变流器采用双闭环控制，外环为电压控制环，直流侧电压uDC和参考电压信号进行比较，送入电压PI调节器，产生电流内环的有功电流参考信号内环采用dq电流解耦控制，从而得到双向DC/AC逆变器所需的空间矢量PWM调制信号，该信号加入到双向DC/AC变流器的开关元件上。abc-dq变换用于将变流器网侧电流信号从abc坐标系变换到dq坐标系。
在dq坐标系下，建立DC/AC双向变流器的数学模型：
则d轴电流环的闭环传递函数描述为：
其中，kpid、kiid为电流环PI控制器的比例和积分系数。
参见图3，给出了双向DC-AC变流器直流母线电压控制框图，系统输入为直流电压参考信号，输出为实际直流输出信号，形成闭环控制回路，二者偏差信号送入电压外环控制环节，电压外环传递函数为Gupi(s)，得到电流参考信号将其送入电流内环，电流内环传递函数为Gcpi(s)，从而得到电流输出信号，将其加于被控对象上。
参见图4，给出了带有前馈补偿的DC-AC直流母线电压环控制图。考虑到实际系统运行时，双向DC/AC变流器的输出电流响应滞后于分布式电源注入直流母线电流的变化，因此给系统加入前馈补偿环节Gfd(s)。系统的结构和电压电流双闭环系统类似，只是在系统中将注入直流母线的电流io加入电流环之前，从而在电流发生变化时，对直流母线造成的电压偏移进行补偿，从而会较小扰动对直流母线电压的影响。根据经典控制理论分析，要实现对扰动信号的误差全补偿，必须满足实际控制时，不能达到全补偿，也不必刻意按照电流内环传递函数为Gcpi(s)进行前馈环节设计，主要以降低和减小扰动影响为主。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：系统给出了基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统结构图，该系统主要由光伏发电单元、锂电池储能系统、超级电容器储能系统、DC/DC变换器、双向DC/AC变流器、直流母线和交流母线构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，该系统储能单元由锂电池储能和超级电容器储能构成混合储能系统，各自通过双向DC/DC升降压变换器接入直流母线，通过控制开关管通断，DC/DC变换器工作于BUCK和BOOST模式，实现能量双向流动。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：系统中双向DC/DC升降压变换器下桥臂开关管导通，上桥臂开关管关断时，处于BOOST状态，反之，处于BUCK状态。
4.按照权利要求1、或2、或3所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：光伏发电系统采用最大功率输出MPPT控制。
5.按照权利要求1、或2、或3、或4所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：锂电池组或超级电容器组储能系统的充放电控制由上层能量管理系统根据储能单元荷电状态(SOC)进行控制。
6.按照权利要求1、或2所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：双向DC/AC变换器采用直流母线电压控制方式，维持系统功率平衡。
7.按照权利要求1、或2、或6所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：给出了双向DC/AC变流器控制结构图，该系统主要由直流母线、交流母线、DC/AC变流器、SVPWM脉冲生成、电流解耦控制、电压PI调节器、abc-dq变换系统等构成。
8.按照权利要求1、或2、或6、或7所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：双向DC/AC变流器采用双闭环控制，外环为电压控制环，内环采用dq电流解耦控制。
9.按照权利要求1、或2、或6、或7、或8所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：直流侧电压uDC和参考电压信号进行比较，送入电压PI调节器，产生电流内环的有功电流参考信号内环采用dq电流解耦控制，从而得到双向DC/AC逆变器所需的空间矢量PWM调制信号，该信号加入到双向DC/AC变流器的开关元件上。
10.按照权利要求1、或2、或6、或7、或8、或9所述的一种基于DC/AC双向变流器控制的分布式电源系统，其特征在于：abc-dq变换用于将变流器网侧电流信号从abc坐标系变换到dq坐标系。
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