CN106208715B - 一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法 - Google Patents

一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法，所述分布式电源高压直流接入系统由N个三端口功率变换子模块构成，N为大于1的自然数，每个三端口功率变换子模块包括一个输入端口、一个输出端口和一个双向端口，各三端口功率变换子模块的输入端口分别连接独立的直流电源、双向端口均相互并联、输出端口则分别依次串联连接，N个三端口功率变换子模块中的输入端口均各自独立控制以调节每个直流电源的输入功率，每个三端口功率变换子模块双向端口的电压始终正比于其输出端口的电压，以此自动实现各三端口功率变换模块双向端口电压的稳定和输出端口电压的均压控制，控制方法简单、可靠、易于扩展，特别适合中高压直流并网等应用场合。

Description

一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流供电系统，尤其涉及一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法，属于电力电子变换及直流供电系统领域。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题的加剧，光伏、风电等分布式新能源发电得到越来越广泛的关注。目前新能源发电通常接入交流大电网，但是由于光伏等新能源发电装置输出为直流且电压较低，为了将其输出功率并入交流大电网需要经过多个功率变换环节且需要体积笨重的变压器。近年来，直流技术已经在发电、输电、配电和用电等电能变换的各个环节得到了越来越广泛的应用，如果将新能源发电输出的直流电直接接入中高压直流配电网，不仅使得电网能够更好地接纳分布式电源和直流负荷，减少功率变换环节，提高电力系统中新能源发电渗透率和运行效率，而且可以显著提高配电网的可靠性和设备利用率、降低并网系统的复杂性，因此分布式电源的高压直流接入技术得到了越来越多的关注。
为了解决高压侧功率器件电压应力过高的问题，分布式电源高压直流接入系统通常采取多功率变换模块在高压输出侧串联的结构，如专利(公开号：CN105553273A)和专利(公开号：CN105610325A)中都采用了多变换器模块输出侧串联的结构。在上述结构中，主要需要解决两个关键问题：(1)高压直流输出侧的串联均压问题；(2)分布式电源的独立控制问题。然而，上述两个问题都尚未能在已经公开的方案中得到有效的解决。对于专利(公开号：CN105553273A)公开的技术方案，其各个分布式电源是各自相互独立的，因此理论上能够实现各分布式电源的独立控制。然而，由于各变换器模块在高压直流侧串联连接，各模块的输出电压与各模块的输出功率完全成正比，因此，分布式电源的独立功率控制必然导致高压直流侧各模块的不均压，如果各模块在直流输出侧是完全均压的，那么与各功率模块相连的分布式电源则很难实现独立控制、无法使得每个分布式电源都工作在最大功率输出状态。对于专利(公开号：CN105610325A)公开的技术方案，其采用了模块化的输入并联输出串联结构，因此高压直流侧的串联均压不存在问题，但是该系统所有的功率模块都连接至公共的输入源，无法实现多个分布式电源的接入。除了上述问题，分布式电源高压直流接入系统的分布式控制是需要解决的另外一个关键问题。如果能在不依赖于任何通讯、不采用任何集中控制器并且在各功率模块不共享任何控制信息的前提下，实现各功率模块完全分布式、独立的控制，在分布式控制前提下每个模块独立自主实现各分布式电源的独立控制和高压直流输出侧的串联均压，则可以最大程度的保证整个分布式电源高压直流接入系统的可靠性和模块化。然而，到目前为止，在公开的技术资料中尚未查阅到针对该问题的有效解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种分布式电源高压直流接入系统及其控制方法，实现各分布式电源的独立控制、各功率变换子模块的自主均压控制以及各功率变换子模块完全独立自主的分布式控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的分布式电源高压直流接入系统由N个三端口功率变换子模块、N个独立的低压直流输入源(Vin_1、Vin_2……Vin_N)和一个高压直流源(VG)构成，N为大于1的自然数；所述三端口功率变换子模块包含一个输入端口、一个输出端口和一个双向端口，其中输出端口与输入端口是电气隔离的；每个三端口功率变换子模块的输入端口相互独立并分别连接一个独立的低压直流输入源，每个三端口功率变换子模块的双向端口彼此并联连接，各个三端口功率变换子模块的输出端口依次串联连接、且串联连接后的总输出并联连接至高压直流源(VG)。
所述三端口功率变换子模块的实现方式采用以下三种方式中的任意一种：
方式一：采用一个集成的三端口直流变换器同时提供输入端口、输出端口和双向端口；
方式二：采用非隔离变换器与隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中非隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，非隔离变换器的输出连接至隔离变换器的输入，并将非隔离变换器的输出与隔离变换器的输入共同作为三端口功率变换子模块的双向端口，隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口；
方式三：采用两个隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中一个隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，同时该隔离变换器的输出连接至另外一个隔离变换器的输入、并作为三端口功率变换子模块的双向端口，另外一个隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口。
所述分布式电源高压直流接入系统中各个三端口功率变换子模块的控制是相互独立的，每个三端口功率变换子模块的具体控制方法如下：
(1)输入端口电压、电流和功率的控制完全独立于输出端口和双向端口电压、电流和功率的控制，即输入端口仅根据各自所连接低压直流输入源的特性决定其输入端口电压、电流和功率的大小；
(2)三端口功率变换子模块实时采样其输出端口的电压Vo_i(i＝1，2，...，N)，采样得到的输出端口的电压首先乘以固定的、大于零的比例系数k，然后将得到的结果叠加到双向端口预先设定的电压基准Vref中，由此得到该三端口功率变换子模块双向端口新的电压基准Vref_new，即Vref_new＝Vref+Vo_i*k，三端口功率变换子模块实时采样其双向端口的电压Vb_i(i＝1，2，...，N)，并将采样得到的双向端口的电压Vb_i与新的电压基准Vref_new比较得到误差信号，该误差信号经过误差调节器后形成三端口功率变换子模块双向端口的控制信号，该控制信号作用于三端口功率变换子模块并用于其双向端口电压、电流或功率的调节，最终使得双向端口的电压与新的电压基准Vref_new相等。
每个三端口功率变换子模块的控制中，各三端口功率变换子模块双向端口所预先设定的电压基准Vref相等，各三端口功率变换子模块中与输出端口采样电压相乘的比例系数是k相等的。
本发明具有如下有益效果：
(1)能够实现各个分布式低压直流电源的独立控制，即各个分布式低压直流电源的电压、电流和功率的控制不仅相互之间完全解耦的，而且与三端口功率变换子模块中输出端口和双向端口的控制也是相互解耦的；
(2)采用本发明技术方案能够自动实现各三端口功率变换子模块输出端口电压和功率的均衡，即能够自动实现各三端口功率变换子模块输出端口的均压；
(3)各三端口功率变换子模块的控制是相互独立的，即各三端口功率变换子模块仅根据模块自身输入端口、双向端口和输出端口的信息实现其自身的控制，因此实现了各三端口功率变换子模块的完全分布式自主控制；
(4)系统模块化程度高，控制简单、易于实现，具有很强的容错能力和可扩展性，系统可靠性高。
附图说明
附图1为本发明分布式电源高压直流接入系统结构示意图；
附图2为本发明分布式电源高压直流接入系统中三端口功率变换子模块实现方式一的结构示意图；
附图3为本发明分布式电源高压直流接入系统中三端口功率变换子模块实现方式二的结构示意图；
附图4为本发明分布式电源高压直流接入系统中三端口功率变换子模块实现方式三的结构示意图；
附图5为本发明分布式电源高压直流接入系统中三端口功率变换子模块的输出端口和输入端口电压控制框图；
附图6为本发明分布式电源高压直流接入系统中三端口功率变换子模块具体实施例的电路原理图；
附图7为本发明具体实施例实验结果图；
以上附图中的符号名称：Vin_1、Vin_2和Vin_N分别为对应第1个、第2个和第N个三端口功率变换子模块输入端口的电压；Vo_1、Vo_2、Vo_3和Vo_N分别为对应第1个、第2个、第3个和第N个三端口功率变换子模块输出端口的电压；Vb_1、Vb_2和Vb_N分别为对应第1个、第2个和第N个三端口功率变换子模块双向端口的电压；VG为高压直流源；Vin、Vb和Vo分别为三端口功率变换子模块输入端口、双向端口和输出端口的电压；Vref为双向端口的电压基准；Vo_i和Vb_i为第i个三端口功率变换子模块输出端口和双向端口的电压；Vref_new为电压基准Vref与采样的输出端口电压叠加后生成的新的电压基准；S1、S2、S3、S4、S5和S6为开关管；D1、D2为二极管；L1、L2和L3为电感；C1、C2和C3为电容；T为变压器；pin_1、pin_2和pin_3分别为第1个、第2个和第3个分布式低压直流源输入的功率；t0为时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述的一种分布式电源高压直流接入系统结构示意图如附图1所示。所述分布式电源高压直流接入系统由N个三端口功率变换子模块、N个独立的低压直流输入源(Vin_1、Vin_2……Vin_N)和一个高压直流源(VG)构成，N为大于1的自然数。其中，每个三端口功率变换子模块均包含一个输入端口、一个输出端口和一个双向端口，输出端口与输入端口是电气隔离的，每个三端口功率变换子模块的输入端口相互独立并分别连接一个独立的低压直流输入源，每个三端口功率变换子模块的双向端口彼此并联连接，各个三端口功率变换子模块的输出端口依次串联连接、且串联连接后的总输出并联连接至高压直流源(VG)。
在本发明所述的分布式电源高压直流接入系统中，所述三端口功率变换子模块的实现方式采用以下三种方式中的任意一种。
实施方式一：采用一个集成的三端口直流变换器同时提供输入端口、输出端口和双向端口，其结构示意图如附图2所示。在具体实施时，三端口直流变换器可供选择的电路拓扑类型很多，例如文献“Hongfei Wu，Junjun Zhang，Xiaoqing Qin，Tiantian Mu，YanXing.Secondary-Side-Regulated Soft-Switching Full-Bridge Three-Port ConverterBased on Bridgeless Boost Rectifier and Bidirectional Converter For MultipleEnergy Interface.IEEE Transactions on Power Electronics，vol.31，no.7，pp.4847-4860，July 2016.”中所提出的各类三端口直流变换器电路拓扑，以及文献“Hongfei Wu，Runruo Chen，Junjun Zhang，Yan Xing，Haibing Hu，Hongjuan Ge.A family of Three-Port Half-Bridge Converters for a Stand-Alone Renewable Power System.IEEETransactions on Power Electronics，vol.26，no.9，pp.2697-2706，Sept.2011.”和文献“Hongfei Wu，Kai Sun，Runruo Chen，Haibing Hu，Yan Xing.Full-Bridge Three-PortConverters with Wide Input Voltage Range for Renewable Power Systems.IEEETransactions on Power Electronics，vol.27，no.9，pp.3965-3974，Sept.2012.”所提出的各类三端口直流变换器拓扑等。
实施方式二：采用非隔离变换器与隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中非隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，非隔离变换器的输出连接至隔离变换器的输入，并将非隔离变换器的输出与隔离变换器的输入共同作为三端口功率变换子模块的双向端口，隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口。实施方式二的结构示意图如附图3所示。在具体实施时，任意的非隔离直流变换器和隔离型直流变换器都可以用来构建三端口功率变换子模块。例如，非隔离变换器选用Boost变换器，隔离变换器选用LLC谐振变换器。
实施方式三：采用两个隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中一个隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，同时该隔离变换器的输出连接至另外一个隔离变换器的输入、并作为三端口功率变换子模块的双向端口，另外一个隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口。实施方式三的结构示意图如附图4所示。在具体实施时，任意的隔离直流变换器都可以用来构建三端口功率变换子模块，两个隔离直流变换器的电路拓扑可以相同，也可以不同。例如，两个隔离变换器都选用LLC谐振变换器。
本发明所述的分布式电源高压直流接入系统中各个三端口功率变换子模块的控制是相互独立的，每个三端口功率变换子模块的具体控制方法如下：
(1)输入端口电压、电流和功率的控制完全独立于输出端口和双向端口电压、电流和功率的控制，即输入端口仅根据各自所连接低压直流输入源的特性决定其输入端口电压、电流和功率的大小；
(2)三端口功率变换子模块实时采样其输出端口的电压Vo_i(i＝1，2，...，N)，采样得到的输出端口的电压首先乘以固定的、大于零的比例系数k，然后将得到的结果叠加到双向端口预先设定的电压基准Vref中，由此得到该三端口功率变换子模块双向端口新的电压基准Vref_new，即Vref_new＝Vref+Vo_i*k，三端口功率变换子模块实时采样其双向端口的电压Vb_i(i＝1，2，...，N)，并将采样得到的双向端口的电压Vb_i与新的电压基准Vref_new比较得到误差信号，该误差信号经过误差调节器后形成三端口功率变换子模块双向端口的控制信号，该控制信号作用于三端口功率变换子模块并用于其双向端口电压、电流或功率的调节，最终使得双向端口的电压与新的电压基准Vref_new相等。三端口功率变换子模块对应输出端口和双向端口的电压控制框图如附图5所示。
在具体实施时，各三端口功率变换子模块双向端口所预先设定的电压基准Vref都是相等的，同时，各三端口功率变换子模块中与输出端口采样电压相乘的比例系数也是k相等的。只有Vref和k都相等时才能有效保证各三端口功率变换子模块输出端口的电压是自动均衡的。
通过上述描述可知，本发明分布式电源高压直流接入系统中，各三端口功率变换子模块输出端口的电压并没有施加直接的控制，而是通过各三端口功率变换子模块双向端口电压的控制来间接实现各输出端口电压的自动均衡控制。本发明分布式电源高压直流接入系统相比于已有系统解决方案的突出创新点和进步之处体现在：创造性的引入了双向端口并通过双向端口将各三端口功率变换子模块并联连接，双向端口成功实现了三端口功率变换子模块输入端口电压、电流和功率调节与输出端口电压均衡调节的解耦，而双向端口的并联连接则实现了各三端口功率变换子模块端口电压信息的共享，为各三端口功率变换子模块输出电压的自动均衡控制创造了条件。本发明分布式电源高压直流接入系统控制方法的突出创新点和进步之处体现在：将各三端口功率变换子模块输出电压与双向端口的电压关联起来，即各三端口功率变换子模块双向端口的电压控制信息里包含了其输出端口电压的信息。由于各三端口功率变换子模块的双向端口直接并联，因此各三端口功率变换子模块双向端口的电压在稳态时必然相等，而双向端口所预设的电压Vref和输出端口电压叠加系数k又都相等，则稳态时各输出端口的电压也必然是自动均衡的。因此，各三端口功率变换子模块之间无需任何通讯或者辅助信息交流，也不需要任何集中式的控制器，仅通过各三端口功率变换子模块的完全独立自主的分布式控制，就能够自动实现各输出端口的电压均衡。
在本发明的一个具体实施例中，三端口功率变换子模块采用附图6所示的集成三端口直流变换器来实现，搭建了由三个三端口功率变换子模块构成的分布式电源高压直流接入系统。每个三端口功率变换子模块的输入端口分别连接太阳能光伏电池，通过调节附图6所示三端口直流变换中第一至第四开关管(S1～S4)的占空比来实现太阳能光伏电池的最大功率跟踪控制，通过调节第五和第六开关管(S5、S6)相对于第一至第四开关管(S1～S4)驱动信号的移相角来实现每个三端口功率变换子模块双向端口和输出端口的电压控制。附图7给出了该具体实施例中采用本发明控制方法的仿真实验实施效果图。附图7(a)中可以看到，由于各个太阳能光伏电池的输出功率是通过每个三端口功率变换子模块独立调节的，每个模块所连接的太阳能光伏电池都可以始终工作于最大功率点，而且每个模块所连接的太阳能光伏电池的输出功率是不相同的。在图7(a)所示的t0时刻之前，没有应用本发明所述的控制方法，从图中可以看到，此时每个功率变换子模块输出端口的电压与对应模块所连接太阳能光伏电池的功率成正比，即各功率变换子模块的输出端口电压不能均衡。在t0时刻开始引入本发明所述的控制策略，显然，各功率变换子模块输出端口的电压很快达到自动均衡，表明了本发明控制方法的有效性。从图7(b)可以看到，采用本发明所述控制方法后，即便某个三端口功率变换子模块的输入端口的功率发生突变，各个输出端口的电压仍然能够很好的保持均衡，进一步说明了本发明所述控制方法的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种分布式电源高压直流接入系统控制方法，其特征在于：
所述分布式电源高压直流接入系统由N个三端口功率变换子模块、N个独立的低压直流输入源(Vin_1、Vin_2……Vin_N)和一个高压直流源(VG)构成，N为大于1的自然数；
所述三端口功率变换子模块包含一个输入端口、一个输出端口和一个双向端口，其中输出端口与输入端口是电气隔离的；
每个三端口功率变换子模块的输入端口相互独立并分别连接一个独立的低压直流输入源，每个三端口功率变换子模块的双向端口彼此并联连接，各个三端口功率变换子模块的输出端口依次串联连接、且串联连接后的总输出与高压直流源(VG)并联连接，其中三端口功率变换子模块的实现方式采用以下三种方式中的任意一种：
方式一：采用一个集成的三端口直流变换器同时提供输入端口、输出端口和双向端口；
方式二：采用非隔离变换器与隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中非隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，非隔离变换器的输出连接至隔离变换器的输入，并将非隔离变换器的输出与隔离变换器的输入共同作为三端口功率变换子模块的双向端口，隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口；
方式三：采用两个隔离变换器组合提供输入端口、输出端口和双向端口，其中一个隔离变换器的输入作为三端口功率变换子模块的输入端口，同时该隔离变换器的输出连接至另外一个隔离变换器的输入、并作为三端口功率变换子模块的双向端口，另外一个隔离变换器的输出作为三端口功率变换子模块的输出端口；
各个三端口功率变换子模块的控制是相互独立的，每个三端口功率变换子模块的具体控制方法如下：
(1)输入端口电压、电流和功率的控制完全独立于输出端口和双向端口电压、电流和功率的控制，即输入端口仅根据各自所连接的低压直流输入源的特性决定其输入端口电压、电流和功率的大小；
(2)三端口功率变换子模块实时采样其输出端口的电压Vo_i(i＝1，2，...，N)，采样得到的输出端口的电压首先乘以固定的、大于零的比例系数k，然后将得到的结果叠加到双向端口预先设定的电压基准Vref中，由此得到该三端口功率变换子模块双向端口新的电压基准Vref_new，即Vref_new＝Vref+Vo_i*k，三端口功率变换子模块实时采样其双向端口的电压Vb_i(i＝1，2，...，N)，并将采样得到的双向端口的电压Vb_i与新的电压基准Vref_new比较得到误差信号，该误差信号经过误差调节器后形成三端口功率变换子模块双向端口的控制信号，该控制信号作用于三端口功率变换子模块并用于其双向端口电压、电流或功率的调节，最终使得双向端口的电压与新的电压基准Vref_new相等；所述各三端口功率变换子模块双向端口所预先设定的电压基准Vref相等，所述各三端口功率变换子模块中与输出端口采样电压相乘的比例系数k相等。
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