CN106655228A - 一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，由DC/DC变换器和储能电池组成，双向DC/DC变换器采用非隔离型双向Buck/Boost变换器，一端连接直流母线，另外一端连接储能电池，主要功能是实现有功功率的双向流动，储能电池的主要功能是实现有功功率和能量的存储。双向DC/DC变换器包括恒流充电、恒压充电和恒流放电三种工作模式，在保证储能自适应充放电的同时，避免了储能的频繁充放电，增加了系统的稳定性。直流母线电压控制器有电流控制模式和电压控制模式两种，可以保证电力系统在不同电气状态下均能保持直流母线电压稳定。

Description

一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器
技术领域
本发明涉及一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，属于交直流电网技术领域。
背景技术
交直流混合电网的电能质量控制是交直流混合电网研究的一个重要方面，交直流混合电网的电能质量在交流子系统中体现为交流电压和频率偏差符合相应标准或满足用户要求，而在直流侧则体现为控制直流电压的稳定。直流电网中常包含风电、光伏等可再生能源，其发电的波动性容易导致直流电网电压的变化。另外当输电线路距离较长阻抗较大或输送功率超标时，也容易造成远端节点的电压降落。为此，有必要在交直流混合电网的直流部分设置直流母线电压控制器。
现有技术中有提出采用电压双闭环控制算法实现直流母线电压控制的方法，但是这种方法会引起普遍充放电，从而导致系统出现不稳定。储能元件有很好的充放功率的效果，利用给储能元件配合直流母线电压调节能够较好的保持母线电压的稳定，因此可以考虑使用储能配合DC/DC变换器实现直流母线电压控制器的设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中控制直流母线电压调节时充放电频繁引起的电力系统不稳定问题，提供一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，由双向DC/DC变换器和储能电池组成，其中，双向DC/DC变换器采用双向半桥拓扑结构，一端连接直流母线，另外一端连接储能电池；双向DC/DC变换器由输入滤波电容C1，输出滤波电容C2，输入滤波电感L，功率开关管VT1和VT2，直流EMC装置以及直流断路器，熔断器，接触器组成；直流母线的输入端依次串联直流断路器，熔断器，接触器，然后并联输入滤波电容C1，再串联输入滤波电感L，之后接入由两个功率开关管构成的双向半桥结构，再并联输出滤波电容C2，并继续串联接入接触器，熔断器，并联直流EMC装置，最后串联直流断路器到达输出端；
所述双向DC/DC变换器控制储能电池的充电和放电，实现功率大小和方向的调节；所述储能电池用于有功功率和能量的存储；
所述双向DC/DC变换器控制储能电池的充电和放电是指在直流母线电压过高时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池充电，吸收直流电网系统过多的有功功率，降低直流电网系统电压；在直流母线电压过低时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池放电，增加直流电网系统的有功功率，以支撑直流电网系统电压。
前述的双向DC/DC变换器采用非隔离型双向Buck/Boost变换器。
双向DC/DC变换器控制储能电池充电，当储能电池吸收能量时，工作在Buck模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由直流母线流向储能电池，储能电池处于恒流充电或恒压充电状态，在充电过程中储能电池电流保持连续且电流纹波系统在电池规定的纹波系统范围内。
双向DC/DC变换器控制储能电池放电，当储能电池释放能量时，双向DC/DC变换器控制储能电池放电，工作在Boost模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由储能电池流向直流母线，储能电池处于恒流放电状态；放电过程中，控制储能电池的放电电流为恒定值，工作在电流连续模式，储能电池侧的电流保持连续且电流纹波系统在电池规定的纹波系统范围内。
在恒流充电模式时，工作于Buck模式的双向DC/DC变换器控制储能电池侧的电感电流，设计电流环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流充电的电流指令值保持一致；在恒压充电模式时，在电流内环的基础上加入电压外环，设计电压外环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电压与恒压充电的电压指令值保持一致。
在恒流放电模式时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，设计电流内环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流放电的电流指令值保持一致。
前述的直流母线电压控制器设定储能电池端电压的过压和欠压保护值分别为650V和600V，设定充、放电电流的过流值分别为160A和130A，设置储能电池温度过温保护为75℃，设定直流母线电压的过压、欠压保护分别为850V和650V。
前述的直流母线电压控制器的运行模式分为功率控制和电压控制；当直流母线电压稳定，无需直流母线电压控制器进行主动电压调节时，直流母线电压控制器基于电池荷电量的大小或能量管理系统的指示进行功率控制；当直流母线电压出现偏差或波动时，直流母线电压控制器工作在电压控制模式。
前述的电压控制分为恒压控制和下垂控制；当直流母线电压控制器储能容量无法满足电压支撑功率需求，或者有多台直流母线电压控制器协调控制直流母线电压，且之间缺少快速通讯联系时，在电压下垂量满足相应标准或用户需求时采用下垂控制；当直流母线电压控制器储能容量满足需求时采用恒压控制。
本发明的有益效果：
本发明的双向DC/DC变换器包括恒流充电、恒压充电和恒流放电三种工作模式，在保证储能自适应充放电的同时，避免了储能的频繁充放电，增加了系统的稳定性；本发明的直流母线电压控制器有电流控制模式和电压控制模式两种，可以保证电力系统在不同电气状态下均能保持直流母线电压稳定。
附图说明
图1为直流母线电压控制器拓扑结构；
图2为双向DC/DC变换器控制框图；
图3为双向DC/DC变换器Buck模式电流环Bode图；
图4为双向DC/DC变换器Buck模式电压环Bode图；
图5为恒压充电仿真电流波形；
图6为双向DC/DC变换器Boost模式电流环Bode图；
图7为恒流放电仿真电流波形；
图8为电流控制模式控制框图；
图9为电压控制模式控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
交直流混合电网包括交流电网系统和直流电网系统，直流电网系统主要由风电、光伏等可再生能源组成。本发明的直流母线电压控制器的结构如图1所示，由输入滤波电容C1、输出滤波电容C2、输入滤波电感L、功率开关管VT1、VT2、直流EMC以及直流断路器、熔断器、接触器等部件组成。输入端电压为Ea，输出端电压为Vs。输入端依次串联直流断路器、熔断器、接触器等保护隔离装置，然后并联输入滤波电容，再串联输入滤波电感，之后接入由两个功率开关管构成的双向半桥结构，再并联输出滤波电容，并继续串联接入接触器、熔断器，并联直流EMC装置，最后串联直流断路器到达输出端。如图1所示的直流母线电压控制器属于双向半桥DC/DC拓扑结构，采用该类型DC/DC拓扑的依据有两个：一是可以将储能电池电压的升压输出，降低了750V直流电压并网时对电池单体串联数量的要求，提高了电池可靠性；二是该拓扑可以实现能量的双向流动，实现电池的充电功能与放电功能。
直流母线电压控制器的功率和能量主要来自于储能电池，功率大小和方向的调节主要通过双向DC/DC变换器实现。在直流母线电压过高时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池充电，吸收直流电网系统过多的有功功率，降低系统电压；在直流母线电压过低时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池放电，增加直流电网系统的有功功率，以支撑系统电压。
本发明的双向DC/DC变换器采用非隔离型双向Buck/Boost变换器，一端连接直流母线，另外一端连接储能电池，控制储能电池的充电和放电。双向DC/DC变换器对储能电池充放电的控制方式采用基于平均电流模式的DC/DC变换器，能够实现精准的电流控制与电压控制。
图2为双向DC/DC变换器控制框图，控制系统采用电压外环加电流内环的控制架构。电压外环的给定值为电压测量值经过滤波器后与电压外环的电压设定值进行比较得到偏差，电压偏差经过电压控制器Gvc(s)得到电流内环的指令值电流测量值经过滤波器后与电流内环的电压指令值进行比较得到偏差，电流偏差经过电流控制器Gcc(s)、调制放大环节GM(s)得到输出电压，输出电压通过直流电压稳定器传递函数Gid(s)得到输出电流，输出电流通过负载阻抗Z(s)得到实测电压。
双向DC/DC变换器控制储能电池充电，当储能电池吸收能量时，工作在Buck模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由直流母线流向储能电池，储能电池处于恒流充电或恒压充电状态，在充电过程中储能电池电流保持连续且电流纹波系统在电池规定的纹波系统范围内。
双向DC/DC变换器控制储能电池放电，当储能电池释放能量时，双向DC/DC变换器控制储能电池放电，工作在Boost模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由储能电池流向直流母线，储能电池处于恒流放电状态。放电过程中，控制储能电池的放电电流为恒定值，工作在电流连续模式(CCM)，储能电池侧的电流连续而且纹波较小。
在恒流充电模式时，工作于Buck模式的双向DC/DC变换器需要精确地控制储能电池侧的电感电流，电流的控制主要通过电流环控制器完成。电流环控制器可以采用比例积分控制器，由比例放大环节和积分运算环节并联而成。电流设定值与电流测量值做差，偏差量进行比例和积分运算得到控制量。由于电流环采用了反馈控制结构和比例积分控制器，保证了电流测量值不断跟踪电流设定值，并最终实现设计的电流环控制器使双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流充电的电流指令值保持一致。图3为双向DC/DC变换器Buck模式电流环Bode图，图3中，恒流充电模式下加入电流环控制器前直流电网系统的开环传递函数为Gco(s)，电流环控制器传递函数为Gcc(s)，加入电流环控制器后直流电网系统的开环传递函数为Gc(s)，电流环穿越频率fcc为1KHz，幅值裕度为无穷大，相位裕度为87°，由图3可以看出，系统是稳定的。
在恒压充电模式时，双向DC/DC变换器也工作在Buck模式，需要在电流内环的基础上加入电压外环，采用电容电压外环和电感电流内环来实现，电压外环控制器可以采用比例积分控制器，由比例放大环节和积分运算环节并联而成。电压设定值与电压测量值做差，偏差量进行比例和积分运算得到控制量。由于电压环采用了反馈控制结构和比例积分控制器，保证了电压测量值不断跟踪电压设定值，并最终实现电压外环控制器的加入使双向DC/DC变换器输出的电压与恒压充电的电压指令值保持一致；图4为双向DC/DC变换器Buck模式电压环Bode图，图4中，恒压充电模式下加入电压外环控制器前直流电网系统的开环传递函数为Gvo(s)，电压外环控制器传递函数为Gvc(s)，加入电压外环控制器后直流电网系统的开环传递函数为Gv(s)，系统电压环的穿越频率fvc为50Hz，幅值裕度为无穷大，相位裕度为94°，由图4可以看出，系统是稳定的。
图5为恒压充电仿真电流波形，设置电气参数如表1所示。
表1电气参数设置
参数类型 参数大小
直流母线电压Vdc 200V
蓄电池电压Vc 60V
蓄电池内阻R 180mΩ
电感L 5mH
电池侧电容C 10uf
开关频率fs 20KHz
由图5可以看出，电压指令为73.5V时，在恒压充电模式下，储能电池侧电感电流迅速地跟踪上指令值，电压环的输出随后也能跟踪上电压环的指令值，双向DC/DC变换器输出电压无超调，稳态误差为0，仿真结果验证了恒压充电电压环控制器Gvc(s)设计的合理性。
在恒流放电模式时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，此时整个系统只有电流内环在工作，设计电流内环控制器，电流内环控制器可以采用比例积分控制器，由比例放大环节和积分运算环节并联而成。电流设定值与电流测量值做差，偏差量进行比例和积分运算得到控制量。由于电流内环采用了反馈控制结构和比例积分控制器，保证了电流测量值不断跟踪电流设定值，并最终实现双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流放电的电流指令值保持一致。图6为双向DC/DC变换器Boost模式电流环Bode图，图6中，恒流放电模式下加入电流内环控制器前系统开环传递函数为Gco(s)，电流内环控制器传递函数为Gcc(s)，加入电流内环控制器后直流电网系统的开环传递函数为Gc(s)，系统的电流环的穿越频率fcc为1KHz，幅值裕度为无穷大，相位裕度为83°，由图6可以看出，系统是稳定的。
图7为恒流放电仿真电流波形，设置电气参数如表2所示。
表2电气参数设置
参数类型 参数大小
蓄电池电压Vc 60V
直流母线侧等效电阻 36Ω
电感L 5mH
电池母线侧电容Cdc 470uf
开关频率fs 20KHz
由图7可以看出，储能电池侧电感电流迅速地跟踪上电流环的指令值而且超调量为0，稳态误差也为0，调节时间为10ms，仿真结果验证了恒流放电电流环控制器Gcc(s)设计的合理性。
在恒流充电与恒流放电模式时，双向DC/DC变换器只有电流内环在工作，只有在恒压充电阶段时，电压外环才投入工作。
直流母线电压控制器设定储能电池端电压的过压和欠压保护值分别为650V和600V，以及充放电电流的过流值分别为160A和130A，用以提高储能电池寿命。设置储能电池温度过温保护为75℃，用以对储能电池温度及时检测以便增强储能电池安全性和寿命，还设定了直流母线电压的过压欠压保护分别为850V和650V，用以保证DC/DC变换器的安全稳定运行。
直流母线电压控制器的运行模式可以分为功率控制和电压控制两种。
图8为功率控制模式的控制策略，功率设定值Pref通过除以直流电压值Vdc得到对应的电流设定值iLref，然后与电流实际值iL比较通过电流控制器得到开关占空比d，使得实际电流达到电流设定值，最终功率达到功率设定值。iL为电流跟踪值，iLref为电流参考值，d为得到的开关占空比。当直流母线电压较为稳定，无需直流母线电压控制器进行主动电压调节时，直流母线电压控制器可以基于电池荷电量的大小或能量管理系统的指示进行功率控制。当直流母线电压出现较大偏差或波动时，直流母线电压控制器需要工作在电压控制模式。
电压控制模式分为两类：恒压控制和下垂控制。当直流母线电压控制器储能容量较小，无法满足电压支撑功率需求，或者有多台直流母线电压控制器协调控制直流电压，且之间缺少快速通讯联系时，可在电压下垂量满足相应标准或用户需求时采用下垂控制。当直流母线电压控制器储能容量较大、直流电能质量要求较高时可以采用恒压控制。
图9所示的电压控制模式的控制策略是采用电压外环加电流内环的结构，图9中，i0为基础电流跟踪值，k为增益参数，uOref为基础电压参考值，v为电压追踪值，uref为基础电压参考值，iL为电流跟踪值，iLref为电流参考值，d为得到的调整值。电压外环的指令电压若采用下垂控制则通过采集直流母线电压控制器输出端的功率再根据P-V下垂曲线得到，若采用恒压控制则通过调度得到，指令电压与反馈电压进行PI闭环调节，产生直流电流的指令值，该电流直流值又送入内环电流环实现电流闭环调节。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，由双向DC/DC变换器和储能电池组成，其中，双向DC/DC变换器采用双向半桥拓扑结构，一端连接直流母线，另外一端连接储能电池；双向DC/DC变换器由输入滤波电容C1，输出滤波电容C2，输入滤波电感L，功率开关管VT1和VT2，直流EMC装置以及直流断路器，熔断器，接触器组成；直流母线的输入端依次串联直流断路器，熔断器，接触器，然后并联输入滤波电容C1，再串联输入滤波电感L，之后接入由两个功率开关管构成的双向半桥结构，再并联输出滤波电容C2，并继续串联接入接触器，熔断器，并联直流EMC装置，最后串联直流断路器到达输出端；
所述双向DC/DC变换器控制储能电池的充电和放电，实现功率大小和方向的调节；所述储能电池用于有功功率和能量的存储；
所述双向DC/DC变换器控制储能电池的充电和放电是指在直流母线电压过高时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池充电，吸收直流电网系统过多的有功功率，降低直流电网系统电压；在直流母线电压过低时，通过双向DC/DC变换器控制实现储能电池放电，增加直流电网系统的有功功率，以支撑直流电网系统电压。
2.根据权利要求1所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器采用非隔离型双向Buck/Boost变换器。
3.根据权利要求1所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，双向DC/DC变换器控制储能电池充电，当储能电池吸收能量时，工作在Buck模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由直流母线流向储能电池，储能电池处于恒流充电或恒压充电状态，在充电过程中储能电池电流保持连续且电流纹波系统在电池规定的纹波系统范围内。
4.根据权利要求1所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，双向DC/DC变换器控制储能电池放电，当储能电池释放能量时，双向DC/DC变换器控制储能电池放电，工作在Boost模式的双向Buck/Boost变换器控制能量由储能电池流向直流母线，储能电池处于恒流放电状态；放电过程中，控制储能电池的放电电流为恒定值，工作在电流连续模式，储能电池侧的电流保持连续且电流纹波系统在电池规定的纹波系统范围内。
5.根据权利要求3所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，在恒流充电模式时，工作于Buck模式的双向DC/DC变换器控制储能电池侧的电感电流，设计电流环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流充电的电流指令值保持一致；在恒压充电模式时，在电流内环的基础上加入电压外环，设计电压外环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电压与恒压充电的电压指令值保持一致。
6.根据权利要求4所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，在恒流放电模式时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，设计电流内环控制器，使双向DC/DC变换器输出的电感电流与恒流放电的电流指令值保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，所述直流母线电压控制器设定储能电池端电压的过压和欠压保护值分别为650V和600V，设定充、放电电流的过流值分别为160A和130A，设置储能电池温度过温保护为75℃，设定直流母线电压的过压、欠压保护分别为850V和650V。
8.根据权利要求1所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，所述直流母线电压控制器的运行模式分为功率控制和电压控制；当直流母线电压稳定，无需直流母线电压控制器进行主动电压调节时，直流母线电压控制器基于电池荷电量的大小或能量管理系统的指示进行功率控制；当直流母线电压出现偏差或波动时，直流母线电压控制器工作在电压控制模式。
9.根据权利要求8所述的一种适用于交直流混合电网的直流母线电压控制器，其特征在于，所述电压控制分为恒压控制和下垂控制；当直流母线电压控制器储能容量无法满足电压支撑功率需求，或者有多台直流母线电压控制器协调控制直流母线电压，且之间缺少快速通讯联系时，在电压下垂量满足相应标准或用户需求时采用下垂控制；当直流母线电压控制器储能容量满足需求时采用恒压控制。
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