CN107147145A - 一种基于三电平dc‑dc变换器的风储双极性直流微电网及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网及其控制方法。直流微电网包括风电单元、储能单元、负荷单元以及双极性直流母线。基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网母线电压分区间运行方法，通过风电单元的风电特性控制与基于下垂特性的限功率控制、储能单元的充放电分离控制配合负荷单元的减载控制，可以实现各区间的平滑切换，调节母线电压和平衡系统功率，确保风储双极性直流微电网稳定运行。本发明采用的双极性直流微电网结构，可以减小母线对地电压，提高系统运行效率，且可满足不同变换器和负荷对各电压等级的要求。

Description

一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网及控 制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网风电储能领域，具体为一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网及其控制方法，适用于双极性直流微电网的控制。

背景技术

近些年，国家大力实施全球能源互联网的发展战略，推动清洁能源和绿色方式满足电力需求，直流微电网作为新的能源结网形式成为研究热点。以直流微网集成风力、光伏等新能源发电单元，储能单元及本地负荷，可以减少对环境的破坏，实现可再生能源的高效利用，受到国内外的广泛关注。

目前关于直流微电网的研究大多集中于单极性的直流微电网结构，即分布式电源和储能装置通过两电平的直流变换器接入到单极性直流母线，降低了系统的运行效率。传统的两电平直流变换器结构简单，开关器件少，技术已经成熟。随着微电网系统容量的逐渐增大，要求变换器的电压等级有相应的提升，两电平结构受到限制。单极性直流微网只有正和零两条母线，只能接入单一电压等级的电源和负荷，系统供电的可靠性和灵活性较差。基于此，需要发明一种新型结构的直流微电网，以解决现有直流微电网的上述问题和改善其缺点。

发明内容

本发明为了解决现有单极性直流电网系统运行效率低的问题，减小直流微电网母线对地电压，同时满足各种变换器和负荷对不同电压等级的要求，使系统更加安全可靠，提供了一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网及其控制方法。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网，包括风电单元、储能单元、负荷单元以及双极性直流母线。风电单元包括风电机组和风机变换器；风电机组由风力涡轮机和永磁同步发电机组成；风机变换器包括二极管整流器和三电平Boost变换器；风电机组通过风机变换器与双极性直流母线连接。储能单元包括超级电容器和三电平双向DC-DC变换器；超级电容器通过三电平双向DC-DC变换器与双极性直流母线连接。负荷单元包括并接于双极性直流母线上的三相DC-AC逆变器、单相DC-AC逆变器和DC-DC变换器，所述三相DC-AC逆变器连接三相负荷，所述单相DC-AC逆变器连接单相负荷，所述DC-DC变换器连接直流负荷；双极性直流母线由正、零、负三根直流母线组成。

上述基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网，根据各单元运行特性，设定V _{DC_n}为直流母线电压的额定值，设定V _DC为直流母线电压实际值，设定α ₁、α ₂、β ₁、β ₂为运行区间的切换系数，并使得β ₂<β ₁<α ₁<α ₂。

设定风电单元中V _dc、I _dc分别为风电机组经二极管整流器的直流输出电压和电流，I _L为风机三电平Boost变换器的电感电流，V _dcN、P _dcN分别为实现恒转速控制和恒功率控制时的直流侧电压额定值和直流侧功率额定值。

设定储能单元V _sc、I _sc分别为其超级电容器的出口侧电压和电流，V _L1 、V _H1 、V _L2 、V _H2是超级电容器分阶段控制的直流母线电压阈值，并使得V _L2< V _L1< V _H1< V _H2。

设定V _c1、V _c2为正负直流母线电压，分别采集风机变换器和储能变换器的两分裂电容电压，实现对各自变换器的中点电位平衡控制。

上述微电网是通过如下控制模式实现的：根据直流母线电压作为风储直流微电网运行控制和状态切换的判断指标，设定了四个运行区间：第1区间为风电单元风电特性控制模式，第2区间为储能单元充放电分离控制模式，第3区间为风电单元下垂特性限功率控制模式，第4区间为负荷单元减载控制模式，将风电控制模式与储能模式结合后，双极性母线电压区间运行控制方法步骤为。

第1区间，即当β ₁ V _{DC_n}≤V _DC≤α ₁ V _{DC_n}时，处于风电单元风电特性控制模式，风机输出的功率或负荷消耗的功率有微弱的波动时，为了防止频繁充放电对超级电容器循环寿命的影响，将其设置为空闲模式。

第2区间，即处于储能单元充放电分离控制模式，根据超级电容器的充放电，该区间又可以分为：

区间2-1：即α ₁ V _{DC_n}<V _DC≤α ₂ V _{DC_n}，超级电容器充电，风电单元继续进行风电特性控制，储能单元以充电电流限值为界分为下垂控制和恒流充电控制；

区间2-2：即β ₂ V _{DC_n}≤V _DC<β ₁ V _{DC_n}，超级电容器放电，风电单元仍处于风电特性控制，储能单元以放电电流限值为界分为下垂控制和恒流放电控制。

第3区间，即V _DC>α ₂ V _{DC_n}，处于风电单元下垂特性限功率控制模式，将风电单元三电平Boost变换器作为松弛端口来稳定母线电压，通过基于下垂特性的限功率控制减小输入的功率，此时超级电容器持续充电致其端电压达到安全限值，储能单元停止工作并退出运行。

第4区间，即V _DC<β ₂ V _{DC_n}，处于负荷单元减载控制模式，将负荷接口变换器作为松弛端口，按照负荷优先级逐级切除，保证重要负载的供电，此时超级电容器持续放电致其端电压达到安全限值，储能单元退出运行。

上述区间中，其中：

（1）风电特性控制模式为：当风速小于额定风速时，风电单元进行MPPT控制，通过采集V _dc、I _dc实现；当风速增大至风机达到额定转速时，风电单元进行恒转速控制，通过V _dcN与V _dc作差实现；当风速持续增大至风机达到额定输出功率，风电单元进行恒功率控制，通过P _dcN与V _dc作商实现。

（2）储能单元充放电分离控制模式为：当V _L1≤V _DC≤V _H1时，超级电容器处于不动作阶段；当V _H1<V _DC≤V _H2时，超级电容器充电，当V _L2≤V _DC<V _L1时，超级电容器放电，超级电容器处于下垂控制阶段，通过下垂控制方式稳定直流母线电压；当V _DC>V _H2或V _DC<V _L2，超级电容器电流达到限制±I _{sc_limit}，超级电容器处于恒定电流充放电阶段。当处于充电模式，即V _DC升高并超过V _H1时，超级电容器充电，双向变换器开启并处于Buck模式；加入滞环控制器1，使V _DC降低至V _H1-ΔV _H时，双向变换器停止充电模式，ΔV _H为充电滞环电压。当处于放电模式，即V _DC降低并小于V _L1时，超级电容器放电，双向变换器开启并处于Boost模式；加入滞环控制器2，使V _DC升高至V _L1+ΔV _L，双向变换器停止放电模式，ΔV _L为放电滞环电压。

（3）风电单元下垂特性限功率控制模式为：通过α ₂ V _{DC_n}与V _DC作差，所得到的误差信号通过风电单元下垂控制，得到电感电流参考值I _{L_ref}，与I _L 作差经PI控制器得到占空比信号。

（1）~（3）的各控制模式均加入中点电位平衡控制，具体设定为：分别采集各单元变换器两电容电压V _c1、V _c2并作差，所得到的误差信号通过PI控制器并限幅，得到电压平衡误差占空比信号，而后与各控制模式得到的占空比信号作和，得到中点电位平衡占空比信号。

本发明所述的一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网及其控制方法的优点在于：（1）本发明采用的双极性直流微电网结构，可以减小母线对地电压，提高系统运行效率，且可满足不同变换器和负荷对各电压等级的要求；（2）本发明提出的风电单元风电特性控制在额定风速之下采用MPPT控制，在额定风速之上采用恒转速和恒功率控制，且只需要检测直流侧输出电压和电流，无需对风速和机组转速信号进行测量，保证了风机在各个风速区域内稳定运行，提高了风能的利用效率；（3）本发明提出的储能单元充放电模式分离的控制方法，根据直流母线电压波动范围，将超级电容器的运行分成不动作、下垂控制、恒流充放电三个阶段，且在充电模式或放电模式时只需两个开关管导通，提高了开关管的寿命，降低了控制的复杂性；（4）本发明提出的基于三电平DC-DC变换器储双极性直流微电网母线电压分区间运行方法，通过风电单元的风电特性控制与基于下垂特性的限功率控制、储能单元的充放电分离控制配合负荷单元的减载控制，可以实现各区间的平滑切换，调节母线电压和平衡系统功率，确保风储双极性直流微电网稳定运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中风电单元的结构示意图及控制方法图。

图3是本发明中储能单元的结构示意图及控制方法图。

图4是本发明中储能单元超级电容器下垂特性曲线示意图。

图5是本发明各区间控制方法的切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网，如图1所示，包括风电单元、储能单元、负荷单元以及双极性直流母线。风电单元，如图2所示，包括风电机组和风机变换器；风电机组由风力涡轮机和永磁同步发电机组成；风机变换器包括二极管整流器和三电平Boost变换器；风电机组通过三电平Boost变换器与双极性直流母线连接。储能单元，如图3所示，包括超级电容器和三电平双向DC-DC变换器；超级电容器通过三电平双向DC-DC变换器与双极性直流母线连接。所述负荷单元包括并接于双极性直流母线上的三相DC-AC逆变器、单相DC-AC逆变器和DC-DC变换器，所述三相DC-AC逆变器连接三相负荷，所述单相DC-AC逆变器连接单相负荷，所述DC-DC变换器连接直流负荷。双极性直流母线由正、零、负三根直流母线组成。

上述基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网，根据各单元运行特性，设定V _{DC_n}为直流母线电压的额定值，设定V _DC为直流母线电压实际值，设定α ₁、α ₂、β ₁、β ₂为运行区间的切换系数，并使得β ₂<β ₁<α ₁<α ₂。

设定风电单元中V _dc、I _dc分别为风电机组经二极管整流器的直流输出电压和电流，I _L为风机三电平Boost变换器的电感电流，V _dcN、P _dcN分别为实现恒转速控制和恒功率控制时的直流侧电压额定值和直流侧功率额定值。

设定储能单元V _sc、I _sc分别为其超级电容器的出口侧电压和电流，V _L1 、V _H1 、V _L2 、V _H2是超级电容器分阶段控制的直流母线电压阈值，并使得V _L2< V _L1< V _H1< V _H2。

设定V _c1、V _c2为正负直流母线电压，分别采集风机变换器和储能变换器的两分裂电容电压，实现对各自变换器的中点电位平衡控制。

上述微电网是通过如下控制模式实现的：根据直流母线电压作为风储直流微电网运行控制和状态切换的判断指标，设定了四个运行区间：第1区间为风电单元风电特性控制模式，第2区间为储能单元充放电分离控制模式，第3区间为风电单元下垂特性限功率控制模式，第4区间为负荷单元减载控制模式。将风电控制模式与储能模式结合后，如图5所示，双极性母线电压区间运行控制方法步骤为

第1区间，即当β ₁ V _{DC_n}≤V _DC≤α ₁ V _{DC_n}时，处于风电单元风电特性控制模式，风机输出的功率或负荷消耗的功率有微弱的波动时，为了防止频繁充放电对超级电容器循环寿命的影响，将其设置为空闲模式。

第2区间，即处于储能单元充放电分离控制模式，根据超级电容器的充放电，该区间又可以分为：

区间2-1：即α ₁ V _{DC_n}<V _DC≤α ₂ V _{DC_n}，超级电容器充电，风电单元继续进行风电特性控制，储能单元以充电电流限值为界分为下垂控制和恒流充电控制；

区间2-2：即β ₂ V _{DC_n}≤V _DC<β ₁ V _{DC_n}，超级电容器放电，风电单元仍处于风电特性控制，储能单元以放电电流限值为界分为下垂控制和恒流放电控制。

第3区间，即V _DC>α ₂ V _{DC_n}，处于风电单元下垂特性限功率控制模式，将风电单元三电平Boost变换器作为松弛端口来稳定母线电压，通过基于下垂特性的限功率控制减小输入的功率，此时超级电容器持续充电致其端电压达到安全限值，储能单元停止工作并退出运行。

第4区间，即V _DC<β ₂ V _{DC_n}，处于负荷单元减载控制模式，将负荷接口变换器作为松弛端口，按照负荷优先级逐级切除，保证重要负载的供电，此时超级电容器持续放电致其端电压达到安全限值，储能单元退出运行。

上述区间控制方法中：

（1）风电特性控制模式为：当风速小于额定风速时，风电单元进行MPPT控制，通过采集V _dc、I _dc实现；当风速增大至风机达到额定转速时，风电单元进行恒转速控制，通过V _dcN与V _dc作差实现；当风速持续增大至风机达到额定输出功率，风电单元进行恒功率控制，通过P _dcN与V _dc作商实现。

（2）储能单元充放电分离控制模式为：超级电容器电压与电流特性曲线如图4所示，m为下垂系数，当V _L1≤V _DC≤V _H1时，超级电容器处于不动作阶段；当V _H1<V _DC≤V _H2时，超级电容器充电，当V _L2≤V _DC<V _L1时，超级电容器放电，超级电容器处于下垂控制阶段，通过下垂控制方式稳定直流母线电压；当V _DC>V _H2或V _DC<V _L2，超级电容器电流达到限制±I _{sc_limit}，超级电容器处于恒定电流充放电阶段。当处于充电模式，即V _DC升高并超过V _H1时，超级电容器充电，双向变换器开启并处于Buck模式；加入滞环控制器1，使V _DC降低至V _H1-ΔV _H时，双向变换器停止充电模式，ΔV _H为充电滞环电压。当处于放电模式，即V _DC降低并小于V _L1时，超级电容器放电，双向变换器开启并处于Boost模式；加入滞环控制器2，使V _DC升高至V _L1+ΔV _L，双向变换器停止放电模式，ΔV _L为放电滞环电压。

（3）风电单元下垂特性限功率控制模式为：通过α ₂ V _{DC_n}与V _DC作差，所得到的误差信号通过风电单元下垂控制，得到电感电流参考值I _{L_ref}，与I _L 作差经PI控制器得到占空比信号。

上述（1）~（3）的各控制模式均加入中点电位平衡控制，具体设定为：分别采集各单元变换器两电容电压V _c1、V _c2并作差，所得到的误差信号通过PI控制器并限幅，得到电压平衡误差占空比信号，而后与各控制模式得到的占空比信号作和，得到中点电位平衡占空比信号。

Claims (2)

1.一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网，其特征在于：包括风电单元、储能单元、负荷单元以及双极性直流母线；

所述风电单元包括风电机组和风机变换器；所述风机变换器包括二极管整流器和三电平Boost变换器；风电机组通过风机变换器与双极性直流母线连接；

所述储能单元包括超级电容器和三电平双向DC-DC变换器；超级电容器通过三电平双向DC-DC变换器与双极性直流母线连接；

所述负荷单元包括并接于双极性直流母线上的三相DC-AC逆变器、单相DC-AC逆变器和DC-DC变换器，所述三相DC-AC逆变器连接三相负荷，所述单相DC-AC逆变器连接单相负荷，所述DC-DC变换器连接直流负荷；

所述双极性直流母线由正、零、负三根直流母线组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网的控制方法，其特征在于：

设定V _{DC_n}为直流母线电压的额定值，设定V _DC为直流母线电压实际值，设定α ₁、α ₂、β ₁、β ₂为运行区间的切换系数，并使得β ₂<β ₁<α ₁<α ₂；

设定风电单元中V _dc、I _dc分别为风电机组经二极管整流器的直流输出电压和电流，I _L为风机三电平Boost变换器的电感电流，V _dcN、P _dcN分别为实现恒转速控制和恒功率控制时的直流侧电压额定值和直流侧功率额定值；

设定储能单元V _sc、I _sc分别为其超级电容器的出口侧电压和电流，V _L1 、V _H1 、V _L2 、V _H2是超级电容器分阶段控制的直流母线电压阈值，并使得V _L2< V _L1< V _H1< V _H2；

设定V _c1、V _c2为正负直流母线电压，分别采集风机变换器和储能变换器的两分裂电容电压；

基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网是通过如下控制模式实现的：

根据直流母线电压作为风储直流微电网运行控制和状态切换的判断指标，设定了四个运行区间：第1区间为风电单元风电特性控制模式，第2区间为储能单元充放电分离控制模式，第3区间为风电单元下垂特性限功率控制模式，第4区间为负荷单元减载控制模式；

第1区间，即当β ₁ V _{DC_n}≤V _DC≤α ₁ V _{DC_n}时，处于风电单元风电特性控制模式，将其设置为空闲模式；

第2区间，即处于储能单元充放电分离控制模式，根据超级电容器的充放电，该区间又可以分为：

区间2-1：即α ₁ V _{DC_n}<V _DC≤α ₂ V _{DC_n}，超级电容器充电，风电单元继续进行风电特性控制，储能单元以充电电流限值为界分为下垂控制和恒流充电控制；

区间2-2：即β ₂ V _{DC_n}≤V _DC<β ₁ V _{DC_n}，超级电容器放电，风电单元仍处于风电特性控制，储能单元以放电电流限值为界分为下垂控制和恒流放电控制；

第3区间，即V _DC>α ₂ V _{DC_n}，处于风电单元下垂特性限功率控制模式，将风电单元三电平Boost变换器作为松弛端口来稳定母线电压，通过基于下垂特性的限功率控制减小输入的功率，此时超级电容器持续充电致其端电压达到安全限值，储能单元停止工作并退出运行；

第4区间，即V _DC<β ₂ V _{DC_n}，处于负荷单元减载控制模式，将负荷接口变换器作为松弛端口，按照负荷优先级逐级切除，保证重要负载的供电，此时超级电容器持续放电致其端电压达到安全限值，储能单元退出运行；

其中：

（1）风电特性控制模式为：当风速小于额定风速时，风电单元进行MPPT控制，通过采集V _dc、I _dc实现；当风速增大至风机达到额定转速时，风电单元进行恒转速控制，通过V _dcN与V _dc作差实现；当风速持续增大至风机达到额定输出功率，风电单元进行恒功率控制，通过P _dcN与V _dc作商实现；

（2）储能单元充放电分离控制模式为：当V _L1≤V _DC≤V _H1时，超级电容器处于不动作阶段；当V _H1<V _DC≤V _H2时，超级电容器充电，当V _L2≤V _DC<V _L1时，超级电容器放电，超级电容器处于下垂控制阶段，通过下垂控制方式稳定直流母线电压；当V _DC>V _H2或V _DC<V _L2，超级电容器电流达到限制±I _{sc_limit}，超级电容器处于恒定电流充放电阶段；当处于充电模式，即V _DC升高并超过V _H1时，超级电容器充电，双向变换器开启并处于Buck模式；加入滞环控制器1，使V _DC降低至V _H1-ΔV _H时，双向变换器停止充电模式，ΔV _H为充电滞环电压；当处于放电模式，即V _DC降低并小于V _L1时，超级电容器放电，双向变换器开启并处于Boost模式；加入滞环控制器2，使V _DC升高至V _L1+ΔV _L，双向变换器停止放电模式，ΔV _L为放电滞环电压；

（3）风电单元下垂特性限功率控制模式为：通过α ₂ V _{DC_n}与V _DC作差，所得到的误差信号通过风电单元下垂控制，得到电感电流参考值I _{L_ref}，与I _L 作差经PI控制器得到占空比信号；

上述（1）~（3）的各控制模式均加入中点电位平衡控制，具体设定为：分别采集各单元变换器两电容电压V _c1、V _c2并作差，所得到的误差信号通过PI控制器并限幅，得到电压平衡误差占空比信号，而后与各控制模式得到的占空比信号作和，得到中点电位平衡占空比信号。