CN108646096B - 适用于直流微电网的线路电感检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于直流微电网的线路电感检测方法，在DC/DC变换器控制系统中注入高频正弦交流扰动信号V扰后，DC/DC变换器输出电压中存在对应的扰动输出电压分量
Figure DDA0001588157150000011
和扰动输出电流分量
Figure DDA0001588157150000012
待系统稳定后，检测DC/DC变换器的输出电压V01、输出电流i01，并通过FFT从V01和i01中分离出扰动输出电压有效值V01_ih和扰动输出电流有效值I01_ih，通过这些量可计算出此DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感。可在已有控制模块的基础上，无需添加任何额外测量装置，实现线路电感的准确测量，可为将来通过控制策略抵消该线路电感对控制系统的影响并且提升系统的稳定性提供基础。

Description

适用于直流微电网的线路电感检测方法
技术领域
本发明涉及一种电力检测技术，特别涉及一种适用于直流微电网的线路电感检测方法。
背景技术
随着新能源的发展，大规模光伏、风机接入电网已成必然趋势，但新能源对传统电力系统造成的影响不可忽视，微电网作为一种高效协调控制分布式电源的形式，可有效降低分布式电源对电力系统的影响。微电网根据母线电压类型不同可分为交流微电网和直流微电网。相对于交流微电网，直流微电网具有高效，经济，简单的特点，因此受到了广泛关注。直流微电网包含网、源、荷、储四部分，主要控制目标在于共同协调运行，维持直流母线电压稳定，即维持直流微电网系统内功率平衡。其中分布式电源通过电力电子变换器并行联接到直流母线，因此如何实现分布式电源的稳定、可靠运行以及负荷的合理分配是微电网控制的关键所在。已有研究表明与分布式电源相连接的电力电子变换器出口与直流微电网之间的线路电感，对控制系统的稳定性带来不利影响，给微电网的控制带来了挑战。
直流微电网中，采用控制策略实现分布式电源的稳定、可靠运行以及负荷的合理分配时，线路电感的存在会影响控制系统的稳定性能。鉴于该原因，只有采取技术手段测量出该线路电感的大小时，才能进一步通过控制策略抵消该线路电感对直流微电网系统的影响并且提升直流微电网系统的稳定性。
发明内容
本发明是针对直流微电网中线路电感检测的重要性的问题，提出了一种适用于直流微电网的线路电感检测方法，可在已有控制模块的基础上，无需添加任何额外测量装置，实现线路电感的准确测量，可为将来通过控制策略抵消该线路电感对控制系统的影响并且提升系统的稳定性提供基础。
本发明的技术方案为：一种适用于直流微电网的线路电感检测方法，直流母线通过线路将网、源、荷、储四部分连接到一起；网，即系统交流电网，通过双向DC/AC变换器、断路器与直流母线相连；源，即分布式电源，包括光伏、风机绿色能源，通过升压变换器与直流母线相连；荷指负荷；储，即由蓄电池和超级电容组成的储能单元，通过双向DC/DC变换器连接至直流母线；为保证系统功率平衡，维持母线电压在正常范围内，四部分协调运行；在系统交流电网离网情况下，分布式电源出力大于负荷，同时储能单元均为充满状态的条件下，分布式电源中DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感的测量，DC/DC变换器电压给定值Vref与DC/DC变换器输出电压作差后送入DC/DC变换控制器模块，DC/DC变换控制器模块输出调制信号Vc，注入高频正弦扰动信号V扰，加载于DC/DC变换控制器模块的出口处，与Vc相叠加送PWM信号产生单元，与载波信号比较后，得到PWM信号产生单元的PWM信号，通过驱动器控制DC/DC变换器工作；在DC/DC变换器控制系统中注入高频正弦扰动信号V扰后，DC/DC变换器输出电压中存在对应的扰动输出电压分量
Figure GDA0002377956460000021
和扰动输出电流分量
Figure GDA0002377956460000022
待系统稳定后，检测DC/DC变换器的输出电压V01、输出电流i01，并通过FFT从V01和i01中分离出扰动输出电压有效值V01_ih和扰动输出电流有效值I01_ih，则所需测的此DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感
Figure GDA0002377956460000023
其中w为注入高频正弦扰动信号的角频率，
Figure GDA0002377956460000024
Ceq为直流微电网系统母线等效电容。
本发明的有益效果在于：本发明适用于直流微电网的线路电感检测方法，充分利用微电网运行特点，测量方法简单，只需利用控制系统中现有的电压、电流传感器，以及控制系统中的计算单元实现FFT变换，无需添加额外传感器，成本低；各分布式电源之间无需互联通信线，进一步降低成本，同时提高了系统可靠性；可实现分布式电源的即插即用；可为将来通过控制策略抵消该线路电感对控制系统的影响，并提升系统的稳定性提供基础。
附图说明
图1为直流微电网典型结构图；
图2为本发明方法DC/DC变换器控制原理图；
图3为本发明分布式电源1单独运行，测量效果图；
图4为本发明分布式电源1与分布式电源2并联运行，测量效果图；
图5为本发明两台分布式电源DG并联等效电路图；
图6为本发明FFT分解示意图；
图7为本发明两台分布式电源DG并联带扰动分量等效电路图；
图8为本发明两台分布式电源DG并联带扰动分量近似等效电路图。
具体实施方式
图1所示为直流微电网典型系统结构，直流母线通过线路将网、源、荷、储四部分连接到一起。网，即系统交流电网，通过双向DC/AC变换器、断路器与直流母线相连，直流微电网系统工作于并网状态或离网状态，与此相关；源，即分布式电源，包括光伏、风机等绿色能源，通过升压变换器与直流母线相连，有MPPT和恒压源两种工作模态；荷，包括三部分，敏感负荷、非敏感负荷以及交流负荷，其中非敏感负荷在系统电能供不应求时可起到可靠切除维持系统稳定的作用，另外可实现能量双向流动的电动汽车也属于负荷；储，即蓄电池和超级电容，通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，有恒压源和限功率运行两种工作模式，起到平复直流母线电压波动的作用。为保证系统功率平衡，维持母线电压在正常范围内，四部分应协调运行。本发明针对离网情况下，分布式电源出力大于负荷，同时系统储能单元均为充满状态的条件下，分布式电源中DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感Lline的测量问题。下面进行详细论述。
变量说明：Vref为DC/DC变换器电压给定值；Vc为控制器模块输出调制信号；V扰为注入高频正弦扰动信号；Vin为DC/DC变换器输入电压值；V0为DC/DC变换器输出电压值；i0为DC/DC变换器输出电流值；Lline为DC/DC变换器与直流母线之间线路电感，待测线路电感。
图2所示为本发明所采用DC/DC变换器控制原理图。该闭环控制系统实现对DC/DC变换器输出电压的控制。其中控制器模块可采用滞环控制、电流控制以及下垂控制等诸多控制策略。Vref与DC/DC变换器输出电压作差后送入控制器模块，输出Vc，注入高频正弦扰动信号V扰，加载于控制器模块的出口处，与控制的输出信号Vc相叠加送PWM信号产生单元，与载波信号比较后，得到PWM信号产生单元的PWM信号，通过驱动器控制DC/DC变换器工作。
为验证本发明，在matlab/simulink中搭建两台同容量分布式电源并联电路仿真模型。其中母线电压400V，额定容量8kW，最大允许电压偏差取5％。2组仿真实验分别为：1，分布式电源1单独运行，分布式电源1至母线间线路电感为1mH，并且于4.8s处(s为秒)，该线路电感突变为0.5mH；2，分布式电源1与分布式单元2并联运行，分布式电源1至母线间线路电感为5mH，分布式电源2至母线间线路电感为1mH，并且于4.8s处，分布式电源1至母线间线路电感突变为2.5mH，分布式电源2至母线间线路电感突变为0.5mH。
分布式电源1单独运行，测量效果如表1和图3所示：
表1
Figure GDA0002377956460000041
分布式电源1与分布式电源2并联运行，测量效果如表2和图4所示：
表2
Figure GDA0002377956460000042
Figure GDA0002377956460000051
图5与图6变量说明：Vref1为变换器#1电压给定值；Vref2为变换器#2电压给定值；V01为变换器#1输出电压；V02为变换器#2输出电压；i01为变换器#1输出电流；i02为变换器#2输出电流；Lline1为变换器#1与直流母线之间线路电感，待测线路电感；Lline2为变换器#2与直流母线之间线路电感，待测线路电感；Rload为直流微电网系统等效负载电阻；Ceq为直流微电网系统母线等效电容；v01_ih为V扰引起的变换器#1的输出电压分量；v02_ih为V扰引起的变换器#2的输出电压分量.
图5所示为两台DG(分布式电源)并联的等效电路图。其中输出电压V01(V02)中含有扰动电压响应v01_ih(v02_ih)，输出电流i01(i02)中含有扰动电流响应i01_ih(i02_ih)。并且，输出电压V01(V02)与输出电流i01(i02)经过FFT(快速傅里叶变换)处理之后，可以获得输出电流i01(i02)中含有扰动电流响应i01_ih(i02_ih)，如图6所示。
本发明利用线路测量装置计算得到线路电感，从而为将来通过控制策略抵消该线路电感的影响，并提升系统的稳定性提供基础。
其中v01_ih(v02_ih)在微网系统母线等效电容上激起的容抗值1/wCeq很小，与线路上的感抗wLline1(或wLline2)相比，该容抗值可近似等效为0。故稳态时可将母线等效电容支路视作短路。并且分布式单元越多，等效电容越大，等效容抗越小，测量越精确。
图7及图8变量说明：
Figure GDA0002377956460000052
为变换器#1扰动输出电压相量；
Figure GDA0002377956460000053
为变换器#2扰动输出电压相量；
Figure GDA0002377956460000054
为变换器#1扰动输出电流相量；
Figure GDA0002377956460000055
为变换器#1扰动输出电流相量；w为注入高频正弦扰动信号的角频率。
如下为测量原理及过程：以变换器#1为例，在DC/DC变换器控制系统中注入高频正弦扰动信号后，DC/DC变换器输出电压中存在对应的扰动输出电压分量
Figure GDA0002377956460000056
和扰动输出电流分量
Figure GDA0002377956460000057
(
Figure GDA0002377956460000058
和
Figure GDA0002377956460000059
是在扰动加入时即测所得，是实时测量、从而能够实时计算线路电感值)。待系统稳定后，检测DC/DC变换器的输出电压V01、输出电流i01。并通过FFT从V01和i01中分离出扰动电压响应分量V01_ih和扰动电流响应I01_ih，即扰动输出电压有效值和扰动输出电流有效值。
以变换器#1为例，已知测得输出电压V01和输出电流i01，如图5所示。根据图7有：
Figure GDA0002377956460000061
因V扰为高频正弦信号，即w足够大，从而有：
Figure GDA0002377956460000062
Figure GDA0002377956460000063
Figure GDA0002377956460000064
即PCC处(DC/DC变换器与直流母线连接处)等效为短路，如图8所示，从而有：
Figure GDA0002377956460000065
Figure GDA0002377956460000066
其中V01_ih为变换器#1扰动输出电压有效值；I01_ih为变换器#1扰动输出电流有效值。

Claims (1)

1.一种适用于直流微电网的线路电感检测方法，直流母线通过线路将网、源、荷、储四部分连接到一起；网，即系统交流电网，通过双向DC/AC变换器、断路器与直流母线相连；源，即分布式电源，包括光伏、风机绿色能源，通过升压变换器与直流母线相连；荷指负荷；储，即由蓄电池和超级电容组成的储能单元，通过双向DC/DC变换器连接至直流母线；为保证系统功率平衡，维持母线电压在正常范围内，四部分协调运行；在系统交流电网离网情况下，分布式电源出力大于负荷，同时储能单元均为充满状态的条件下，分布式电源中DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感的测量，其特征在于，DC/DC变换器电压给定值Vref与DC/DC变换器输出电压作差后送入DC/DC变换控制器模块，DC/DC变换控制器模块输出调制信号Vc，注入高频正弦扰动信号V扰，加载于DC/DC变换控制器模块的出口处，与Vc相叠加送PWM信号产生单元，与载波信号比较后，得到PWM信号产生单元的PWM信号，通过驱动器控制DC/DC变换器工作；在DC/DC变换器控制系统中注入高频正弦扰动信号V扰后，DC/DC变换器输出电压中存在对应的扰动输出电压分量
Figure FDA0002377956450000011
和扰动输出电流分量
Figure FDA0002377956450000012
待系统稳定后，检测DC/DC变换器的输出电压V01、输出电流i01，并通过FFT从V01和i01中分离出扰动输出电压有效值V01_ih和扰动输出电流有效值I01_ih，则所需测的此DC/DC变换器出口与直流微电网之间线路电感
Figure FDA0002377956450000013
其中w为注入高频正弦扰动信号的角频率，
Figure FDA0002377956450000014
Ceq为直流微电网系统母线等效电容。
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