CN109004844A - 串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法 - Google Patents

Abstract

串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，涉及一种适用于中压直流供电系统的串联阻抗源三端口变换器的光储协调与分布式输出均压综合控制方法。解决了中压直流供电系统的均压控制策略，不利于系统拓展，及串联的阻抗源变换器输出电压不均衡，从导致整个系统的稳定性差的问题。本发明综合控制方法采用了移相直通调制方式，其中，控制变量直通角用于调节光伏组件实现最大功率跟踪，而输出稳压则由变压器原边桥臂间的移相角控制实现。此外，在系统输出电压参考值的基础上加入输入侧的平均电压作为新的电压参考值，当串联的阻抗源变换器输出电压不均衡时，通过改变相应电压参考值实现均压。本发明主要适用于中压直流供电系统。

Description

串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于中压直流供电系统的串联阻抗源三端口变换器的光储协调与分布式输出均压综合控制方法。

背景技术

在含可再生能源发电的直流供电系统中，三端口变换器可作为连接光伏组件、储能装置及负载的接口变换器，它可实现各功率端口间的功率传输与电压等级匹配，同时具有较高的功率密度，因此得到了广泛的关注。阻抗源三端口变换器将准Z源阻抗网络与全桥变换器结合，其中两个端口采用非隔离方式通过阻抗网络连接，这两个端口与另一个端口通过高频变压器隔离，利用高频变压器进行低压侧和高压侧的能量传输。由于在直流供电系统中，光伏组件与储能装置的电压等级较为匹配，因此阻抗源三端口变换器适用于此应用场合。

为满足中压直流供电系统的电压等级需求，三端口变换器多采用模块输出串联结构，而模块间电压不均衡是串联结构存在的主要问题。对此，有学者提出了共占空比控制方法来实现输出电压均衡。该控制方法非常简单，但是仅适用于全桥变换器型拓扑电路，当应用于其它类型拓扑电路时容易造成系统不稳定。

针对该问题，有学者提出了一种交换占空比控制策略，通过将稳压环的输出控制量互换来实现均压，这种控制方法避免了对输入电压的采样，但是仅适用两个模块串联的情况，对于串联模块数较多的系统并不适用。此外，也有学者提出包含电压外环、电流内环以及输入电压前馈环的多环控制策略来实现输入/输出电压均衡。上述均压控制策略均属于集中式控制，其缺点在于不利于系统拓展，同时当主模块出现问题时，会对整个系统的稳定运行造成较大影响，因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明是为了解决中压直流供电系统的均压控制策略，不利于系统拓展，及串联的阻抗源变换器输出电压不均衡，从导致整个系统的稳定性差的问题，本发明提供了一种针对串联阻抗源变换器光储协调与输出均压综合控制方法。

串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，所述方法用于控制由n个阻抗源变换器串联构成的三端口直流变换器，该综合控制方法是通过n个均压及稳压控制模块分别对n个阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制，再进行稳压控制后，使得每个均压及稳压控制模块生成相应的移相角；

以及通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d，从而实现对三端口直流变换器中光伏侧功率进行协调控制；

然后，结合占空比d分别对n个均压及稳压控制模块生成的相应移相角进行移相直通调制后，产生n个对应的移相直通信号分别驱动三端口直流变换器中的n个阻抗源变换器中的开关管，使其三端口直流变换器中n个阻抗源变换器输出电压均衡及实现对三端口直流变换器负载侧功率进行协调控制。

优选的是，每个均压及稳压控制模块对相应的阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制的实现方法如公式(1)所示；

式中，为第n个阻抗源变换器的平均输入电压；

K_s为均压系数；

V^* _o为三端口直流变换器输出电压参考值；

V^* _r为叠加后的新电压参考值。

优选的是，稳压控制是通过如下方法实现：

将V^* _r与V_o比较后送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出移相角

V_o表示三端口直流变换器实际输出电压值；

表示第n个均压及稳压控制模输出的移相角。

优选的是，通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d通过如下方法实现：

将光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1进行最大功率跟踪后，输出参考电压V_{pv_r}，再将参考电压V_{pv_r}与光伏输出电压V_pv比较后，送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出占空比d。

优选的是，n为大于或等于2的整数。

原理说明：

为了实现直流供电系统中光储单元的可靠、高效运行，本发明针对含光储单元的串联阻抗源的三端口直流变换器提出一种光储协调与分布式输出均压综合控制策略。在该新型控制策略中，采用了移相直通调制方式，其中控制变量直通角用于调节光伏组件实现最大功率跟踪，而输出稳压则由变压器原边桥臂间的移相角控制实现。此外，在系统输出电压参考值的基础上加入输入侧的平均电压作为新的电压参考值，当串联的阻抗源变换器输出电压不均衡时，通过改变相应电压参考值实现均压。

本发明带来的有益效果是，本发明主要由MPPT控制、输出稳压控制、输出均压控制以及移相直通调制组成。本发明所述串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法是在实现光储系统可靠、模块化接入中压直流母线的基础上，结合移相直通调制方法，实现了直流供电系统中三端口变换器的光伏协调控制和分布式输出均压控制，可在变换器参数不一致情况下实现串联的阻抗源变换器间输出电压均衡，并同时实现光伏与储能单元的协调运行提高系统稳定性。

本发明提出的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法适用于中压直流供电系统。该方法在移相直通调制方式的基础上对串联阻抗源三端口变换器中光伏侧及负载侧功率进行协调控制，同时通过在控制环节中引入输入电压量来改变系统输出电压参考值，从而实现多个串联的阻抗源变换器之间电压的动态均衡。由于该控制策略的环路中只采样各自阻抗源变换器的电压，因此降低了多个串联的阻抗源变换器之间控制环路的相互干扰，这种分布式控制策略实现简单且利于系统模块化。

附图说明

图1为一个由两个阻抗源变换器串联构成的三端口变换器的结构示意图；

图2为本发明所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法的原理示意图；

图3为光伏组件阴影遮蔽下仿真结果；

图4为光伏组件输出功率波动仿真结果；

图5为输出滤波电感不一致时均压仿真波形；

图6为输出滤波电容不一致时均压仿真波形；

图7为变压器变比不一致时均压仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1:

结合图1和图2说明本实施例1，本实施例1所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，所述方法用于控制由n个阻抗源变换器串联构成的三端口直流变换器，其特征在于，

该综合控制方法是通过n个均压及稳压控制模块分别对n个阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制，再进行稳压控制后，使得每个均压及稳压控制模块生成相应的移相角；

以及通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d，从而实现对三端口直流变换器中光伏侧功率进行协调控制；

然后，结合占空比d分别对n个均压及稳压控制模块生成的相应移相角进行移相直通调制后，产生n个对应的移相直通信号分别驱动三端口直流变换器中的n个阻抗源变换器中的开关管，使其三端口直流变换器中n个阻抗源变换器输出电压均衡及实现对三端口直流变换器负载侧功率进行协调控制。

图1是采用两个阻抗源变换器串联构成的三端口变换器，在移相电路的基础上，系统采用了两个阻抗源三端口变换器串联实现输出侧电压的进一步提升，其中低压侧端口1与光伏阵列连接，端口2则与储能装置连接。

本发明是在所提出的分布式均压控制策略基础上，结合阻抗源型三端口变换器的移相直通调制方法，所发明的适用于中压直流供电系统的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法。本发明所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法主要由光伏最大功率跟踪控制(MPPT)、输出稳压控制、输出均压控制以及移相直通调制组成。其中低压光伏侧根据扰动观察法通过调节占空比d实现MPPT控制，图中V_pv和i_L1为光伏输出电压与电流，V_{pv_r}为光伏电压参考值。

结合图1和图2说明本实施例1，本实施例1中每个均压及稳压控制模块对相应的阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制的优选实施例为：

每个均压及稳压控制模块对相应的阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制的实现方法如公式(1)所示；

式中，为第n个阻抗源变换器的平均输入电压；

K_s为均压系数；

V^* _o为三端口直流变换器输出电压参考值；

V^* _r为叠加后的新电压参考值。

本优选实施例中，以阻抗源变换器平均输入电压为输入量，将其乘以均压系数K_s后作为正反馈信号叠加到系统输出电压参考值V^* _o上作为新的电压参考V^* _r。在变换器输出电压由于硬件参数不一致或负载发生变化而不均衡时，其输入侧电压会发生相应变化，并可通过上述关系式反馈入变换器稳压环，从而将电压调回到原稳定值。

图1中n分别等于1和2，即存在和 为电容C_in1两端的平均输入电压，即第一个阻抗源变换器的平均输入电压值，为电容C_in2两端的平均输入电压，即第二个阻抗源变换器的平均输入电压值。

本优选实施例中，为进一步阐明其中分布式均压方法原理，需结合图1所示串联阻抗源三端口变换器结构进行说明。假设在稳态时产生输入电压扰动，使得输入电压V_{in_1}大于V_{in_2}。此时由于正反馈作用，第一个均压及稳压控制模块的电压参考值大于第二个均压及稳压控制模块电压参考值，因此对于前者其移相角调小使输出电压变大。进一步，对于第一个均压及稳压控制模块，输出功率也会相应变大，导致低压全桥侧输入电流变大，由于总输入电流不变，流入电容C_in1的电流减小，从而将V_{in_1}调回到原来的稳定值。当需要更多模块串联来达到更高电压等级时，其均压原理与上述相同。

结合图1和图2说明本实施例1，本实施例1中稳压控制的优选实施例为：

将V^* _r与V_o比较后送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出移相角

V_o表示三端口直流变换器实际输出电压值；

表示第n个均压及稳压控制模输出的移相角。

本优选实施例中，其中均压控制方法依据式(1)设计，三端口直流变换器实际输出电压值V_o与新电压参考值V^* _o比较后送入PI控制器并进行合理的限幅。当均压及稳压控制模块的模块数为2时，控制环节产生两个移相角进行稳压及均衡控制，和分别为图2中第一个均压及稳压控制模块和第二个均压及稳压控制模块对应的移相角。移相直通调制部分最终产生对应的移相直通信号驱动三端口变换器中的开关管Q₁至Q₈进行开关控制。

结合图1和图2说明本实施例1，本实施例1中通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d的优选实施例为：

通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d通过如下方法实现：

将光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1进行最大功率跟踪后，输出参考电压V_{pv_r}，再将参考电压V_{pv_r}与光伏输出电压V_pv比较后，送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出占空比d。

验证试验：

为了验证本发明所述串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法的有效性，采用电力电子仿真软件对所提串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法进行了仿真验证与分析，其中三端口光伏侧最大功率点对应电压V_mp＝200V，电流I_mp＝5A；储能侧电压V_bat＝350V；阻抗网络参数C₁＝C₂＝1000μF,L₁＝L₂＝0.01H；负载侧电阻R＝450Ω。

首先，对所提控制方法协调光伏与储能功率输出进行仿真验证，设置光伏不输出功率及功率波动两种场景。仿真结果分别如图3和图4所示，其中P_o、P_pv、P_bat分别表示负载侧输出功率、光伏输出功率以及储能输出功率。图3中，在t＝2s光伏发生遮蔽前，光伏组件工作在最大功率点，由于光伏组件输出功率大于负载所需功率，储能装置处于充电状态。在t＝2s后，光伏因遮蔽不输出功率，储能装置从充电状态转换到放电状态，提供负载所需的功率。

图4中，在t＝1s时，因光强减小使光伏输出功率降低，此时储能装置输出差额功率保证负载输出功率稳定。在t＝1.8s时，因光强增大使光伏输出功率上升，此时储能装置由放电状态转变为充电状态，吸收相应功率保证负载输出功率稳定。仿真结果验证了所提控制方法协调光伏与储能功率输出的有效性。

接下来验证模块间参数不一致时分布式均压控制方法的有效性。以两个模块为例，首先验证当输出滤波参数不一致时，第一个均压及稳压控制模块和第二个均压及稳压控制模块输出电压是否相等。分别设置L_o1＝485μH,L_o2＝475μH；C_o1＝500μF,C_o2＝470μF，其余参数均保持一致。在t＝0.5s时将输出电压给定从550V变为580V，仿真结果如图5和图6所示。根据仿真结果可知在电压给定值切换前后输出电压均能保持均衡。V_o1和V_o2分别为图1中C_o1两端电压和C_o2两端电压。

进一步设置变比1:N₁＝1:1.05，变比1:N₂＝1:1，其余参数保持一致，在t＝4s时将输出电压给定从550V变为580V，仿真结果如图7所示，仿真结果验证了在变比不一致时系统仍能得到较好的均压效果。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (5)

1.串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，所述方法用于控制由n个阻抗源变换器串联构成的三端口直流变换器，其特征在于，

该综合控制方法是通过n个均压及稳压控制模块分别对n个阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制，再进行稳压控制后，使得每个均压及稳压控制模块生成相应的移相角；

以及通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d，从而实现对三端口直流变换器中光伏侧功率进行协调控制；

然后，结合占空比d分别对n个均压及稳压控制模块生成的相应移相角进行移相直通调制后，产生n个对应的移相直通信号分别驱动三端口直流变换器中的n个阻抗源变换器中的开关管，使其三端口直流变换器中n个阻抗源变换器输出电压均衡及实现对三端口直流变换器负载侧功率进行协调控制。

2.根据权利要求1所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，其特征在于，

每个均压及稳压控制模块对相应的阻抗源变换器的平均输入电压进行均压控制的实现方法如公式(1)所示；

式中，为第n个阻抗源变换器的平均输入电压；

K_s为均压系数；

V^* _o为三端口直流变换器输出电压参考值；

V^* _r为叠加后的新电压参考值。

3.根据权利要求2所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，其特征在于，

稳压控制是通过如下方法实现：

将V^* _r与V_o比较后送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出移相角

V_o表示三端口直流变换器实际输出电压值；

表示第n个均压及稳压控制模输出的移相角。

4.根据权利要求1所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，其特征在于，

通过MPPT控制模块对三端口直流变换器的光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1形成的光伏最大功率进行跟踪控制，并输出占空比d通过如下方法实现：

将光伏输出电压V_pv及光伏输出电流i_L1进行最大功率跟踪后，输出参考电压V_{pv_r}，再将参考电压V_{pv_r}与光伏输出电压V_pv比较后，送入一个PI控制器并经过限幅器进行限幅后，输出占空比d。

5.根据权利要求1所述的串联阻抗源变换器的光储协调与输出均压综合控制方法，其特征在于，

n为大于或等于2的整数。