CN109149549A - 一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构及控制方法，其结构包括独立电压源IVS之间协调控制结构以及电压均衡器VB之间协调控制结构。其中独立电压源IVS之间协调控制包括两层，电压均衡器VB之间协调控制包括三层。本发明基于双极系统中基本接入方式分析，得出双极系统中三种基本电压不均衡形式，提出适用于三种电压不均工况的多电压均衡器并联“不均衡电压‑功率”下垂控制策略，实现双极系统中多电压均衡器冗余配置，提高系统可靠性。同时，通过电压均衡器之间协调运行，降低系统总功率损耗。

Description

一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构及控制 方法

技术领域

本发明涉及新能源发电和直流配网领域，尤其涉及一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构及控制方法。

背景技术

直流微电网为直流形式输出的可再生能源(RES)和储能系统(ESS)提供了高效率接入方式。由于直流系统中无频率控制问题，直流微电网的控制较交流微电网更为简单。出于上述优势，直流微电网被认为是未来智能电网的关键技术。在多种直流微电网拓扑中，双极直流系统得到特别关注。该系统能提供“正极-地”，“地-负极”，“正极-负极”三种灵活的连接方式。同时降低线路对地电压和绝缘设计要求。但同时带来电压均衡控制问题。

如图1所示，双极系统中需要同时调节PZ母线和ZN母线两电压。负载和电源可以灵活连接在PZ母线、ZN母线与PN母线之间。由于负载接入不平衡，可能会导致一极负载过重，另一极负载过轻。在这种情况下，过载极中电压调节能力欠缺，而欠载极的电压调节能力未得到充分利用，由此导致系统电压不均衡与系统崩溃。

为了解决该问题，一种经济的选择是在系统中引入电压均衡器。电压均衡器的控制目标为确保PZ母线电压和ZN母线电压均衡。PN总母线电压由独立电压源调节。只要一个电压被控制，另一个电压随之确定。通过电压均衡器，实现电压调节能力在双极系统内共享。具有电压均衡器的双极系统配置如图1所示。电压均衡器的控制目标是确保母线电压相等。因此，其等效电路是“受控电压源”(DVS)。对输出电压直接进行调节的电网接口变换器和储能接口变换器，其等效电路则可视为“独立电压源”(IVS)。

IVS与DVS都是双极系统的关键网络组成部件。依据“N+1”冗余设计规则，双极系统中电压均衡器并联运行对于保证系统的可靠性至关重要。此外，考虑到系统扩展，由于功率需求的增加，需要依赖于多组电压均衡器并联运行。现有研究中对多IVS并联运行已经有了广泛的研究。基于下垂控制的分层控制结构被视作为单极直流系统的一般标准化解决方案。然而对于双极直流系统，存在新的挑战：尚无电压均衡器并联运行实现方案，当系统中电压均衡器故障，双极系统不能保证正常运行，导致系统可靠性低；电压均衡器作为新型电压调节元件(DVS)对现有的直流系统层级控制结构提出了新的挑战。

现有技术中，有在双极直流微网中引入了半桥式电压均衡器，通过一种双降压半桥电压均衡器及其控制策略，避免了变换器开关过程中可能存在的直通问题。然而，在系统层面仍然依赖于单一电压均衡器实现电压均衡器的集中控制。当该电压均衡器退出运行时，系统仍将面临电压不均衡问题，由此导致系统可靠性较低。此外，现有技术依赖于集中式电压均衡器，系统正负极间不均衡功率均经该单一变换器变换。引起额外线路损耗，导致系统运行效率较低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构及控制方法，本发明能够实现多电压均衡器自主运行，以及系统最小功率损耗调节。本发明通过多电压均衡器并联，提高系统可靠性，保证某一电压均衡器退出运行时系统仍能维持正常工作；电压均衡器分层运行，不依赖于高速通信，实现系统自主运行；在多组分布式电压均衡器并联基础上，基于损耗优化算法，提高系统运行效率。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构，其特征在于，包括多组电压均衡器并联运行，实现双极直流系统内部分布式电压均衡控制，包括：独立电压源IVS之间协调控制结构以及电压均衡器VB之间协调控制结构，其中独立电压源IVS之间协调控制结构包括用于独立电压源IVS输出电压下垂控制的“电压-功率”下垂控制第一控制层与用于独立电压源IVS输出电压零偏差调节的下垂控制第二控制层，其中“电压-功率”下垂控制第一控制层控制电压源输出电压与输出功率呈现下垂关系，下垂控制第二控制层控制电压源零功率输出时电压参考值，从而消除电压偏差；其中电压均衡器VB之间协调控制结构包括用于电压均衡器VB自主运行的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层、用于消除正负母线间电压不均衡第二控制层与用于双极系统功率损耗优化的第三控制层，其中电压均衡器的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层控制正负极间电压差与电压均衡器输出功率呈现下垂关系，电压均衡器的电压不均衡第二控制层调节零输出功率时电压偏差参考值，从而消除正负极间电压不均衡。

本发明的一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制方法，通过上述述的双极直流系统分层结构实现的，其特征在于，包括如下控制设计步骤：

步骤S1：根据不同类型的电压不均衡工况，在双极系统中引入电压均衡器，实现电压主动平衡调节，其中，根据系统N+1设计原则，双极系统中需要具备多组电压均衡器并联，以提供冗余，保证系统可靠性；

步骤S2：基于分布式电压均衡器实现功率分配，根据不同类型的电压不均衡工况，在多电压均衡器间通过下垂控制实现多电压均衡器并联自主运行；下垂控制在保证电压均衡器自主运行同时会引起电压偏差，为保证稳态运行时正负极间无稳态电压偏差，通过改变电压均衡器下垂控制起始点位置，消除稳态电压偏差；

步骤S3：实际系统中线路电阻和功率变换器将引入系统功率损耗，其中，系统功率损耗值与电压均衡器的功率分配策略有关，在电压均衡器间功率主动分配，提高系统运行效率。

进一步地，步骤S2中，对于第一种A型电压不均衡，在负极输出电压v_nk和电压均衡器传输的功率p_k之间定义式(1)所示下垂关系，其中1≦k≦n：

其中v_n1,…v_nn为电压均衡器负极出口侧电压，在忽略线路电阻的引起的电压不均情况下，v_n1,…v_nn具有相同的电压值v_n。电压均衡器之间的功率分配将由下垂参数k_N1,…k_Nn决定；

PN母线间电压由上述下垂关系以及负载总输出功率P_load所决定，如式(3)所示：

对于第二种B型电压不均衡，采用与以上同样形式的下垂控制；

对于第三种C型电压不均衡，电压均衡器相当于同时在PZ极与ZN极同时引入两组虚拟电压源，虚拟电压源下垂关系如(4)所示，电压均衡器1～n之间的功率分配关系同时满足式(2)，

比较(1)与(4)得出三种类型的电压不均衡的统一控制表示形式，如式(5)所示：

v_pk-v_nk＝k_Nk*p_k (5)

式(5)中，k_Nk为第k个电压均衡器下垂系数(k＝1～n)，其参数选择与系统所允许最大电压不均衡V_ub以及电压均衡器的额定功率P_rat有关，如式(6)所示：

基于式(5)中下垂控制实现电压均衡器之间自动功率分配，同时保证v_p和v_n之间的电压偏差将限制在一定范围内，然而系统中电压不均衡仍然存在；

为消除电压不均衡，在电压不均衡控制层中，通过移动下垂线来消除电压不均衡，所有的电压均衡器下垂曲线都以相同的值Δv补偿，则电压均衡器的功率分配仍然遵循(5)中定义的功率分配关系，其中，Δv数值与负载功率P_load和电压均衡器下垂系数k_Nk有关，如(7)所示：

进一步地，步骤S3中，电压均衡器k系统功率损耗模型为：

其中a_k,b_k,c_k分别为电压均衡器k损耗模型中等效电阻、等效电压降以及恒定损耗项，对应双极直流系统损耗优化问题为：

其中，P_{loss_IVS}为独立电压源(IVS)接口变换器功率损耗，P_{loss_PCU}为功率控制单元接口变换器功率损耗，P_{loss_VB1}，P_{loss_VB2}为电压均衡器1和电压均衡器2功率损耗，r₁,r₂为等效线路电阻；

通过求解(10)中所述优化问题，

得到系统最优损耗实现条件为：

(v_p1-v_n1)+2a₁i_z1+b₁＝(v_p2-v_n2)+2a₂i_z2+b₂ (11)

基于上述条件，实现多电压均衡器间系统损耗优化控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的技术方案与集中式解决方案相比，电压均衡器的并联运行有助于提高系统运行效率；此外，在某一电压均衡器退出运行时，双极系统仍能正常工作，提高系统运行可靠性；基于本发明的分层控制结构，不依赖于高速通信实现双极系统协调控制，降低系统造价。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为典型双极直流系统结构示意图；

图2(a)为不需要电压均衡器的双极直流系统连接方式示意图；

图2(b)为第一种A型电压均衡器的双极直流系统连接方式示意图；

图2(c)为第二种B型电压均衡器的双极直流系统连接方式示意图；

图2(d)为第三种C型电压均衡器的双极直流系统连接方式示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)为三种电压均衡器功能等效示意图；

图4为多电压均衡器并联等效示意图；

图5(a)为“A型电压不均衡”系统中电压均衡器等效示意图；

图5(b)为“B型电压不均衡”系统中电压均衡器等效示意图；

图5(c)为“C型电压不均衡”系统中电压均衡器等效示意图；

图6为电压均衡器的一级和二级控制层示意图；

图7(a)为具有集中式电压均衡器的双极直流系统示意图；

图7(b)为具有分布式电压均衡器的双极直流系统示意图；

图8为双极直流系统的改进型分层控制结构示意图；

图9为本发明的一种双极直流系统结构示意图；

图10为双极直流系统的正常运行示意图；

图11为本发明的一种电压均衡器故障时双极直流系统的运行示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为提高双极系统可靠性与运行效率，本发明提出了一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制结构及方法。基于双极系统中基本接入方式分析，归纳得出双极系统中三种基本电压不均衡形式。在此基础上，分析其中电压均衡器的功能，提出适用于电压均衡器并联的“不均衡电压-功率”下垂控制策略，用于系统自主运行和电压均衡控制。通过电压均衡器之间协调运行，实现系统最小功率损耗。

具体地，本发明的一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构，其特征在于，包括多组电压均衡器并联运行，实现双极直流系统内部分布式电压均衡控制，包括：独立电压源IVS之间协调控制结构以及电压均衡器VB之间协调控制结构，其中独立电压源IVS之间协调控制结构包括用于独立电压源IVS输出电压下垂控制的“电压-功率”下垂控制第一控制层与用于独立电压源IVS输出电压零偏差调节的下垂控制第二控制层，其中“电压-功率”下垂控制第一控制层控制电压源输出电压与输出功率呈现下垂关系，下垂控制第二控制层控制电压源零功率输出时电压参考值，从而消除电压偏差；其中电压均衡器VB之间协调控制结构包括用于电压均衡器VB自主运行的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层、用于消除正负母线间电压不均衡第二控制层与用于双极系统功率损耗优化的第三控制层，其中电压均衡器的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层控制正负极间电压差与电压均衡器输出功率呈现下垂关系，电压均衡器的电压不均衡第二控制层调节零输出功率时电压偏差参考值，从而消除正负极间电压不均衡。

本发明的一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制方法，通过上述的控制结构实现的，包括如下步骤：

步骤S1：根据不同类型的电压不均衡工况，在双极系统中引入电压均衡器，实现电压主动平衡调节，其中，根据系统N+1设计原则，双极系统中需要具备多组电压均衡器并联，以提供冗余，保证系统可靠性；

考虑双极系统中单一“独立电压源”(IVS)和单一负载接入工况，双极系统共有9种连接方式，如图2所示。其中，连接方式①-③中，负载电压由独立电压源直接调节，系统中不需要电压均衡器。而对于连接方式④-⑨中，负载两端电压不受控制，由此带来双极系统中正负极电压不平衡问题。

不失一般性，认为“独立电压源”(IVS)和单一负载接入正极与接入负极两种方式等效，可进一步将连接方式④-⑨中电压不均衡工况归纳为三类：A型电压不均衡，B型电压不均衡与C型电压不均衡。

为消除电压不均衡，可在双极系统中引入电压均衡器，实现电压主动平衡调节。如图3所示，对于A型电压不均衡(以④为例)，当电压均衡器电压均衡器控制PZ间电压与ZN间电压相等时，其功能相当于在ZN间引入一个虚拟电压源。上述虚拟电压源对于B型电压不均衡(以⑥为例)同样适用。而对于C型电压不均衡(以⑧为例)，相当与在PZ间与ZN间同时引入电压值相等的两个虚拟电压源。

由上述分析，多组电压均衡器并联等效于多组虚拟电压源并联，如图4所示。根据电路理论，电压源直接并联会导致元件过流，造成电压均衡器损坏。如何实现电压均衡器并联运行是提高双极直流系统可靠性的关键。

步骤S2：基于分布式电压均衡器实现功率分配，根据不同类型的电压不均衡工况，在多电压均衡器间通过下垂控制实现多电压均衡器并联自主运行；下垂控制在保证电压均衡器自主运行同时会引起电压偏差，为保证稳态运行时正负极间无稳态电压偏差，通过改变电压均衡器下垂控制起始点位置，消除稳态电压偏差；

在上述的下垂控制中，没有考虑线路电阻的影响，电压均衡器之间依照各自容量实现功率分配。

步骤S3：在实际系统中线路电阻和功率转换器将引入系统功率损耗，其中，功率损耗值与电压均衡器的功率分配策略有关，因此在电压均衡器间功率主动分配，从而提高系统运行效率。

进一步地，步骤S2中，对于第一种A型电压不均衡，在输出电压v_n和电压均衡器传输的功率p_n之间定义式(1)所示下垂关系：

相应双极系统等效电路，如图5(a)所示。在系统负极，电压均衡器输出等效为虚拟电压源。在忽略线路电阻所引起的电压不均情况下，v_n1,…v_nn具有相同的电压值v_n。电压均衡器之间的功率分配将由下垂参数k_N1,…k_Nn决定。

PN母线间电压由上述下垂关系以及负载总输出功率P_load所决定，如式(3)所示：

对于第二种B型电压不均衡，采用与以上同样形式的下垂控制。电压均衡器同样在在系统负极等效引入虚拟电压源，如图5(b)所示；

对于第三种C型电压不均衡，电压均衡器相当于同时在PZ极与ZN极同时引入两组虚拟电压源，虚拟电压源下垂关系如(4)所示。在正负极间引入等效电压源，等效电路如图5(c)所示。电压均衡器1-n之间的功率分配关系同时满足式(2)，

比较(1)与(4)得出三种类型的电压不均衡的统一控制表示形式，如式(5)所示：

v_pk-v_nk＝k_Nk*p_k (5)

式(5)中，k_Nk为第k个电压均衡器下垂系数，其参数选择与系统所允许最大电压不均衡V_ub以及电压均衡器的额定功率P_rat有关，如式(6)所示：

基于式(5)中下垂控制实现电压均衡器之间自动功率分配，同时保证v_p和v_n之间的电压偏差将限制在一定范围内，然而系统中电压不均衡仍然存在；

为消除电压不均衡，在电压不均衡控制层中，通过移动下垂线来消除电压不均衡，如图6所示，所有的电压均衡器下垂曲线都以相同的值Δv补偿，则电压均衡器的功率分配仍然遵循(5)中定义的功率分配关系，其中，Δv数值与负载功率和电压均衡器下垂系数有关，如(7)所示：

以图7所示双极系统为例，计及线路电阻影响，含单一电压均衡器双极系统等效电路如图7(a)所示。而含两电压均衡器并联运行双极系统等效电路如图7(b)所示。

进一步地，步骤S3中，双极系统的系统损耗模型为：

对应直流系统损耗优化问题为：

其中，P_{loss_IVS}为独立电压源接口变换器功率损耗，P_{loss_PCU}为功率控制单元接口变换器功率损耗，P_{loss_VB1}，P_{loss_VB2}为电压均衡器1，2功率损耗，r₁,r₂为线路等效电阻，如图7所示。

通过求解(10)中所述优化问题，

得到系统最优损耗实现为：

(v_p1-v_n1)+2a₁i_z1+b₁＝(v_p2-v_n2)+2a₂i_z2+b₂ (11)

上述效率优化，构成电压均衡器的最小化系统损耗控制层。

本发明通过一个举例示例来描述本发明的技术方案，以图9所示两组电压均衡器并联系统为例，系统控制结构遵循图8所示分层控制策略。系统参数如表1所示。对双极直流系统稳态及故障情况下，系统控制策略进行功能验证。

表1双极直流系统参数

如图10所示的双极直流系统的正常运行时的电压曲线，在t₁时刻前，IVS和电压均衡器的第一层控制工作，系统能够实现自主运行，而v_pz和v_zn之间存在电压不均衡。在t₁＝0.5s时I_res的增加，由此导致v_pz和v_zn之间电压偏差进一步增大。

IVS的第二层控制在t₂＝0.7s投入运行，v_pz和v_zn之和即v_pn恢复至48V。电压均衡器的第二层控制在t₃＝0.9s投入运行，从而消除v_pz和v_zn间电压偏差，v_pz和v_zn被调节到24v。

电压均衡器的第三层在t₄＝1.1s时投入运行。可以观察到i_z1和i_z2之间功率再分配。系统总功率损耗P_loss由此降低，表明电压均衡器主动功率分配有助于提高系统整体效率。

为验证电压均衡器并联对系统可靠性提升作用，这里对一个电压均衡器退出运行工况进行仿真，以模拟故障情况。如图11所示，当电压均衡器1在t＝0.9s退出运行时，可以观察到电压均衡器2输出电路i_z2随之增大。单一电压均衡器退出运行时，剩余电压均衡器能够控制系统电压偏差在一定范围内，并在t＝0.95s后消除电压不平衡。由此可见，电压均衡器的并联运行提高了系统的可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层结构，其特征在于，包括多组电压均衡器并联运行，实现双极直流系统内部分布式电压均衡控制，包括：独立电压源IVS之间协调控制结构以及电压均衡器VB之间协调控制结构，其中独立电压源IVS之间协调控制结构包括用于独立电压源IVS输出电压下垂控制的“电压-功率”下垂控制第一控制层与用于独立电压源IVS输出电压零偏差调节的下垂控制第二控制层，其中“电压-功率”下垂控制第一控制层控制电压源输出电压与输出功率呈现下垂关系，下垂控制第二控制层控制电压源零功率输出时电压参考值，从而消除电压偏差；其中电压均衡器VB之间协调控制结构包括用于电压均衡器VB自主运行的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层、用于消除正负母线间电压不均衡第二控制层与用于双极系统功率损耗优化的第三控制层，其中电压均衡器的“不均衡电压-功率”下垂控制第一控制层控制正负极间电压差与电压均衡器输出功率呈现下垂关系，电压均衡器的电压不均衡第二控制层调节零输出功率时电压偏差参考值，从而消除正负极间电压不均衡。

2.一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制方法，通过权利要求1所述的双极直流系统分层结构实现的，其特征在于，包括如下控制设计步骤：

步骤S1：根据不同类型的电压不均衡工况，在双极系统中引入电压均衡器，实现电压主动平衡调节，其中，根据系统N+1设计原则，双极系统中需要具备多组电压均衡器并联，以提供冗余，保证系统可靠性；

步骤S2：基于分布式电压均衡器实现功率分配，根据不同类型的电压不均衡工况，在多电压均衡器间通过下垂控制实现多电压均衡器并联自主运行；下垂控制在保证电压均衡器自主运行同时会引起电压偏差，为保证稳态运行时正负极间无稳态电压偏差，通过改变电压均衡器下垂控制起始点位置，消除稳态电压偏差；

步骤S3：实际系统中线路电阻和功率变换器将引入系统功率损耗，其中，系统功率损耗值与电压均衡器的功率分配策略有关，在电压均衡器间功率主动分配，提高系统运行效率。

3.根据权利要求2所述的一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制方法，其特征在于，步骤S2中，对于第一种A型电压不均衡，在负极输出电压v_nk和电压均衡器传输的功率p_k之间定义式(1)所示下垂关系，其中1≦k≦n：

其中v_n1,…v_nn为电压均衡器负极出口侧电压，在忽略线路电阻的引起的电压不均情况下，v_n1,…v_nn具有相同的电压值v_n。电压均衡器之间的功率分配将由下垂参数k_N1,…k_Nn决定；

PN母线间电压由上述下垂关系以及负载总输出功率P_load所决定，如式(3)所示：

对于第二种B型电压不均衡，采用与以上同样形式的下垂控制；

对于第三种C型电压不均衡，电压均衡器相当于同时在PZ极与ZN极同时引入两组虚拟电压源，虚拟电压源下垂关系如(4)所示，电压均衡器1～n之间的功率分配关系同时满足式(2)，

比较(1)与(4)得出三种类型的电压不均衡的统一控制表示形式，如式(5)所示：

v_pk-v_nk＝k_Nk*p_k (5)

式(5)中，k_Nk为第k个电压均衡器下垂系数(k＝1～n)，其参数选择与系统所允许最大电压不均衡V_ub以及电压均衡器的额定功率P_rat有关，如式(6)所示：

基于式(5)中下垂控制实现电压均衡器之间自动功率分配，同时保证v_p和v_n之间的电压偏差将限制在一定范围内，然而系统中电压不均衡仍然存在；

为消除电压不均衡，在电压不均衡控制层中，通过移动下垂线来消除电压不均衡，所有的电压均衡器下垂曲线都以相同的值Δv补偿，则电压均衡器的功率分配仍然遵循(5)中定义的功率分配关系，其中，Δv数值与负载功率P_load和电压均衡器下垂系数k_Nk有关，如(7)所示：

4.根据权利要求2所述的一种采用多电压均衡器并联的双极直流系统分层控制方法，其特征在于，步骤S3中，电压均衡器k系统功率损耗模型为：

其中a_k,b_k,c_k分别为电压均衡器k损耗模型中等效电阻、等效电压降以及恒定损耗项，对应双极直流系统损耗优化问题为：

其中，P_{loss_IVS}为独立电压源(IVS)接口变换器功率损耗，P_{loss_PCU}为功率控制单元接口变换器功率损耗，P_{loss_VB1}，P_{loss_VB2}为电压均衡器1和电压均衡器2功率损耗，r₁,r₂为等效线路电阻；

通过求解(10)中所述优化问题，

得到系统最优损耗实现条件为：

(v_p1-v_n1)+2a₁i_z1+b₁＝(v_p2-v_n2)+2a₂i_z2+b₂ (11)

基于上述条件，实现多电压均衡器间系统损耗优化控制。