CN109245088A - 一种直流微电网线路稳定特征提取方法 - Google Patents

一种直流微电网线路稳定特征提取方法 Download PDF

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    • H02J1/00Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10Parallel operation of dc sources
    • H02J1/12Parallel operation of dc generators with converters, e.g. with mercury-arc rectifier

Abstract

本发明涉及一种直流微电网线路稳定特征提取方法,所述的线路稳定特征直流微电网中变流器所对应的线路电阻和线路电感,该方法包括如下步骤:(1)向变流器控制回路的电流环中注入低频信号;(2)运行变流器,获取变流器输出电压和输出电流;(3)提取输出电压和输出电流的高频谐波和低频谐波;(4)利用输出电压和输出电流的高频谐波获取该变流器所对应的线路电感;(5)利用输出电压和输出电流的低频谐波获取该变流器所对应的线路电阻。与现有技术相比,本发明方法具有简便易行的特点,不用加入额外的测量装置,因此不需要额外的成本,且结果准确可靠。

Description

一种直流微电网线路稳定特征提取方法
技术领域
本发明涉及直流微电网领域,尤其是涉及一种直流微电网线路稳定特征提取方法。
背景技术
随着新能源产业的发展,大规模分布式能源并网已成必然趋势。分布式电源如太阳能光伏发电、风力发电、潮汐能发电等具有清洁环保的优点,但是其位置分散、单个装置的容量小、发电具有间歇性和波动性的特点会给电网的稳定运行带来很大的威胁。通过将这些可再生能源,联合储能系统和本地的负载,组成一个小的微电网,再并入大电网可以有效地解决这个问题。按照电压的形式划分,微电网有交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网三种,其中交流微电网是最常见的形式。分布式电源并入交流微电网往往需要考虑同步的问题,并且维持电压和频率的稳定,但是如光伏、蓄电池、发光二极管等都是直流形式的,这样通过建立直流微电网将直流负载和电源连接起来,以减少能源转换的次数,提高能源利用效率。并且直流电源的并网不需要考虑同步问题,由于这些优点,直流微电网受到了广泛的关注。直流母线电压是衡量直流微电网功率平衡最重要的指标,直流微电网运行的稳定性也一直是直流微电网讨论的重点问题。传统的理论方法是将变流器出口的电压等效等于直流母线电压,但在实际线路中,由于线路阻感的存在,直流母线电压与变流器电压不能直接等效,甚至线路的阻感会影响到直流变流器的稳定运行。因此,直流微电网中的线路的等效电阻和等效电感是关系系统稳定性的一种特征量,提取线路的模型并在线辨识参数对分析补偿系统具有重要意义。另外,微电网在对等控制方式下变流器往往采用下垂控制来实现均流和功率分配,但也由于线路阻抗的存在,系统的下垂系数需要依据阻抗值做出相应的调整才能保证下垂系数的准确性,传统意义上的往往只考虑到了线路的阻性成分,忽略了线路的感性,但实际上系统的感性成分对直流中的纹波也存在一定的作用,若要达到更好的均流效果,也需要辨识出线路的特征。
图1所示的是常见的直流微电网结构,其中交流大电网通过交直流变流器与直流微电网的直流母线连接,交流电网与直流微电网的能量是双向流动的。风力发电和光伏发电作为分布式能源也都通过换流器连接到直流微网母线上,不同的是风力发电输出的往往是交流要通过镇流连接到微网,而光伏输出的直流可以通过DC/DC直流变换器并入直流母线,分布式电源的能量流动是单向输出的。储能可以供微网系统削峰填谷使用,其输入和输出都是直流,因此也通过直流变换器并网,储能与微网的能量是双向流动的,它能在分布式电源发电功率大于负载消耗的功率时储存电能,发电功率小于负载功率时输出电能。电动汽车充电桩作为新型的负载具有间歇性,其结构具有随机性,现在的充电桩往往使用直流大功率充电方式以实现快速充电,其能量流动是单向流出的。另外也有如电机,LED等常用的各种交直流负载与母线相连,这里既可以通过逆变器也可以通过直流变换器相连,其也是能量也是单向流出的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直流微电网线路稳定特征提取方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种直流微电网线路稳定特征提取方法,所述的线路稳定特征直流微电网中变流器所对应的线路电阻和线路电感,该方法包括如下步骤:
(1)向变流器控制回路的电流环中注入低频信号;
(2)运行变流器,获取变流器输出电压和输出电流;
(3)提取输出电压和输出电流的高频谐波和低频谐波;
(4)利用输出电压和输出电流的高频谐波获取该变流器所对应的线路电感;
(5)利用输出电压和输出电流的低频谐波获取该变流器所对应的线路电阻。
步骤(1)中低频信号频率范围为:102Hz~9×102Hz。
步骤(3)中输出电压和输出电流的高频谐波的频率选择为与变流器的开关频率相等,输出电压和输出电流的低频谐波的频率选择为与步骤(1)中注入的低频信号的频率相等。
步骤(4)具体为:
(41)获取高频谐波阻抗Zh
其中,Zh1为输出电压高频谐波的幅值,Zh2为输出电流高频谐波的幅值,θh1为输出电压高频谐波的相角,θh2为输出电流高频谐波的相角;
(42)获取线路电感L:
其中,fh为输出电压和输出电流的高频谐波的频率。
步骤(5)具体为:
(51)获取低频谐波阻抗Zl
其中,Zl1为输出电压高频谐波的幅值,Zl2为输出电流高频谐波的幅值,θl1为输出电压高频谐波的相角,θl2为输出电流高频谐波的相角;
(52)获取线路电阻R:
R=|Zl|cos(θl1l2)。
线路电阻R还可以通过下式获得:
其中,fl为输出电压和输出电流的低频谐波的频率,L为步骤(4)获取的电路电感。
步骤(4)和步骤(5)分别在时间窗口内进行多次计算取平均得到变流器所对应的线路电感和线路电阻。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明直流微电网线路稳定特征(变流器对应的线路电阻和线路电感)的特征提取方法具有简便易行的特点,不用加入额外的测量装置,只用数字信号处理器的控制算法即可实现,因此不需要额外的成本;
(2)通过本发明方法提取线路稳定特征得到线路的动态参数后可以调整直流微电网系统的控制方案,提高系统稳定裕度;
(3)本发明提取线路稳定特征后可以通过变流器出口参数和线路参数估测直流母线状态,以实现电源的即插即用。
附图说明
图1为直流微电网的结构示意图;
图2为本发明直流微电网线路稳定特征提取方法的流程框图;
图3为本发明实施例中直流Boost变换器的电路示意图;
图4为本发明实施例中直流Boost变换器的闭环控制框图;
图5为本发明实施例中直流Boost变换器输出阻抗Bode图;
图6为直流微电网线路简化模型;
图7为本发明实施例中直流微电网线路稳定特征提取结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意,以下的实施方式的说明只是实质上的例示,本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定,且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图2所示,一种直流微电网线路稳定特征提取方法,线路稳定特征直流微电网中变流器所对应的线路电阻和线路电感,该方法包括如下步骤:
(1)向变流器控制回路的电流环中注入低频信号(若系统含有固有低频次谐波含量较高可不用注入),低频信号频率数量级选择为102Hz,具体地,低频信号频率范围为:102Hz~9×102Hz,低频信号幅值选择在微安级;
(2)运行变流器,获取变流器输出电压和输出电流;
(3)提取输出电压和输出电流的高频谐波和低频谐波,该步骤中输出电压和输出电流的高频谐波的频率选择为与变流器的开关频率相等,输出电压和输出电流的低频谐波的频率选择为与步骤(1)中注入的低频信号的频率相等,该步骤具体通过傅里叶变换来获取高频谐波和低频谐波;
(4)利用输出电压和输出电流的高频谐波获取该变流器所对应的线路电感;
(5)利用输出电压和输出电流的低频谐波获取该变流器所对应的线路电阻。
步骤(4)具体为:
(41)获取高频谐波阻抗Zh
其中,Zh1为输出电压高频谐波的幅值,Zh2为输出电流高频谐波的幅值,θh1为输出电压高频谐波的相角,θh2为输出电流高频谐波的相角;
(42)获取线路电感L:
其中,fh为输出电压和输出电流的高频谐波的频率。
步骤(5)具体为:
(51)获取低频谐波阻抗Zl
其中,Zl1为输出电压高频谐波的幅值,Zl2为输出电流高频谐波的幅值,θl1为输出电压高频谐波的相角,θl2为输出电流高频谐波的相角;
(52)获取线路电阻R:
R=|Zl|cos(θl1l2)。
线路电阻R还可以通过下式获得:
其中,fl为输出电压和输出电流的低频谐波的频率,L为步骤(4)获取的电路电感。
步骤(4)和步骤(5)分别在时间窗口内进行多次计算取平均得到变流器所对应的线路电感和线路电阻。
上述提出的直流微电网线路稳定特征的提取方式,是巧妙利用直流微网中直流成分中的固有交流成分在直流微网中的特性以及直流微电网的结构特点,来辨识线路参数的方法。这里的测量过程包括扰动注入环节,电流电压测量环节,滤波与傅里叶变换环节,均值计算四个部分。
系统的感性成分主要对直流的高频分量起阻碍作用,因此可以利用直流的固有高频纹波来测量线路的感性成分。
其中扰动注入环节是补偿系统的低频交流分量用以辨识直流微电网的线路电阻。
电流电压测量环节目的是获取直流微网系统中变流器出口电压电流的源信号。
滤波与傅里叶变换主要目的是获取单一频率的交流信号的幅值和相角以精确计算相应阻抗。
均值计算环节可以计算在某个时间窗口内测量得到的参数的平均值,提高测量精度。
通过直流微电网中电容器隔直通交,通低频阻高频的特点以及直流中的固有的交流成分计算系统的阻抗,根据高频阻抗与微网线路感性相关,低频阻抗与微网线路阻性相关的特点分别计算出系统的阻感性成分,得到线路的稳定特征。
以直流Boost变换器作为直流变换器为例,简化的单台直流微网系统如图3所示,这里的负载等效为阻性的,图中,Us为Boost变换器输入端的稳压源电压,L为Boost变换器的电感,VT为Boost变换器的功率开关管,VD为Boost变换器的输出整流二极管,Co为Boost变换器的输出电容,Lline为变换器出口到负载的等效线路电感,Rline为变流器出口到负载的等效线路电阻,Rload为直流微网负载等效电阻,Cbus为直流微网母线等效对地电容。
直流微电网中直流变换器的的闭环控制方式选择为:外环输出电压反馈,保证母线电压稳定;内环选择电感电流反馈,提高系统动态特性,其控制框图如图4所示,左边长虚线框中的是控制部分,右边虚线框中的是实际电路部分。图中,Vref为变换器电压设定值,Vref*为经过下垂修正后的电压设定值,Gu为电压控制器,Gi为电流控制器,L为变换器出口到负载的等效线路电感,D为PWM平均占空比,Co为Boost变换器的输出电容,Lline为变换器出口到负载的等效线路电感,Rline为变换器出口到负载的等效线路电阻,Rload为直流微网负载等效电阻,Rd为下垂系数。
上述变流器输出阻抗Bode图如图5所示,从图5可见从直流变流器的输出阻抗的频域特性,在低频段时,系统的bode图为阻感性部分频率下为纯阻性,而在高频段时变流器的输出阻抗很小,基本为纯感性。
由于电路具有很高的开关频率,在高频下,电路中的电抗远大于电阻,因此阻抗角θ接近90度,可近似认为阻抗大小与电抗大小相等,即:
式中:Xh为开关频率下的电抗;θh为开关频率谐波相位;
因此,电感值为:
式中:L为线路电感;fh为开关频率;
在低频段,阻抗可以分解成阻性和感性两个部分,根据阻抗关系有
R=|Zl|cosθl
式中:R为线路电阻,Zl低频阻抗,θl为低频阻抗角。
如图6所示的直流微电网线路简化模型中,直流母线间的等效电容Cbus,根据已有研究知,Cbus增大能使得系统具备一定程度惯性,电压的稳定性也越好。因此这里假设Cbus是一个很大的值。于是根据电容的隔直通交的特点,Rload实际是被交流短路的,因此输出的阻抗可以近似看做线路阻抗产生的。于是有
由于系统的低频分量的幅值较低,因此若要使得测量更加准确也可通过注入低幅值的交流信号,以提高低频交流的比重。算法中提到的高低频率的特定值可根据变换器的开关频率和系统的输出阻抗曲线确定。
为验证本发明方法的有效性,在Matlab/Simulink中搭建了单台直流微电网模型,母线电压设置为400V,等效负载电阻为20Ω,其中线路参数的设置按照常用的低压线路参数,线路电阻0.642Ω/km,线路电感0.264mH/km,默认使用1千米线路测量,其结果如图7所示。图7(a)为线路电阻提取结果图,图7(b)为线路电感提取结果图,由图可见,本发明方法提取结果与实际值匹配。
上述实施方式仅为例举,不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施,且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (7)

1.一种直流微电网线路稳定特征提取方法,所述的线路稳定特征直流微电网中变流器所对应的线路电阻和线路电感,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)向变流器控制回路的电流环中注入低频信号;
(2)运行变流器,获取变流器输出电压和输出电流;
(3)提取输出电压和输出电流的高频谐波和低频谐波;
(4)利用输出电压和输出电流的高频谐波获取该变流器所对应的线路电感;
(5)利用输出电压和输出电流的低频谐波获取该变流器所对应的线路电阻。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,步骤(1)中低频信号频率范围为:102Hz~9×102Hz。
3.根据权利要求1所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,步骤(3)中输出电压和输出电流的高频谐波的频率选择为与变流器的开关频率相等,输出电压和输出电流的低频谐波的频率选择为与步骤(1)中注入的低频信号的频率相等。
4.根据权利要求1所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,步骤(4)具体为:
(41)获取高频谐波阻抗Zh
其中,Zh1为输出电压高频谐波的幅值,Zh2为输出电流高频谐波的幅值,θh1为输出电压高频谐波的相角,θh2为输出电流高频谐波的相角;
(42)获取线路电感L:
其中,fh为输出电压和输出电流的高频谐波的频率。
5.根据权利要求1所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,步骤(5)具体为:
(51)获取低频谐波阻抗Zl
其中,Zl1为输出电压高频谐波的幅值,Zl2为输出电流高频谐波的幅值,θl1为输出电压高频谐波的相角,θl2为输出电流高频谐波的相角;
(52)获取线路电阻R:
R=|Zl|cos(θl1l2)。
6.根据权利要求5所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,线路电阻R还可以通过下式获得:
其中,fl为输出电压和输出电流的低频谐波的频率,L为步骤(4)获取的电路电感。
7.根据权利要求1所述的一种直流微电网线路稳定特征提取方法,其特征在于,步骤(4)和步骤(5)分别在时间窗口内进行多次计算取平均得到变流器所对应的线路电感和线路电阻。
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