CN109638889B - 海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，主要包括虚拟惯性控制、电压电流双环控制两个部分。其中，虚拟惯性控制使得海岛柴储混合供电系统的直流侧具有较大的惯性，平抑直流母线电压波动；直流电压外环采用比例积分控制，能无静差跟踪双向储能变换器输出侧电压参考值，电流内环采用比例控制，提高系统的稳态精度。本发明实现根据采样信号控制双向储能变换器的工作状态，抑制系统直流侧电压大幅波动，使得供电系统稳定运行。

Description

海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法

技术领域

本发明实施例涉及供电系统控制领域，具体涉及一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法。

背景技术

随着我国海洋供电系统规模不断扩大化，网络不断复杂化，国防与民用设备对系统的安全性和稳定性要求越来越高。在远海岛屿，受限于海洋地域条件及装备所处工作环境，网架性缺电和电源不可靠性问题依然并存，极大影响了海岛居民的正常生产生活，制约了海岛经济的发展。

现今适合海岛供电的柴储混合供电系统，由于海岛特种负荷所需功率大，其供电方式多采用多变流器并联实现增容，但多个变流器之间存在输出特性差异容易导致系统环流与并联谐振；同时，海岛含有大量的冲击性阻感负荷及具备电力电子接口的非线性负荷，导致特种电源输出电压严重畸变和剧烈波动，严重影响电源系统稳定运行。

发明内容

本发明提供一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，实现根据采样信号控制双向储能变换器的工作状态，抑制系统直流侧电压大幅波动，使得供电系统稳定运行。

本发明实施例提供了一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，适用于海岛柴储混合供电系统的双向储能变换器控制，所述海岛柴储混合供电系统包括柴油发电机组、前级PWM整流电路、双向储能变换器、储能电池、直流侧储能电容C₀、后级多电平PWM逆变电路、滤波电路、交流母线、交流负载、直流负载、采样调理模块、控制器和驱动保护模块；所述双向储能变换器、储能电池并联连接在直流侧储能电容C₀两端；所述双向储能变换器由大电容C、全控型功率开关管Q1及Q2和滤波电感L构成；

所述控制器分别与所述驱动保护模块的输入端和所述采样调理模块的输出端连接；所述驱动保护模块驱动所述双向储能变换器中的全控型功率开关管，所述控制器包括惯性控制器、比例积分控制器、比例控制器和PWM信号生成器；所述方法包括：

所述采样调理模块对所述双向储能变换器的输出侧电流i_o、输出侧电压u_dc、电感电流i_L分别进行采样，并将采样数据通过并行接口输送给所述控制器进行处理；

所述惯性控制器根据预设的输出侧电流额定值I_set与所述输出侧电流i_o进行求差，生成指令电流信号i_o ^*；

所述惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set与输出侧电压参考值u_dc ^*相减，得到电压偏差值ΔU_set；

所述惯性控制器将所述电压偏差值ΔU_set和电压振荡阻尼系数D_b相乘所得值与所述指令电流信号i_o ^*求差，得到电流偏差值Δi_o；

所述惯性控制器将所述输出侧电压参考值u_dc ^*与所述输出侧电压u_dc相减得到差值e_v，并将所述差值e_v输出至所述比例积分控制器；

所述比例积分控制器根据所述差值e_v，生成电压外环控制的电流幅值指令I_v ^*；

所述比例控制器根据所述电流幅值指令I_v ^*与所述电感电流i_L的差值，生成调制波信号u_r，并将所述调制波信号u_r输出至所述PWM信号生成器；

所述PWM信号生成器将所述调制波信号u_r进行PWM调制得到控制信号m₁和m₂，并将所述控制信号m₁和m₂输出至所述驱动保护模块；

所述驱动保护模块根据所述控制信号m₁和m₂控制所述全控型功率开关管Q1及Q2。

进一步地，所述输出侧电压参考值u_dc ^*的计算过程为：

其中，Δi_o为所述电流偏差值；c_v为虚拟电容值；u_dc为所述输出侧电压。

进一步地，所述电压振荡阻尼系数D_b的取值范围为5≤D_b≤100；所述虚拟电容值c_v为的取值范围为U_set/D_b≤c_v≤10U_set/D_b；其中，U_set为所述输出侧电压额定值。

进一步地，所述比例积分控制器的传递函数表达式为：

G_PI(s)＝k_p+k_i/s

其中，k_p是所述比例积分控制器的比例系数，0.1≤k_p≤20，k_i是所述比例积分控制器的积分系数，0.01≤k_i≤10，1/s为积分器。

进一步地，所述比例控制器的传递函数表达式为：

G_P(s)＝k_ip

其中，k_ip取值范围为0.1≤k_ip≤40，k_ip是所述比例控制器的比例系数。

本发明实施例提供的一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，采样调理模块依据双向储能变换器的输出信号产生采样信号，并将所述输出侧电流采样信号传输至所述虚拟惯性控制器，通过虚拟惯性控制实现抑制直流侧电压大幅波动的目的；所述虚拟惯性控制器的直流侧输出电压参考值与所述输出侧电压采样信号求得差值后传输到比例积分控制器，通过比例积分控制器进行比例积分控制，无静差跟踪直流电压指令；所述比例积分控制器根据所述差值生成电流幅值指令，并将所述电流幅值指令与所述电感电流采样信号之差输出至所述比例控制器，通过比例控制器提高系统的稳态精度；所述比例控制器根据所述电流幅值指令生成调制波信号；并将所述调制波信号输出至所述PWM信号生成器；所述PWM信号生成器根据所述调制波信号生成控制信号；并将所述控制信号输出至所述驱动保护模块，以控制所述双向储能变换器的工作状态。实现根据采样信号控制双向储能变换器的工作状态，抑制系统直流侧电压大幅波动，使得供电系统稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法的控制框图；

图3是本发明实施例的一种海岛柴储混合供电系统的结构框图。

具体实施方式

图1为本发明实施例的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，适用于海岛柴储混合供电系统的双向储能变换器控制，所述海岛柴储混合供电系统包括柴油发电机组、前级PWM整流电路、双向储能变换器、储能电池、直流侧储能电容C₀、后级多电平PWM逆变电路、由L_a、L_b、L_c、C_a、C_b、C_c组成的LC滤波电路、交流母线、交流负载、直流负载、采样调理模块、控制器、驱动保护模块；所述双向储能变换器、储能电池并联连接在直流侧储能电容C₀两端；所述双向储能变换器由大电容C、全控型功率开关管Q1及Q2、滤波电感L构成；所述控制器与所述驱动保护模块输入端、采样调理模块输出端连接；所述驱动保护模块驱动所述双向储能变换器中的全控型功率开关管，所述控制器包括惯性控制器、比例积分控制器、比例控制器和PWM信号生成器；所述方法包括：

S110、所述采样调理模块对所述双向储能变换器的输出侧电流i_o、输出侧电压u_dc、电感电流i_L分别进行采样，并将采样数据通过并行接口输送给所述控制器进行处理；

需要说明的是，采样调理模块通过采样端与供电系统中的双向储能变换器连接，采样双向储能变换器的输出信号。具体地，采样调理模块包括A/D转换器，在每个采样周期的起始点，控制器控制A/D转换器启动，使得A/D转换器对双向储能变换器进行采样，A/D转换器将采样模块采样到的输出信号由电信号转换为数字信号从而生成采样信号，并将采样信号传输给与采样模块连接的惯性控制器和比例积分控制器。

双向储能变换器的输出信号包括输出侧电流i_o和输出侧电压u_dc，并且双向储能变换器中还包括电感，双向储能变换器通过此电感与储能电池连接。采样模块除了采样双向储能变换器的输出信号还采样双向储能变换器中的电感电流i_L。

S120、所述惯性控制器根据预设的输出侧电流额定值I_set与所述输出侧电流i_o进行求差，生成指令电流信号i_o ^*；

S130、所述惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set与输出侧电压参考值u_dc ^*相减，得到电压偏差值ΔU_set；其中，输出侧电压参考值u_dc ^*由惯性控制器根据电流偏差值Δi_o计算获得，具体计算步骤为：将电流偏差值Δi_o除以虚拟电容值c_v和输出侧电压u_dc，并对所得值进行积分；

S140、所述惯性控制器将所述电压偏差值ΔU_set和电压振荡阻尼系数D_b相乘所得值与所述指令电流信号i_o ^*求差，得到电流偏差值Δi_o；

具体地，预设的输出侧电流额定值I_set根据实际的供电系统的需求而设定，惯性控制器根据预设的输出侧电流额定值I_set与采样模块采样得到的输出侧电流i_o的差值，确定指令电流信号i_o ^*。

惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set和指令电流信号i_o ^*确定电流偏差值Δi_o。预设的输出侧电压额定值U_set根据实际的供电系统的需求而设定。

如图2所示，是本发明实施例的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法的控制框图。

进一步地，当供电系统处于初始运行状态时，惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set和当前的输出侧电压参考值u_dc ^*的差值确定初始的电压偏差值ΔU_set，惯性控制器基于所述指令电流信号和初始的电压偏差值，确定初始电流偏差值的具体计算过程为：惯性控制器将初始的电压偏差值与电压振荡阻尼系数D_b的乘积值与指令电流信号i_o ^*相减，得到的差值即为初始电流偏差值，并将所述初始电流偏差值确定为所述电流偏差值Δi_o。其中，电压振荡阻尼系数D_b的取值范围为5≤D_b≤100。

惯性控制器将电流偏差值Δi_o除以虚拟电容值c_v和输出侧电压u_dc，并进行积分得到输出侧电压参考值u_dc ^*；其中，在惯性控制器内输出侧电压参考值u_dc ^*的具体计算过程为：虚拟电容值c_v为的取值范围为U_set/D_b≤c_v≤10U_set/D_b；其中，U_set为预设的输出侧电压额定值。

进一步地，惯性控制器根据电流偏差值生成所述输出侧电压参考值之后，还包括：

惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set和当前的输出侧电压参考值u_dc ^*的差值确定电压偏差值ΔU_set。惯性控制器将电压偏差值ΔU_set与电压振荡阻尼系数D_b的乘积值与指令电流信号i_o ^*相减，根据计算得到的差值更新电流偏差值Δi_o，并根据更新后的电流偏差值Δi_o重新计算输出侧电压参考值u_dc ^*。惯性控制器将更新后的电流偏差值Δi_o除以虚拟电容值c_v和输出侧电压u_dc，并进行积分得到新的输出侧电压参考值u_dc ^*，并将输出侧电压参考值更新为计算获得的新的输出侧电压参考值u_dc ^*，从而完成对输出侧电压参考值的更新。通过惯性控制器对输出侧电压参考值的更新使得直流侧电压具有较大的惯性，直流侧电压波动响应频率变小，不会因为一瞬间的负荷波动，造成直流侧产生一个电压大波动响应，若负荷波动时间很短，则在惯性控制器的虚拟惯性控制下抑制系统直流侧电压的波动。

S150、所述惯性控制器将所述输出侧电压参考值u_dc ^*与所述输出侧电压u_dc相减得到差值e_v，并将所述差值e_v输出至所述比例积分控制器；

S160、所述比例积分控制器根据所述差值e_v，生成电压外环控制的电流幅值指令I_v ^*；

比例积分控制器通过该偏差值e_v来进行电压跟踪调节，使得实际直流电压跟踪上给定的输出侧电压参考值。

具体地，比例积分控制器通过对该差值e_v进行积分调节消除实际供电系统中双向储能变换器输出侧电压u_dc与输出侧电压参考值u_dc ^*之间的静差，从而实现比例积分控制器根据采样信号对直流电压进行无静差追踪。并将该差值e_v的比例和积分通过线性组合构成控制量即生成电流幅值指令I_v ^*，比例积分控制器将生成的电流幅值指令限幅后输出，防止当比例积分控制器未能稳定控制时输出信号过大，避免引发过调制，并防止比例积分控制器中的积分器饱和。比例积分控制器将限幅后的电流幅值指令I_v ^*输出至比例控制器，以使比例控制器根据该电流幅值指令进行电流调节。

在本发明实施例的一种实施示例中，比例积分控制器的比例积分控制传递函数表达式为：

G_PI(s)＝k_p+k_i/s

其中，k_p是比例积分控制器的比例系数，0.1≤k_p≤20，k_i是比例积分控制器的积分系数，0.01≤k_i≤10，1/s为积分器。

S170、所述比例控制器根据所述电流幅值指令I_v ^*与所述电感电流i_L的差值，生成调制波信号u_r，并将所述调制波信号u_r输出至所述PWM信号生成器；

具体地，比例控制器根据比例积分控制器发送的电流幅值指令I_v ^*和采样模块采样得到的双向储能变换器内电感的电感电流i_L生成调制波信号。在比例控制器控制过程中，首先获得接收到的电流幅值指令I_v ^*与采样信号中的电感电流信号i_L的偏差，比例控制器根据该偏差调节控制输出，从而生成调制波信号u_r并将该调制波信号输出给PWM信号生成器，使电流向着减小偏差的方向变化，提高系统的稳态精度。

在本发明实施例的一种实施示例中，比例控制器的比例控制传递函数表达式为：

G_P(s)＝k_ip

其中，k_ip取值范围为0.1≤k_ip≤40，比例控制器的偏差调节速度取决于比例系数k_ip，比例系数越大偏差减小的越快。

S180、所述PWM信号生成器将所述调制波信号u_r进行PWM调制得到控制信号m₁和m₂，并将所述控制信号m₁和m₂输出至所述驱动保护模块；

S190、所述驱动保护模块根据所述控制信号m₁和m₂控制所述全控型功率开关管Q1及Q2。

具体地，PWM信号生成器包括PWM调制模块，当PWM信号生成器接收到调制波信号u_r后，PWM信号生成器对该调制波信号u_r进行PWM调制，将调制波信号进行限幅调制后生成控制信号，以使该控制信号的电压幅值处于变换器内开关管电子器件的可承受范围内，避免变换器内开关管电子器件的损坏。在本发明实施例的一个实施示例中，供电系统中的变换器包括两个全控型功率开关管，PWM信号生成器对接收到调制波信号u_r进行PWM调制后得到两个全控型功率开关管的控制信号m₁和m₂，并将控制信号m₁和m₂输出至驱动保护模块，以通过驱动保护模块根据控制信号m₁和m₂驱动和控制双向储能变换器内两个全控型功率开关管的开通和关断实现控制双向储能变换器的工作状态。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，所述采样调理模块依据双向储能变换器的输出信号产生采样信号，并将所述输出侧电流采样信号传输至所述虚拟惯性控制器，通过虚拟惯性控制实现抑制系统直流电压大幅波动的目的；所述虚拟惯性控制器的输出侧电压参考值与所述输出侧电压采样信号求得差值后传输到比例积分控制器，通过比例积分控制器进行比例积分控制，无静差跟踪直流电压指令；所述比例积分控制器根据所述差值生成控制指令，并将所述控制指令与所述电感电流采样信号输出至所述比例控制器，通过比例控制器比例控制提高系统的稳态精度；所述比例控制器根据所述控制指令生成调制波信号；并将所述调制波信号输出至所述PWM信号生成器；所述PWM信号生成器根据所述调制波信号向所述驱动保护模块输出控制信号，以控制所述变换器的工作状态。实现根据采样信号控制双向储能变换器的工作状态，抑制系统直流侧电压大幅波动，使得供电系统稳定运行。

如图3所示，是本发明实施例的一种海岛柴储混合供电系统的结构框图。该供电系统可适用于执行实施例中一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，本发明提供的一种海岛柴储混合供电系统包括：

前级PWM整流电路310、后级多电平PWM逆变电路320、滤波电路330、整流器模块340和负载模块350；其中，

所述后级多电平PWM逆变电路320的输入端与所述前级PWM整流电路310的输出端，所述后级多电平PWM逆变电路320的输出端与所述滤波电路330的输入端连接；所述前级PWM整流电路310的输出端还与所述变换器连接；

所述整流器模块340的输入端与所述滤波电路330的输出端连接，且所述整流器模块340的输出端与所述负载模块350连接。

进一步地，所述整流器模块340包括：PWM逆变器341、第一整流器342和第二整流器343，所述负载模块350包括直流负载351和交流负载352；

所述第一整流器342的输入端与所述滤波电路330的输出端连接，且所述第一整流器342的输出端与所述直流负载351连接；

所述第二整流器343的输入端与所述滤波电路330的输出端连接，且所述第二整流器343的输出端通过所述PWM逆变器341与所述交流负载352连接。

需要说明的是，第一整流器342的输入端通过母线与滤波电路330的输出端连接；第二整流器343的输入端通过母线与所述滤波电路330的输出端连接。

具体地，在本发明实施例的一个实施示例中，双向储能变换器包括电感和全控型功率开关管；所述电感的一端与所述全控型功率开关管的输出端连接，所述电感的另一端与所述储能电池连接，储能电池包括超级电容和蓄电池。所述全控型功率开关管包括驱动端；所述全控型功率开关管的驱动端与所述驱动保护模块连接，用于接收所述驱动保护模块输出的控制信号。前级PWM整流电路310的输出端与所述后级多电平PWM逆变电路320的输入端之间设有直流侧储能电容C₀。前级PWM整流电路310的输入端与发电机组连接，该发电机组包括柴油发电机组。

需要说明的是，在本发明实施例中，滤波电路330包括由L_a、L_b、L_c、C_a、C_b、C_c组成的LC滤波电路；双向储能变换器由大电容C、全控型功率开关管Q₁及Q₂、滤波电感L构成。前级PWM整流电路310将发电机组发出的交流电转换为直流电；能量在变换器上双向流动，既能给储能电池充电提供通路，也能给储能电池放电提供通路；储能电池用于储蓄能量；直流侧的储能电容C₀用于储能；后级多电平PWM逆变电路320用于将交流电转换为直流电；滤波电路330用于滤除电路中的高次谐波。

综上所述，本发明实施例提供的一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，采样调理模块依据变换器的输出信号产生采样信号，并将所述输出侧电流采样信号传输至所述虚拟惯性控制器，通过虚拟惯性控制实现抑制直流侧电压大幅波动的目的；所述虚拟惯性控制器的输出侧电压参考值与所述输出侧电压采样信号求得差值后传输到比例积分控制器，通过比例积分控制器进行比例积分控制，无静差跟踪直流电压指令；所述比例积分控制器根据所述差值生成电流幅值指令，并将所述电流幅值指令与所述电感电流采样信号的差值输出至所述比例控制器，通过比例控制器比例控制提高系统的稳态精度；所述比例控制器根据所述电流幅值指令生成调制波信号；并将所述调制波信号输出至所述PWM信号生成器；所述PWM信号生成器根据所述调制波信号向所述驱动保护模块输出控制信号，以控制所述变换器的工作状态。实现根据采样信号控制双向储能变换器的工作状态，抑制系统直流侧电压大幅波动，使得供电系统稳定运行。

Claims (5)

1.一种海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，适用于海岛柴储混合供电系统的双向储能变换器控制，所述海岛柴储混合供电系统包括柴油发电机组、前级PWM整流电路、双向储能变换器、储能电池、直流侧储能电容C₀、后级多电平PWM逆变电路、滤波电路、交流母线、交流负载、直流负载、采样调理模块、控制器和驱动保护模块；所述双向储能变换器、储能电池并联连接在直流侧储能电容C₀两端；所述双向储能变换器由大电容C、全控型功率开关管Q1及Q2和滤波电感L构成，其特征在于，所述控制器分别与所述驱动保护模块的输入端和所述采样调理模块的输出端连接；所述驱动保护模块驱动所述双向储能变换器中的全控型功率开关管，所述控制器包括惯性控制器、比例积分控制器、比例控制器和PWM信号生成器；所述方法包括：

所述采样调理模块对所述双向储能变换器的输出侧电流i_o、输出侧电压u_dc、电感电流i_L分别进行采样，并将采样数据通过并行接口输送给所述控制器进行处理；

所述惯性控制器根据预设的输出侧电流额定值I_set与所述输出侧电流i_o进行求差，生成指令电流信号i_o ^*；

所述惯性控制器根据预设的输出侧电压额定值U_set与输出侧电压参考值u_dc ^*相减，得到电压偏差值ΔU_set；

所述惯性控制器将所述电压偏差值ΔU_set和电压振荡阻尼系数D_b相乘所得值与所述指令电流信号i_o ^*求差，得到电流偏差值Δi_o；

所述惯性控制器将所述输出侧电压参考值u_dc ^*与所述输出侧电压u_dc相减得到差值e_v，并将所述差值e_v输出至所述比例积分控制器；

所述比例积分控制器根据所述差值e_v，生成电压外环控制的电流幅值指令I_v ^*；

所述比例控制器根据所述电流幅值指令I_v ^*与所述电感电流i_L的差值，生成调制波信号u_r，并将所述调制波信号u_r输出至所述PWM信号生成器；

所述PWM信号生成器将所述调制波信号u_r进行PWM调制得到控制信号m₁和m₂，并将所述控制信号m₁和m₂输出至所述驱动保护模块；

所述驱动保护模块根据所述控制信号m₁和m₂控制所述全控型功率开关管Q1及Q2。

2.如权利要求1所述的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，其特征在于，所述输出侧电压参考值u_dc ^*的计算过程为：

其中，Δi_o为所述电流偏差值；c_v为虚拟电容值；u_dc为所述输出侧电压。

3.如权利要求2所述的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，其特征在于，所述电压振荡阻尼系数D_b的取值范围为5≤D_b≤100；所述虚拟电容值c_v为的取值范围为U_set/D_b≤c_v≤10U_set/D_b；其中，U_set为所述输出侧电压额定值。

4.如权利要求1所述的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，其特征在于，所述比例积分控制器的传递函数表达式为：

G_PI(s)＝k_p+k_i/s

其中，k_p是所述比例积分控制器的比例系数，0.1≤k_p≤20，k_i是所述比例积分控制器的积分系数，0.01≤k_i≤10，1/s为积分器。

5.如权利要求1所述的海岛柴储混合供电系统的直流侧惯性增强控制方法，其特征在于，所述比例控制器的传递函数表达式为：

G_P(s)＝k_ip

其中，k_ip取值范围为0.1≤k_ip≤40，k_ip是所述比例控制器的比例系数。