CN111049381A - 一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法 - Google Patents

一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，可在提高直流母线电压调节精度的同时抑制中点电压波动。其方法为：第一，灵活调整输入功率满足多端口储能的需求；第二，控制输出侧直流母线电压稳定；第三，进行输出侧分压电容均压控制；该方法是一种多目标协同优化控制方法，适用于含直流三电平变换器的直流微网系统。

Description

一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法
技术领域
本发明涉及直流微网系统的储能变换器领域，具体涉及一种适用于直流三电平变换器的抑制中点电压波动的多目标优化控制方法。
背景技术
随着直流微网系统规模的扩大，解决分布式能源的消纳问题愈加突出，对储能系统的灵活控制提出更高挑战。现有分布式储能系统的的特点，既有不同种类储能设备外特性方面的复杂性，也有分布式能源发电设备的不确定性导致的复杂性。直流三电平变换器作为储能设备和直流微网之间的接口变换器，其控制原理对复杂的微网系统的适应性亟待提高。与此同时，通过直流三电平变换器的不同控制目标相互配合来实现系统整体运行性能的提高，是直流微网系统中一个仍需继续深入研究的方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，
为实现直流三电平变换器的输入侧功率灵活调整、输出侧直流母线电压稳定和分压电容均压的多目标协同控制，本发明构建了统一的状态函数，以权重的大小表示中性点电压波动抑制优先级的高低，实现直流三电平变换器输入功率调控、输出电压控制和中点电压波动抑制多目标协同优化控制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，其特征在于，基于直流三电平变换器的拓扑结构，直流变换器拓扑结构由四个功率开关模块T1，T2，T3，T4组成双向三电平BOOST-BUCK电路，通过直流母线接入直流微网系统，其中，直流三电平变换器拓扑结构的输入侧连接储能系统，控制方法包括以下步骤：
(1)通过电流电压传感器采样k时刻输入侧电感电流iL(k)和输出侧分压电容电压值Vc1(k)、Vc2(k)；
(2)根据电感电流方向判定能量流动方向；
(3)通过计算机计算出每种可能的开关状态下的控制状态函数值，选出控制状态函数的最优值Jop；
(4)选择控制状态函数最优值Jop对应的开关状态Sop；
(5)将步骤(4)所得的开关状态应用于直流三电平变换器；
(6)返回步骤(1)，开始下一次开关状态优化；若储能系统或直流三电平变换器发生故障，则结束程序。
优选地，该控制方法的开关状态直接应用于直流三电平变换器，不需要额外的调制阶段。
优选地，步骤(2)具体包括以下步骤：
a)若储能系统放电，即能量正向流动，则T1、T4关断，选择T2、T3为主控开关模块，计算机预估下一个采样时刻的状态一(S2＝1，S3＝1)、状态二(S2＝1，S3＝0)、状态三(S2＝0，S3＝0)、状态四(S2＝0，S3＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)、Vc2(k+1)；
Figure BDA0002332068430000021
Figure BDA0002332068430000022
Figure BDA0002332068430000023
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S2、S3的值分别表示开关模块T2、T3的状态；其中S2为0代表开关模块T2导通，S3为0代表开关模块T3导通，S2为1代表开关模块T2关断，S3为1代表开关模块T3关断；
b)若储能系统充电，即能量反向流动，则T2、T3关断，选择T1、T4为主控开关模块，预估下一个采样时刻状态五(S1＝1，S4＝1)、状态六(S1＝1，S4＝0)、状态七(S1＝0，S4＝0)、状态八(S1＝0，S4＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)，Vc2(k+1)；
Figure BDA0002332068430000024
Figure BDA0002332068430000031
Figure BDA0002332068430000032
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S1、S4的值分别表示开关模块T1、T4的状态，其中S1为0代表开关模块T1导通，S4为0代表开关模块T4导通，S1为1代表开关模块T1关断，S4为1代表开关模块T4关断；
优选地，步骤(3)中控制状态函数值通过下式得到：
Figure BDA0002332068430000033
其中，Udc *为母线参考电压；iL *为参考电流；iL(k+1)为k+1时刻根据式(5)得到的电感电流预测值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)为k+1时刻根据式(2)、(3)、(5)、(6)得到的分压电容的预估值；Udc(k+1)＝Vc1(k+1)+Vc2(k+1)；λ为权重系数，在直流三电平变换器开始运行前根据直流微网系统需要由人为设定数值，取值范围为0.3～0.7
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.该控制方法的开关状态由计算机给出，直接应用于直流三电平变换器，控制系统所需电子器件少于传统控制方法，原理简单，提高了控制系统可靠性。为不同的控制目标的同时完成提供了一种高效的计算实现方法。
2.本发明方法实现了输入功率调控，直流母线电压和输出侧分压电容均压的多目标协同优化控制，在此基础上，通过程序代码的更新可以实现更多控制目标的协同优化，控制系统具有较高的灵活性。
3.不同直流变换器的电压电流信息只需要传送到一台计算机即可进行控制，有利于直流微网中储能设备的投入和切除，方便扩大直流微网系统容量。
附图说明
图1为本发明中直流三电平变换器的电路拓扑结构示意图。
图2为本发明中多目标协同优化控制方法示意图。
图3为输入功率仿真波形图。
图4a和图4b分别为直流母线电压和中性点电压波形图。
图5a和图5b为功率双向控制时电感电流仿真波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明中直流三电平变换器的电路拓扑结构，图2是本发明中多目标协同优化控制框图。本发明可在提高直流母线电压调节的精度的同时抑制中点电压波动,基本步骤如下：
(1)通过电流电压传感器采样k时刻输入侧电感电流iL(k)和输出侧分压电容电压值Vc1(k)，Vc2(k)；
(2)根据电感电流方向判定能量流动方向；
a)若储能设备放电，即能量正向流动，则T1、T4关断，选择T2、T3为主控开关模块，计算机预估下一个采样时刻的状态一(S2＝1，S3＝1)、状态二(S2＝1，S3＝0)、状态三(S2＝0，S3＝0)、状态四(S2＝0，S3＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)，Vc2(k+1)；
Figure BDA0002332068430000041
Figure BDA0002332068430000042
Figure BDA0002332068430000043
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S2，S3的值分别表示开关模块T2，T3的状态(S2为0代表开关模块T2导通，S3为0代表开关模块T3导通，S2为1代表开关模块T2关断，S3为1代表开关模块T3关断)；
b)若储能设备充电，即能量反向流动，则T2、T3关断，选择T1、T4为主控开关模块，预估下一个采样时刻状态五(S1＝1，S4＝1)、状态六(S1＝1，S4＝0)、状态七(S1＝0，S4＝0)、状态八(S1＝0，S4＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)，Vc2(k+1)；
Figure BDA0002332068430000051
Figure BDA0002332068430000052
Figure BDA0002332068430000053
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S1，S4的值分别表示开关模块T1，T4的状态(S1为0代表开关模块T1导通，S4为0代表开关模块T4导通，S1为1代表开关模块T1关断，S4为1代表开关模块T4关断)；
(3)通过计算机计算出每种可能的开关状态下的控制状态函数值J，并选出最优值Jop；
Figure BDA0002332068430000054
其中，Udc *为母线参考电压；iL *为参考电流；iL(k+1)为k+1时刻根据式(5)得到的电感电流预测值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)为k+1时刻根据式(2)、(3)、(5)、(6)得到的分压电容的预估值；Udc(k+1)＝Vc1(k+1)+Vc2(k+1)；λ为权重系数，在直流三电平变换器开始运行前根据直流微网系统需要由人为设定数值，取值范围为0.3～0.7一般取0.5，较大的λ值意味着其对应的控制目标具有较高的优先级。
(4)选择状态函数最优值Jop对应的开关状态Sop；
(5)将步骤(4)所得的开关状态应用于直流三电平变换器；
(6)返回步骤(1)，开始下一次开关状态优化。若储能系统或直流三电平变换器发生故障，则结束程序。
为了验证所提方法的有效性，在Matlab/Simulink环境下搭建了如图1所示的仿真模型，对本发明所提的控制方法进行有效性和准确性分析。储能设备提供的电压为300V，直流母线电压为700V且在t＝1s时负荷增载10％。为了验证所提方法能有效解决中性点电压平衡问题，上下均压电容分别带100欧姆和80欧姆的负载。
由图3可以看出，本发明使用的控制方法能在负荷功率增大时，储能设备增加输入功率1.5kw,可实现输入功率灵活调控。由图4a可以看出本发明使用的控制方法能使母线电压Udc能稳定在额定电压700V，实现对参考值的快速跟踪，且t＝1s负荷突变时母线电压超调量为1.13％。图4b中ΔU＝Vc1-Vc2用来表示中性点电压值，由图4b可以看出中性点电压波动值在±0.4V以内，本发明使用的控制方法具有较强的中性点电压波动抑制能力。应用本发明所提方法实现储能系统实现能量双向流动时的电感电流如图5a、图5b所示。由放电模式切换到充电模式时，起初，电感电流为17.5A，在t＝2s时刻，减小直流负载，储能系统输出电流增大，输出功率增大，从而导致直流母线电压抬升。此时转换器从升压Boost模式切换到降压Buck模式，以-11.6A的电流充电并且可以吸收直流母线多余的能量。
综上：本发明提出了一种适用于直流三电平变换电路的抑制中性点波动的多目标协同优化控制方法，可以克服双极性储能系统面临的中性点电压不平衡设计挑战，所提控制方法在满足输入功率灵活调控的基础上可实现直流母线分压。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，其特征在于，基于直流三电平变换器的拓扑结构，直流变换器拓扑结构由四个功率开关模块T1，T2，T3，T4组成双向三电平BOOST-BUCK电路，通过直流母线接入直流微网系统，其中，直流三电平变换器拓扑结构的输入侧连接储能系统，控制方法包括以下步骤：
(1)通过电流电压传感器采样k时刻输入侧电感电流iL(k)和输出侧分压电容电压值Vc1(k)、Vc2(k)；
(2)根据电感电流方向判定能量流动方向；
(3)通过计算机计算出每种可能的开关状态下的控制状态函数值，选出控制状态函数的最优值Jop；
(4)选择控制状态函数最优值Jop对应的开关状态Sop；
(5)将步骤(4)所得的开关状态应用于直流三电平变换器；
(6)返回步骤(1)，开始下一次开关状态优化；若储能系统或直流三电平变换器发生故障，则结束程序。
2.根据权利要求1所述的应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，其特征在于，该控制方法的开关状态直接应用于直流三电平变换器，不需要额外的调制阶段。
3.根据权利要求1所述的应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：
a)若储能系统放电，即能量正向流动，则T1、T4关断，选择T2、T3为主控开关模块，计算机预估下一个采样时刻的状态一(S2＝1，S3＝1)、状态二(S2＝1，S3＝0)、状态三(S2＝0，S3＝0)、状态四(S2＝0，S3＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)、Vc2(k+1)；
Figure FDA0002332068420000011
Figure FDA0002332068420000012
Figure FDA0002332068420000013
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S2、S3的值分别表示开关模块T2、T3的状态；其中S2为0代表开关模块T2导通，S3为0代表开关模块T3导通，S2为1代表开关模块T2关断，S3为1代表开关模块T3关断；
b)若储能系统充电，即能量反向流动，则T2、T3关断，选择T1、T4为主控开关模块，预估下一个采样时刻状态五(S1＝1，S4＝1)、状态六(S1＝1，S4＝0)、状态七(S1＝0，S4＝0)、状态八(S1＝0，S4＝1)四种开关状态下的电感电流iL(k+1)和输出侧分压电容电压值Vc1(k+1)，Vc2(k+1)；
Figure FDA0002332068420000021
Figure FDA0002332068420000022
Figure FDA0002332068420000023
其中，iL(k+1)，iL(k)分别为k+1和k时刻的电感电流采样值；UES为储能侧电压值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)分别为k+1时刻的分压电容电压采样值；Vc1(k)，Vc2(k)分别为k时刻的分压电容电压采样值；ic1(k)，ic2(k)分别为k时刻的分压电容电流采样值；Ts为采样间隔；C1、C2分别为上分压电容和下分压电容的电容值；二进制变量S1、S4的值分别表示开关模块T1、T4的状态，其中S1为0代表开关模块T1导通，S4为0代表开关模块T4导通，S1为1代表开关模块T1关断，S4为1代表开关模块T4关断。
4.根据权利要求1所述的应用于直流三电平变换器的多目标协同优化控制方法，其特征在于，步骤(3)中控制状态函数值通过下式得到：
Figure FDA0002332068420000024
其中，Udc *为母线参考电压；iL *为参考电流；iL(k+1)为k+1时刻根据式(5)得到的电感电流预测值；Vc1(k+1)，Vc2(k+1)为k+1时刻根据式(2)、(3)、(5)、(6)得到的分压电容的预估值；Udc(k+1)＝Vc1(k+1)+Vc2(k+1)；λ为权重系数，在直流三电平变换器开始运行前根据直流微网系统需要由人为设定数值，取值范围为0.3～0.7。
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