CN111463772A - 可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，因使用经简化的电流预测模型目标函数，大大降低了系统运算时间，使得控制电路便于实现；以母线电压变化率来调整控制电路中下垂系数，能更直观的体现母线电压变化，同时在模型电流预测控制的作用下，即使出现非计划孤岛运行或者分布式能源间歇运行，仍能很好的抑制电压波动，降低母线电压跌落值，改善动态响应，避免电压敏感负荷降载运行，显著提升直流微电网运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种变换器的控制技术，特别涉及一种可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法。
背景技术
面对不可再生能源枯竭和环境问题的严峻态势，通过电力电子变换器将风能、光能等分布式能源并网的技术逐渐得到关注。直流微电网因结构简单、效率更高，在分布式能源并网中凸显优势，但直流微网易受到扰动工况以及分布式能源间歇性运行的影响产生波动，会造成输出电能的质量下降，对电压敏感的负荷在运行中也会受到较大影响。虽然目前采用储能装置能抑制电压波动，但储能装置的选择和控制方法上大多采用滞后调节，扰动恢复速度较慢。应用一致性等算法的改进控制策略，因相对复杂的算法结构，电路实现上存在一定难度。
发明内容
本发明是针对抑制直流微网母线电压波动的问题，提出了一种可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，外环基于直流母线电压变化率的自适应变系数下垂控制电路，内环基于模型预测的电流控制电路，在母线电压存在波动时，该电路可实现更迅速的调节储能单元能量的释放和吸收，用以抵制直流母线电压的波动，确保直流微电网稳定运行，显著提升其运行可靠性。
本发明的技术方案为：一种可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，储能单元电压检测电路M采集储能单元两端的电压，并将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q；电感电流检测电路H采集变换器中的滤波电感电流，并将该滤波电感电流实时传输至模型电流预测分析电路Q；直流母线电压检测电路N采集变换器输出端电压，并同时将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q、差值计算电路X和电压变化率计算电路E；电压变化率计算电路E对变换器输出端电压进行单位采样周期内的变化率计算；变化率分析电路F根据电压变化率计算电路E输出的变化率数值Eu计算出调节比例系数l，根据调节比例系数l调整下垂系数Kg后送入电流计算电路K；由外部提供的给定参考电压Uref与直流母线电压检测电路N采集的变换器输出端电压送入差值计算电路X计算输入的两电压差值，并将该两电压差值送入电流计算电路K；电流计算电路K输出电流环的给定参考电流给工作模式分析电路V；工作模式分析电路V输出工作模式信号到模型电流预测分析电路Q；模型电流预测分析电路Q实时接收电感电流检测电路H、储能单元电压检测电路M和直流母线电压检测电路N传输过来的当前刚结束采样周期内的滤波电感电流信号、储能单元两端电压和直流母线输出电压，以及工作模式分析电路V输出的工作模式信号，根据分析给出的工作模式，依据预测模型计算不同开关状态的下一采样周期电流值，并计算开关器件在不同开关状态下的预测电流值与给定电流值的差值，依据预测电流值和给定电流值偏差最小的原则确定开关器件的控制状态，模型电流预测分析电路Q输出开关器件的控制信号到驱动电路S；驱动电路S控制变换器中开关器件动作。
所述调节比例系数l为：
式中TH为电压变换率设定阀值；Eumax为最大电压变化率；
所述下垂系数Kg＝Kg0×l，其中Kgo为初始下垂控制系数；当下垂系数Kg小于Kgmin时，令下垂系数Kg＝Kgmin，Kgmin为最小下垂系数，Kgmin＝ΔU0/ΔI0max，其中ΔI0max为变换器最大输出电流限值；ΔUo为变换器输出最大电流限值时对应电压变化值。
所述电流计算电路K输出电流环的给定参考电流I*计算公式如下：
I*＝ΔU/Kg
其中ΔU＝Uref-U0
式中Uref为给定参考电压值；Uo为变换器输出电压值。
所述模型电流预测分析电路Q预测下一采样周期电流值的方法如下：
当变换器工作在BOOST模式，开关器件G2和续流二极管D1处在工作状态，当开关器件G2导通时，开关器件G2驱动信号S2＝1，可得公式(8)；当开关器件G2关断时，开关器件G2驱动信号S2＝0，可得公式(9)；
式中L为变换器电感值；IL为变换器电感电流值；Uin为储能单元输出电压值；Uo为变换器输出电压值；
将公式(8)和公式(9)离散化后得到预测电流：
式中iL(k)为k时刻变换器电感电流值；iL(k+1)为预测k+1时刻变换器电感电流值；uo(k)为k时刻变换器输出电压值；uin(k)为储能单元k时刻输出电压值；
当变换器工作在BUCK模式，开关器件G1和续流二极管D2处在工作状态，用上述相同方法，经离散后得预测电流，如公式(11)所示，开关器件G1驱动信号S1＝1代表开关器件G1导通，开关器件G1驱动信号S1＝0代表开关器件G1关断；
所述模型电流预测分析电路Q的目标函数A＝|iL(k+1)－I*|，依据公式(10)或公式(11)的计算数据，选取A最小的一组开关器件状态作为下一时刻开关动作信号传输至驱动电路S。
本发明的有益效果在于：本发明可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，因使用简化后电流预测模型目标函数，大大降低了系统运算时间，使得控制电路便于实现；以母线电压变化率来调整控制电路中下垂系数，能更直观的体现母线电压变化，同时在模型电流预测控制的作用下，即使出现非计划孤岛运行或者分布式能源间歇运行，仍能很好的抑制电压波动，降低母线电压跌落值，改善动态响应，避免电压敏感负荷降载运行，显著提升直流微电网运行可靠性。
附图说明
图1为本发明以BUCK-BOOST变换器为例实现抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制电路图。
具体实施方式
本发明所提出的可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制电路，除接口变换器主电路外，还包括电感电流检测电路H、储能单元电压检测电路M、直流母线电压检测电路N、电压变化率计算电路E、变化率分析电路F、电流计算电路K、工作模式分析电路V、模型电流预测分析电路Q、驱动电路S、差值计算电路X。
以BUCK-BOOST接口变换器为例采用本发明所提出的控制方法时，电路结构如图1所示。由滤波电容C、滤波电感L、开关器件G1和G2、续流二极管D1和D2构成了BUCK-BOOST型接口变换器主电路，主电路中所用器件的连接关系与现有的BUCK-BOOST型变换器的连接关系保持一致；储能单元电压检测电路M并联在储能单元输出两端，对储能单元两端的电压进行采样，同时将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q；电感电流检测电路H与储能单元输出端滤波电感L串接连接，采集BUCK-BOOST变换器中的滤波电感电流，同时电感电流检测电路H将该滤波电感电流实时传输至模型电流预测分析电路Q；直流母线电压检测电路N与滤波电容C并联连接，采集BUCK-BOOST变换器输出端(直流母线)的电压，同时将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q、差值计算电路X和电压变化率计算电路E；电压变化率计算电路E对BUCK-BOOST变换器输出端电压进行单位采样周期内的变化率计算；变化率分析电路F根据电压变化率计算电路E输出的变化率数值计算出调节比例系数l，根据调节比例系数l调整下垂系数Kg送电流计算电路K；由外部提供的给定参考电压Uref与直流母线电压检测电路N采集的直流母线电压值送入差值计算电路X，差值计算电路X计算输入的两电压差值，并将其送入电流计算电路K；电流计算电路K输出电流环的给定参考电流给工作模式分析电路V；工作模式分析电路V输出工作模式信号到模型电流预测分析电路Q；模型电流预测分析电路Q输出控制信号到驱动电路S；驱动电路S控制开关器件G1和G2动作。
电压变化率计算电路E实时接收直流母线电压检测电路N传送过来的数据，利用公式(1)的计算刚结束的采样时刻(即上一个采样时刻)BUCK-BOOST变换器的电压变化率Eu，同时将该结果实时传输至变化率分析电路F。
Eu＝|(U0(t)-U0(t-1))/Ts| (1)
式中Uo(t)为刚结束采样时刻的变换器输出电压值；Uo(t-1)为刚结束采样时刻的前一个采样时刻变换器输出电压值；Ts为一个采样周期的时间。
变化率分析电路F实时接收电压变化率计算电路E传送过来的电压变化率Eu，利用公式(2)和公式(3)计算出调节比例系数l和下垂系数Kg。当Eu大于或等于电压变化率设定阀值TH(TH的大小可按照实际需求设定，一般选取允许母线电压波动的1.2倍)时，令调节比例系数
当Eu小于电压变化率设定阀值TH时，令调节比例系数l＝1。其中最大电压化率Eumax的选取可按照实际需求设定，例如选取单位时间内电压变化值为变换器稳定输出电压值。在完成以上数据计算处理后变化率分析电路F将下垂系数Kg传递给电流计算电路K。
式中TH为电压变换率设定阀值(一般选取允许母线电压波动的1.2倍)；Eumax为最大电压变化率。
Kg＝Kg0×l (3)
式中Kgo为初始下垂控制系数。
值得注意的是虽然较小的下垂系数可以在微网出现扰动时输出更多的功率，来抑制微网的波动，但变换器容量有限，因此存在一个最小下垂系数Kgmin，当微网存在较强波动使得下垂系数Kg小于Kgmin时，令下垂系数Kg＝Kgmin，确保变换器稳定运行。最小下垂系数Kgmin可利用公式(4)计算。
Kgmin＝ΔU0/ΔI0max (4)
式中ΔI0max为变换器最大输出电流限值；ΔUo为变换器输出最大电流限值时对应电压变化值。
差值计算电路X实时接收直流母线电压检测电路N传输过来的输出电压Uo和外部提供的给定参考电压Uref，利用公式(5)计算出两者的差值ΔU，同时将数据计算结果实时传输给电流计算电路K。
ΔU＝Uref-U0 (5)
式中Uref为给定参考电压值；Uo为变换器输出电压值。
电流计算电路K实时接收差值计算电路X发送过来的电压差值ΔU和变化率分析电路F发送过来的下垂系数Kg，利用公式(6)计算出电流环的给定参考电流I*，并将数据计算结果实时传输给工作模式分析电路V。
I*＝ΔU/Kg (6)
工作模式分析电路V实时接收电流计算电路K传输过来电流信号，依据电流信号的正负判断BUCK-BOOST变换器工作模式。当电流环的给定参考电流I*大于0(即电感电流方向是从储能单元流向直流母线)时，需要储能单元提供能量给直流母线侧，则变换器处于BOOST工作模式；当电流环的给定参考电流I*小于0(即电感电流方向是从直流母线流向储能单元流)时，需要储能单元吸收直流母线侧冗余的能量，则变换器处于BUCK工作模式。利用公式(7)将工作模式信号传输给模型电流预测分析电路Q。
模型电流预测分析电路Q实时接收电感电流检测电路H、储能单元电压检测电路M和直流母线电压检测电路N传输过来的当前刚结束采样周期内的电感电流信号、储能输出电压、变换器输出电压，以及工作模式分析电路V输出的工作模式信号，根据分析给出的工作模式，在开关器件的不同开关状态下，利用公式(10)或公式(11)计算不同开关状态下的下一采样周期预测电流值，并计算开关器件在不同开关状态下的预测电流值与给定电流值的差值，依据预测电流值和给定电流值偏差最小的原则来确定开关器件的控制状态，从而控制开关器件G1和G2动作，并实时将开关器件动作信号传输至驱动电路S。
当v＝1，即变换器工作在BOOST模式，开关器件G2和续流二极管D1处在工作状态，当开关器件G2导通时(开关器件G2驱动信号S2＝1)，可得公式(8)；当开关器件G2关断时(S2＝0)，可得公式(9)。
式中L为变换器电感值；IL为变换器电感电流值；Uin为储能单元输出电压值(即变换器输入电压值)；Uo为变换器输出电压值(即直流母线侧电压值)。
将公式(8)和公式(9)离散化后得到预测电流，如公式(10)所示：
式中iL(k)为k时刻变换器电感电流值；iL(k+1)为预测k+1时刻变换器电感电流值；uo(k)为k时刻变换器输出电压值(即k时刻直流母线侧电压值)；uin(k)为储能单元k时刻输出电压值(即变换器k时刻输入电压值)。
当v＝0，即变换器工作在BUCK模式，开关器件G1和续流二极管D2处在工作状态，用上述相同方法，经离散后得预测电流，如公式(11)所示，开关器件G1驱动信号S1＝1代表开关器件G1导通，S1＝0代表开关器件G1关断。
为实现电流迅速调节至给定值的目标，选取目标函数A＝|iL(k+1)－I*|，依据公式(10)或公式(11)的计算数据，选取A最小的一组开关器件状态作为下一时刻开关动作信号传输至驱动电路S。
驱动电路S实时接收模型电流预测分析电路Q输出的开关动作信号，同时对该输入信号进行电气隔离和功率放大等处理后，将其输出驱动信号S1和S2分别传送至BUCK-BOOST变换器电路中开关器件G1和G2的控制端，实现对开关器件的控制。
以BUCK-BOOST变换器为例，采用本发明所提出的控制方法时，其工作原理如下所述：
在BUCK-BOOST变换器的运行过程中，电感电流检测电路H对电路中的电感电流进行采样，同时将该数据实时传输至模型电流预测分析电路Q；储能单元电压检测电路M对储能单元两端的电压进行采样，同时将该数据实时传输至模型电流预测分析电路Q；直流母线电压检测电路N对BUCK-BOOST变换器输出端(直流母线)的电压进行采样，同时将该数据实时传输至模型电流预测分析电路Q、差值计算电路X和电压变化率计算电路E；电压变化率计算电路E依据输入数据利用公式(1)计算出直流母线电压的变化率Eu，并将计算结果实时传送至变化率分析电路F；变化率分析电路F依据输入数据利用公式(2)和公式(3)实时计算出调节比例系数l和下垂系数Kg，但当下垂系数Kg小于利用公式(4)计算最小下垂系数Kgmin，则令下垂系数Kg＝Kgmin，确保变换器稳定运行，同时将下垂系数Kg传递给电流计算电路K；差值计算电路X对实时接收直流母线电压检测电路N传输过来的输出电压Uo和外部提供的给定参考电压Uref，利用公式(5)计算出两者的差值ΔU，同时将数据计算结果实时传输给电流计算电路K；电流计算电路K根据输入数据，利用公式(6)计算得出给定参考电流I*，并依据I*正负判断出当前变换模式，利用公式(7)将工作模式信号传输给模型电流预测分析电路Q；模型电流预测分析电路Q根据工作模式利用公式(10)或公式(11)预测下一时刻电流值，依据预测电流值和给定电流值偏差最小的原则来控制开关器件G1和G2动作，并实时将开关器件动作信号传输至驱动电路S；驱动电路S对接收来的开关器件动作信号进行电气隔离和功率放大等处理后，将其输出至BUCK-BOOST变换器电路中开关器件G1和G2的控制端，实现对开关器件的控制。
经过以上电路之间的协调工作完成对BUCK-BOOST变换器输出电压的控制：
当直流母线受到较大扰动工况(直流母线电压小于给定参考电压)时，变换器工作于BOOST模式，直流母线电压其变化率Eu必然很大，即下垂系数Kg将很小(若Kg<Kgmin则令下垂系数Kg＝Kgmin)，经内环电流预测模型计算，选取目标函数A最小为原则的开关信号S2进行超前预测控制，储能单元经过接口变换器将迅速输出更多能量来抑制直流母线的下降；当直流母线受到较大扰动工况(直流母线电压大于给定参考电压)时，变换器工作于BUCK模式，直流母线电压变化率Eu必然很大，即下垂系数Kg将很小(若Kg<Kgmin则令下垂系数Kg＝Kgmin)，经内环电流预测模型计算，选取目标函数A最小为原则的开关信号S1进行超前预测控制，储能单元经过接口变换器将迅速吸收更多能量来抑制直流母线的上升；
当直流母线受到一般波动负荷工况影响(直流母线电压小于给定参考电压)时，变换器工作于BOOST模式，直流母线电压其变化率Eu必然变大，即下垂系数Kg将变小，经内环电流预测模型计算，选取目标函数A最小为原则的开关信号S2进行超前预测控制，储能单元经过接口变换器将迅速输出较多能量来抑制直流母线的下降；当直流母线受到一般波动负荷工况影响(直流母线电压大于给定参考电压)时，变换器工作于BUCK模式，直流母线电压变化率Eu必然变大，即下垂系数Kg将变小，经内环电流预测模型计算，选取目标函数A最小为原则的开关信号S1进行超前预测控制，储能单元经过接口变换器将迅速吸收较多能量来抑制直流母线的上升；
当直流母线波动在合理范围内时，下垂系数将保持为初始下垂系数Kgo，确保直流母线电压稳定运行。
本发明所提出的抑制微网母线电压波动的控制电路，不仅适用于以BUCK-BOOST变换器为例的储能接口变换器，同样也适用于常见的其他形式的双向储能接口变换器。针对其他结构拓扑的变换器，需要根据电路的具体工作原理，对电路中电流预测模型进行相应修改，但整体控制电路的工作原理和结构基本一致。
电感电流检测电路H可采用现有的能实现对电流进行实时检测和实时数据通讯功能的电路，例如可以利用单片机通过霍尔型的电流传感器对电感电流进行采样，并将结果通过并行总线等通讯方式发送给其他电路。
储能单元电压检测电路M、直流母线电压检测电路N均可采用现有的能实现对电压进行实时检测和实时数据通讯功能的电路，例如可以利用单片机通过霍尔型的电压传感器对储能单元和直流母线两端的电压进行采样，并将结果通过并行总线等通讯方式发送给其他电路。
电压变化率计算电路E、变化率分析电路F、电流计算电路K、工作模式分析电路V、模型电流预测分析电路Q和差值计算电路X均可采用现有的能实现对数据通讯、数据处理功能的电路，例如可采用数字信号处理器(DSP)或者单片机辅以相应的外围电路的形式。
驱动电路S包含脉宽调制信号生成电路和逻辑驱动电路。脉宽调制信号生成电路可采用现有的各种脉宽调制信号生成电路，也可以利用具有PWM输出功能的数字信号处理器(DSP)或者单片机来实现。逻辑驱动电路可采用将现有的各种能够实现逻辑运算的电路(或者芯片)和电力电子器件的驱动电路组合方式来实现。
Claims (5)
1.一种可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，其特征在于，储能单元电压检测电路M采集储能单元两端的电压，并将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q；电感电流检测电路H采集变换器中的滤波电感电流，并将该滤波电感电流实时传输至模型电流预测分析电路Q；直流母线电压检测电路N采集变换器输出端电压，并同时将该采样电压值实时传输至模型电流预测分析电路Q、差值计算电路X和电压变化率计算电路E；电压变化率计算电路E对变换器输出端电压进行单位采样周期内的变化率计算；变化率分析电路F根据电压变化率计算电路E输出的变化率数值Eu计算出调节比例系数l，根据调节比例系数l调整下垂系数Kg后送入电流计算电路K；由外部提供的给定参考电压Uref与直流母线电压检测电路N采集的变换器输出端电压送入差值计算电路X计算输入的两电压差值，并将该两电压差值送入电流计算电路K；电流计算电路K输出电流环的给定参考电流给工作模式分析电路V；工作模式分析电路V输出工作模式信号到模型电流预测分析电路Q；模型电流预测分析电路Q实时接收电感电流检测电路H、储能单元电压检测电路M和直流母线电压检测电路N传输过来的当前刚结束采样周期内的滤波电感电流信号、储能单元两端电压和直流母线输出电压，以及工作模式分析电路V输出的工作模式信号，根据分析给出的工作模式，依据预测模型计算不同开关状态的下一采样周期电流值，并计算开关器件在不同开关状态下的预测电流值与给定电流值的差值，依据预测电流值和给定电流值偏差最小的原则确定开关器件的控制状态，模型电流预测分析电路Q输出开关器件的控制信号到驱动电路S；驱动电路S控制变换器中开关器件动作。
2.根据权利要求1所述可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，其特征在于，所述调节比例系数l为：
式中TH为电压变换率设定阀值；Eumax为最大电压变化率；
所述下垂系数Kg＝Kg0×l，其中Kgo为初始下垂控制系数；当下垂系数Kg小于Kgmin时，令下垂系数Kg＝Kgmin，Kgmin为最小下垂系数，Kgmin＝ΔU0/ΔI0max，其中ΔI0max为变换器最大输出电流限值；ΔUo为变换器输出最大电流限值时对应电压变化值。
3.根据权利要求2所述可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，其特征在于，所述电流计算电路K输出电流环的给定参考电流I*计算公式如下：
I*＝ΔU/Kg
其中ΔU＝Uref-U0
式中Uref为给定参考电压值；Uo为变换器输出电压值。
4.根据权利要求3所述可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，其特征在于，所述模型电流预测分析电路Q预测下一采样周期电流值的方法如下：
当变换器工作在BOOST模式，开关器件G2和续流二极管D1处在工作状态，当开关器件G2导通时，开关器件G2驱动信号S2＝1，可得公式(8)；当开关器件G2关断时，开关器件G2驱动信号S2＝0，可得公式(9)；
式中L为变换器电感值；IL为变换器电感电流值；Uin为储能单元输出电压值；Uo为变换器输出电压值；
将公式(8)和公式(9)离散化后得到预测电流：
式中iL(k)为k时刻变换器电感电流值；iL(k+1)为预测k+1时刻变换器电感电流值；uo(k)为k时刻变换器输出电压值；uin(k)为储能单元k时刻输出电压值；当变换器工作在BUCK模式，开关器件G1和续流二极管D2处在工作状态，用上述相同方法，经离散后得预测电流，如公式(11)所示，开关器件G1驱动信号S1＝1代表开关器件G1导通，开关器件G1驱动信号S1＝0代表开关器件G1关断；
5.根据权利要求4所述可抑制微网母线电压波动的储能接口变换器控制方法，其特征在于，所述模型电流预测分析电路Q的目标函数A＝|iL(k+1)－I*|，依据公式(10)或公式(11)的计算数据，选取A最小的一组开关器件状态作为下一时刻开关动作信号传输至驱动电路S。
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