CN111478306B - 一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，将光伏用作电源，由超级电容器组和蓄电池组组成的复合储能单元缓解波动，使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，通过监控微电网中每个模块的参数来控制直流微电网，并同时保证电网的稳定性。本发明基于传统电压电流双闭环控制策略，提供一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，在充分利用分布式电源即插即用和复合储能单元充放电特性的前提下，DC/DC变流器侧非线性干扰观测器前馈控制的策略，利用非线性干扰观测器跟踪负荷扰动，通过前馈控制抑制直流母线电压波动，从而保证电能质量。

Description

一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略
技术领域
本发明涉及电力系统电能质量分析控制和新能源技术领域，尤其涉及一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略。
背景技术
能源利用和环境保护要求不断提高的背景下，分布式可再生能源发电及其相关技术引起了全球关注。直流微电网作为一种特殊形式的微电网，具有更好的电能质量和更简单的结构。与交流微电网相比，实现网格中每个组件的协调控制要容易得多。鉴于风力发电机和光伏等分布式发电的间歇性和随机性输出，储能单元已成为维持系统稳定运行，提高电能质量和保持不间断供电的关键部分。
对于直流微电网，控制和电源管理主要集中在两个方面。一种是调节直流母线电压，另一种是平衡电源和负载之间的功率。由于受到太阳辐射和光伏面板特性影响，光伏发电具有随机性，直接影响直流微电网光伏系统中的发电量，会引起直流母线电压波动问题。同时，非线性和大功率型电力电子设备的使用，会出现谐波干扰、电压升高导致的故障短路等问题。如果这些电能质量问题得不到改善，直流微电网系统使用期限会大大缩短，并且容易引起配电网发生谐波谐振，使继电保护装置误操作或者损坏，导致仪表显示故障和数据采集不准确以及通信网络受到干扰等严重后果。所以，直流微电网中电能质量的状况直接关系着系统能否高质量的运行，出现任何电能质量问题，都有可能给社会带来不可估计的损失。
目前，有文献分别提出了直流微电网母线电压分层协调控制策略和直流微电网中混合储能协调控制，但是并没有较好解决系统发生扰动和故障时如何快速稳定直流母线电压的问题。且直流微电网实际输出的扰动电流值无法直接观测到，不能计算输出扰动电流观测值io *和实际负荷电流输出值io的误差，影响控制效果。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，基于传统电压电流双闭环控制策略，提供一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，在充分利用分布式电源即插即用和复合储能单元充放电特性的前提下，DC/DC变流器侧非线性干扰观测器前馈控制的策略，利用非线性干扰观测器跟踪负荷扰动，通过前馈控制抑制直流母线电压波动，从而保证电能质量。
为实现本发明目的而提供的一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，将光伏用作电源，由超级电容器组和蓄电池组组成的复合储能单元缓解波动，使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，通过监控微电网中每个模块的参数来控制直流微电网，并同时保证电网的稳定性。
作为上述方案的进一步改进，所述复合储能单元包括蓄电池组、超级电容器组和两组双向DC/DC变流器，复合储能单元与光伏发电系统进行能量转换，保护系统稳定。
作为上述方案的进一步改进，所述使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，具体为：实时跟踪输出扰动电流观测值io *，通过跟踪输出扰动电流观测值io *和实际负荷电流输出值io进行对比，得到两者误差，为前馈控制提供数据，
所述非线性干扰观测器模型为双闭环前馈控制器，其中，外环控制由两部分组成，分别为：电流环前馈控制函数Gf和电压环Gu，系统正常运行时会产生扰动误差，扰动误差为实际负荷电流输出值io，非线性干扰观测器实时跟踪实际负荷电流输出值io，得到输出扰动电流观测值io *，再将输出扰动电流观测值io *通过电流环前馈控制函数Gf控制后得到iL-ref1，电压环Gu通过PI控制后得到iL-ref2，
设计了双闭环前馈控制器，内环控制为电流环Gi，将上述外环控制后所得值iL-ref1和iL-ref2相加后作为电流环Gi的输入参考值iL-ref，通过PI控制后得到iL，iL放大k倍后，减去实际负荷电流输出值io，经过电路运算得到实际直流母线电压值Udc，并通过闭环控制后与直流母线电压参考值Udc-ref进行对比，计算实际直流母线电压值Udc与直流母线电压参考值Udc-ref的误差扰动，
Figure GDA0003006340240000031
式(1)为非线性干扰观测器前馈控制的复频域计算公式，其中：k为系数k＝Us/Udc，是复合储能端口电压和直流母线电压的比值，其中，US为光伏电源设定电压值，T为收敛速度，T＝-C/11，C为直流母线电容，直流母线电压为Udc，可得前馈函数Gf有以下关系：
Figure GDA0003006340240000032
Tf为非线性干扰观测器跟踪延时补偿，kpi为电流环比例系数，L为电感，N为滤波系数，主要是为了滤除DC/DC侧二倍频纹波，N取10,50,100三组数据，观测仿真，通过计算，当滤波系数N取100时，系统达到稳定，此时前馈函数Gf值为：
Figure GDA0003006340240000033
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，基于传统电压电流双闭环控制策略，提供一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，在充分利用分布式电源即插即用和复合储能单元充放电特性的前提下，DC/DC变流器侧非线性干扰观测器前馈控制的策略，利用非线性干扰观测器跟踪负荷扰动，通过前馈控制抑制直流母线电压波动，从而保证电能质量。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明复合储能单元系统结构示意图；
图2为本发明非线性干扰观测器SIMULINK模型图；
图3为本发明非线性干扰观测器前馈控制框图；
图4为传统双闭环控制下仿真波形与前馈控制下仿真波形对比图。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明提供的一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，将光伏用作电源，由超级电容器组和蓄电池组组成的复合储能单元缓解波动，使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，通过监控微电网中每个模块的参数来控制直流微电网，并同时保证电网的稳定性。
进一步改进，所述复合储能单元如附图一，包括蓄电池组、超级电容器组和两组双向DC/DC变流器，复合储能单元与光伏发电系统进行能量转换，保护系统稳定，其中，蓄电池组功率为Pbat，超级电容器组功率为Psc，蓄电池组充放电电流为Ibat、超级电容器组的充放电电流为Isc，C为直流母线电容，复合储能单元总电流为IHESS，直流母线电流为Idc，蓄电池组的端电压为Ubat，超级电容器组的端电压为Usc，直流母线电压为Udc，
所述使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，具体为：实时跟踪输出扰动电流观测值io *，通过跟踪输出扰动电流观测值io *和实际负荷电流输出值io进行对比，得到两者误差，为前馈控制提供数据，
所述非线性干扰观测器模型为双闭环前馈控制器，其中，外环控制由两部分组成，分别为：电流环前馈控制函数Gf和电压环Gu，系统正常运行时会产生扰动误差，扰动误差为实际负荷电流输出值io，非线性干扰观测器实时跟踪实际负荷电流输出值io，得到输出扰动电流观测值io *，再将输出扰动电流观测值io *通过电流环前馈控制函数Gf控制后得到iL-ref1，电压环Gu通过PI控制后得到iL-ref2，
设计了双闭环前馈控制器，内环控制为电流环Gi，将上述外环控制后所得值iL-ref1和iL-ref2相加后作为电流环Gi的输入参考值iL-ref，通过PI控制后得到iL，iL放大k倍后，减去实际负荷电流输出值io，经过电路运算得到实际直流母线电压值Udc，并通过闭环控制后与直流母线电压参考值Udc-ref进行对比，计算实际直流母线电压值Udc与直流母线电压参考值Udc-ref的误差扰动，
Figure GDA0003006340240000051
式(1)为非线性干扰观测器前馈控制的复频域计算公式，其中：k为系数k＝Us/Udc，是复合储能端口电压和直流母线电压的比值，其中，US为光伏电源设定电压值，T为收敛速度，T＝-C/11，C为直流母线电容，直流母线电压为Udc，可得前馈函数Gf有以下关系：
Figure GDA0003006340240000052
Tf为非线性干扰观测器跟踪延时补偿，kpi为电流环比例系数，L为电感，N为滤波系数，主要是为了滤除DC/DC侧二倍频纹波，N取10,50,100三组数据，观测仿真，通过计算，当滤波系数N取100时，系统达到稳定，此时前馈函数Gf值为：
Figure GDA0003006340240000053
控制策略对系统稳定性影响如附图四。本发明所提控制策略有效抑制了直流母线电压波动，波动范围由1.7％-5.3％减少到0.7％-1.6％，改善了电能质量；所提控制策略不需要额外添加其他电力电子化变换器，改进控制系统电能转化率比原有控制系统电能转化率提高了88.1％-88.4％，稳定直流母线电压的同时，实现负荷输出电流快速跟踪，使得负荷输出扰动电流降低到原有扰动电流的12％，稳定了系统。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种抑制含复合储能直流微电网母线电压波动的策略，其特征在于：将光伏用作电源，由超级电容器组和蓄电池组组成的复合储能单元缓解波动，所述复合储能单元包括蓄电池组、超级电容器组和两组双向DC/DC变流器，复合储能单元与光伏发电系统进行能量转换，保护系统稳定，使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，通过监控微电网中每个模块的参数来控制直流微电网，并同时保证电网的稳定性，所述使用非线性干扰观测器模型实时追踪负荷扰动输出，具体为：实时跟踪输出扰动电流观测值io *，通过跟踪输出扰动电流观测值io *和实际负荷电流输出值io进行对比，得到两者误差，为前馈控制提供数据，
所述非线性干扰观测器模型为双闭环前馈控制器，其中，外环控制由两部分组成，分别为：电流环前馈控制函数Gf和电压环Gu，系统正常运行时会产生扰动误差，扰动误差为实际负荷电流输出值io，非线性干扰观测器实时跟踪实际负荷电流输出值io，得到输出扰动电流观测值io *，再将输出扰动电流观测值io *通过电流环前馈控制函数Gf控制后得到iL-ref1，电压环Gu通过PI控制后得到iL-ref2，
设计了双闭环前馈控制器，内环控制为电流环Gi，将上述外环控制后所得值iL-ref1和iL-ref2相加后作为电流环Gi的输入参考值iL-ref，通过PI控制后得到iL，iL放大k倍后，减去实际负荷电流输出值io，经过电路运算得到实际直流母线电压值Udc，并通过闭环控制后与直流母线电压参考值Udc-ref进行对比，计算实际直流母线电压值Udc与直流母线电压参考值Udc-ref的误差扰动，
Figure FDA0003006340230000011
式(1)为非线性干扰观测器前馈控制的复频域计算公式，其中：k为系数k＝Us/Udc，是复合储能端口电压和直流母线电压的比值，其中，US为光伏电源设定电压值，T为收敛速度，T＝-C/11，C为直流母线电容，直流母线电压为Udc，可得前馈函数Gf有以下关系：
Figure FDA0003006340230000012
Tf为非线性干扰观测器跟踪延时补偿，kpi为电流环比例系数，L为电感，N为滤波系数，主要是为了滤除DC/DC侧二倍频纹波，N取10,50,100三组数据，观测仿真，通过计算，当滤波系数N取100时，系统达到稳定，此时前馈函数Gf值为：
Figure FDA0003006340230000021
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