CN112217194B - 一种基于干扰观测器前馈电流控制的直流电压偏差抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干扰观测器前馈电流控制的直流电压偏差抑制方法，利用可控负荷与蓄电池消除电压偏差，加入了前馈电流控制提高响应速度，引入干扰观测器减少系统成本，直流电压偏差较小时，可控负荷即可将电压控制在限值以内；直流电压偏差较大时，再由蓄电池进行控制，将所有节点电压控制在限制以内。本发明可提高系统响应速度，减小直流电压暂态波动幅值，减少系统成本，抑制各节点直流电压偏差，利用可控负荷提高了蓄电池储能的经济性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流配电网直流电压偏差抑制方法，引入干扰观测器和前馈控制，以可控负荷与蓄电池抑制直流电压偏差，属于直流配电电能质量控制技术领域。
背景技术
面对日益严峻的能源危机，分布式能源的开发与利用是中国乃至全球能源开发利用的大势所趋。随着越来越多的分布式电源、储能装置和负荷均产生或消耗直流电，直流配电系统是实现直流型源、荷灵活接入和高效匹配的重要途径。由于分布式能源的间歇性和随机性，传统负荷的波动性及电动汽车接入电网充电时的不确定性，分布式电源接入位置存在不确定性，当线路进行切换或发生故障，会引起直流配电网电压的偏差，为供电的电能质量带来了威胁。
对于直流电压偏差的抑制，一方面可从分布式电源入手，分布式电源一般采用最大功率跟踪控制，可对分布式电源控制进行改进，抑制其功率波动，但是不能充分利用分布式电源的功率，也只是抑制了分布式电源引起的直流电压偏差；另一方面，随着储能技术的发展，应用储能来解决直流电压偏差的各种控制方法应运而生。储能装置分为能量型和功率型两种，对于长期存在的直流电压偏差来说，储能装置应选择能量型，能够长期提供电能。目前对于储能抑制直流电压偏差集中在控制方法的研究，并且关注的仅是直流电网一个节点的电能质量，抑制的也只是某个因素引起的直流电压偏差，且没有考虑到提高储能装置经济性与寿命。传统的PI双环控制无法在提高系统动态响应的同时有效抑制直流母线电压较大的波动和冲击，因此可将前馈控制加入传统的双环控制中，使电流内环参考值能够快速跟踪外部扰动，提高系统响应速度，但前馈控制的引入需要在系统加入额外的传感器，这会增加系统的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于干扰观测器的前馈电流控制策略来解决直流电压偏差问题。
本发明采用下述技术方案：
一种基于干扰观测器前馈电流控制的直流电压偏差抑制方法，建立直流配电网系统：典型的辐射式直流配电网系统由交流电网、直流母线、分布式电源、储能单元、直流负载、AC/DC换流器、DC/DC换流器、测量元件、滤波器和控制系统组成；分布式电源为风力发电单元和光伏发电单元，储能单元为蓄电池；交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，交流电网对应的换流器为定直流电压控制；风力发电单元经过AC/DC换流器接到直流母线，光伏发电单元通过DC/DC换流器接到直流母线，风力发电单元和光伏单元对应的换流器均为最大功率跟踪控制；储能单元通过双向DC/DC换流器接到直流母线；直流负载直接接入直流母线或通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式电源、储能单元、交流电网和负荷的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，控制系统输出端与相应的换流器输入端相连；测量元件包含各种直流测量元件以及交流测量元件，主要包括各单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式电源侧、储能单元侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器；包括如下步骤：
步骤1：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流配电网中的直流母线电压udc、储能单元的输出电流isc、储能单元的端口电压usc；
步骤2：若直流电压越限，先由可控负荷对直流电压偏差进行抑制，可控负荷通过双向DC/DC换流器接到直流母线，直流电压越下限，给定可控负荷直流电压下限参考值ULiref；直流电压越上限，给定可控负荷直流电压上限参考值UHiref，双向DC/DC换流器采用电流前馈控制方法，具体如下：
引入干扰观测器对扰动电流i0快速跟踪，经过重新定义，DC/DC换流器的动态方程为
式中：
其中，udc、usc分别为直流电网侧电压、储能单元端口电压，isc为储能单元输出电流，LDC为滤波电感；C为直流母线电容，D1、D2分别为DC/DC换流器Buck模式、Boost模式的占空比；
应用传统指数收敛型干扰观测器设计为：
其中，m＝[m1 m2]为收敛系数；
表达式中存在微分运算，这里定义了辅助变量a以消除微分运算，令
其中，h(x)＝mx；
对式(3)求导，然后把式(1)和式(2)代入，得到干扰观测器的表达式：
得到扰动电流观测值
传统双闭环PI控制加入了电流前馈控制后，得到如下传递函数：
为了消除扰动电流的影响，则
其中，
步骤3：若所测量的直流电压仍旧越限，并且可控负荷功率达到最大或最小，再由蓄电池储能单元对直流电压偏差进行抑制，DC/DC换流器也采用基于干扰观测器的电流前馈控制；
步骤4：PWM调制：根据占空比D，对DC-DC换流器的开关管进行PWM调制控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.该方法可以提高系统响应速度，减小直流电压暂态波动幅值，减少系统成本；
1.该方法可以抑制各节点直流电压偏差，使各节点直流电压满足其电能质量要求；
2.利用可控负荷可减小蓄电池储能的容量配置，并能减少蓄电池的充放电次数，提高了蓄电池储能的经济性和使用寿命。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是直流配电网的结构示意图；
图3是前馈电流控制框图。
具体实施方式
参考图1-图3，一种基于干扰观测器前馈电流控制的直流电压偏差抑制方法，建立直流配电网系统：典型的辐射式直流配电网系统由交流电网、直流母线、分布式电源、储能单元、直流负载、AC/DC换流器、DC/DC换流器、测量元件、滤波器和控制系统组成；分布式电源为风力发电单元和光伏发电单元，储能单元为蓄电池；交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，交流电网对应的换流器为定直流电压控制；风力发电单元经过AC/DC换流器接到直流母线，光伏发电单元通过DC/DC换流器接到直流母线，风力发电单元和光伏单元对应的换流器均为最大功率跟踪控制；储能单元通过双向DC/DC换流器接到直流母线；直流负载直接接入直流母线或通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式电源、储能单元、交流电网和负荷的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，控制系统输出端与相应的换流器输入端相连；测量元件包含各种直流测量元件以及交流测量元件，主要包括各单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式电源侧、储能单元侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器；包括如下步骤：
步骤1：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流配电网中的直流母线电压udc、储能单元的输出电流isc、储能单元的端口电压usc；
步骤2：若直流电压越限，先由可控负荷对直流电压偏差进行抑制，可控负荷通过双向DC/DC换流器接到直流母线，直流电压越下限，给定可控负荷直流电压下限参考值ULiref＝380V；直流电压越上限，给定可控负荷直流电压上限参考值UHiref＝420V，双向DC/DC换流器采用电流前馈控制方法，具体如下：
引入干扰观测器对扰动电流i0快速跟踪，经过重新定义，DC/DC换流器的动态方程为
式中：
其中，udc、usc分别为直流电网侧电压、超级电容端电压，isc为超级电容输出电流，LDC为滤波电感；C为直流母线电容，D1、D2分别为DC/DC换流器Buck模式、Boost模式的占空比；
应用传统指数收敛型干扰观测器设计为
其中，m＝[m1 m2]为收敛系数；
表达式中存在微分运算，这里定义了辅助变量a以消除微分运算，令
其中，h(x)＝mx；
对式(3)求导，然后把式(1)和式(2)代入，得到干扰观测器的表达式：
得到扰动电流观测值
传统双闭环PI控制加入了电流前馈控制后，得到如下传递函数：
为了消除扰动电流的影响，则
其中，
步骤3：若所测量的直流电压仍旧越限，并且可控负荷功率达到最大或最小，再由蓄电池储能单元对直流电压偏差进行抑制，DC/DC换流器也采用基于干扰观测器的电流前馈控制；
步骤4：PWM调制：根据占空比D，对DC-DC换流器的开关管进行PWM调制控制。
Claims (1)
1.一种基于干扰观测器前馈电流控制的直流电压偏差抑制方法，建立直流配电网系统：典型的辐射式直流配电网系统由交流电网、直流母线、分布式电源、储能单元、直流负载、AC/DC换流器、DC/DC换流器、测量元件、滤波器和控制系统组成；分布式电源为风力发电单元和光伏发电单元，储能单元为蓄电池；交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，交流电网对应的换流器为定直流电压控制；风力发电单元经过AC/DC换流器接到直流母线，光伏发电单元通过DC/DC换流器接到直流母线，风力发电单元和光伏单元对应的换流器均为最大功率跟踪控制；储能单元通过双向DC/DC换流器接到直流母线；直流负载直接接入直流母线或通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式电源、储能单元、交流电网和负荷的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，控制系统输出端与相应的换流器输入端相连；测量元件包含各种直流测量元件以及交流测量元件，主要包括各单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式电源侧、储能单元侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器；包括如下步骤：
步骤1：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流配电网中的直流母线电压udc、储能单元的输出电流isc、储能单元的端口电压usc；
步骤2：若直流电压越限，先由可控负荷对直流电压偏差进行抑制，可控负荷通过双向DC/DC换流器接到直流母线，直流电压越下限，给定可控负荷直流电压下限参考值ULiref＝380V；直流电压越上限，给定可控负荷直流电压上限参考值UHiref＝420V，双向DC/DC换流器采用电流前馈控制方法，具体如下：
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