CN112217219A - 一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略 - Google Patents

一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略，包括以下步骤：首先对超级电容器的参数进行设计，给定直流电压暂变限值，判断敏感负荷所在节点直流电压是否越限，然后提出了基于滑模控制的超级电容器直流电压暂变治理策略，若直流电压越限，则由超级电容器充放电，将直流电压控制在限制以内，最后提供了电能质量事件结束后恢复流程。本发明可以解决包含暂降、暂升、暂断一系列直流暂态电能质量，提供了超级电容的参数设计方法及电能质量事件结束后恢复流程。

Description

一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略
技术领域
本发明涉及一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略，以充放电迅速的超级电容器作为储能抑制直流电压暂变，并设计了超级电容器装置的参数，提供了超级电容在电能质量事件结束后恢复流程，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，交流或直流线路发生故障断开，会引起直流配电网电压的剧烈变化，为供电的电能质量带来了威胁。
直流电能质量至今没有明确的标准，可对比于交流电能质量，从而制定直流电能质量的相关标准。对于直流电能质量的治理研究，大多集中在稳态电能质量，曾正等在电工技术学报，2016，31(17)：23-31.“基于直流电气弹簧的直流配电网电压波动抑制”中借鉴交流电网对电气弹簧的研究经验，利用可控负荷，提出适用于直流电网的直流电气弹簧概念，对直流电网的电压波动进行抑制；朱晓荣等在电工技术学报，2018，33(15)：3437-3449.“一种不平衡负载下直流微电网电压脉动抑制方法”中对直流纹波进行治理。对于直流暂态电能质量的标准制定还处在起步阶段，如今广泛应用的ITIC电压容差曲线，是制订包括电能质量相关标准的重要依据，也是针对设备生产厂商的建议性或强制性标准。由于直流系统中电力电子装置的广泛应用及直流保护装置，其快速的响应与动作特性，使得直流电压暂变的持续时间要远小于交流系统，可降低直流电能质量的时间尺度，在制定标准时也是要注意的方面。对于直流暂态电能质量的治理，需考虑敏感负荷的对电压暂变的容忍程度，如直流电机、精密机械工具、可编程逻辑控制器(programmable logic controllers，PLC)等对电压暂降非常敏感，单个元件故障可能引起整条生产线产品报废，造成巨大经济损失，因此需要治理单元控制的迅速性。并且电能质量事件结束后，为了下一次对电能质量事件治理，需使超级电容器恢复初始状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超级电容的滑模控制控制策略来解决直流电压暂态电能质量问题，并提供了其参数设计及电能质量事件结束后恢复流程。
本发明采用下述技术方案：
一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略，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、风力发电单元、光伏发电单元、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。交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，换流器为定直流电压控制；风电机组过 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，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；直流负载可直接接入直流母线，也可通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式发电单元、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，其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、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器等；包括如下步骤：
步骤1：超级电容的参数设计，具体如下：
Figure BSA0000185835810000021
Figure BSA0000185835810000022
其中，Pscmax1为放电最大功率，Pscmax2为充电最大功率，Uscmin为最小电压，Uscmax为最大电压，可由直流母线电压确定，UscinM为中间电压，可由恒定功率稳态极限确定，Tmax为最大充放电时间，Csc为超级电容器电容值，要求超级电容器能够解决3此极端情况下电能质量问题。考虑到超级电容寿命终止(End of Life，EOL)因素，EOL电容是初始值的80％。
超级电容器的放电效率：
Figure BSA0000185835810000031
超级电容器的充电效率：
Figure BSA0000185835810000032
其最小效率为最小放电效率与最小充电效率之积，得到电容值Csc1＝Csc/ηmin，其中，ηmin为超级电容的最小效率。
步骤2：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、储能元件的输出电流Isc、储能元件的端口电压Usc；
步骤3：若直流电压越限Udc，由超级电容对直流电压暂变进行控制，超级电容通过双向DC/DC换流器接到直流母线，采用二阶滑模控制的超螺旋算法，开关控制、等效控制分别为式(5)、式(6)，DC/DC换流器总的控制输入Dn(n＝1、2)为等效控制与开关控制之和。
Figure BSA0000185835810000033
Figure BSA0000185835810000034
其中，n＝1时，Buck模式；n＝2时，Boost模式。S＝ei+Ki∫eidt积分滑模面，ei为电流跟踪误差，Ki是积分滑模面的积分系数，Udc、Usc分别为直流电网侧电压、超级电容端电压；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。
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。
步骤5：电能质量事件结束后超级电容器初始电压恢复，若超级电容器所剩电量不足以解决下一次极端情况下电能质量问题，则需立刻恢复初始状态。其下限值UscL和上限值UscH可由公式(7)、(8)得到。若超级电容电压低于下限值时，需立刻充电；若直流电压高于该下限值时，则超级电容在负荷较小或低谷电价充电；若超级电容电压高于上限值时，需立刻放电；若直流电压低于该上限值时，则超级电容在负荷较大放电。
Figure BSA0000185835810000041
Figure BSA0000185835810000042
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.该方法可以快速控制各种直流暂态电能质量问题；
2.该方法对超级电容的参数进行了详细的设计；
3.该方法提供了电能质量事件结束后恢复流程。
附图说明
图1是本发明的电能质量治理流程图；
图2是超级电容参数设计流程图；
图3是超级电容器恢复流程图；
图4是直流配电网的结构示意图；
具体实施方式
参考图1-图4，一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略，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、风力发电单元、光伏发电单元、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。交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，换流器为定直流电压控制；风电机组过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，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；直流负载可直接接入直流母线，也可通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式发电单元、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，其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、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器等；包括如下步骤：
步骤1：超级电容的参数设计，具体如下：
Figure BSA0000185835810000051
Figure BSA0000185835810000052
其中，Pscmax1为放电最大功率，Pscmax2为充电最大功率，Uscmin为最小电压，Uscmax为最大电压，可由直流母线电压确定，UscinM为中间电压，可由恒定功率稳态极限确定，Tmax为最大充放电时间，Csc为超级电容器电容值，要求超级电容器能够解决3此极端情况下电能质量问题。考虑到超级电容寿命终止(End of Life，EOL)因素，EOL电容是初始值的80％。
超级电容器的放电效率：
Figure BSA0000185835810000053
超级电容器的充电效率：
Figure BSA0000185835810000054
其最小效率为最小放电效率与最小充电效率之积，得到电容值Csc1＝Csc/ηmin，其中，ηmin为超级电容的最小效率。
步骤2：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、储能元件的输出电流Isc、储能元件的端口电压Usc；
步骤3：若直流电压越限Udc，由超级电容对直流电压暂变进行控制，超级电容通过双向DC/DC换流器接到直流母线，采用二阶滑模控制的超螺旋算法，开关控制、等效控制分别为式(5)、式(6)，DC/DC换流器总的控制输入Dn(n＝1、2)为等效控制与开关控制之和。
Figure BSA0000185835810000055
Figure BSA0000185835810000056
其中，n＝1时，Buck模式；n＝2时，Boost模式。S＝ei+Ki∫eidt积分滑模面，ei为电流跟踪误差，Ki是积分滑模面的积分系数，Udc、Usc分别为直流电网侧电压、超级电容端电压；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。
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。
步骤5：电能质量事件结束后超级电容器初始电压恢复，若超级电容器所剩电量不足以解决下一次极端情况下电能质量问题，则需立刻恢复初始状态。其下限值UscL和上限值UscH可由公式(7)、(8)得到。若超级电容电压低于下限值207V时，需立刻充电；若直流电压高于该下限值时，则超级电容在负荷较小或低谷电价充电；若超级电容电压高于上限值 382V时，需立刻放电；若直流电压低于该上限值时，则超级电容在负荷较大放电。
Figure BSA0000185835810000061
Figure BSA0000185835810000062
。

Claims (1)

1.一种基于超级电容的直流暂态电能质量治理及其恢复策略，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、风力发电单元、光伏发电单元、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。交流电网经过滤波器后通过AC/DC换流器接到直流母线，换流器为定直流电压控制；风电机组过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，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；直流负载可直接接入直流母线，也可通过DC/DC换流器接到直流母线；直流配电网包含的分布式发电单元、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，其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、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器等；包括如下步骤：
步骤1：超级电容的参数设计，具体如下：
Figure FSA0000185835800000011
Figure FSA0000185835800000012
其中，Pscmax1为放电最大功率，Pscmax2为充电最大功率，Uscmin为最小电压，Uscmax为最大电压，可由直流母线电压确定，UscinM为中间电压，可由恒定功率稳态极限确定，Tmax为最大充放电时间，Csc为超级电容器电容值，要求超级电容器能够解决3此极端情况下电能质量问题。考虑到超级电容寿命终止(End of Life，EOL)因素，EOL电容是初始值的80％。
超级电容器的放电效率：
Figure FSA0000185835800000013
超级电容器的充电效率：
Figure FSA0000185835800000014
其最小效率为最小放电效率与最小充电效率之积，得到电容值Csc1＝Csc/ηmin，其中，ηmin为超级电容的最小效率。
步骤2：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、储能元件的输出电流Isc、储能元件的端口电压Usc；
步骤3：若直流电压越限Udc，由超级电容对直流电压暂变进行控制，超级电容通过双向DC/DC换流器接到直流母线，采用二阶滑模控制的超螺旋算法，开关控制、等效控制分别为式(5)、式(6)，DC/DC换流器总的控制输入Dn(n＝1、2)为等效控制与开关控制之和。
Figure FSA0000185835800000021
Figure FSA0000185835800000022
其中，n＝1时，Buck模式；n＝2时，Boost模式。S＝ei+Ki∫eidt积分滑模面，ei为电流跟踪误差，Ki是积分滑模面的积分系数，Udc、Usc分别为直流电网侧电压、超级电容端电压；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。
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。
步骤5：电能质量事件结束后超级电容器初始电压恢复，若超级电容器所剩电量不足以解决下一次极端情况下电能质量问题，则需立刻恢复初始状态。其下限值UscL和上限值UscH可由公式(7)、(8)得到。若超级电容电压低于下限值207V时，需立刻充电；若直流电压高于该下限值时，则超级电容在负荷较小或低谷电价充电；若超级电容电压高于上限值382V时，需立刻放电；若直流电压低于该上限值时，则超级电容在负荷较大放电。
Figure FSA0000185835800000023
Figure FSA0000185835800000024
。
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