CN113394767A - 一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对直流配电系统的具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑，整体由一个超级电容、一个储能电池组、两个电感L1、L2，三个开关管S1～S3和一个容值较小的薄膜电容C1构成。该拓扑输入源有两个，为超级电容和储能电池组，输出则直接并联到系统直流母线上。本发明还公开了一种控制方法，分为两个部分：一个是针对由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器提出的失稳防御和谐波抑制功能；另一个是针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器提出的储能管理功能。本发明有助于提升配电网稳定性防御的自动化水平，具有较大的工程应用价值和推广前景。

Description

一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓 扑及其控制方法
技术领域
本发明涉及配电网稳定性领域，具体是针对直流配电系统的具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑及其控制方法。
背景技术
随着光伏、风能等新能源的利用越来越多，以及汽车、照明等直流负载的日益增多，直流配电网的负载愈发复杂。尽管系统中每个变换器在单独设计和检测时是稳定的，但它们实际组成直流配电系统运行时，却会因为不同变换器之间的不匹配而诱发整个系统的振荡乃至失稳。而一旦系统中失稳源过多，则需要建立系统级的失稳防御机制。
目前的系统防御方案分为两类：一类在系统中专门增加一个失稳防御模块；另一类利用系统中的储能装置来帮助实现系统中的失稳防御。第一类方案需要在系统中增加额外的防御装置，在一些对体积和成本有要求的新能源直流配电系统中就不太合适。另一类方案由于储能装置本身有特定的控制需求，如储能单元的能量管理、系统的削峰填谷等，这些控制策略不易和系统失稳防御的控制功能兼容。
发明内容
一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑，由一个用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器以及一个用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost变换器通过开关管S2复用集成，所述用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器由储能电池、S1、S2、 L1、C1构成，所述用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost 变换器由超级电容、S2、S3、L2、C1构成；C1直接并联在输出上，S1、S2、 S3依次串联，同样并联在输出上，储能电池和L1串联，且并联在S1两端，超级电容和L2串联，且并联在S1和S2的两端，所述超级电容和储能电池组为两个输入源，输出则直接并联到系统直流母线上。
一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑的控制方法，其特征在于：
对于用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器，通过电池状态管理、母线电压调节和系统功率调度功能进行控制；
对于用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost变换器，将其母线端口阻抗控制成两类不同性质的等效电容Ce的特征组合，第一类等效电容Ce1用于实现系统失稳防御功能，控制其容值大小随系统失稳程度变化，成正比关系。第二类等效电容Ce2用于母线背景次谐波抑制功能，仅在需要抑制的谐波频率处表现为一个容值非常大的等效电容；
在由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器的控制和由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器的控制，分别控制实现后，使用
Figure BDA0003100712010000021
的器件复用逻辑进行控制融合。
进一步的，针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器，母线电压调节功能采样系统母线电压调节实现，系统功率调度功能通过采样电池电压、电池电流和系统母线电压根据风能或者光伏的能量波动以及负荷之间的供需关系，进行功率调度削峰填谷。
可选的，失稳模块中电感L1和电感L2在各个运行模式下的状态是不同的，可以添加一个可控因子，用于描述L1和L2在各个运行模式下的状态。
附图说明
图1为实施例的针对直流配电系统的具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑示意图；
图2为实施例的针对直流配电系统的具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块控制方法示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
实施例1
一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑，如图 1所示，整体由一个超级电容、一个储能电池组、两个电感L1、L2，三个开关管S1～S3和一个容值较小的薄膜电容C1构成。该拓扑输入源有两个，为超级电容和储能电池组，输出则直接并联到系统直流母线上。
具体结构为C1直接并联在输出上，S1、S2、S3依次串联，同样并联在输出上，储能电池和L1串联，且并联在S1两端，超级电容和L2串联，且并联在S1和S2的两端。
该系统防御模块的拓扑其实由两个双向Buck/Boost变换器通过开关管S2复用集成而来。其中，储能电池、S1、S2、L1、C1构成一个Buck/Boost 变换器用于实现储能管理功能；超级电容、S2、S3、L2、C1构成另一个 Buck/Boost变换器用于实现失稳防御和谐波抑制功能。
实施例2
一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的控制方法，分为两个部分：一个是针对由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost 变换器提出的；另一个是针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost 变换器提出的。
针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器，控制策略主要实现储能管理功能。储能管理功能具体分为电池状态管理、母线电压调节和系统功率调度功能。电池状态管理功能通过采样电池电压和电池电流调节电池的充放电压/电流。母线电压调节功能采样系统母线电压调节实现，系统功率调度功能通过采样电池电压、电池电流和系统母线电压根据风能或者光伏的能量波动以及负荷之间的供需关系，进行功率调度削峰填谷。
针对由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器，控制策略分为失稳防御和谐波抑制两个部分的功能。其主要通过将该Buck/Boost 变换器的母线端口阻抗控制成两类不同性质的等效电容Ce的特征组合。
第一类等效电容Ce1用于实现系统失稳防御功能，控制其容值大小随系统失稳程度变化，成正比关系。第二类等效电容Ce2用于母线背景次谐波抑制功能，仅在需要抑制的谐波频率处表现为一个容值非常大的等效电容。
在由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器的控制和由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器的控制，分别控制实现后，使用式1所述器件复用逻辑进行控制融合，应用到权利要求1所述拓扑结构中。
Figure BDA0003100712010000041
失稳模块中电感L1和电感L2在各个运行模式下的状态是不同的，可以添加一个可控因子，用于描述L1和L2在各个运行模式下的状态。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
本发明电路拓扑，如图1所示，包括：
整体由一个超级电容、一个储能电池组、两个电感L1、L2，三个开关管S1～S3和一个容值较小的薄膜电容C1构成。该拓扑输入源有两个，为超级电容和储能电池组，输出则直接并联到系统直流母线上。
具体结构为C1直接并联在输出上，S1、S2、S3依次串联，同样并联在输出上，储能电池和L1串联，且并联在S1两端，超级电容和L2串联，且并联在S1和S2的两端。
该系统防御模块的拓扑其实由两个双向Buck/Boost变换器通过开关管S2复用集成而来。其中，储能电池、S1、S2、L1、C1构成一个Buck/Boost 变换器用于实现储能管理功能；超级电容、S2、S3、L2、C1构成另一个 Buck/Boost变换器用于实现失稳防御和谐波抑制功能。
本发明电路控制策略，如示，包括：
一个是针对由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器的失稳防御和谐波抑制策略；另一个是针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器的储能管理控制策略。
对于由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器的失稳防御和谐波抑制策略：
分为两类不同性质的等效电容特征组合。第一类等效电容Ce1用于实现系统失稳防御功能，控制其容值大小随系统失稳程度变化，成正比关系。第二类等效电容Ce2用于母线背景次谐波抑制功能，仅在需要抑制的谐波频率处表现为一个容值非常大的等效电容。其具体控制步骤为
S1.获取需要消除的背景次谐波频率ωr1、ωr2、…ωrn和母线电压vbus。
S2.计算Ce1和Ce2值
Ce1＝(1+k·|△vbus|)C1 (2)
Figure BDA0003100712010000051
其中，k和kr为自适应调节系数。
S3.计算Ce值，并调节控制策略，使输出阻抗表现为Ce
Ce＝Ce1+Ce2 (4)
针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器的储能管理控制策略分为三部分：
电池状态管理：采样电池电压和电池电流，管理电池的充电状态和健康状态，控制电池的充放电压/电流。
母线电压调节：采样系统母线电压，母线电压进行调节。
系统功率调度：采样电池电压、电池电流和系统母线电压，根据风能或者光伏的能量波动以及负荷之间的供需关系，进行功率调度削谷填峰。
在储能管理、失稳防御和谐波抑制的控制分别实现后，使用所示器件复用逻辑表进行控制融合，应用到所示拓扑中。
本发明提出了系统化模块化的稳定性新方案，极大的节约人力，有助于提高直流配电网运行稳定性，具有较大的工程应用价值和推广前景。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑，其特征在于：由一个用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器以及一个用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost变换器通过开关管S2复用集成，所述用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器由储能电池、S1、S2、L1、C1构成，所述用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost变换器由超级电容、S2、S3、L2、C1构成；C1直接并联在输出上，S1、S2、S3依次串联，同样并联在输出上，储能电池和L1串联，且并联在S1两端，超级电容和L2串联，且并联在S1和S2的两端，所述超级电容和储能电池组为两个输入源，输出则直接并联到系统直流母线上。
2.权利要求1所述的一种具有失稳防御、母线谐波抑制和储能管理功能的模块拓扑的控制方法，其特征在于：
对于用于实现储能管理功能的双向Buck/Boost变换器，通过电池状态管理、母线电压调节和系统功率调度功能进行控制；
对于用于实现失稳防御和谐波抑制功能的双向Buck/Boost变换器，将其母线端口阻抗控制成两类不同性质的等效电容Ce的特征组合，第一类等效电容Ce1用于实现系统失稳防御功能，控制其容值大小随系统失稳程度变化，成正比关系。第二类等效电容Ce2用于母线背景次谐波抑制功能，仅在需要抑制的谐波频率处表现为一个容值非常大的等效电容；
在由超级电容、S2、S3、L2、C1构成的Buck/Boost变换器的控制和由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器的控制，分别控制实现后，使用
Figure FDA0003100706000000011
的器件复用逻辑进行控制融合。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：
针对由储能电池、S1、S2、L1、C1构成的Buck/Boost变换器，母线电压调节功能采样系统母线电压调节实现，系统功率调度功能通过采样电池电压、电池电流和系统母线电压根据风能或者光伏的能量波动以及负荷之间的供需关系，进行功率调度削峰填谷。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：失稳模块中电感L1和电感L2在各个运行模式下的状态是不同的，可以添加一个可控因子，用于描述L1和L2在各个运行模式下的状态。
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