CN113852067B - 一种并离网无缝切换控制方法、系统、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种并离网无缝切换控制方法、系统、存储介质及设备，可适用于任意并联DC/DC变流器的控制系统。本发明根据直流母线电压是否存在偏差值以判断DC/DC变流器的当前状态，再进行相应的控制，消除了传统并/离网模式在功率与电压外环切换过程中存在的暂态过程，且通过偏差功率计算换完成了并/离网模式下DC/DC变流器输出功率值的确定，提高了DC/DC变流器在并/离网切换模式下的无缝性和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于并离网控制技术领域，具体涉及一种并离网无缝切换控制方法、系统、存储介质及设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
并离网无缝切换控制对于微电网的正常运行尤为重要，控制效果不好容易影响微电网运行的可靠性，目前有诸多学者在这方面进行研究。
目前主要的控制策略包括以下几种，虽然这几种控制策略有一定的效果，但也有各自的缺点：
引入可控负荷进行孤岛检测的方法来实现模式切换的策略，可以有效实现无缝切换，但因存在较长的延时使切换动作较慢，且引入可用负荷增加了结构的复杂性。基于自适应母线电压的无缝切换策略，容易对直流微电网的电能质量存在不利影响。基于变换器通讯的无缝切换技术，由于需要附加通讯链路，所以增加了系统的复杂性，降低了可靠性。基于大电网交流电压检测和储能双向DC/DC变换器的多控制环路调度的控制策略，该策略虽在一定程度上能够实现无缝切换，但由于存在负荷和发电功率平衡导致的检测盲区，因此该策略还需引入通信来进行远程检测来减小或消除检测盲区，使得检测环节更加复杂。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种并离网无缝切换控制方法、系统、存储介质及设备，可适用于任意并联DC/DC变流器的控制系统。本发明根据直流母线电压是否存在偏差值以判断DC/DC变流器的当前状态，再进行相应的控制，消除了传统并/离网模式在功率与电压外环切换过程中存在的暂态过程，且通过偏差功率计算换完成了并/离网模式下DC/DC变流器输出功率值的确定，提高了DC/DC变流器在并/离网切换模式下的无缝性和灵活性。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种并离网无缝切换控制方法，包括以下步骤：
确认直流侧母线电压实际值和参考值之间是否存在偏差，如果存在则判定当前为离网运行模式，否则判定当前为并网运行模式；
并网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值控制DC/DC变流器的输出功率，离网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值以及依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值，控制DC/DC变流器的输出功率；
利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制。
上述技术方案采用并/离网状态下直流母线存在的差额值作为并/离网状态的检测手段，并在不同状态模式下，利用不同的功率外环控制，克服了传统并/离网切换过程中因维持直流母线电压而引起的外环控制策略切换问题，达到了无缝切换的效果。
作为可选择的实施方式，所述偏差为给定的直流电压参考值与直流母线电压实际值作差。
作为可选择的实施方式，所述给定的功率参考值为DC/DC变流器的功率参考值。
作为可选择的实施方式，所述依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值的计算过程包括：计算电压偏差的绝对值和直流母线电压参考值的比值，作为系数；
依据电压偏差和设定比例系统的乘积，计算得到直流电压偏差功率，所述系数与直流电压偏差功率的乘积，为偏离功率值。
作为可选择的实施方式，所述偏离功率值只在直流母线电压因存在未知的直流负载而偏离直流母线电压参考值时加入控制。
作为可选择的实施方式，利用功率外环控制的具体过程包括：依据各个状态时，功率外环控制的控制根据值，与直流电源实际输出的功率的偏差，经比例积分调节，输出为内环电感电流的给定值。
作为可选择的实施方式，利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制的具体过程包括：对输入电感电流进行采样，将其与功率外环计算得到的电感电流给定值进行比较，得到的差值经过PI控制调节后进行限幅，得到控制波。
作为可选择的实施方式，在微电网为孤网运行时，外环控制改为电压闭环控制。
一种并离网无缝切换控制系统，包括：
运行模式确定模块，被配置为确认直流侧母线电压实际值和参考值之间是否存在偏差，如果存在则判定当前为离网运行模式，否则判定当前为并网运行模式；
功率外环控制模块，被配置为并网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值控制DC/DC变流器的输出功率，离网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值以及依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值，控制DC/DC变流器的输出功率；
电流内环控制模块，被配置为利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制。
作为可选择的实施方式，所述运行模式确定模块，包括减法器、比例调节器、陷波器、除法器、第一限幅器、乘法器、加法器和第二限幅器，所述减法器的两个输入端分别接收给定的直流电压参考值与直流母线电压实际值，输出端一路连接比例调节器，另一路依次连接陷波器、除法器和第一限幅器，比例调节器和第一限幅器的输出端共同连接乘法器，乘法器的输出端连接加法器，加法器连接第二限幅器。
作为可选择的实施方式，所述功率外环控制模块包括减法器和第一比例积分调节器，所述减法器的一端连接所述运行模式确定模块的输出，减法器的输出连接第一比例积分调节器。
作为可选择的实施方式，所述电流内环控制模块包括依次连接的减法器、第二比例积分调节器和第三限幅器。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于DC/DC变流器的并/离网无缝切换控制策略，并在传统功率外环侧增加直流母线电压偏差值经比例调节器的计算环替代传统功率外环的给定值，不仅消除了传统并/离网模式在功率与电压外环切换过程中存在的暂态过程，且通过偏差功率计算换完成了并/离网模式下DC/DC变流器输出功率值的确定，提高了DC/D变流器在并/离网切换模式下的无缝性和灵活性。克服了传统并/离网切换过程中因维持直流母线电压而引起的外环控制策略切换问题，进而达到了无缝切换的效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例中DC/DC变流器与单相整流器的并联拓扑结构示意图；
图2为本实施例的无缝切换的控制实现流程图；
图3为本实施例的功率/电压特性曲线示意图；
图4为本实施例的功率外环控制器的控制细节图；
图5为本实施例的电流内环控制器的控制细节图；
图6为本实施例的无缝切换的控制流程图；
图7为本实施例的DC/DC变流器输出侧的仿真结果；
图8为本实施例的AC/DC整流器输出侧的仿真结果；
图9为本实施例的主电源控制策略切换框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于DC/DC变流器的并/离网无缝切换控制策略，可适用于任意并联DC/DC变流器的控制系统。本发明根据直流母线电压是否存在偏差值以判断DC/DC变流器的当前状态(并网状态或离网状态)，并在传统功率外环侧增加直流母线电压偏差值经比例调节器的计算环替代传统功率外环的给定值。
如图6所示，具体包括：
确认直流侧母线电压实际值和参考值之间是否存在偏差，如果存在则判定当前为离网运行模式，否则判定当前为并网运行模式；
并网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值控制DC/DC变流器的输出功率，离网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值以及依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值，控制DC/DC变流器的输出功率；
利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制；
形成控制波形。
在本实施例中，以升压(Boost)型变流器为例进行说明，但是，并不代表本发明的技术方案仅适用于此类型变流器，且连接方式，也不仅限于本实施例给出的一种。本实施例以并联变流器以AC/DC变流器为例，如图1所示，DC/DC变流器连接在直流源和直流负载之间。
DC/DC变流器是将直流电源变换成为另一种具有不同输出特性的直流电源的电力电子装置。根据DC/DC变流器输入端与输出端是否有电气隔离，可分为隔离型DC/DC变流器和非隔离型DC/DC变流器两类。
正如前面所述的，本发明可适用于任意并联DC/DC变流器的控制系统，且DC/DC变流器可以是任意一种DC/DC变流器，在此不再赘述。
本实施例中，DC/DC变流器控制实现，如图2所示，包括基于电压控制环的功率参考值生成策略、功率控制环、电流控制环和PWM调制策略。
基于电压控制器的功率参考值生成策略控制中，将给定的直流电压参考值Vdcref与直流母线电压采样值Vdc作差，所得因未知直流负载引起的电压偏差值分别用以求取直流母线电压的偏差功率值与直流母线电压偏离额定值系数。
首先，将作差所得电压偏差值经比例(P)调节器，计算得到直流电压偏差功率Pdc，可用公式表示为：
Pdc＝(Vdcref-Vdc)kp1 (1)
式中，Vdcref为直流母线电压的给定值；Vdc为直流母线电压；kp1为功率生成环中P调节器的比例积分。
其次，将作差所得电压偏差值经二倍频陷波器后与直流母线电压参考值Vdcref作商，并经幅值为0至1间的限幅器1后即可得到直流母线电压偏离额定值的系数α，可用公式表示为：
值得说明的是，本发明拓扑结构中Boost型DC/DC变流器并联的是交流源，由于单相瞬时功率中固有的二倍频波动，因此需添加陷波器滤除直流母线中的二倍频波动，然而陷波器的具体添加与选值应视DC/DC变流器实际并联结构所引起的母线电压情况而定。且由于直流母线侧电压因瞬间失去较大功率源将造成直流母线电压的跌落，因此α是介于0至1之间的系数，此处加入限幅器1并将其设定为0至1之间。
将所得直流母线电压的偏差功率Pdc与直流母线电压偏离额定值系数α相乘得到因电压偏差引起的功率差值αPdc，可用公式表示为：
此时，将αPdc与DC/DC变流器的功率参考值Ps *相加并因统一的功率参考值均为标幺值给出，因此加入限幅为0至1之间的限幅器2即可统一的功率参考值Pssum。
式中，直流母线电压环路中所得的功率值αPdc只在直流母线电压Vdc因存在未知的直流负载而偏离直流母线电压参考值Vdcref时才发挥作用。
而当直流母线电压Vdc与直流母线电压参考值Vdcref相等时，由于α为零，因此这意味着直流电压控制环路在这种情况下不起任何作用，统一的功率参考值Pssum只取决于给定的DC/DC变流器功率参考值Ps *。
根据上述分析可知，本发明所提功率与电压控制策略的特性曲线实则为上升曲线，如图3所示。
功率外环控制器根据电压外环所识别到的Boost型DC/DC变流器运行状态不同，分别行使不同的控制目标。当识别DC/DC变流器工作在并网模式下，此时外接电压环不起任何作用，其控制目标是根据给定的功率跟踪值控制DC/DC变流器的输出功率；当识别DC/DC变流器工作在离网模式下，其控制目标是利用外接电压环的功率参考值一方面维持直流母线电压稳定，另一方面根据直流母线电压偏差生成灵活的偏离功率值，完成对负载的独立供电。
功率外环控制器的控制策略如图4所示。
具体过程为：将基于步骤一灵活生成的统一功率参考值Pssum作为功率外环的给定值，将其与直流电源实际输出的功率Pfc的偏差经比例积分(PI)调节输出为内环电感电流的给定值iLref。功率外环的传递函数为：
式中，kp2和ki2分别为功率环中PI调节器的比例和积分系数。
值得说明的是，功率外环中给定功率参考值Pssum的生成策略是保证DC/DC变流器在并/离网状态下功率灵活跟踪的关键。
电流内环的作用是对功率外环的输出进行快速稳定的跟踪，并对功率外环输出的指令电流进行有效控制，考虑到跟踪控制的快速性，内环采用电流内环控制器。
电流内环控制器的控制策略如图5所示。具体过程为：对输入电感电流iL进行采样，将其与功率外环计算得到的电感电流给定值iLref进行比较，得到的差值经过PI控制器调节之后经限幅器3将其输出值限定在0至1之间，即可得到PWM调制环的给定波形uref1，则电流内环的传递函数为：
式中，kp3和ki3分别为电流环中PI调节器的比例和积分系数。
在得到PWM调制环的给定波形uref1之后，将其与三角载波相比较，得到占空比有规律变换的方波并确定Boost型DC/DC变流器控制开关器件的通断时刻至此完成对DC/DC变流器的控制。
值得说明的是，所提并/离网无缝切换控制策略只针对于DC/DC变流器控制策略，交流侧控制策略无需进行任何更改，只需遵循传统控制策略即可。
为验证上述所提出统一功率控制策略灵活切换时的准确性和有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了如图1所示的仿真模型。仿真参数如表1所示。
表1系统主要仿真参数
仿真工况：设定仿真总时长为4秒，其中0～1s内开关打开，由Boost型DC/DC变流器独自承担负载所需；1秒时开关闭合，DC/DC变流器的最小功率值0.2p.u.运行，2秒时最小功率值由0.2p.u.阶跃上升至0.4p.u.运行，并持续工作至3秒，在3秒时开关在此打开，DC/DC变流器再次独自承担负载所需。仿真工况中，所有结果均以标幺值形式给出，则DC/DC变流器输出侧及AC/DC整流器输出侧的仿真结果分别如图7和图8所示。
由图7可知，在混合运行的控制模式下，Boost型DC/DC变流器输出侧的仿真结果能够根据不同时刻既定目标完成控制，即在t＝0s～1s时刻内开关打开，直流母线电压存在额定电压差，DC/DC变流器输出的功率能够独立满足负荷需求；在t＝1s～2s时刻内开关断开，DC/DC变流器能够根据最小功率设定值输出0.2p.u.(即10kW)的功率运行；在2s～3s时刻最小功率设定值阶跃上升，DC/DC变流器的输出功率能够及时跟踪阶跃变化，阶跃上升至0.4p.u.(即20kW)功率运行；在3s～4s时刻开关再次闭合，DC/DC变流器的输出功率能够瞬间输出最大功率，因此可知，所提控制策略能够根据并/离网状态实现无缝切换。
由图8可知，在混合运行的控制模式下，交流侧能够根据不同时刻的既定目标完成功率输出，即在t＝0s～1s时刻内开关打开，交流侧无功率输出；在t＝1s～2s时刻内开关闭合，交流侧根据剩余负载需求输出0.8p.u.(即40kW)的功率；在2～3s时刻因Boost型DC/DC变流器的输出功率增长至0.4p.u.(即20kW)功率，交流侧的输出功率阶跃下降至0.6p.u.(即30kW)；在3～4s时刻内开关打开，交流侧无功率输出。因此可知，所提控制策略能够根据并/离网状态实现无缝切换。
当然，在部分实施例中，如果仍有其他控制策略能够实现并/离网的切换控制，由于DC/DC变流器在独立运行模式下需同时满足母线电压的稳定，因此，传统控制策略需通过判断外部开关的导通和关断状态，并以此为依据，使DC/DC变流器的控制策略完成功率-电流双闭环到电压-电流双闭环的切换，反之亦然，如图9所示。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (13)
1.一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：包括以下步骤：
确认直流侧母线电压实际值和参考值之间是否存在偏差，如果存在则判定当前为离网运行模式，否则判定当前为并网运行模式；
并网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值控制DC/DC变流器的输出功率，离网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值以及依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值，控制DC/DC变流器的输出功率；
利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制；
所述依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值的计算过程包括：计算电压偏差的绝对值和直流母线电压参考值的比值，作为系数；
依据电压偏差和设定比例系统的乘积，计算得到直流电压偏差功率，所述系数与直流电压偏差功率的乘积，为偏离功率值。
2.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：所述偏差为给定的直流电压参考值与直流母线电压实际值作差。
3.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：所述给定的功率参考值为DC/DC变流器的功率参考值。
4.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：所述偏离功率值只在直流母线电压因存在未知的直流负载而偏离直流母线电压参考值时加入控制。
5.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：利用功率外环控制的具体过程包括：依据各个状态时，功率外环控制的控制根据值，与直流电源实际输出的功率的偏差，经比例积分调节，输出为内环电感电流的给定值。
6.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制的具体过程包括：对输入电感电流进行采样，将其与功率外环计算得到的电感电流给定值进行比较，得到的差值经过PI控制调节后进行限幅，得到控制波。
7.如权利要求1所述的一种并离网无缝切换控制方法，其特征是：在微电网为孤网运行时，外环控制改为电压闭环控制。
8.一种并离网无缝切换控制系统，其特征是：包括：
运行模式确定模块，被配置为确认直流侧母线电压实际值和参考值之间是否存在偏差，如果存在则判定当前为离网运行模式，否则判定当前为并网运行模式；
功率外环控制模块，被配置为并网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值控制DC/DC变流器的输出功率，离网运行模式下，利用功率外环控制根据给定的功率参考值以及依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值，控制DC/DC变流器的输出功率；
电流内环控制模块，被配置为利用电流内环控制对功率外环输出的指令电流进行控制；所述依据直流母线电压偏差生成的偏离功率值的计算过程包括：计算电压偏差的绝对值和直流母线电压参考值的比值，作为系数；
依据电压偏差和设定比例系统的乘积，计算得到直流电压偏差功率，所述系数与直流电压偏差功率的乘积，为偏离功率值。
9.如权利要求8所述的一种并离网无缝切换控制系统，其特征是：所述运行模式确定模块，包括减法器、比例调节器、陷波器、除法器、第一限幅器、乘法器、加法器和第二限幅器，所述减法器的两个输入端分别接收给定的直流电压参考值与直流母线电压实际值，输出端一路连接比例调节器，另一路依次连接陷波器、除法器和第一限幅器，比例调节器和第一限幅器的输出端共同连接乘法器，乘法器的输出端连接加法器，加法器连接第二限幅器。
10.如权利要求8所述的一种并离网无缝切换控制系统，其特征是：所述功率外环控制模块包括减法器和第一比例积分调节器，所述减法器的一端连接所述运行模式确定模块的输出，减法器的输出连接第一比例积分调节器。
11.如权利要求8所述的一种并离网无缝切换控制系统，其特征是：所述电流内环控制模块包括依次连接的减法器、第二比例积分调节器和第三限幅器。
12.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。
13.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。
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