CN114069587B - 一种直流微网间柔性互联的控制方法 - Google Patents

一种直流微网间柔性互联的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，一种直流微网间柔性互联的控制方法，计算升压/降压电感L的电流额定值；根据计算得到的升压/降压电感L的电流额定值判断柔性互联开关处在何种工况，若升压/降压电感L的电流额定值大于0，则柔性互联开关工作在降压模式；若升压/降压电感L的电流额定值小于0，则柔性互联开关工作在升压模式，规定电流从升压/降压电感L流向低压侧直流微网母线正极或者低压电容CL的正极的方向为正；分别对降压模式和升压模式的控制策略进行设计，降压模式和升压模式采用系数不同的比例积分控制，输出调制信号d，d为调制信号占空比。

Description

一种直流微网间柔性互联的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及两个直流微网互联领域。
背景技术
现有技术中，直流微网的连接大多通过联络开关连接，其成本低、损耗小。但是随着直流微网的容量和规模不断扩大，联络开关只能连接相同电压等级的微网，已不能满足其对稳定性和灵活性的要求。通过双向DC/DC变换器实现直流微网的互联，不仅可以实现不同电压等级直流微网的互联，还实现互联功率灵活控制，提高直流微网的稳定性。双向DC/DC变换器即为柔性互联开关。柔性互联开关主要全控型电力电子器件构成，其需要在任一直流微网发生功率扰动时对其进行调节。目前对柔性互联开关的控制多依赖于通信网络，通信延时和通信故障等都会影响直流微网内部的安全稳定运行，降低系统的可靠性。因此，提出一种不依赖通信系统的柔性互联开关的控制策略就显得格外重要。
专利CN202110015459.9“一种用于台区柔性互联系统的运行控制方法及系统”提出了包含分层控制、实时控制和就地控制的系统运行控制，为柔性互联开关的控制提供了思路。专利CN201710732987.X“一种多微网柔性互联系统及其控制方法”提出的对柔性互联装置的控制采用了三级控制方案：系统级控制、变流器控制和开关级控制。该控制方法依赖于通信系统，降低了系统的可靠性。专利CN202011485496.8“一种柔性互联直流微电网群的一致性协调控制方法”提出的控制包括一致性控制环节和移相控制环节，虽然不依赖于通信系统，提高了系统的稳定性，但是该发明针对的是两侧母线电压大小相近的直流微网，不足以满足当前直流微网蓬勃发展的规模。专利CN202110020015.4“一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置”提供了一种柔性互联开关装置，但未对其控制进行深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流微网间柔性互联的控制方法，以优化微网的整体运行。该发明适用于在直流配电网中两个微网互联的场合，取消传统的联络开关，在两个微网之间采用电力电子变换器实现柔性互联。
本发明所采用的技术方案是：一种直流微网间柔性互联的控制方法，高压侧直流微网母线的正极连接高压电容CH的正极、第一MOS管M1的漏级、第一二极管D1的负极，高压侧直流微网母线的负极连接高压电容CH的负极、第二MOS管M2的栅极源极、第二二极管D2的正极、低压电容CL的负极、低压侧直流微网母线负极，第一MOS管M1的栅极源极连接第二MOS管M2的漏级、第二二极管D2的负极以及升压/降压电感L的一端，升压/降压电感L的另一端连接低压电容CL的正极、低压侧直流微网母线正极，第一MOS管M1、第一二极管D1、第二MOS管M2、第二二极管D2、升压/降压电感L构成柔性互联开关；柔性互联开关的控制策略安如下步骤进行
步骤一、计算升压/降压电感L的电流额定值；
步骤二、根据计算得到的升压/降压电感L的电流额定值判断柔性互联开关处在何种工况，若升压/降压电感L的电流额定值大于0，则柔性互联开关工作在降压模式；若升压/降压电感L的电流额定值小于0，则柔性互联开关工作在升压模式，规定电流从升压/降压电感L流向低压侧直流微网母线正极或者低压电容CL的正极的方向为正；
步骤三、分别对降压模式和升压模式的控制策略进行设计，降压模式和升压模式采用系数不同的比例积分控制，输出调制信号d，d为调制信号占空比；
步骤四、对调制模式进行设计，将步骤三得到的调制信号d与预设值比较，输出第一MOS管M1的调制信号d1和第二MOS管M2的调制信号d2，d1为第一MOS管M1的调制信号的占空比，d2为第二MOS管M2的调制信号的占空比。
步骤一中计算升压/降压电感L的电流额定值的过程为，采集高压侧直流微网母线电压输出值UH和额定值URATE1，采集低压压侧直流微网母线电压输出值UL和额定值URATE2，由下列公式计算出升压/降压电感L的电流额定值
式中,ΔU为低压侧母线电压的平移量，IBuck为柔性互联开关在降压模式下开环状态时的电感L的电流输出值，IBoost为柔性互联开关在升压模式下开环状态时的电感电流输出值；当高压侧直流微网和低压侧直流微网两侧母线输出值电压分别都大于各自额定电压值电压的110％时，两侧直流微网内部的有功出力都高于负载需求，不需要进行补偿，升压/降压电感L的电流额定值电感电流为0；当当高压侧直流微网和低压侧直流微网两侧母线电压都小于各自额定电压值电压的90％时，两侧直流微网内部有功出力都低于负载需求，没有多余的能量进行能量补偿，电感电流为0。
分别对降压模式和升压模式的控制策略进行设计是指，降压工况和升压工况的控制均采用比例积分控制，使用PI调节器，输出调制信号具体运行工况如下：工况一、当两侧直流微网内部有功出力均大于等于负载需求时，两侧的直流微网母线电压输出值电压均等于各自额定值电压，升压/降压电感L的电流额定值为0，此时柔性互联开关处在断开状态；
工况二、当两侧直流微网内部有功出力均小于负载需求时，两侧的直流微网母线电压输出值电压都小于各自额定值电压，升压/降压电感L的电流额定值为0，此时柔性互联开关处在断开状态；
工况三、降压模式，当低压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得低压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，同时高压侧直流微网内部有功出力大于负载需求时，低压侧母线电压输出值会低于额定值，升压/降压电感L的电流额定值大于0，柔性互联开关工作在降压模式，将高压侧直流微网多余的功率传输给低压侧直流微网，将步骤二计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d；
工况四、升压模式，当高压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得高压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，同时低压侧直流微网内部有功出力大于负载需求时，高压侧直流微网母线电压输出值会低于额定值，升压/降压电感L的电流额定值小于0，柔性互联开关工作在升压模式，将低压侧直流微网多余的功率传输给高压侧直流微网，将步骤二计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的电感电流值做差后输入到PI调节器中，升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d；
工况五、过渡模式，当柔性互联开关从工况三转变为工况四或由工况四转向工况三时，升压/降压电感L的电流额定值由正变负或由负变正，柔性互联开关工作在过渡模式，将计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d。
步骤四具体为，当步骤三输出的调制信号d∈[0,1-Δd]时，柔性互联开关工作在降压模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝0；当步骤三输出的调制信号d∈[1-Δd，1]时，柔性互联开关工作在过渡模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝d+Δd-1；当步骤三输出的调制信号d∈[1,2-Δd]时，柔性互联开关工作在升压模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝d+Δd-1，Δd为过渡调制区间，最后，第一MOS管M1的调制信号d1和第二MOS管M2的调制信号d3输入到PWM产生器中，输出PWM波形控制第一MOS管M1、第二MOS管M2的通断。
本发明的有益效果是：本发明所提的柔性互联开关，相比于传统的只有通断状态的硬开关连接，实现了直流微网间的能量调配与互调，提高了直流微网的稳定性。本发明所提的控制方法在传统的控制方法的基础上实现了不同模式的统一控制，同时实现了能量的双向流动以及不同模式的平滑切换。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图；
图2为本发明控制框架图；
图3是本发明平移曲线图；
图4是降压模式时低压侧电压波形图；
图5是升压模式时高压侧电压波形图；
图6是柔性互联开关由降压模式变为升压模式时的电压波形图，其中，(a)是低压侧电压波形图，(b)是高压侧电压波形图；
图7是柔性互联开关由升压模式变为降压模式时的电压波形图，其中，(a)高压侧电压波形图，(b)是低压侧电压波形图。
具体实施方式
如图1所示，UH为高压侧直流微网母线电压，UL为低压侧直流微网母线电压，CH、CL分别为高压侧和低压侧并联电容，L为升压/降压电感，M1、M2为两个MOSFET功率开关管，D1、D2分别为M1、M2的反并联二极管，M1、M2和L构成柔性互联开关，实现高压侧直流微网和低压侧直流微网的能量流动。
具体参数参见表1。
表1
电气连接过程为：高压侧直流微网母线通过电容CH与柔性互联开关连接，再经过电容CL与低压侧直流微网母线连接，实现两个微网之间的能量交换。
柔性互联开关的控制方法如图2所示。UH、URATE1分别为高压侧母线电压的输出值与额定值，UL、URATE2分别为低压侧母线电压的输出值与额定值，IL为电感L的电流输出值，为计算出的电感L的电流额定值，K1、K2分别为降压模式PI调节器的比例系数和积分系数，K3、K4分别为升压模式PI调节器的比例系数和积分系数，d为计算出的占空比，d1为M1的调制信号的占空比，d2为M2的调制信号的占空比。
具体控制过程包含四个步骤：
步骤一：系统正常运行时，柔性互联开关处于断开状态，当外界某种因素(如某一侧微网的负载突然发生变化)，微网内部有功出力高于或少于负载需求，此时直流微网母线电压会发生变化，通过采集柔性互联开关的两侧母线电压，通过采集到的两侧母线电压与两侧母线电压的额定电压值，由下列公式计算出电感L的电流值：
式中，UH、URATE1分别为高压侧母线电压的输出值与额定值，UL、URATE2分别为低压侧母线电压的输出值与额定值，为计算出的电感电流的额定值，ΔU为计及低压侧母线电压的平移量，IBuck为柔性互联开关在降压模式下开环状态时的电感L的电流输出值，IBoost为柔性互联开关在升压模式下开环状态时的电感电流输出值。
其次当两侧母线电压分别都大于各自额定电压值的110％时，说明两侧直流微网内部的有功出力都高于负载需求，不需要其他微网进行补偿，因此电感电流为0；当两侧母线电压都小于各自额定电压值的90％时，说明两侧直流微网内部有功出力都低于负载需求，没有多余的能量对其他微网进行能量补偿，因此电感电流为0。
步骤二：根据步骤一所求的电感电流大小与阈值进行比较从而选择柔性互联开关的工作模式。当所得电感电流大于0时，证明柔性互联开关处在降压工况，当所得电感电流小于0时，证明柔性互联开关处在升压工况。
步骤三：分别对降压工况和升压工况的控制模式进行设计。降压工况和升压工况的控制均采用比例积分控制，即使用PI调节器，输出调制信号。
具体运行工况分为以下5种情况：
1、当两侧直流微网内部有功出力均大于等于负载需求时，两侧的直流微网母线电压均等于各自额定值电压，计算电感电流值为0，此时柔性互联开关处在断开状态。
2、当两侧直流微网内部有功出力均小于负载需求时，两侧的直流微网母线电压都小于各自额定值电压，计算电感电流值为0，此时柔性互联开关处在断开状态。
3、降压模式：当低压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得微网内部有功出力小于负载需求时，低压侧母线电压会低于额定值，计算电感电流值大于0，柔性互联开关工作在降压模式，将高压侧直流微网多余的功率传输给低压侧直流微网，将步骤二计算出的电感电流值与采集到的电感电流值做差后输入到PI调节器中，将所得到的调制信号输入d至调制环节。
4、升压模式：当高压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得低压侧直流微网内部有功出力小于负载需求时，高压侧母线电压会低于额定值，计算电感电流小于0，柔性互联开关工作在升压模式，将低压侧直流微网多余的功率传输给高压侧直流微网，将计算出的电感电流值与采集到的电感电流值做差后输入到PI调节器中，将所得到的调制信号d输入至调制环节。
5、过渡模式：当柔性互联开关从工况3转变为工况4或由工况4转向工况3时，电感电流值由正变负或由负变正，柔性互联开关工作在过渡模式，将计算出的电感电流值与采集到的电感电流值做差后输入到PI调节器中，将所得到的调制信号d输入至调制环节。
步骤四：对调制模式进行设计。将步骤三所输出的调制信号与预设值进行比较从而输出M1、M2的调制信号d1、d2。
具体调制方法如下表所示。当步骤三输出的调制信号d∈[0,1-Δd]时，柔性互联开关工作在降压模式，输出M1的调制信号d1＝d，M2的调制信号d2＝0。当步骤三输出的调制信号d∈[1-Δd，1]时，柔性互联开关工作在过渡模式，输出M1的调制信号d1＝d，M2的调制信号d2＝d+Δd-1。当步骤三输出的调制信号d∈[1,2-Δd]时，柔性互联开关工作在升压模式，输出M1的调制信号d1＝d，M2的调制信号d2＝d+Δd-1。
上表中，d1为功率开关管M1的调制信号，d2为功率开关管M2的调制信号，Δd为过渡调制区间。
最后，将步骤四所得M1、M2的调制信号输入到PWM产生器中，输出PWM波形控制M1、M2的通断。
运行过程一：
柔性互联开关运行在降压模式时低压侧电压波形如图4所示。初始时刻，两侧的直流微网内部有功出力均满足负载需求，0.2s时低压侧直流微网内部负载突然变大，低压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，使得低压侧直流微网母线电压降低，由步骤一计算电感电流值大于0，柔性互联开关工作在降压模式，将高压侧直流微网多余的功率传输给低压侧直流微网，将步骤一计算所得电感电流与采集到的电感电流作差输入到PI调节器，将所得调制信号输入到调制环节输出M1、M2的调制信号，使得低压侧直流微网母线电压稳定在110V。
运行过程二：
柔性互联开关运行在升压模式时低压侧电压波形如图5所示。初始时刻，两侧的直流微网内部有功出力均满足负载需求，0.3s时高压侧直流微网内部负载突然变大，高压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，使得高压侧直流微网母线电压降低，由步骤一计算电感电流值小于0，柔性互联开关工作在升压模式，将低压侧直流微网多余的功率传输给高压侧直流微网，将步骤一计算所得电感电流与采集到的电感电流作差输入到PI调节器，将所得调制信号输入到调制环节输出M1、M2的调制信号，使得高压侧直流微网母线电压稳定在375V。
运行过程三：
柔性互联开关由降压模式向升压模式过渡时的低压侧电压波形如图6(a)所示，高压侧电压波形如图6(b)所示。初始时刻柔性互联开关稳定在降压模式，0.3s时高压侧直流微网内部负载突然变大，高压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，使得高压侧直流微网母线电压降低由步骤一计算电感电流值由正变负，柔性互联开关由降压模式变为升压模式，将步骤一计算所得电感电流与采集到的电感电流作差输入到PI调节器，将所得调制信号输入到调制环节输出M1、M2的调制信号，实现了柔性互联开关由降压模式向升压模式的平稳过渡。
运行过程四：
柔性互联开关由升压模式向降压模式过渡时的高压侧电压波形如图7(a)所示，高压侧电压波形如图7(b)所示。初始时刻柔性互联开关稳定在升压模式，0.3s时低压侧直流微网内部负载突然变大，低压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，使得低压侧直流微网母线电压降低，由步骤一计算电感电流值由负变正，柔性互联开关由升压模式变为降压模式，将步骤一计算所得电感电流与采集到的电感电流作差输入到PI调节器，将所得调制信号输入到调制环节输出M1、M2的调制信号，实现了柔性互联开关由升压模式向降压模式的平稳过渡。

Claims (4)

1.一种直流微网间柔性互联的控制方法，其特征在于：高压侧直流微网母线的正极连接高压电容CH的正极、第一MOS管M1的漏级、第一二极管D1的负极，高压侧直流微网母线的负极连接高压电容CH的负极、第二MOS管M2的栅极源极、第二二极管D2的正极、低压电容CL的负极、低压侧直流微网母线负极，第一MOS管M1的栅极源极连接第二MOS管M2的漏级、第二二极管D2的负极以及升压/降压电感L的一端，升压/降压电感L的另一端连接低压电容CL的正极、低压侧直流微网母线正极，第一MOS管M1、第一二极管D1、第二MOS管M2、第二二极管D2、升压/降压电感L构成柔性互联开关；柔性互联开关的控制策略安如下步骤进行
步骤一、计算升压/降压电感L的电流额定值；
步骤二、根据计算得到的升压/降压电感L的电流额定值判断柔性互联开关处在何种工况，若升压/降压电感L的电流额定值大于0，则柔性互联开关工作在降压模式；若升压/降压电感L的电流额定值小于0，则柔性互联开关工作在升压模式，规定电流从升压/降压电感L流向低压侧直流微网母线正极或者低压电容CL的正极的方向为正；
步骤三、分别对降压模式和升压模式的控制策略进行设计，降压模式和升压模式采用系数不同的比例积分控制，输出调制信号d，d为调制信号占空比；
步骤四、对调制模式进行设计，将步骤三得到的调制信号d与预设值比较，输出第一MOS管M1的调制信号d1和第二MOS管M2的调制信号d2，d1为第一MOS管M1的调制信号的占空比，d2为第二MOS管M2的调制信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种直流微网间柔性互联的控制方法，其特征在于：步骤一中计算升压/降压电感L的电流额定值的过程为，采集高压侧直流微网母线电压输出值UH和额定值URATE1，采集低压压侧直流微网母线电压输出值UL和额定值URATE2，由下列公式计算出升压/降压电感L的电流额定值
式中,ΔU为低压侧母线电压的平移量，IBuck为柔性互联开关在降压模式下开环状态时的电感L的电流输出值，IBoost为柔性互联开关在升压模式下开环状态时的电感电流输出值；当高压侧直流微网和低压侧直流微网两侧母线输出值电压分别都大于各自额定电压值电压的110％时，两侧直流微网内部的有功出力都高于负载需求，不需要进行补偿，升压/降压电感L的电流额定值电感电流为0；当当高压侧直流微网和低压侧直流微网两侧母线电压都小于各自额定电压值电压的90％时，两侧直流微网内部有功出力都低于负载需求，没有多余的能量进行能量补偿，电感电流为0。
3.根据权利要求2所述的一种直流微网间柔性互联的控制方法，其特征在于：分别对降压模式和升压模式的控制策略进行设计是指，降压工况和升压工况的控制均采用比例积分控制，使用PI调节器，输出调制信号具体运行工况如下：
工况一、当两侧直流微网内部有功出力均大于等于负载需求时，两侧的直流微网母线电压输出值电压均等于各自额定值电压，升压/降压电感L的电流额定值为0，此时柔性互联开关处在断开状态；
工况二、当两侧直流微网内部有功出力均小于负载需求时，两侧的直流微网母线电压输出值电压都小于各自额定值电压，升压/降压电感L的电流额定值为0，此时柔性互联开关处在断开状态；
工况三、降压模式，当低压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得低压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，同时高压侧直流微网内部有功出力大于负载需求时，低压侧母线电压输出值会低于额定值，升压/降压电感L的电流额定值大于0，柔性互联开关工作在降压模式，将高压侧直流微网多余的功率传输给低压侧直流微网，将步骤二计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d；
工况四、升压模式，当高压侧直流微网内部的分布式电源发电减少或者负载增多，使得高压侧直流微网内部有功出力小于负载需求，同时低压侧直流微网内部有功出力大于负载需求时，高压侧直流微网母线电压输出值会低于额定值，升压/降压电感L的电流额定值小于0，柔性互联开关工作在升压模式，将低压侧直流微网多余的功率传输给高压侧直流微网，将步骤二计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的电感电流值做差后输入到PI调节器中，升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d；
工况五、过渡模式，当柔性互联开关从工况三转变为工况四或由工况四转向工况三时，升压/降压电感L的电流额定值由正变负或由负变正，柔性互联开关工作在过渡模式，将计算出的升压/降压电感L的电流额定值与采集到的升压/降压电感L的电流值做差后输入到PI调节器中，输出调制信号d。
4.根据权利要求3所述的一种直流微网间柔性互联的控制方法，其特征在于：步骤四具体为，当步骤三输出的调制信号d∈[0,1-Δd]时，柔性互联开关工作在降压模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝0；当步骤三输出的调制信号d∈[1-Δd，1]时，柔性互联开关工作在过渡模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝d+Δd-1；当步骤三输出的调制信号d∈[1,2-Δd]时，柔性互联开关工作在升压模式，输出第一MOS管M1的调制信号d1＝d，第二MOS管M2的调制信号d2＝d+Δd-1，Δd为过渡调制区间，最后，第一MOS管M1的调制信号d1和第二MOS管M2的调制信号d3输入到PWM产生器中，输出PWM波形控制第一MOS管M1、第二MOS管M2的通断。
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