CN114498599A - 应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法 - Google Patents

应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，具体为：将分压电容电压之差与双极直流微网标准偏差值0做差，并通过电压调节器后产生均压控制信号，将均压控制信号与中性点电流做差，结果通过电流调节器产生改进均压控制信号。改进均压控制信号在与母线电压控制信号相加后传输至PWM脉冲信号发生器，产生脉冲对DC/DC变换器进行控制。本发明采用三电平双向DC‑DC储能变换器的方法来抑制中性点电压偏移问题，提出了电流环改进的均压控制环路。与传统的均压控制环路进行比对，所提出的均压策略在电压不平衡问题上有更好的效果。

Description

应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法
技术领域
本发明属于微网储能变换器控制技术领域，具体涉及应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法。
背景技术
随着新能源的不断发展，主要基于可再生能源的分布式发电技术(DistributedGeneration，简称DG)，如：风力发电、光伏发电等以其发电方式灵活、与环境兼容等特性引起了人们的广泛关注。为了响应国家号召，发挥分布式发电技术的优势，解决可再生能源间歇性、随机性、分散性等问题，微电网的概念被提出了。相比交流微电网而言，直流微电网可以更高效可靠的接纳风、光等可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其它直流用电负荷，且直流微电网不存在电源同步、谐波等问题，在控制上易于实现，因此近年来直流微电网获得了越来越多的关注。其中由双母线结构组成的双极性直流微电网不仅具有直流微电网的普遍优点，而且能根据负荷对供电电压需求的不同选择不同的母线进行供电，因而更方便不同电压等级的用电设备和分布式电源接入，所以双极性直流微电网可以进一步提高直流供电系统的灵活性和可靠性。在直流微电网中，分布式发电单元输出不稳定以及负载波动等都会造成母线功率的波动，严重时可能威胁微电网系统的稳定性。直流微电网中不存在无功功率，其只需保证直流母线电压稳定便可实现系统功率平衡，即直流母线电压是衡量系统稳定的唯一指标，因此如何稳定直流母线电压是研究直流微电网的关键所在。
根据是否存在中线，可将直流微电网分为单极和双极直流微电网。相比于单极直流微电网，双极直流微电网提供更多电压等级接口，电压等级可灵活变换，同时其对AC-DC变换器的利用率高。此外，当某一极发生故障时，另一极可继续保持运行，系统具有更高的可靠性和安全性。但正、负极的电源、负荷和线路参数等不平衡会在中线产生不平衡电流，进而增加线路损耗，同时使正、负极母线电压偏离额定值。当某一节点的负荷严重不平衡时，不平衡度可能超标，甚至触发中线的不平衡电压保护。为灵活调节双极直流微网的电压不平衡度，同时使母线电压运行在合理范围内，须采取一定的分布式协同控制策略，保证直流负荷的正常运行。针对双极直流微电网的不平衡电压抑制，目前的策略主要有3种：①采用可抑制不平衡电压的AC-DC变换器；②在AC-DC变换器的出口安装电压平衡器；③采用负荷切换开关调整直流负荷的供电极性。本发明提出了在双极直流微电网中，采用储能三电平变换器抑制直流母线不平衡电压的控制方法，使直流母线的正、负极电压达到平衡的同时，实现电网的双向潮流。
发明内容
本发明的目的是提供应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，采用并网电流反馈有源阻尼方法对谐振进行抑制，提高了鲁棒性。
本发明所采用的技术方案是，应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，根据三电平DC/DC储能变换器的工作原理，设计母线电压控制器，以及均压控制器，其中母线电压控制选用电压电流双闭环控制；
步骤2，对三电平DC/DC储能变换器均压环控制中加入改进的均流控制。
本发明的特点还在于，
步骤1中，具体为：
步骤1.1，根据直流母线电压额定值UN与直流母线电压反馈值Uref，得到直流母线电压误差值ΔU，如式(1)所示；
UN-Uref＝ΔU (1)；
步骤1.2，电压误差值ΔU通过PI调节器得到电流内环给定值Iset，Iset与储能侧电感电流反馈值做差后得到电流误差值ΔI，如式(2)所示；
ΔI＝Iset-Iref (2)；
式(2)中，Iref为DC/DC变换器储能侧电感电流反馈电流值；
步骤1.3，电流误差值ΔI经过电流调节器生成母线电压控制信号P；
步骤1.4，将分压电容电压之差与双极直流微网标准偏差值0做差，得到双极电压误差调节量ΔU1，如式(4)所示；
0-(UNO-UPO)＝ΔU1 (4)；
其中，UNO为变换器分压电容C1电压，UPO为变换器分压电容C2电压；
步骤1.5，将双极电压误差调节量ΔU1经过分压控制中电压调节器生成电压均压控制信号P1；P1在与母线电压控制信号P相加后，经过PWM调节器得到PWM调制信号对变换器开关管进行控制。
步骤1.5中，电压调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gu(s)，如式(5)所示；
Figure BDA0003423138110000041
其中Ku1为均压控制电压环比例系数；Ku2均压控制电压环积分系数。
步骤2中，具体为：
步骤2.1，提取双极性直流微网中性点电流I0，电压均压控制信号P1与直流微网中性点电流I0做差，得到双极性微网均压控制环中的电流差值ΔI2，如式(6)所示；
ΔI1＝P1-I0 (6)；
步骤2.2，电流差值ΔI1经过改进均压控制环的电流调节器生成改进的均压控制信号P2；
步骤2.3，改进的均压控制信号P2与母线电压控制信号P相加后通过PWM调节器，得到PWM调制信号，并对变换器开关管进行控制；
步骤2.4，PWM产生的脉冲信号对DC/DC变换器的IGBT开关管进行控制，形成对双电平储能DC/DC变换器的闭环控制。
步骤2.2中，电流调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gii(s)，如式(7)所示；
Gii(s)＝Gu(s)Gi1(s) (7)；
其中，
Figure BDA0003423138110000051
Ki1为均压控制电流环比例系数；Ki2均压控制电流积分系数。
本发明的有益效果是：
1)制定合理的控制策略实现双极性直流母线电压稳定以及正负母线电压对称；
2)对分布式储能模块间的功率协调控制进行重点研究，使功率可在储能模块间进行合理分配；
3)实现分布式储能系统安全高效的利用以及双极性直流微电网的稳定运行；
4)改进的均压环控制策略相比传统均压控制方法，在提高反应时间与抑制中性点电压不平衡上都有较好的效果。
附图说明
图1是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的双极性直流微电网架构图；
图2是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的输入输出不共地式三电平双向DC/DC变换器拓扑图；
图3是传统双极型储能变换器控制框图；
图4是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的改进双极型储能变换器控制框图；
图5是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的储能电流仿真波形图；
图6是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的母线电压仿真波形图；
图7是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的不平衡电压对比波形图；
图8是本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法的电压不平衡度仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，根据三电平DC/DC储能变换器的工作原理，设计母线电压控制器，以及均压控制器，其中母线电压控制选用传统电压电流双闭环控制；具体为：
步骤1.1，根据直流母线电压额定值UN与直流母线电压反馈值Uref，得到直流母线电压误差值ΔU，如式(1)所示；
UN-Uref＝ΔU (1)；
步骤1.2，电压误差值ΔU通过PI调节器得到电流内环给定值Iset，Iset与储能侧电感电流反馈值做差后得到电流误差值ΔI，如式(2)所示；
ΔI＝Iset-Iref (2)；
式(2)中，Iref为DC/DC变换器储能侧电感电流反馈电流值；
步骤1.3，电流误差值ΔI经过电流调节器生成母线电压控制信号P；
母线电压控制方法中，电压控制器和电流控制器均采用PI调节器，其等效传递函数Gi(s)，如式(3)所示；
Gi(s)＝G1(s)G2(s) (3)；
其中
Figure BDA0003423138110000071
K1为电压环比例系数；K2电压环积分系数；K3为电流环比例系数；K4电流环积分系数；G1(s)表征为电压调节器；G2(s)表征为电流调节器。(信号通过电压/电流调节器表征与信号相乘)；
步骤1.4，进行传统均压环设计，通过分压电容电压之差采用单电压环控制，将分压电容电压之差与双极直流微网标准偏差值0做差，得到双极电压误差调节量ΔU1，如式(4)所示；
0-(UNO-UPO)＝ΔU1 (4)；
其中，UNO为变换器分压电容C1电压，UPO为变换器分压电容C2电压。
步骤1.5，将双极电压误差调节量ΔU1经过分压控制中电压调节器生成电压均压控制信号P1；P1在与母线电压控制信号P相加后，经过PWM调节器得到PWM调制信号对变换器开关管进行控制；
其中电压调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gu(s)，如式(5)所示；
Figure BDA0003423138110000081
其中Ku1为均压控制电压环比例系数；Ku2均压控制电压环积分系数。
步骤2，对三电平DC/DC储能变换器均压环控制中加入改进的均流控制；
步骤2.1，对均压控制方法进行改进，提取双极性直流微网中性点电流I0，电压均压控制信号P1与直流微网中性点电流I0做差，得到双极性微网均压控制环中的电流差值ΔI2，如式(6)所示；
ΔI1＝P1-I0 (6)；
步骤2.2，电流差值ΔI1经过改进均压控制环的电流调节器生成改进的均压控制信号P2；
该电流调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gii(s)，如式(7)所示；
Gii(s)＝Gu(s)Gi1(s) (7)；
其中
Figure BDA0003423138110000082
Ki1为均压控制电流环比例系数；Ki2均压控制电流积分系数；
步骤2.3，改进的均压控制信号P2与母线电压控制信号P相加后通过PWM调节器，得到PWM调制信号，并对变换器开关管进行控制。
脉宽调制(PWM)基本原理：其控制方式就是对电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小。
步骤2.4，PWM产生的脉冲信号对DC/DC变换器的IGBT开关管进行控制，形成对双电平储能DC/DC变换器的闭环控制。
针对简化双极性直流微电网模型，详细说明本发明的控制方法的实施方式与仿真验证。
所提方法应用的背景为双极性直流微电网，其基本架构如图1所示，本控制方法应用的具体变换器拓扑为图2所示，其为输入输出不共地式三电平双向DC/DC变换器拓扑图。图3为传统双极型储能变换器控制框图；母线电压控制环路由电压电流双闭环组成，其目的是稳定母线电压，是功率双向流通。其次还为了应对中性点偏移问题加入了传统均压控制环路，用来稳定中性点电压事情电压偏移量减小。在负荷切换市。由于单一电压外环控制效果会使电压发生较大的突变，负荷变化时会对电网产生较大冲击。因此，本发明基于传统均压控制环路提出一种基于电流环改进均压控制环路来解决这一问题，如图4所示。使用中性电流作为电压内环，可以在降低电压不平衡度的同时，减少因负荷变化变换器对母线电压的冲击。在MATLAB/Simulink平台上分别搭建了不同控制方法的双极直流微网模型仿真模型。模型采用两个完全相同的光伏单元实现并联，其所带负载功率为15Kw。设置直流母线电压为375V，两种控制策略同取Uset＝375V，系统允许最低母线电压Umin＝370V。负荷突变时，储能系统完成双向功率流通：系统带15kW负荷独立运行，仅光伏单元工作，且输出功率为20kw，储能单元吸收5kw功率；0.5s突增10kW负载，光伏单元和储能装置同时向负载供电。由图5可以看出光伏单元在0.05s后达到额定功率输出，此时储能处于充电状态，0.5s后负载突变此时，储能处于放电状态，达到了能量协调得目的。在负荷突变时，储能系统完成双向功率流通，系统带15kW负荷独立运行，仅光伏单元工作，且输出功率为20kw，储能单元吸收5kw功率；0.5s突增10kW负载，光伏单元和储能装置同时向负载供电。分别使用传统文献提出传统均压控制方法与本发明基于电流环改进得均压控制方法在仿真参数相同下进行比对。如图6为两组母线电压仿真波形，可以看出改进后的控制策略可以使母线电压更快速趋于稳定。图7为不平衡电压的对比波形，可以明显看出，在相同参数情况下，改进的控制策略对中性点电压抑制由母线电压的3％到0.05％内。为保证双极直流微电网的稳定运行，根据ANSI C84，建议将电压不平衡度限制在3％以内，从图8可以看出本发明的电压不平衡度仿真基本在0.05％以下，满足要求。

Claims (5)

1.应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，根据三电平DC/DC储能变换器的工作原理，设计母线电压控制器，以及均压控制器，其中母线电压控制选用传统电压电流双闭环控制；
步骤2，对三电平DC/DC储能变换器均压环控制中加入改进的均流控制。
2.根据权利要求1所述的应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：
步骤1.1，根据直流母线电压额定值UN与直流母线电压反馈值Uref，得到直流母线电压误差值ΔU，如式(1)所示；
UN-Uref＝ΔU (1)；
步骤1.2，电压误差值ΔU通过PI调节器得到电流内环给定值Iset，Iset与储能侧电感电流反馈值做差后得到电流误差值ΔI，如式(2)所示；
ΔI＝Iset-Iref (2)；
式(2)中，Iref为DC/DC变换器储能侧电感电流反馈电流值；
步骤1.3，电流误差值ΔI经过电流调节器生成母线电压控制信号P；
步骤1.4，将分压电容电压之差与双极直流微网标准偏差值0做差，得到双极电压误差调节量ΔU1，如式(4)所示；
0-(UNO-UPO)＝ΔU1 (4)；
其中，UNO为变换器分压电容C1电压，UPO为变换器分压电容C2电压；
步骤1.5，将双极电压误差调节量ΔU1经过分压控制中电压调节器生成电压均压控制信号P1；P1在与母线电压控制信号P相加后，经过PWM调节器得到PWM调制信号对变换器开关管进行控制。
3.根据权利要求2所述的应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1.5中，电压调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gu(s)，如式(5)所示；
Figure FDA0003423138100000021
其中Ku1为均压控制电压环比例系数；Ku2均压控制电压环积分系数。
4.根据权利要求2所述的应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，其特征在于，所述步骤2中，具体为：
步骤2.1，提取双极性直流微网中性点电流I0，电压均压控制信号P1与直流微网中性点电流I0做差，得到双极性微网均压控制环中的电流差值ΔI2，如式(6)所示；
ΔI1＝P1-I0 (6)；
步骤2.2，电流差值ΔI1经过改进均压控制环的电流调节器生成改进的均压控制信号P2；
步骤2.3，改进的均压控制信号P2与母线电压控制信号P相加后通过PWM调节器，得到PWM调制信号，并对变换器开关管进行控制；
步骤2.4，PWM产生的脉冲信号对DC/DC变换器的IGBT开关管进行控制，形成对双电平储能DC/DC变换器的闭环控制。
5.根据权利要求4所述的应用于双向储能变换器的能量协调与中性点平衡控制方法，其特征在于，所述步骤2.2中，电流调节器采用PI调节器，其等效传递函数Gii(s)，如式(7)所示；
Gii(s)＝Gu(s)Gi1(s) (7)；
其中，
Figure FDA0003423138100000031
Ki1为均压控制电流环比例系数；Ki2均压控制电流积分系数。
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