CN115693632B - 一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的控制方法，主要包括抑制装置结构和控制环，其中，抑制装置由一个作为能量储存的辅助电容C_a、一个作为能量传递的电感L_a和一对用于充放电的开关管S₁与S₂组成，控制环以直流母线电流i为输入获取谐波电流i_r，通过一系列运算控制开关管吸收谐波电流，使得振荡功率传递到抑制装置，达到消除直流母线电压谐波的目的。本发明可以自适应地消除单次或多次电压谐波，具有控制简洁且控制环路少，节省传感器等优势，采用小电容和小电感实现较好的抑制效果，减少了大容量电解电容器的使用，提高了系统的功率密度，增加了系统的稳定性。

Description

一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的控制方法

技术领域

本发明涉及电能质量技术领域，特别是一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的控制方法。

背景技术

随着新能源高渗透的趋势高涨，使得直流微电网广受关注，分布式电源大多采用电压源型变换器输出形式，在维持直流母线电压恒定基础上容易导致直流母线电流中包含相互叠加的多次谐波，引起直流母线的功率振荡。然而，大多数负荷通过电力电子接口电路接入直流微电网后常表现为恒功率负荷，其负阻抗特性容易导致系统功率振荡和降低系统电能质量。这些振荡功率降低了系统的转换效率，并对电源和负荷造成损害。

现大部分研究直流母线的功率振荡抑制方法大体分为三种。第一种是通过优化系统控制器参数；第二种是附加阻尼控制环；第三种是安装额外的抑制装置，让振荡功率转移到装置中。

第一种优化控制器参数的方法虽可以在机理上实现对功率振荡的抑制，但须在系统停运后进行参数调整，这势必影响系统的正常运行，存在工作量大、实际运用场景受限等缺点。第二种附加阻尼控制环的方法虽能针对特定频段进行有效地控制，但如果系统运行点发生变化，阻尼控制环的控制参数无法随之调整，面临着设计要求高及难以适应系统多变的运行工况等问题。第三种安装额外抑制装置的方法适用于已投运的工程，灵活简便，但不适应于运行工况变化下谐波频带范围较宽且具有时变特性的情况，抑制装置无法自适应调整控制参数。目前应用型较强的抑制方法是利用安装额外抑制装置吸收振荡功率，但在直流微电网中针对谐波自适应抑制控制方法的技术还尚未见报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

1)抑制装置由一个作为能量储存的辅助电容C_a、一个作为能量传递的电感L_a和一对用于抑制装置充放电的开关管S₁与S₂组成，辅助电容C_a的正极连接直流母线的负极，其拓扑结构是以辅助电容C_a为端部的降压-升压变换电路，抑制装置根据谐波电流的正负来控制开关管，当谐波电流为正，控制开关管S₁工作在充电模式，当谐波电流为负，控制开关管S₂工作在放电模式；

2)采集直流母线电流i，与直流母线电流i经过低通滤波器G_L(s)的值进行相减后，得到直流母线上的谐波电流i_r，采集辅助电容C_a端电压u_a，经过零阶保持器G_Z(s)后得到辅助电容C_a端电压直流分量u_a0，参考电压u_a0-ref与辅助电容C_a端电压直流分量u_a0进行相减后输入到电压环PI补偿器G_V(s)，生成直流偏置电流I_a-ref，直流母线上的谐波电流i_r与直流偏置电流I_a-ref进行相加后得到参考谐波电流i_r-ref，该参考谐波电流可表示为：i_r-ref＝i_r+I_a-ref＝(i-G_L(s)·i)+(u_a0-ref-G_Z(s)u_a)G_V(s)，其中

s是拉普拉斯变换算子，f_c是截止频率，该频率可根据实际系统特性和运行情况进行预设定，T是采样时间，k_pa和k_ia是电压环PI补偿器的比例和积分系数；

3)将参考谐波电流i_r-ref经过限幅器后与直流母线电压u_DC和辅助电容C_a端电压u_a合并计算得到开关管S₁与S₂的占空比为：

其中D_g1是开关管S₁的占空比，D_g2是开关管S₂的占空比，f_r是开关管S₁与S₂的开关频率，u_DC是直流母线电压，另外，为了保证电感L_a在断续导通模式中工作，电感L_a应在每个开关周期中释放其存储的所有能量，当参考谐波电流i_r-ref达到额定最大谐波电流I_r-max时，也应满足上述要求，将开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2这两个条件进行一系列运算后可得不等式：

其中开关管S₁与S₂的开关频率f_r、电感L_a和额定最大谐波电流I_r-max三者乘积反映了在开关管S₁与S₂的开关频率处额定最大谐波电流对电感的压降，根据上述不等式可确定电感L_a的最大值为：/>

4)开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2通过正弦脉宽调制后生成调制信号，用于控制开关管S₁与S₂的通断，抑制装置在调制信号的作用下产生电感L_a流过的电流i_L。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)提出了一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的构建方法，吸收直流母线上的谐波，自适应地消除单次或多次电压谐波，减少大容量电解电容器的使用，提高系统的功率密度。

2)无需改变原先电源、线路和负荷的连接方式，只需并联直流母线上正负极即可正常工作，实现可热拔插功能。振荡功率仅从直流母线上转移到抑制装置，对电源和负荷运行无影响，提高整体的运行稳定性。

3)所用元件数量少且成本低，仅需1个电容、1个电感、2个开关和3个传感器，控制简洁且控制环路少。

附图说明

图1是抑制装置的电路原理及其控制框图；

图2是抑制装置的工作模态分析图；

图3是抑制装置接入前后直流母线电压及其傅里叶分析图；

图4是抑制装置接入前直流母线参数的局部放大波形图；

图5是抑制装置接入后直流母线和抑制装置参数的局部放大波形图。

具体实施方式

参照图1，抑制装置由一个作为能量储存的辅助电容C_a、一个作为能量传递的电感L_a和一对用于抑制装置充放电的开关管S₁与S₂组成，辅助电容C_a的正极连接直流母线的负极，其拓扑结构是以辅助电容C_a为端部的降压-升压变换电路；直流微电网产生的振荡功率仅从直流母线上转移到抑制装置，对电源和负荷运行无影响，提高整体的运行稳定性。

本发明采用如下控制方式：采集直流母线电流i，与直流母线电流i经过低通滤波器G_L(s)的值进行相减后，得到直流母线上的谐波电流i_r，采集辅助电容C_a端电压u_a，经过零阶保持器G_Z(s)后得到辅助电容C_a端电压直流分量u_a0，参考电压u_a0-ref与辅助电容C_a端电压直流分量u_a0进行相减后输入到电压环PI补偿器G_V(s)，生成直流偏置电流I_a-ref，直流母线上的谐波电流i_r与直流偏置电流I_a-ref进行相加后得到参考谐波电流i_r-ref，该参考谐波电流可表示为：i_r-ref＝i_r+I_a-ref＝(i-G_L(s)·i)+(u_a0-ref-G_Z(s)u_a)G_V(s)，其中

s是拉普拉斯变换算子，f_c是截止频率，该频率可根据实际系统特性和运行情况进行预设定，T是采样时间，k_pa和k_ia是电压环PI补偿器的比例和积分系数。

直流母线上的谐波电流i_r是多个频率点叠加的，当谐波电流为正，对开关管S₁栅极和源极间施加相应的驱动信号，控制开关管S₁使抑制装置工作在充电模式；当谐波电流为负，对开关管S₂栅极和源极问施加相应的驱动信号，控制开关管S₂使抑制装置工作在放电模式；该抑制装置工作在断续导通模式下，在充放电时各有2种工作模态，如图2所示，具体描述如下：

能量从直流母线传输到抑制装置，包括模态I和模态II两种工作模态，使辅助电容端电压u_a总体处于上升状态，传输的谐波能量为正。模态I：开关管S₁导通，开关管S₂关断，通过开关管S₁给电感L_a充电，电感电流i_L正向增大，辅助电容端电压u_a保持不变；模态II：开关管S₁关断，开关管S₂关断，开关管S₂的二极管D₂续流，电感L_a通过二极管D₂给辅助电容C_a充电，电感电流i_L正向减小，辅助电容端电压u_a增大，当电感电流i_L减小到零后，辅助电容端电压u_a保持不变。

能量从抑制装置传输到直流母线，包括模态III和模态IV两种工作模态，使辅助电容端电压u_a总体处于下降状态，传输的谐波能量为负。模态III：开关管S₁关断，开关管S₂导通，辅助电容C_a通过开关管S₂给电感L_a充电，电感电流i_L反向增大，辅助电容端电压u_a减小；模态IV：开关管S₁关断，开关管S₂关断，开关管S₁的二极管D₁续流，通过二极管D₂使电感L_a进行放电，电感电流i_L反向减小，辅助电容端电压u_a一直保持不变。

在模态I中，电感L_a通电时从直流母线吸收能量，正向谐波电流从直流母线中分流出来，它在一个开关周期中的平均值应等于参考谐波电流i_r-ref，由此可得开关管S₁的占空比D_g1可计算为：

其中上述f_r是开关管S₁与S₂的开关频率，u_DC是直流母线电压；在模态IV中，电感L_a通电时向直流母线释放能量，反向谐波电流从直流母线中分流出来，它在一个开关周期中的平均值应等于参考谐波电流i_r-ref，由此可得开关管S₂的占空比D_g2可计算为：/>

开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2通过正弦脉宽调制后生成调制信号，用于控制开关管S₁与S₂的通断，抑制装置在调制信号的作用下产生电感L_a流过的电流i_L。

为了保证电感在断续导通模式中工作，电感应在每个开关周期中释放其存储的所有能量，开关管S₁与S₂的占空比应满足关系为：

当参考谐波电流i_r-ref达到额定最大谐波电流I_r-max时，也应满足上述要求，并代入开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2这两个条件后上述公式可化为：/>

上述开关管S₁与S₂的开关频率f_r、电感L_a和额定最大谐波电流I_r-max三者乘积反映了在开关管S₁与S₂的开关频率处额定最大谐波电流对电感的压降，根据上述不等式可确定电感L_a的最大值为：/>

根据上述参数选取，进行电路仿真。抑制装置设计参数：辅助电容C_a为0.005F，辅助电容端电压为1000V，电感L_a为100μH，开关管S₁与S₂的开关频率f_r为36kHz；直流微电网参数：直流母线支撑电容C_DC为0.005F，直流母线电压u_DC为800V，变换器开关频率为10kHz；仿真采用的直流微电网等效电路由三台分布式电源(由光伏电源、蓄电池组成)、三条直流输电线路和三个恒功率负荷构成，系统总功率为51kW。

图3是抑制装置接入前后直流母线电压的变化情况，在接入前直流母线电压含有多次电压谐波，主要频率为1015Hz和2030Hz；在抑制装置接入后，直流母线电压的多次谐波被自适应地消除，从傅里叶分析结果可知电压谐波频率1015Hz和2030Hz都被抑制，实现较好的抑制效果。

图4是抑制装置接入前的直流母线电压u_DC、直流母线电流i的局部放大波形，图5是抑制装置接入后的直流母线电压u_DC、直流母线电流i、辅助电容端电压u_a和电感电流i_L的局部放大波形，清晰地看出直流母线电压u_DC纹波在抑制装置接入后明显变小，而直流母线电流i在抑制装置接入前后虽有振荡频率的稍微变化，但抑制装置能根据电路实际情况相应地吸收变化的谐波电流，并将直流母线上的电压谐波转移到辅助电容上，这体现在辅助电容端电压u_a波形的波动上，说明直流微电网的振荡功率很好地传递到抑制装置，达到消除直流母线电压谐波的目的，减少了大容量电解电容器的使用，提高了系统的功率密度，增加了系统的稳定性。

Claims (1)

1.一种用于直流微电网功率振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)抑制装置由一个作为能量储存的辅助电容C_a、一个作为能量传递的电感L_a和一对用于抑制装置充放电的开关管S₁与S₂组成，辅助电容C_a的正极连接直流母线的负极，其拓扑结构是以辅助电容C_a为端部的降压-升压变换电路，抑制装置根据谐波电流的正负来控制开关管，当谐波电流为正，控制开关管S₁工作在充电模式，当谐波电流为负，控制开关管S₂工作在放电模式；

2)采集直流母线电流i，与直流母线电流i经过低通滤波器G_L(s)的值进行相减后，得到直流母线上的谐波电流i_r，采集辅助电容C_a端电压u_a，经过零阶保持器G_Z(s)后得到辅助电容C_a端电压直流分量u_a0，参考电压u_a0-ref与辅助电容C_a端电压直流分量u_a0进行相减后输入到电压环PI补偿器G_V(s)，生成直流偏置电流I_a-ref，直流母线上的谐波电流i_r与直流偏置电流I_a-ref进行相加后得到参考谐波电流i_r-ref，该参考谐波电流可表示为：i_r-ref＝i_r+I_a-ref＝(i-G_L(s)·i)+(u_a0-ref-G_Z(s)u_a)G_V(s)，其中

s是拉普拉斯变换算子，f_c是截止频率，该频率可根据实际系统特性和运行情况进行预设定，T是采样时间，k_pa和k_ia是电压环PI补偿器的比例和积分系数；

3)将参考谐波电流i_r-ref经过限幅器后与直流母线电压u_DC和辅助电容C_a端电压u_a合并计算得到开关管S₁与S₂的占空比为：

其中D_g1是开关管S₁的占空比，D_g2是开关管S₂的占空比，f_r是开关管S₁与S₂的开关频率，u_DC是直流母线电压；

4)开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2通过正弦脉宽调制后生成调制信号，用于控制开关管S₁与S₂的通断，抑制装置在调制信号的作用下产生电感L_a流过的电流i_L；

5)为了保证电感L_a在断续导通模式中工作，电感L_a应在每个开关周期中释放其存储的所有能量，当参考谐波电流i_r-ref达到额定最大谐波电流I_r-max时，也应满足上述要求，将开关管S₁与S₂的占空比D_g1与D_g2这两个条件进行一系列运算后可得不等式：

其中开关管S₁与S₂的开关频率f_r、电感L_a和额定最大谐波电流I_r-max三者乘积反映了在开关管S₁与S₂的开关频率处额定最大谐波电流对电感的压降，根据上述不等式可确定电感L_a的最大值为：/>

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