CN116316535B - 基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法；其中，直流母线电压补偿装置由装置电源模块充能，在并入直流微电网母线后，直流母线电压补偿装置存储的能量可以缓释直流母线电压的振荡峰值，达到维持直流母线电压、电流以及功率稳定的目的；相对应的，直流母线电压补偿装置控制器主体采取主、辅双闭环的控制方式，使用PI控制方法，并用脉冲宽度调制技术生成控制信号控制直流母线电压补偿装置的正常工作。

Description

基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法
技术领域
本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法。
背景技术
随着新能源产业体系构建加快，直流微电网的分布变得更加广泛，其中分布式电源的增加和负载大小的改变会给直流微电网带来较大的不确定因素，如造成较大的母线电压振荡峰峰值甚至改变母线电压的稳定值，为了保证直流微电网的全局稳定性，主要在于保持母线电压性能指标稳定；现阶段对维持母线电压稳定的研究采用的装置多是利用电感储能或者需要一个较大的电容储能，而且控制方法也较为复杂；本发明中的储能模块可以利用较小的电容储能，且控制方式简单，效果稳定，具有可靠的缓解直流母线上的电压瞬变的能力，保证直流微电网的稳定性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
1)补偿装置的输入电源由一个Boost电源模块构成，Boost电源模块的输入电源值为Uin，输出电压值为US；在补偿装置并入直流母线前，Boost电源模块输出能量通过滤波模块中滤波电感LS和滤波电容CS传递到存储电容CST、暂态储能电感LF和装置滤波电容CF上；此时存储电容电压UST将会在预设时间内抬升到一个大于直流母线电压期望值；
2)在直流母线电压稳定时，先将连接开关中S1、S2由①号位置于②号位，再将S3、S4先置于①号位，再在0.1秒后将S3、S4切换到②号位，完成将补偿装置经过渡后切入直流母线；当补偿装置的控制开关SB导通、ST关断的时候，暂态储能电感LF暂时吸收并储存直流母线电压瞬变的能量；当补偿装置的控制开关SB关断、ST导通的时候，暂态储能电感LF吸收的能量转移到存储电容CST上；
3)在补偿装置的Boost电源模块中，对电源模块电感电流ILB、电源模块输出电压US分别进行采样；
4)将Boost电源模块的输出电压的参考值USREF与电源模块输出电压US相减后，得到电压偏差ΔUS，该电压偏差经过电压环PI控制器后，再与电源模块电感电流ILB相减后，得到电流偏差ΔILB，该电流偏差经过电流环PI控制器后，再经过限幅器以及PWM控制器形成的控制信号DBoost，控制Boost电源模块的开关器件SS
5)在补偿装置的储能模块中，对存储电容电压UST、装置滤波电容电压UF、暂态储能电感电流IF分别进行采样；
6)装置滤波电容电压小信号分量分量经过一个高通滤波器得到的暂态储能电感电流参考值小信号分量/>将其与暂态储能电感电流小信号分量/>进行相减后得到电流中间变量小信号分量/>将其乘以电流控制系数k1得到电流过程变量小信号分量/>接下来存储电容电压小信号分量/>乘以电压控制系数k2得到电压过程变量小信号分量/>将电流过程变量小信号分量/>和电压过程变量小信号分量/>的加和经过储能模块PI控制器，再经过限幅器以及PWM控制器形成占空比小信号分量/>控制储能模块的开关器件SB和ST；其中，装置滤波电容电压小信号分量/>存储电容电压小信号分量/>暂态储能电感电流小信号分量/>对占空比小信号分量/>的传递函数分别为GD1(s)、GD2(s)、GD3(s)，具体表达式分别为：
其中，变量上方的横线表示该变量在稳态下的平均值，例如：表示暂态储能电感电流平均值，其余变量同理。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用一种基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法，其中采用Boost电源模块作为直流母线电压补偿装置的输入电源，当直流微电网系统的负荷变化导致直流母线电压值改变时，可根据直流母线电压值的变化状况直接调整Boost电源模块输出电压US，而无需更换电池，保证直流母线电压补偿装置可以持续稳定工作；在补偿装置正常工作时，直流母线上的电压瞬变的能量被补偿装置储能模块的存储电容CST所吸收，达到维持直流母线电压值的稳定的目的。
附图说明
图1为直流母线电压补偿装置及其控制框图；
图2为本发明一实施例采用本发明方法的直流母线性能指标波形图；
图3为本发明一实施例储能模块存储电容电压波形图。
具体实施方式
图1为直流母线电压补偿装置及其控制框图，补偿装置的输入电源由一个Boost电源模块构成，Boost电源模块的输入电源值为Uin，输出电压值为US；在补偿装置并入直流母线前，Boost电源模块输出能量通过滤波模块中滤波电感LS和滤波电容CS传递到存储电容CST、暂态储能电感LF和装置滤波电容CF上；此时存储电容电压UST将会在0.5秒左右的预设时间内抬升到一个大于直流母线电压期望值；在直流母线电压稳定时，先将连接开关中S1、S2由①号位置于②号位，再将S3、S4先置于①号位，再在0.1秒后将S3、S4切换到②号位，完成将补偿装置经过渡后切入直流母线；当补偿装置的控制开关SB导通、ST关断的时候，暂态储能电感LF暂时吸收并储存直流母线电压瞬变的能量；当补偿装置的控制开关SB关断、ST导通的时候，暂态储能电感LF吸收的能量转移到存储电容CST上；在补偿装置的Boost电源模块中，对电源模块电感电流ILB、电源模块输出电压US分别进行采样；将Boost电源模块的输出电压的参考值USREF与电源模块输出电压US相减后，得到电压偏差ΔUS，该电压偏差经过电压环PI控制器后，再与电源模块电感电流ILB相减后，得到电流偏差ΔILB，该电流偏差经过电流环PI控制器后，再经过限幅器以及PWM控制器形成的控制信号DBoost，控制Boost电源模块的开关器件SS；在补偿装置的储能模块中，对存储电容电压UST、装置滤波电容电压UF、暂态储能电感电流IF分别进行采样；装置滤波电容电压小信号分量分量经过一个高通滤波器得到的暂态储能电感电流参考值小信号分量/>将其与暂态储能电感电流小信号分量/>进行相减后得到电流中间变量小信号分量/>将其乘以电流控制系数k1得到电流过程变量小信号分量/>接下来存储电容电压小信号分量/>乘以电压控制系数k2得到电压过程变量小信号分量/>将电流过程变量小信号分量/>和电压过程变量小信号分量/>的加和经过储能模块PI控制器，再经过限幅器以及PWM控制器形成占空比小信号分量/>控制储能模块的开关器件SB和ST；储能模块小信号模型具体表达式为：
装置滤波电容电压小信号分量存储电容电压小信号分量/>暂态储能电感电流小信号分量/>对占空比小信号分量/>的传递函数分别为GD1(s)、GD2(s)、GD3(s)，具体表达式分别为：
其中，变量上方的横线表示该变量在稳态下的平均值，例如：表示暂态储能电感电流平均值，其余变量同理。
图2为采用本发明方法的直流母线性能指标波形图，其中直流母线电压补偿装置在6s时并入到直流母线上，直流母线电压UDC的振荡峰峰值由并入前的25V左右降低到6V左右，直流母线电流IDC的振荡峰峰值由并入前的150A降低到30A左右，直流母线功率PDC的振荡峰峰值由并入前的120kW降低到25kW左右，且各个指标均在直流母线电压补偿装置切入后1.5s内达到稳定。
图3为储能模块存储电容电压波形图，在补偿装置并入直流母线前，存储电容电压UST将会在较短的时间内抬升到大于直流母线电压的期望值；在补偿装置并入直流母线后，存储电容CST吸收直流母线上电压瞬变的能量，因此存储电容电压值UST随直流母线电压的波动发生改变。

Claims (2)

1.一种基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)补偿装置的输入电源由一个Boost电源模块构成，Boost电源模块的输入电源值为Uin，输出电压值为US；在补偿装置的储能模块中，存储电容CST与控制开关ST并联，装置滤波电容CF与控制开关SB并联，存储电容CST和装置滤波电容CF的中点与控制开关ST和控制开关SB的中点通过暂态储能电感LF连接；存储电容CST、控制开关ST以及暂态储能电感LF串联形成通路；暂态储能电感LF与控制开关SB串联后，再与装置滤波电容CF并联形成通路；在补偿装置并入直流母线前，Boost电源模块输出能量通过滤波模块中滤波电感LS和滤波电容CS传递到存储电容CST、暂态储能电感LF和装置滤波电容CF上；此时存储电容电压UST将会在预设时间内抬升到一个大于直流母线电压的期望值；
2)补偿装置通过连接开关与直流母线连接，连接开关连接在滤波模块与储能模块之间；在连接开关中，S1的①号位表示S1处于断开状态，S1的②号位表示直流母线与S3连接；S2的①号位表示S2处于断开状态，S2的②号位表示直流母线与S4连接；S3置于①号位表示S1与补偿装置经电阻连接，S3置于②号位表示S1与补偿装置直接连接；S4置于①号位表示S2与补偿装置经电阻连接，S4置于②号位表示S2与补偿装置直接连接；初始时，连接开关S1、S2、S3、S4均处在其①号位；在直流母线电压稳定时，先将连接开关中S1、S2由其①号位置于其②号位，再在0.1秒后将S3、S4由其①号位置于其②号位，完成将补偿装置经过渡后切入直流母线；此后连接开关S1、S2、S3、S4均保持在其②号位，保持直流母线与补偿装置直接连接；当补偿装置的控制开关SB导通、ST关断的时候，暂态储能电感LF暂时吸收并储存直流母线电压瞬变的能量；当补偿装置的控制开关SB关断、ST导通的时候，暂态储能电感LF吸收的能量转移到存储电容CST上；
3)在补偿装置的Boost电源模块中，对电源模块电感电流ILB、电源模块输出电压US分别进行采样；
4)将Boost电源模块的输出电压的参考值USREF与电源模块输出电压US相减后，得到电压偏差ΔUS，该电压偏差经过电压环PI控制器后，再与电源模块电感电流ILB相减后，得到电流偏差ΔILB，该电流偏差经过电流环PI控制器后，再经过限幅器以及PWM控制器形成的控制信号DBoost，控制Boost电源模块的开关器件SS；
5)在补偿装置的储能模块中，对存储电容电压UST、装置滤波电容电压UF、暂态储能电感电流IF分别进行采样；
6)装置滤波电容电压小信号分量经过一个高通滤波器得到的暂态储能电感电流参考值小信号分量/>将其与暂态储能电感电流小信号分量/>进行相减后得到电流中间变量小信号分量/>将其乘以电流控制系数k1得到电流过程变量小信号分量/>接下来存储电容电压小信号分量/>乘以电压控制系数k2得到电压过程变量小信号分量/>将电流过程变量小信号分量/>和电压过程变量小信号分量/>的加和经过储能模块PI控制器，再经过限幅器以及PWM控制器形成占空比小信号分量/>控制储能模块的开关器件SB和ST；其中，装置滤波电容电压小信号分量/>存储电容电压小信号分量/>暂态储能电感电流小信号分量/>对占空比小信号分量/>的传递函数分别为GD1(s)、GD2(s)、GD3(s)，具体表达式分别为：
IF表示暂态储能电感电流平均值，表示占空比平均值。
2.根据权利要求1所述的基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法，其特征在于，步骤6)中，k1是电流控制系数，其取值范围为：1.5≤k1≤2.5；k2是电压控制系数，其取值范围为：0.1≤k2≤0.6。
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