基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法。孤立直流微電網(wǎng)系統(tǒng)平臺包含多個電路模塊，通過直流母線連接在一起，直流母線作為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量交換中介，保持直流母線電壓恒定對系統(tǒng)能量變換和穩(wěn)定運行有著重要意義。針對直流微電網(wǎng)中可再生能源輸出功率波動及負載波動帶來的直流母線電壓波動，采用功率前饋補償?shù)姆€(wěn)壓控制方法，抑制和消除系統(tǒng)直流母線電壓波動，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，提高設(shè)備工作可靠性，降低設(shè)備維護成本，延長設(shè)備壽命。
【專利說明】基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及光伏發(fā)電和風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的微電網(wǎng)領(lǐng)域，更具 體地說是基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著當今世界社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，導(dǎo)致社會對能源需求快速增長，同時各種化 石能源消耗帶來的環(huán)境問題也日益突出，發(fā)展低碳經(jīng)濟、建設(shè)生態(tài)文明、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)現(xiàn)， 已成為人類社會的普遍共識，開發(fā)清潔的可再生能源資源已成為世界各國社會和經(jīng)濟可持 續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。以分布式電源為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微電網(wǎng)，具有結(jié)構(gòu)靈活、能效利用率高 和控制智能化等特點，對于未來能源發(fā)展具有很好前景，是很多國家未來電力發(fā)展趨勢。
[0003] 微電網(wǎng)是將分布式電源、負荷、儲能系統(tǒng)及控制裝置等結(jié)合，形成一個單一可控供 電系統(tǒng)，其運行方式靈活，可以并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。對于大電網(wǎng)覆蓋不到的我國西 部偏遠地區(qū)和海島等，其自然能源（風能和太陽能）豐富，采用分布式發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)提 供能源供應(yīng)具有很大的優(yōu)勢。然而，直流微電網(wǎng)相對于交流微電網(wǎng)有諸多優(yōu)點，交直流混合 微電網(wǎng)構(gòu)建起來比較復(fù)雜。在直流微電網(wǎng)中不必考慮分布式電源輸出電壓的頻率和相位等 問題，各種分布式電源能方便地接入直流母線。交流微電網(wǎng)的運行控制在很大程度上決定 于微電網(wǎng)的電流，存在環(huán)流等問題，而直流微電網(wǎng)的運行控制主要取決直流母線電壓，運行 控制相對于交流微電網(wǎng)簡單，且容易實現(xiàn)。
[0004] 對于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)來說，直流母線作為其能量交換的中介，前級發(fā)電端可再生 能源功率輸出波動和后級供能端負載實時波動等情況引起的系統(tǒng)瞬時能量不平衡，都會導(dǎo) 致直流母線電壓波動，影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行；直流微電網(wǎng)系統(tǒng)不用考慮無功功率流，母線 電壓成為反映系統(tǒng)功率平衡的重要指標，為了確保直流微電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行，直流母線電 壓值必須控制在一個限定的范圍內(nèi)。因此，保持直流母線電壓恒定對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)能量 變換和穩(wěn)定運行有著重要意義，控制直流母線電壓穩(wěn)定能有效的維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，如果 發(fā)生電壓失穩(wěn)，很可能引起保護動作或甩負荷，甚至還會危及整個系統(tǒng)的正常運行。
[0005] 孤立運行情況下，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)通常通過分布式電源或者儲能裝置的變流器來 控制直流母線電壓穩(wěn)定。由于超級電容的能量密度較蓄電池高，有更快的響應(yīng)速度，目前對 將超級電容應(yīng)用于母線穩(wěn)壓控制研究較多，但這只是對蓄電池儲能控制的傳統(tǒng)優(yōu)化，沒有 從擾動產(chǎn)生的源頭出發(fā)去解決問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制 方法，更好地解決在直流微電網(wǎng)中前級發(fā)電端可再生能源功率輸出波動和后級供能端負載 實時波動等情況引起的直流母線電壓波動問題。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0008] 基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法，該方法用于孤立運行 直流微電網(wǎng)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包含蓄電池 Boost/Buck充放電電路、光伏Boost升壓電路、風機 Boost升壓電路、單相逆變電路和直流母線，所述直流母線的正極、負極，正負極間設(shè)有直流 母線電容，連接在直流母線正極與負極之間的直流母線電容C de。所述蓄電池 Boost/Buck充 放電電路、光伏Boost升壓電路、風機Boost升壓電路、單相逆變電路的正負極分別與直流 母線的正負極連接，通過直流母線實現(xiàn)所述系統(tǒng)能量交換，使所述系統(tǒng)穩(wěn)壓。
[0009] 直流母線穩(wěn)壓控制是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，所述穩(wěn)壓控制方法的實現(xiàn)是：通過DSP控 制器采集實時電壓信號和電流信號，實現(xiàn)基于功率前饋補償?shù)膬δ苣妇€穩(wěn)壓控制方法，產(chǎn) 生PWM脈沖控制信號對系統(tǒng)各部分電路實現(xiàn)控制；其中，蓄電池 Boost/Buck充放電電路和 單相逆變電路的控制共需要三路互補PWM脈沖控制信號，光伏Boost升壓電路和風機Boost 升壓電路的控制共需要兩路獨立PWM脈沖控制信號；DSP控制器連接有保護電路、采樣調(diào) 理電路和電平轉(zhuǎn)換電路；所述保護電路針對IPM故障信號和直流母線過壓保護故障信號動 作，對系統(tǒng)起到保護作用；所述采樣調(diào)理電路采集實時的電壓信號和電流信號，并通過調(diào)理 電路傳入DSP控制器；所述電平轉(zhuǎn)換電路連接有I/O信息模塊和驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊發(fā)出 PWM脈沖控制信號對變流器實現(xiàn)控制。所述實時的電壓信號和電流信號包含直流母線電壓 ud。、蓄電池輸出電壓Ubat、光伏輸出電壓Upv、風機整流后輸出電壓U w、單相逆變輸出電壓ua。、 蓄電池輸出電流ibat、光伏輸出電流i PV、風機整流后輸出電流iw和單相逆變輸出電流ia。。
[0010] 上述的基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，功率前饋量是系統(tǒng)瞬時擾動 有功功率，所述系統(tǒng)瞬時擾動有功功率等于單相逆變電路輸出的瞬時有功功率減去風機 Boost升壓電路輸出瞬時功率與光伏Boost升壓電路輸出瞬時功率之和。所述單相逆變電 路輸出的瞬時有功功率的計算方法是：構(gòu)造與所測量的單相逆變器輸出電壓和電流的正交 的虛擬電壓和虛擬電流，再利用三相系統(tǒng)瞬時功率理論測算出單相逆變輸出的瞬時有功功 率。
[0011] 上述的基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，利用串級控制思想的擾動補 償?shù)膹?fù)合校正，在反饋控制回路中加入功率前饋通路，組成一個前饋控制和反饋控制相結(jié) 合的系統(tǒng)，用以減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差，抑制包括低頻強擾動的可量測功率擾動。
[0012] 上述基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，所述DSP控制器采用32位 TMS320F28335 DSP 處理器實現(xiàn)。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果：
[0014] 1.本發(fā)明有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和能源利用效率。直流微電網(wǎng)在孤立運行情況 下，沒有大電網(wǎng)支撐，光伏和風力等可再生能源發(fā)電輸出功率存在不穩(wěn)定性，會導(dǎo)致直流母 線電壓波動，需要利用儲能裝置來保證系統(tǒng)瞬時能量平衡，維持直流母線電壓穩(wěn)定。
[0015] 2.本發(fā)明對于傳統(tǒng)的基于儲能的雙閉環(huán)控制的母線穩(wěn)壓控制策略，能在一定程度 上維持直流母線電壓穩(wěn)定，可以極大地減小乃至消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且可以抑制幾乎所有的 可量測功率擾動，包括低頻強擾動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明孤立運行直流微電網(wǎng)系統(tǒng)圖。
[0017] 圖中：蓄電池 Boost/Buck充放電電路1、光伏Boost升壓電路2、風機Boost升壓 電路3、單相逆變電路4、直流母線5、光伏板6、風力7、風機整流橋8、蓄電池 Boost/Buck電 路儲能電感9、蓄電池 Boost/Buck電路濾波電容10、光伏Boost升壓電路儲能電感11、光 伏Boost升壓電路濾波電容12、風機Boost升壓電路儲能電感13、風機Boost升壓電路濾 波電容14、直流母線電容15、單相逆變電路濾波電感16、單相逆變電路濾波電容17、直流母 線18、直流母線正極18-1、直流母線負極18-2、蓄電池19。
[0018] 圖2為本發(fā)明的DSP控制器結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖中：DSP控制器6、Ude直流母線電壓、Ubat蓄電池輸出電壓、U pv光伏輸出電壓、Uw 風機整流后輸出電壓、ua。單相逆變輸出電壓、ibat蓄電池輸出電流、iPV光伏輸出電流、i w風 機整流后輸出電流、ia。單相逆變輸出電流、脈沖控制信號PMW
[0020] 圖3為功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制策略框圖。
[0021] 圖4傳統(tǒng)儲能穩(wěn)壓控制時光伏輸出功率突變下直流母線電壓波形圖。
[0022] 圖5功率前饋控制時光伏輸出功率突變下直流母線電壓波形圖。
[0023] 圖6傳統(tǒng)儲能穩(wěn)壓控制時負載功率突變下直流母線電壓波形圖。
[0024] 圖7功率前饋控制時負載功率突變下直流母線電壓波形圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0026] 本發(fā)明孤立運行直流微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包含蓄電池 Boost/Buck充放電 電路1、光伏Boost升壓電路2、風機Boost升壓電路3、單相逆變電路4和直流母線5,所述 直流母線5的正極18-1、負極18-2,正負極間設(shè)有直流母線電容15,連接在直流母線正極與 負極之間的直流母線電容C d。。所述蓄電池 Boost/Buck充放電電路1、光伏Boost升壓電路 2、風機Boost升壓電路3、單相逆變電路4的正負極分別與直流母線5的正負極連接，通過 直流母線5實現(xiàn)所述系統(tǒng)能量交換，使所述系統(tǒng)穩(wěn)壓。
[0027] 直流母線5穩(wěn)壓控制是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，所述穩(wěn)壓控制方法的實現(xiàn)是：通過DSP控 制器6實現(xiàn)，DSP控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，采集實時電壓信號和電流信號，實現(xiàn)基于功率前饋 補償?shù)膬δ苣妇€穩(wěn)壓控制方法，產(chǎn)生PWM脈沖控制信號對系統(tǒng)各部分電路實現(xiàn)控制；其中， 蓄電池 Boost/Buck充放電電路1和單相逆變電路4的控制共需要三路互補PWM脈沖控制信 號，光伏Boost升壓電路2和風機Boost升壓電路3的控制共需要兩路獨立PWM脈沖控制 信號；DSP控制器連接有保護電路、采樣調(diào)理電路和電平轉(zhuǎn)換電路；所述保護電路針對IPM 故障信號和直流母線過壓保護故障信號動作，對系統(tǒng)起到保護作用；所述采樣調(diào)理電路采 集實時的電壓信號和電流信號，并通過調(diào)理電路傳入DSP控制器；所述電平轉(zhuǎn)換電路連接 有1/0信息模塊和驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊發(fā)出PWM脈沖控制信號對變流器實現(xiàn)控制。所述實 時的電壓信號和電流信號包含直流母線電壓u d。、蓄電池輸出電壓Ubat、光伏輸出電壓Upv、風 機整流后輸出電壓U w、單相逆變輸出電壓Ua。、蓄電池輸出電流ibat、光伏輸出電流iPV、風機 整流后輸出電流i w和單相逆變輸出電流ia。；利用所采集信號，在DSP控制器6內(nèi)編程實現(xiàn) 基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，并輸出PMW脈沖控制信號。所述PMW脈沖控 制信號用于控制蓄電池 Boost/Buck充放電電路1、光伏Boost升壓電路2、風機Boost升壓 電路3和單相逆變電路4,實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行；所述控制的關(guān)鍵是控制蓄電池19充放電實 現(xiàn)直流母線18電壓穩(wěn)定，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
[0028] 圖3所示功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制策略框圖中，L和&分別為電池的續(xù) 流電感的電感值及其寄生電阻的阻值，Cd。為直流母線電容值，Gu(S)為電壓外環(huán)PI控制器， Gi(S)為電流內(nèi)環(huán)PI控制器，Pd e為系統(tǒng)擾動有功功率，ka為比例增益，根據(jù)變流器輸入輸 出功率平衡關(guān)系可知比例系數(shù)ka = ubat/ud。，Ubat和Ud。分別為蓄電池輸出電壓和直流母線 電壓。4為直流母線電壓的參考給定值，電壓誤差信號經(jīng)過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到蓄電 池輸出電流給定信號ite.t (其中，U = KwI _ ΚιΧ, .? (八1。_ Md。)d〇，Ku和Tu分別為電壓外 環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。ibat為蓄電池輸出電流值，電流誤差信號經(jīng)過電流內(nèi) 環(huán)PI調(diào)節(jié)器后得到控制器PWM調(diào)制波信號 <(其中，<=AOt ) + 4(4 -C)d〇，Ki 和Ti分別為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。PWM發(fā)生器對調(diào)制波信號4進行 SPWM調(diào)制得到2路PWM脈沖信號驅(qū)動蓄電池 Boost/Buck充放電電路，從而實現(xiàn)對儲能蓄電 池充放電控制維持直流母線電壓穩(wěn)定。
[0029] 圖4至圖7為以100V直流母線電壓的孤立運行微電網(wǎng)系統(tǒng)進行的兩組對比實驗 的實驗波形圖。圖4和圖5為可再生能源光伏發(fā)電輸出功率突變時直流母線電壓波形，對 比實驗結(jié)果顯示：相同工況下，加入功率前饋補償控制后，直流母線電壓波動從7V降低到 IV，穩(wěn)壓控制效果明顯。圖6和圖7為負載突變時直流母線電壓波形，對比實驗結(jié)果顯示： 相同工況下，加入功率前饋補償控制后，直流母線電壓波動從IOV降低到2V，穩(wěn)壓控制效果 明顯。
【權(quán)利要求】
1. 基于功率前饋補償?shù)墓铝⑦\行直流微網(wǎng)儲能穩(wěn)壓控制方法，該方法用于孤立運行 直流微電網(wǎng)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包含蓄電池Boost/Buck充放電電路（1)、光伏Boost升壓電路 (2)、風機Boost升壓電路（3)、單相逆變電路（4)和直流母線（5)，所述直流母線（5)的正 極（18-1)、負極（18-2)，正負極間設(shè)有直流母線電容（15)，其特征在于，所述蓄電池Boost/ Buck充放電電路（1)、光伏Boost升壓電路（2)、風機Boost升壓電路（3)、單相逆變電路（4) 的正負極分別與直流母線（5)的正負極連接，通過直流母線（5)實現(xiàn)所述系統(tǒng)能量交換，使 所述系統(tǒng)穩(wěn)壓； 直流母線（5)穩(wěn)壓控制是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵；所述穩(wěn)壓控制方法的實現(xiàn)是：通過DSP控 制器（6)采集實時電壓信號和電流信號，實現(xiàn)基于功率前饋補償?shù)膬δ苣妇€穩(wěn)壓控制方 法，產(chǎn)生PWM脈沖控制信號對系統(tǒng)各部分電路實現(xiàn)控制；其中，蓄電池Boost/Buck充放電電 路⑴和單相逆變電路⑷的控制共需要三路互補PWM脈沖控制信號，光伏Boost升壓電 路（2)和風機Boost升壓電路（3)的控制共需要兩路獨立PWM脈沖控制信號；DSP控制器連 接有保護電路、采樣調(diào)理電路、電平轉(zhuǎn)換電路；所述保護電路針對IPM故障信號和直流母線 過壓保護故障信號動作，對系統(tǒng)起到保護作用；所述采樣調(diào)理電路采集實時的電壓信號和 電流信號，并通過調(diào)理電路傳入DSP控制器；所述電平轉(zhuǎn)換電路連接有I/O信息模塊和驅(qū)動 模塊，驅(qū)動模塊發(fā)出PWM脈沖控制信號對變流器實現(xiàn)控制；所述實時的電壓信號和電流信 號包含直流母線電壓Ud。、蓄電池輸出電壓ubat、光伏輸出電壓UPV、風機整流后輸出電壓u w、 單相逆變輸出電壓Ua。、蓄電池輸出電流ibat、光伏輸出電流iPV、風機整流后輸出電流i w和單 相逆變輸出電流ia。。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，其特征在于，功 率前饋量是系統(tǒng)瞬時擾動有功功率，所述系統(tǒng)瞬時擾動有功功率等于單相逆變電路（4)輸 出的瞬時有功功率減去風機Boost升壓電路（3)輸出瞬時功率與光伏Boost升壓電路（2) 輸出瞬時功率之和；所述單相逆變電路（4)輸出的瞬時有功功率的計算方法是：構(gòu)造與所 測量的單相逆變器輸出電壓和電流的正交的虛擬電壓和虛擬電流，再利用三相系統(tǒng)瞬時功 率理論測算出單相逆變輸出的瞬時有功功率。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，其特征在于，利 用串級控制思想的擾動補償?shù)膹?fù)合校正，在反饋控制回路中加入功率前饋通路，組成一個 前饋控制和反饋控制相結(jié)合的系統(tǒng)，用以減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差，抑制包括低頻強擾動的可 量測功率擾動。
4. 如權(quán)利要求1所述基于功率前饋補償?shù)哪妇€儲能穩(wěn)壓控制方法，所述DSP控制器采 用32位TMS320F28335DSP處理器實現(xiàn)。
【文檔編號】H02J3/32GK104333026SQ201410633068
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】呂智林, 唐文強, 胡立坤, 譚穎, 李蘇川 申請人:廣西大學(xué)