分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，光伏單元和儲能蓄電池通過各自的變流器并聯(lián)接入直流母線上；光伏單元的變流器為四相交錯升壓變流器，采用最大功率跟蹤法實現(xiàn)最大功率pPVmax輸出；儲能蓄電池的變流器為四相交錯雙向變流器，采用電流內(nèi)環(huán)?功率外環(huán)雙閉環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)采用非線性平滑可微控制方法，確保存在負載突變或變流器參數(shù)攝動的情況下，依然能夠快速跟蹤光伏單元及負載的功率變化，通過對儲能蓄電池的充放電控制，實現(xiàn)系統(tǒng)功率的平抑。該方法對功率變化范圍寬、負載大擾動的應用對象具有較強的抗擾能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應速度快、魯棒性強的優(yōu)點。
【專利說明】
分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種供電控制技術，特別涉及一種分布式光儲直流供電系統(tǒng)非線性微 分平滑功率平滑控制方法。
【背景技術】
[0002] 分布式光伏發(fā)電具有輸出電壓波動大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，結(jié)合儲能技術的分 布式光儲直流供電系統(tǒng)憑借高品質(zhì)、高可靠性供電能力得到廣泛應用，系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn) 定控制是實際應用的瓶頸所在，而變流裝置的拓撲與控制算法的合理設計是實現(xiàn)光儲直流 供電系統(tǒng)功率平滑控制的可行方案。
[0003] 變流裝置拓撲方面，光伏變流器通常采用Boost電路，儲能變流器通常采用Buck-Boost 電路 ，由于分布式光儲直流供電系統(tǒng)中光伏電池與儲能電池的低電壓、大電流輸出特 性，傳統(tǒng)變流器必須工作在極端占空比下才能獲得較高的電壓增益，而在極端占空比時又 容易引起較大的電壓、電流紋波問題。為避免傳統(tǒng)變流器的不足，可采用交錯并聯(lián)變流器， 利用各相電感電流紋波的抵消作用，減小輸入電流紋波、平滑輸出電壓波形，有益于提高變 流器的動態(tài)響應速度及效率。
[0004] 交錯并聯(lián)變流器控制算法方面，目前工程中廣泛采用的是PI控制器，其設計流程 明確，能達到功率變流器一般性能要求，但是在輸入或負載大范圍變化工況下，基于特定工 作點設計的PI控制難以保證交錯并聯(lián)變流器系統(tǒng)具有大信號穩(wěn)定性。針對交錯并聯(lián)變流器 本身具有非線性特性，雖然已有滑?？刂?、反饋線性化控制等多種非線性控制算法，這些算 法克服了PI控制穩(wěn)定域窄的缺點，但計算復雜，實現(xiàn)工程應用存在瓶頸。因此，提出一種結(jié) 構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)誤差小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的非線性控制策略是實現(xiàn)分布式光儲直流供電系統(tǒng)廣 泛推廣應用的關鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是針對光伏發(fā)電不確定性輸出引起的功率波動的問題，提出了一種分布式 光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，是一種非線性平滑可微控制方法，實現(xiàn)光儲協(xié)調(diào)控 制與輸出功率平滑。儲能四相交錯雙向變流器采用電流內(nèi)環(huán)-功率外環(huán)雙閉環(huán)控制策略，電 流內(nèi)環(huán)采用非線性平滑可微控制方法，確保存在負載突變或變流器參數(shù)攝動的情況下，依 然能夠快速跟蹤光伏單元及負載的功率變化，通過對儲能蓄電池的充放電控制，實現(xiàn)系統(tǒng) 功率的平抑;功率外環(huán)采用PI控制，實現(xiàn)儲能蓄電池參考功率的快速跟蹤。該方法對功率變 化范圍寬、負載大擾動的應用對象具有較強的抗擾能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應速度快、 魯棒性強的優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明的技術方案為:一種分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，光伏單 元和儲能蓄電池通過各自的變流器并聯(lián)接入直流母線上;光伏單元的變流器為四相交錯升 壓變流器，上橋臂采用二極管，下橋臂采用IGBT，四相交錯升壓變流器采用最大功率跟蹤法 實現(xiàn)最大功率p PVmax輸出；儲能蓄電池的變流器為四相交錯雙向變流器，上、下橋臂均為 IGBT，光伏單元輸出的最大功率PPVmax與負載所需要功率PLoadref比較得到的功率差值作為四 相交錯雙向變流器功率控制的參考值，四相交錯雙向變流器采用內(nèi)外雙閉環(huán)控制，功率外 環(huán)反饋控制，實現(xiàn)儲能蓄電池參考功率的快速跟蹤，電流內(nèi)環(huán)利用儲能蓄電池充放電的平 滑特性得到四相交錯雙向變流器的PWM占空比，跟蹤光伏單元及負載的功率變化，通過對儲 能蓄電池的充放電控制，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平滑。
[0007] 所述四相交錯雙向變流器單相輸出功率為系統(tǒng)平滑輸出y，變流器單相PWM占空比 為控制變量u，四相交錯雙向變流器單相電感電流為平滑狀態(tài)變量X，即：
[0008]
[0009]四相交錯雙向變流器各相在相位上互差90°，設計電流內(nèi)環(huán)控制器為：
[0010]
[0011 ]其中：VB為蓄電池端電壓，PBK為四相交錯雙向變流器K相輸出功率，iBK為四相交錯 雙向變流器第K相電感電流，vBus為直流母線電壓，dBK為四相交錯雙向變流器K相變流器占空 比，L BK為四相交錯雙向變流器K相變流器輸入電感，ru(為LBK串聯(lián)電阻，代表每相變流器模塊 的靜態(tài)損耗，K = l、2、3、4。
[0012] 所述功率外環(huán)反饋控制律為：
[0013]
[0014] 式中:Kkl、Kk2(k=l. . .4)為控制器參數(shù);yref為功率y的參考值，f、分別為功率 y、yrrf的導數(shù)，功率外環(huán)得到的四相交錯雙向變流器單相輸出功率的導數(shù)即為電流內(nèi)環(huán)非 線性微分平滑控制器的輸入。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，基 于非線性平滑可微控制方法設計內(nèi)環(huán)電流環(huán)，從穩(wěn)定性角度出發(fā)，有效解決傳統(tǒng)控制方法 基于小信號模型產(chǎn)生的穩(wěn)定裕窄、自由度小的問題，靜/動態(tài)控制性能優(yōu)，對功率變化范圍 寬、負載大擾動的應用對象具有較強的抗擾能力。該方法的提出為可再生能源與儲能裝置 間的協(xié)調(diào)控制及非線性變流器的穩(wěn)定控制提供了簡單可行的解決方案。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)主電路圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明儲能四相交錯雙向變流器非線性平滑可微功率控制回路圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)直流母線電壓波形圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)光伏單元輸出功率波形圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)儲能電池輸出功率波形圖；
[0021 ]圖6為本發(fā)明分布式光儲直流供電系統(tǒng)系統(tǒng)總功率波形圖。
【具體實施方式】
[0022] 分布式光儲直流供電系統(tǒng)主要由光伏單元、儲能蓄電池、變流器及負載構(gòu)成，如圖 1所示。實現(xiàn)光儲協(xié)調(diào)控制的變流器設計為四相交錯開關方式，其中：考慮輸出功率諧波需 求和經(jīng)濟性要求，光伏單元通過四相交錯升壓變流器并接入直流母線，上橋臂采用二極管， 下橋臂采用IGBT;儲能蓄電池通過四相交錯雙向變流器接入直流母線，上、下橋臂皆為 IGBT。儲能蓄電池組的四相交錯雙向變流器當下橋臂進行PWM調(diào)制，上橋臂關斷時，電路處 于Boost放電狀態(tài)；當上橋臂進行PWM調(diào)制，下橋臂關斷時，電路處于Buck充電狀態(tài)。光伏、儲 能兩變流器并聯(lián)運行，利用儲能蓄電池適時的充放電控制，實現(xiàn)光伏發(fā)電輸出功率的平滑 與負載需求的快速響應。
[0023] 儲能蓄電池放電時，圖1中四相交錯雙向變流器上橋臂開關Sbk(K=1-_4)輪流導通 V2弧度，下橋臂開關SmT作為二級管續(xù)流;儲能蓄電池充電時，開關SmT輪流導通V2弧度， 開關Sbk作為二級管續(xù)流，由此可得儲能蓄電池非線性四相交錯雙向變流器Boost狀態(tài)數(shù)學 模型為：
[0024] (1) 、 <·." ./(:=1.
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[0025] Buck狀態(tài)數(shù)學模型為：
[0026]
(2)
[0027]式中：VB為蓄電池端電壓，iBK為儲能變流器第K相電感電流，vBus為直流母線電壓， dBK為儲能變流器K相變流器占空比，C為直流母線輸出電容值，Ru>ad為負載等值電阻，L BK為儲 能變流器K相變流器輸入電感，ru(為LBK串聯(lián)電阻，代表每相變流器模塊的靜態(tài)損耗。
[0028] 定義每相變流器模塊輸入功率為：
[0029] pbk = vb · ?βκ(Κ=1. . .4) (3)
[0030] 對儲能蓄電池四相交錯雙向變流器功率方程式(3)進行求導，可得：
[0031]
(4)
[0032] 式中：PBK為四相交錯雙向變流器K相輸出功率?？紤]儲能蓄電池端口電壓近似不 變，式(4)可寫為：
[0033]
(5)
[0034] 選擇四相交錯雙向變流器單相輸出功率為系統(tǒng)平滑輸出y = [yi，y2，y3，y4]，變流 器單相PWM占空比為控制變量11=[11 1，112，113，114]，儲能變流器單相電感電流為平滑狀態(tài)變量 X = [XI，X2，X3，X4]，即：
[0035]
.(6)
[0036] 四相交錯雙向變流器各相在相位上互差90°，由式（1)、（4)、（5)及(6)設計電流內(nèi) 環(huán)控制器為：
[0037]
[0038]現(xiàn)以一相為例進行分析，其他三相在相位上互差90°獲得，則由式(3)可得：
[0039]
(7)
[0040] 由式(1)、（3)及式(4)-(5)得控制變量為：
[0041]
(8)
[0042] 由式（7)、（8)可知，狀態(tài)變量和輸入變量也可由平滑輸出及其有限階導數(shù)直接表 示，依據(jù)微分平滑理論，可得該儲能蓄電池變流器放電過程為一平滑系統(tǒng)。同理，可以證明 儲能蓄電池變流器充電過程也具平滑特性。所以非線性儲能蓄電池四相交錯雙向變流系統(tǒng) 為平滑系統(tǒng)。
[0043] 若控制輸入功率參考值為yiref( =PBlref)，跟蹤誤差為ei = yi-yiref，設計反饋控制 環(huán)：
[0044] " ^ "， (9)
[0045] 可得控制律為：
[0046]
"， (1〇)
[0047] 式中：τ為在時間區(qū)間[0，t]上的積分變量。對式(10)兩邊求導得：
[0048]
(11)
[0049] 需滿足期望特征多項式：
[0050] p(s) =s2+2| ω ns+ ω n2 (12)
[0051] 式中：Kn、K12為控制器參數(shù)。比較式（11)與期望特征多項式（12)，可得最優(yōu)控制器 參數(shù)Κιι = 2ζ ωη，Κ?2= ωη2,其中ζ和ωη是期望阻尼比和固有頻率。
[0052]將式（10)代入式(8 )，可得閉環(huán)靜態(tài)反饋占空比dB1方程，即放電時系統(tǒng)可逆動態(tài)方 程：
[0053] (13) tShS.
[0054] 分布式光儲直流供電系統(tǒng)非線性平滑可微控制框圖如圖2所示，光伏單元設計極 值搜索法最大功率跟蹤策略，實現(xiàn)最大功率PPVm ax輸出，與負載所需要功率PLcmdref比較后得 到的功率差值作為儲能四相交錯雙向變流器功率控制的參考值，根據(jù)線性反饋控制律得到 反饋量，利用系統(tǒng)的平滑特性得到儲能變流器的PWM占空比d BK，跟蹤光伏單元及負載的功率 變化，通過對儲能蓄電池的充放電控制，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平滑。
[0055]設計功率外環(huán)反饋控制律為：
[0056]
[0057] 式中：Kkl、Kk2(k=l. . .4)為控制器參數(shù);yref為功率y的參考值，功率外環(huán)得到的四 相交錯雙向變流器單相輸出功率的導數(shù)即為電流內(nèi)環(huán)非線性微分平滑控制器的輸入。
[0058] 為了驗證分布式光儲直流供電系統(tǒng)非線性平滑可微控制方法的正確性和有效性， 在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)進行建模與仿真研究。光伏單元參數(shù)、儲能蓄電池參數(shù)、 控制系統(tǒng)參數(shù)分別如表1光伏單元參數(shù)、表2儲能蓄電池參數(shù)、表3系統(tǒng)參數(shù)所示。由于光照 對輸出功率的影響遠大于溫度對輸出功率的影響，且溫度變化緩慢，仿真忽略溫度對輸出 功率的影響，著重分析太陽光照劇烈變化導致光伏系統(tǒng)輸出功率階躍變化情況。
[0059] 仿真時，設置溫度T = 2 5 °C，光照初始值為10 0 0 W / m2，在t = 4 s時光照突然增至 1300W/m2，t = 8s受云層的影響光照急劇降至600W/m2。負載功率與光伏單元輸出在同一時刻 發(fā)生階躍變化。
[0060] 表 1
[0066] 圖3為直流母線電壓波形，圖4為光伏單元輸出功率波形，圖5為儲能電池輸出功率 波形，圖6為系統(tǒng)總功率波形。由圖3-圖6可知，在t = 2s~4s時負載功率需求Pkdref為600W， 光伏輸出功率PPV為1200W，儲能蓄電池為充電模式，充電功率PB(charge)為600W。
[0067] l)t = 4s時負載需求功率Pkdref從600W階躍上升至1200W，由于光照突然增加導致 光伏輸出功率Ppv_x由1200W增至1600W，儲能系統(tǒng)快速響應系統(tǒng)功率變化，通過控制儲能變 流器電流調(diào)整充電功率PB (charge)至400W。
[0068] 2)t = 8s時負載需求功率Pkdref從1200W階躍下降為600W，同時光伏輸出功率PPVmax 由1600W減至600W，光伏輸出功率剛好滿足負載需求，儲能系統(tǒng)主要用于平滑光伏單元輸出 的功率波動。
[0069]仿真結(jié)果圖3-圖6表明：分布式光儲直流供電系統(tǒng)非線性平滑可微控制方法可完 成儲能變流器的快速充電控制，與光伏單元輸出功率實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，補償光伏-負載功率需 求缺口，確保存在光照及負載突變情況下，系統(tǒng)依然能夠保持直流母線電壓平穩(wěn)，輸出功率 平滑。
【主權(quán)項】
1. 一種分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，其特征在于，光伏單元和儲能蓄 電池通過各自的變流器并聯(lián)接入直流母線上;光伏單元的變流器為四相交錯升壓變流器， 上橋臂采用二極管，下橋臂采用IGBT，四相交錯升壓變流器采用最大功率跟蹤法實現(xiàn)最大 功率p PVmax輸出；儲能蓄電池的變流器為四相交錯雙向變流器，上、下橋臂均為IGBT，光伏單 元輸出的最大功率PPVm ax與負載所需要功率PUmdrrf比較得到的功率差值作為四相交錯雙向 變流器功率控制的參考值，四相交錯雙向變流器采用內(nèi)外雙閉環(huán)控制，功率外環(huán)反饋控制， 實現(xiàn)儲能蓄電池參考功率的快速跟蹤，電流內(nèi)環(huán)利用儲能蓄電池充放電的平滑特性得到四 相交錯雙向變流器的PWM占空比，跟蹤光伏單元及負載的功率變化，通過對儲能蓄電池的充 放電控制，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平滑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，其特征在于，所述 四相交錯雙向變流器單相輸出功率為系統(tǒng)平滑輸出y，變流器單相PWM占空比為控制變量U， 四相交錯雙向變流器單相電感電流為平滑狀態(tài)變量X，即：其中：VB為蓄電池端電壓，PBK為四相交錯雙向變流器K相輸出功率，iBK為四相交錯雙向 變流器第K相電感電流，vBus為直流母線電壓，dBK為四相交錯雙向變流器K相變流器占空比， Lbk為四相交錯雙向變流器K相變流器輸入電感，ru(為Lbk串聯(lián)電阻，代表每相變流器模塊的 靜態(tài)損耗，K = l、2、3、4。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，其特征在于，所述 功率外環(huán)反饋控制律為：式中：Kkl、Kk2(k=l. . .4)為控制器參數(shù);yref為功率y的參考值，夕、Srre/分別為功率y、 yref的導數(shù)，τ為在時間區(qū)間[0，t]上的積分變量，功率外環(huán)得到的四相交錯雙向變流器單相 輸出功率的導數(shù)即為電流內(nèi)環(huán)非線性微分平滑控制器的輸入。
【文檔編號】H02J1/14GK105896520SQ201610409913
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】王育飛, 薛花, 李海霞, 胡英俊
【申請人】上海電力學院