[发明专利]一种基于三电平DC-DC变换器的风储双极性直流微电网及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网及其控制方法。直流微电网包括风电单元、储能单元、负荷单元以及双极性直流母线。基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网母线电压分区间运行方法，通过风电单元的风电特性控制与基于下垂特性的限功率控制、储能单元的充放电分离控制配合负荷单元的减载控制，可以实现各区间的平滑切换，调节母线电压和平衡系统功率，确保风储双极性直流微电网稳定运行。本发明采用的双极性直流微电网结构，可以减小母线对地电压，提高系统运行效率，且可满足不同变换器和负荷对各电压等级的要求。

主权项

1.一种基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网的控制方法，其特征在于：设定V_{DC_n}为直流母线电压的额定值，设定V_DC为直流母线电压实际值，设定α₁、α₂、β₁、β₂为运行区间的切换系数，并使得β₂<β₁<α₁<α₂；设定风电单元中V_dc、I_dc分别为风电机组经二极管整流器的直流输出电压和电流，I_L为风机三电平Boost变换器的电感电流，V_dcN、P_dcN分别为实现恒转速控制和恒功率控制时的直流侧电压额定值和直流侧功率额定值；设定储能单元V_sc、I_sc分别为其超级电容器的出口侧电压和电流，V_L1、V_H1、V_L2、V_H2是超级电容器分阶段控制的直流母线电压阈值，并使得V_L2< V_L1< V_H1< V_H2；设定V_c1、V_c2为正负直流母线电压，分别采集风机变换器和储能变换器的两分裂电容电压；基于三电平DC‑DC变换器的风储双极性直流微电网是通过如下控制模式实现的：根据直流母线电压作为风储直流微电网运行控制和状态切换的判断指标，设定了四个运行区间：第1区间为风电单元风电特性控制模式，第2区间为储能单元充放电分离控制模式，第3区间为风电单元下垂特性限功率控制模式，第4区间为负荷单元减载控制模式；第1区间，即当β₁V_{DC_n}≤V_DC≤α₁V_{DC_n}时，处于风电单元风电特性控制模式，将其设置为空闲模式；第2区间，即处于储能单元充放电分离控制模式，根据超级电容器的充放电，该区间又可以分为：区间2‑1：即α₁V_{DC_n}<V_DC≤α₂V_{DC_n}，超级电容器充电，风电单元继续进行风电特性控制，储能单元以充电电流限值为界分为下垂控制和恒流充电控制；区间2‑2：即β₂V_{DC_n}≤V_DC<β₁V_{DC_n}，超级电容器放电，风电单元仍处于风电特性控制，储能单元以放电电流限值为界分为下垂控制和恒流放电控制；第3区间，即V_DC>α₂V_{DC_n}，处于风电单元下垂特性限功率控制模式，将风电单元三电平Boost变换器作为松弛端口来稳定母线电压，通过基于下垂特性的限功率控制减小输入的功率，此时超级电容器持续充电致其端电压达到安全限值，储能单元停止工作并退出运行；第4区间，即V_DC<β₂V_{DC_n}，处于负荷单元减载控制模式，将负荷接口变换器作为松弛端口，按照负荷优先级逐级切除，保证重要负载的供电，此时超级电容器持续放电致其端电压达到安全限值，储能单元退出运行；其中：（1）风电特性控制模式为：当风速小于额定风速时，风电单元进行MPPT控制，通过采集V_dc、I_dc实现；当风速增大至风机达到额定转速时，风电单元进行恒转速控制，通过V_dcN与V_dc作差实现；当风速持续增大至风机达到额定输出功率，风电单元进行恒功率控制，通过P_dcN与V_dc作商实现；（2）储能单元充放电分离控制模式为：当V_L1≤V_DC≤V_H1时，超级电容器处于不动作阶段；当V_H1<V_DC≤V_H2时，超级电容器充电，当V_L2≤V_DC<V_L1时，超级电容器放电，超级电容器处于下垂控制阶段，通过下垂控制方式稳定直流母线电压；当V_DC>V_H2或V_DC<V_L2，超级电容器电流达到限制±I_{sc_limit}，超级电容器处于恒定电流充放电阶段；当处于充电模式，即V_DC升高并超过V_H1时，超级电容器充电，双向变换器开启并处于Buck模式；加入滞环控制器1，使V_DC降低至V_H1‑ΔV_H时，双向变换器停止充电模式，ΔV_H为充电滞环电压；当处于放电模式，即V_DC降低并小于V_L1时，超级电容器放电，双向变换器开启并处于Boost模式；加入滞环控制器2，使V_DC升高至V_L1+ΔV_L，双向变换器停止放电模式，ΔV_L为放电滞环电压；（3）风电单元下垂特性限功率控制模式为：通过α₂V_{DC_n}与V_DC作差，所得到的误差信号通过风电单元下垂控制，得到电感电流参考值I_{L_ref}，与I_L 作差经PI控制器得到占空比信号；上述（1）~（3）的各控制模式均加入中点电位平衡控制，具体设定为：分别采集各单元变换器两电容电压V_c1、V_c2并作差，所得到的误差信号通过PI控制器并限幅，得到电压平衡误差占空比信号，而后与各控制模式得到的占空比信号作和，得到中点电位平衡占空比信号。