一种全光伏双极直流电网分布式协调模量控制方法

1.本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其是一种全光伏双极直流电网分布式协调模量控制方法。


背景技术：

2.交流电网的配电和输电在如今的电网市场中应用十分广泛，占据着主导地位。由于电力系统的送端和终端都为交流电网服务，因此在过去几十年的发展中并没有十分经济的直流转换器。然而，交流电网中化石能源的大量使用十分不利于环境保护的要求，并且存在直流负载不能直接连接、需要更多的功率转换级、频率和相位同步困难等缺点。因此，随着分布式发电和电池存储技术在电网中的蓬勃发展，由可再生能源、储能和负载组成的直流电网在使用分布式可再生能源方面将更加高效可靠。
3.在直流电网领域，可以根据直流总线的数量把与直流零碳建筑集成的直流电网分类为单机直流电网和双极直流电网。结构上，双极直流电网系统与单极相比多一条中性母线。因此，双极直流电网具有更多的电压水平、整体功率转换效率高、结构稳定、使用的直流零碳建筑多等优点。尽管与直流零碳建筑集成的双极直流电网具有以上优势，但不平衡电压的存在将导致电压和电流扰动，并进一步增加系统功率损耗，加速器件老化。因此，采用适当的方法来改变双极直流电网中的不平衡电压具有重要意义。
4.现阶段，双极直流电网电压的最佳运行主要通过采用柔性电子设备或新的控制拓扑来实现。在采用柔性电子设备方面，可以引入具有直流转换器功能的电压平衡器结构来获得更大的转换比，所提出的电压平衡器也可以用作快速充电器，从而能够处理具有大电压差的电路中的降压和升压应用。然而，这种设计中的输出功率总是小于不平衡功率，使其难以适当地响应直流负载的变化。在使用新的控制拓扑方面，可以使用基于模糊算法的自适应下垂控制来抑制多双极直流电网中的不平衡电压，然而这一方法没有考虑模数电压控制，不利于解决线路耦合问题。此外，可以在双极直流配电系统的pi控制和电压降控制中引入模数变换，从而能够解决双极直流网络中线路耦合时的控制参数设计问题，提高控制系统的动态性能，校正中性线的电压降。但是目前的研究中没有将直流零碳建筑视为直流电网的一个单元，也没有采用直流零碳建筑来调节双极直流电网中的不平衡电压。综上所述，为了实现双极直流电网中正负电压的协同控制，需要提出一种基于共模电压和差模电压的控制系统来实现电压控制，从而综合调整电压不平衡系数和电压偏差，提高系统的运行效率和电能质量。


技术实现要素：

5.针对当前双极直流电网中存在的电压不平衡问题，本发明提供一种集成有电力弹簧的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制方法。
6.本发明提供的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制方法，步骤如下：
7.s1、将集成有电力弹簧的光伏阵列发电模块通过dc/dc变换器升压并联接入到直
流母线，以构建成全光伏双极直流电网的模型。
8.s2、通过采集全光伏双极直流电网的正、负极的电压和电流经过pi控制和pwm模块以组成全光伏双极直流电网中的电压环控制和电压下垂控制。
9.电压环控制的输入为正负极电压和电流，经过模量变换后得到差模电压和共模电压，电压下垂控制结构中的参考电压为差模电压和共模电压，并经过pi控制获得占空比。
10.电压环控制中的模量变换到电流环的模量变换，其中t表示从正负极电流变换成模量电流的过程；模量变换t-1
表示从模量电流变换成正负极电流的过程，即模量变换t的逆过程。
11.s3、综合s1、s2构造带有光伏-电力弹簧模块的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制；具体是：基于模数电压控制和传统正负电压控制的组合控制结构，采用共识算法开发差模和共模电压的分布式控制系统，该控制系统收集每个节点的差模电压和共模电压作为状态变量，然后应用共识算法以确保平均值恒定。
12.共模电压和差模电压构建方式为：
[0013][0014]
其中，v
01
、v
02
是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的共模电压，v
11
、v
12
是全光伏双极直流电网的节点1和2的差模电压；v
sp1
、v
sp2
是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的正极电源电压；v
sn1
、v
sn2
分别是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的负极电源电压。
[0015]
全光伏双极直流电网的母线电流关于模量电压的模型为：
[0016][0017]
其中，i
p
、in和im分别是正极母线电流、负极母线电流和中线电流，r
l
是线路电阻。
[0018]
全光伏双极直流电网采用稀疏网络实现通信功能，并根据分布式协调控制，得到修正后的电流的数学模型表示如下：
[0019][0020]
其中，ki、ii、δii分别是第i个节点的电流共享比例系数、输出电流、修正电流，b1、a
ij
分别是正增益系数、节点i和节点j之间的通信权重，ij是第j个节点的输出电流，kj第j个节点的电流共享比例系数。
[0021]
所述dc/dc转换器由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管和电容器构成，能提高光伏发电模块的输出电压，光伏发电模块经dc/dc转换器升压并连接到直流母线。所述dc/dc转换器输出电压的数学模型表示如下：
[0022]
ui＝v
ref
+δii+δu
i-ciii[0023]
式中ui、δui分别是第i个节点的输出电压、修正电压，v
ref
是直流参考电压，ci是虚
拟电阻，ii是第i个节点的输出电流，δii是第i个节点的修正电流。
[0024]
本发明的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法基于下述的控制系统来实现：
[0025]
所述控制系统的组成包括光伏阵列发电模块、光伏-电力弹簧模块、dc/dc转换器以及电池储能系统。
[0026]
所述光伏阵列发电模块作为系统的分布式电源主要是由多组单个光伏发电板串联而成，经dc/dc变换器升压并连接到直流母线，此种连接方式下光伏组件的损耗低，提高了光伏阵列发电模块效率。
[0027]
所述光伏-电力弹簧模块是一种电力弹簧嵌入光伏阵列发电系统的模块，可以随着发电量的变化而变化，能有效缓解太阳能等新能源发电的间歇性和不稳定性的问题，并减少能量存储配置的容量。
[0028]
所述电池储能系统是一种由蓄电池和并联电压型变流器构成的能量存储，系统用于双极直流电网的能量管理调节，通过光伏-电力弹簧模块和电池储能系统的协调，储能系统的大小和建造花费能得到有效减少。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0030]
本发明的方法可以减少与直流零碳建筑集成的双极直流电网正负极之间的耦合，并利用直流零碳建筑来调节双极直流电网的电压不平衡系数和电压偏差；首先构建一种新的光伏和直流电力弹簧相结合的配置，该新配置充分考虑了光伏、储能和负载的能量管理，可以有效降低储能容量以减少预算；当新的配置单元集成到双极直流电网中时，提出来一种基于模电压的直流电力弹簧的分布式协同控制策略；在所提出的控制下，双极直流电网的电压不平衡系数和电压偏差可以被有效控制，以达到对正负极电压的调控效果，进而提高系统的运行效率和电能质量。
[0031]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例提供的一种集成有电力弹簧的全光伏双极直流电网拓扑结构示意图。
[0033]
图2为本发明实施例提供的电压环控制和电压下垂控制结构示意图。
[0034]
图3为本发明实施例提供的模量控制结构示意图。
[0035]
图4为本发明实施例提供的传统下垂控制和提出的模量控制之间的正负极电压仿真结果对比示意图。
具体实施方式
[0036]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]
在双极直流电网中，不平衡电压的存在会导致系统电压和电流扰动，进一步会增加功率损耗，加速器件老化。因此对双极直流电网采用分布式协调模量控制方法可以综合调整电压不平衡系数和电压偏差，有效提高系统的运行效率和电能质量。
[0038]
如图1-4所示，本发明提供的集成有电力弹簧的全光伏双极直流电网分布式协调模量控制方法，包括如下步骤：
[0039]
s1：构建由线路中集成有电力弹簧的全光伏双极直流电网的模型。如图1所示，是本实施例提供的一种集成有电力弹簧的全光伏双极直流电网拓扑结构示意图。
[0040]
s2：构建全光伏双极直流电网中的电压环控制和电压下垂控制，结构见图2所示。
[0041]
s3：综合s1、s2构造带有光伏-电力弹簧模块的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制。
[0042]
本发明提出来的电压控制的主要任务是收集系统的每个节点的差模电压和共模电压作为状态变量，然后应用共识算法以达到平均值恒定的目的。
[0043]
本实施例是这样实现的：
[0044]
如图2所示，全光伏双极直流电网中的电压环控制和电压下垂控制结构中，电压环控制的输入为正负极电压和电流，经过模量变换后得到差模电压和共模电压；电压下垂控制结构中的参考电压为差模电压和共模电压，并经过pi控制后获得占空比。其中，模量变换t表示从正负极电流变换成模量电流的过程；模量变换t-1
表示从模量电流变换成正负极电流的过程，即模量变换t的逆过程。
[0045]
所述协调模量控制，具体是：基于图2所述的模数电压控制和传统正负电压控制的组合控制结构，采用共识算法开发差模和共模电压的分布式控制系统。该控制系统的基本思想为收集每个节点的差模和共模电压作为状态变量，然后应用共识算法以确保平均值恒定。
[0046]
由于阻尼可以缓解振荡，因此可以用虚拟电阻来提高系统的稳定性和暂态性能。图3显示了与直流低碳建筑集成的双极直流电网的控制方案，每个逆变器的输出模电压为：
[0047][0048]
其中u
jp
,u
jn
和i
jp
,i
jn
分别是正、负电压和电流，δu
j1
,δu
j0
和δi
j1
,δi
j0
分别是差模、共模校正电压和电流，v
1ref
和v
0ref
分别是参考差模电压和共模电压，δu
jp
和δu
jn
分别是正校正电压和负校正电压，cj是虚拟电阻，t表示从正负电压和电流变换到共模和差模的电压和电流，也就是代表模量变换。
[0049]
然后，应用稀疏网络在集成有电力弹簧的多节点全光伏双极直流电网中实现通信功能，并根据分布式协调控制，得到修正后的电流的数学模型表示如下：
[0050][0051]
上下两个公式分别表示节点i和节点j的修正后的电流的数学模型。其中，kj，b1和a
ij
分别是电流共享比例系数、正增益系数和通信权重，当节点i和j之间存在通信交换时，aij
》0；当节点i和j之间不存在通信交换时，a
ij
＝0。
[0052]
然后，上述等式的矩阵形式为：
[0053]
δj＝-b1∫klkidt
[0054]
其中δj＝[δ1,δ2…
δn]
t
,k＝diag{1/ki},l是通信结构的拉普拉斯矩阵，i表示电流。
[0055]
为了获得负载的校正电压，给出了电压调节：
[0056][0057]
其中b2是附加增益因子。为了提高可靠性并降低通信成本，需要两个或三个分布式发电机来调节电压。
[0058]
然后，根据上述公式，得到电压表示为：
[0059][0060]
其中c＝diag{ci}。1n是列向量，表示所有元素都是1。
[0061]
在稳态下，电压可以表示为：
[0062][0063]
其中0n是n维零矩阵。
[0064]
根据上述分析，电压和电流满足等式：
[0065][0066]
从上述等式可以看出，并非所有的分布式发电机都必须参与电压恢复，这意味着采用几个相邻的分布式发电机来收集负载电压可以降低通信成本。
[0067]
为了对有效性进行验证，在matlab/simulink中构建与直流零碳建筑集成的双极直流电网仿真模型，对本实施例的性能进行验证，结果见图4。
[0068]
验证本发明提出的模数控制对双击直流电网不平衡电压的控制结果。设定在0s-3s阶段，系统仍采用传统的下垂控制；然后，在3s处，系统应用本发明提出的模数一致控制。
[0069]
如图4所示，图中node1-4分别代表节点1-4，图(a)和(b)表示正电压和负电压都在增加，这表示模数控制可以补偿负载电压；图(c)和(d)表明，在所提出的模数控制下，node1-node4的平均差模电压从398v增加到400v，而平均共模电压保持在0v。因此，所提出的模数控制可以补偿负载电压，这说明了其在与直流低碳建筑集成的双极直流电网中的有效性。
[0070]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质
对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制方法，其特征在于，步骤如下：s1、将集成有电力弹簧的光伏阵列发电模块通过dc/dc变换器升压并联接入到直流母线，以构建成全光伏双极直流电网的模型；s2、构建全光伏双极直流电网中的电压环控制和电压下垂控制；电压环控制的输入为正负极电压和电流，经过模量变换后得到差模电压和共模电压，电压下垂控制结构中的参考电压为差模电压和共模电压，并经过pi控制获得占空比；s3、综合s1、s2构造带有光伏-电力弹簧模块的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制；具体是：基于模数电压控制和传统正负电压控制的组合控制结构，采用共识算法开发差模和共模电压的分布式控制系统，该控制系统收集每个节点的差模电压和共模电压作为状态变量，然后应用共识算法以确保平均值恒定。2.如权利要求1所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，共模电压和差模电压构建方式为：其中，v
01
、v
02
是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的共模电压，v
11
、v
12
是全光伏双极直流电网的节点1和2的差模电压；v
sp1
、v
sp2
是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的正极电源电压；v
sn1
、v
sn2
分别是全光伏双极直流电网的节点1和节点2的负极电源电压。3.如权利要求2所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，全光伏双极直流电网的母线电流关于模量电压的模型为：其中，i
p
、i
n
和i
m
分别是正极母线电流、负极母线电流和中线电流，r
l
是线路电阻。4.如权利要求3所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，全光伏双极直流电网采用稀疏网络实现通信功能，并根据分布式协调控制，得到修正后的电流的数学模型表示如下：其中，k
i
、i
i
、δi
i
分别是第i个节点的电流共享比例系数、输出电流、修正电流，b1、a
ij
分别是正增益系数、节点i和节点j之间的通信权重，i
j
是第j个节点的输出电流，k
j
第j个节点的电流共享比例系数。5.如权利要求1所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，步骤s2中，电压环控制中的模量变换到电流环的模量变换，其中t表示从正负极电流变换成模量电流的过程；模量变换t-1
表示从模量电流变换成正负极电流的过程，即
模量变换t的逆过程。6.如权利要求1所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，dc/dc转换器输出电压的数学模型表示如下：u
i
＝v
ref
+δi
i
+δu
i-c
i
i
i
式中u
i
、δu
i
分别是第i个节点的输出电压、修正电压，v
ref
是直流参考电压，c
i
是虚拟电阻，i
i
是第i个节点的输出电流，δi
i
是第i个节点的修正电流。7.如权利要求1所述的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制系统的控制方法，其特征在于，该方法基于下述的控制系统来实现：所述控制系统包括光伏阵列发电模块、光伏-电力弹簧模块、dc/dc转换器以及电池储能系统；所述光伏阵列发电模块由多组单个光伏发电板串联而成，经dc/dc变换器升压并连接到直流母线；所述光伏-电力弹簧模块是一种电力弹簧嵌入光伏阵列发电系统的模块；所述电池储能系统用于双极直流电网的能量管理调节。

技术总结
本发明公开了一种全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制方法，主要步骤：S1、将集成有电力弹簧的光伏阵列发电模块通过DC/DC变换器升压并联接入到直流母线，以构建成全光伏双极直流电网的模型；S2、构建全光伏双极直流电网中的电压环控制和电压下垂控制；S3、综合S1、S2构造带有光伏-电力弹簧模块的全光伏双极直流电网的分布式协调模量控制；具体是：基于模数电压控制和传统正负电压控制的组合控制结构，采用共识算法开发差模和共模电压的分布式控制系统，收集每个节点的差模电压和共模电压作为状态变量，然后应用共识算法以确保平均值恒定。本发明可以有效控制双极直流电网的电压不平衡系数和电压偏差，以达到对正负极电压的调控效果。调控效果。调控效果。


技术研发人员：郭春生 王渝红 廖建权 翟冰杰 刘洋涛 王馨瑶
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/20