基于混合无源控制的变换器并联研究.pdf
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1、第6 0 卷第8 期2023年8 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023基于混合无源控制的变换器并联研究刘卫朋1;2,崔晓锋1.2,侯明宣1.2,吴尚1,2(1.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津30 0 130;2.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室,天津30 0 130)摘要:由于线路阻抗的不同和负载的变化,直流微电网中各功率单元会出现电流分配不均和直流母线电压的波动。针对以上问题,在传统无源控制的基础上增加外部电压闭环和线路阻抗补偿电路,提出了一种
2、将无源控制与PI控制相结合的混合无源控制策略。该方法不仅能快速跟踪负载变化且没有静态误差,而且可以有效地提高由于线路阻抗的不同而引起的并联变换器的输出电流分配精度。通过仿真表明,混合无源控制策略相比于传统的无源控制,在负载发生变化时,直流母线电压可以保持稳定,同时也提高了分流精度。通过搭建硬件在环测试的RT-LAB实时仿真平台,进一步验证了混合无源控制策略的可行性。关键词:直流微电网;混合无源控制;稳定性;分流精度;实时仿真D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.005中图分类号:TM46Research on the parallel connection
3、of converters based onLiu Weipeng,Cui Xiaofeng,Hou Minguan,Wu Shang,1,2(1.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China.2.Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability ofAbstract:Due to
4、the difference between the line impedance and the change of the load,the uneven current distributionand the fluctuation of the DC bus voltage will be generated between the power units in the DC microgrid.In order to solvethe above problems,this paper proposes a hybrid passivity-based control strateg
5、y that combines passivity-based control andPI control.On the basis of traditional passivity-based control,the external voltage closed-loop and line impedance com-pensation circuit are added.This method can not only track the interference quickly without static error,but also effective-ly improve the
6、 output current distribution accuracy of the parallel converter caused by the difference of the line impedance.Simulation shows that,compared with the traditional passive control,the hybrid passive control strategy can keep the DCbus voltage stable when the load changes,while also improving the shun
7、t accuracy.The effectiveness of the control strate-gy is further verified by using the RT-LAB real-time simulation plaform for hardware-in-the-loop testing.Keywords:DC micro-grid,hybrid passivity-based control,stability,shunt accuracy,real-time simulation0引 言近年来,随着世界能源日益枯竭和全球环境日益恶化,国际社会越来越关注以一些清洁能源为
8、主的分布式发电单元。为了实现各种分布式能源的协调运行且有更加高效的控制效率,提高电力系统的稳定性,微电网由国外学者首次提出。微电网可以分为直流微基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 19 4130 3,6 2 0 7 3118,62073117);中央引导地方科技发展资金项目(2 0 6 Z1701G);河北省自然科学基金资助项目(F2020202009);河北省重点研发计划项目(2 0 2 7 18 0 4D)一2 6 一文献标识码:Ahybrid passivity-based controlHebei Province,Hebei University of Technology,Ti
9、anjin 300130,China)文章编号:10 0 1-139 0(2 0 2 3)0 8-0 0 2 6-0 6电网、交流微电网和混合微电网三种系统,直流微电网与交流大电网相连接时运行于并网模式,与交流大电网断开时运行于孤岛模式,直流微电网系统具有较强的灵活性2 3。并且直流微电网的控制目标只有直流母线电压,其控制方法相对简单,控制难度较低且可靠性更高,更加适合分布式电源与负荷之间的连接。直流微电网运行于孤岛模式时,大量分布式能源并联在直流母线上,当负载发生变化,直流母线电压将会发生波动,进而对直流微电网稳定性产生不利影响4。另外,大量电力电子变换器以并联形式连接在第6 0 卷第8 期
10、2023年8 月15日直流母线上且由于线路阻抗的不同,并联变换器会出现电流分配不均,进而导致变换器输出功率分配不均,这严重影响直流微电网的稳定和经济运行5。为了解决由于负载变化而引起的直流母线电压波动问题,国内外学者提出了一系列的控制策略,来提高直流微电网的稳定性6 。针对直流微电网这一非线性系统7 ,传统的线性控制(例如电压闭环、电流闭环、电压电流双闭环)不再满足稳定需求,因此学者们研究出更加先进的非线性控制策略。文献8-9提出利用非线性扰动观测器在控制中引人等量的补偿,实现对干扰的完全抑制,但是扰动观测器的参数不易设置。文献10-11 利用基于非线性控制的滑模控制策略,提高了系统的动态响应
11、和抗干扰能力,但该控制方法使输出的电压纹波较大且需要设计滤波电感,成本较高。文献12 从系统能量的角度出发研究系统的控制问题,将无源控制理论用于变换器控制技术,但是无源控制的初始值设置是固定的,在负载发生扰动时,无法恢复到设置的初始值。为了提高并联变换器输出电流分配精度问题,最简单的是下垂控制3,但是下垂控制的输出电流分配精度和直流母线电压之间存在固有矛盾。文献14在传统下垂控制的基础上,提出一种改进自适应下垂控制的新策略,通过变换器输出电压电流均值来进行功率的均衡,降低了直流母线电压的波动。基于以上控制策略的不足,文中提出一种将无源控制与PI控制相结合的混合无源控制策略,用无源控制器代替传统
12、的PI电流内环,中间环仍为PI电压环,最后在外环增加线路阻抗补偿环,确保系统不仅可以快速跟踪负载波动且没有静差,而且还可以基本上提高由线路阻抗的差异产生的变换器输出电流分配精电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation直流母线交流电网光伏电池分风力电机11燃料电池图1典型直流微电网结构图Fig.1Typical DC micro-grid structure diagramLiLlVDIHGBT,CS1VoILi2Rling2VD2+HTGBT.CVo2图2 Boost变换器并联电路图Fig.2 Boost converter parallel cir
13、cuit diagram将图2 电路经过戴维宁等效定理,变换器的输出端可用电压源串联电阻代替,得到图3电路图。RRlineliolio2Rline2R2+Vol.60 No.8Aug.15,2023超级电容储:蓄电池直流负载负载交流负载Rlinel+RVbus+Vs1度。最后,通过建立半实物仿真平台,在RT-LAB中验证了控制策略的可行性。1直流微电网系统结构及建模1.1直流微电网系统结构典型的直流微电网结构如图1所示成。其中直流母线通过双向DC-AC变换器与交流大电网相连;光伏电池、风力电机和燃料电池等分布式能源作为发电单元为直流母线供电;超级电容和蓄电池构成储能单元经双向DC-DC变换器并
14、联连接在直流母线侧来补偿分布式能源的不稳定性和随机性15;最后,大量直、交流负荷(电动汽车、电子消费负载等)用以消耗微电网系统中的能量i1.2变换器并联分析使用两个Boost变换器并联进行分析,为了简化分析用电阻代替母线的位置,母线电压相当于负载两端电压,电路如图2 所示。RVbusVo1Vo2变换器变换器2图3Boost变换器并联简化电路图Fig.3SSimplified circuit diagram of Boostconverters in parallel图3中各物理量及其代表含义如表1所示。由基尔霍夫定律可知:Uol-io Rinel-ioR=OLo2-io2Rime2-ioR=0
15、由上式可以推出ioi和io2的表达式为:(Rine2+R)Vo1-Rvo2(Rinel+R)Vo2-Rvo1(1)(2)一2 7 一第6 0 卷第8 期2023年8 月15日表1图3中各物理量及其代表含义Tab.1 Physical quantities and their representativemeanings in Fig.3物理量代表含义V.l变换器1等效电压源电压R变换器1等效输出阻抗Vol变换器1输出端电压Rlinel变换器1线路阻抗io1变换器1输出电流负载R为了解决文章所提出的由线路阻抗不同和负载变化所引起的稳定性问题,这里假设两台变换器是完全相同的,即两变换器电容两端电压
16、Voi和Vo2相同,则两台变换器的输出电流比的关系为:ioli02由此可见,变换器的输出电流与线路阻抗成反比关系。由于线路阻抗Rinel和Rine2不同,必然导致两个变换器输出电流不相等。设两变换器电流差值为ic,那么,有:ic=iol-io2同时,线路阻抗的存在使得直流母线电压降落A有:Au;=io:Rinei i=1,2从上述分析可以看出,在直流微电网中,变换器到直流母线之间存在的线路阻抗会使得直流母线电压的降落,并且因为线路阻抗的不同会造成变换器分流精度降低。2混合无源控制策略的设计提出一种混合无源控制策略,在传统无源控制的基础上与PI电压电流双闭环相结合,无源控制作为内部电流环,PI控
17、制为中间电压环,最后在外环增加线路阻抗补偿回路。外部电压环路需要交换有关相邻转换器的信息。当多个转换器并联时,仅需要相邻变换器的信息。变换器控制框图如图4所示。2.1电流环设计文中的电流环采用无源控制器,可以使电感电流和输出电压更快的达到稳定值,进而使系统更加快速地趋于稳定。根据变换器的状态空间方程,可以设计变换器的无源控制器17 。Boost变换器的状态空间方程如下:di=V,-(1-D)vcdtduc(1-D)i-rCdt28一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation变换器1PWM无源控制器元电压环Vrefinew物理量代表含义V2变换器2
18、等效电压源电压R2变换器2 等效输出阻抗Vo2变换器2 输出端电压Rine2变换器2 线路阻抗i02变换器2 输出电流Ubus直流母线电压Rrinel(3)(4)(5)(6)Vol.60 No.8Aug.15,2023PI控制器Iief.电流环iRnew!iol-阻抗补偿io2-Rnew2;Vef补偿环refne2!PWM无源控制器PI控制器电压环电流环变换器2图4变换器控制方法框图Fig.4Block diagram of converter control method选择电感电流和电容电压c为状态变量,电容电压c也就是负载两端电压vo。则式(6)可以写作:Ax+(1-D)Bx+Rx=U(
19、7)式中,xx=LX200R10R令=x+,其中设为误差,x为系统平衡点的期望值,得到如下公式:A(x+)+(1-D)B(x+)+R(x+&)=U在式(8)中添加虚拟阻抗矩阵R.x,因为变换器的负载为纯阻性负载,所以只需设置一个虚拟电阻即可,即:Rid01Rd00其中:x=x-x将R.x代人到式(8)得:Ax+(1-D)Bx+Rx+Rx=U-D)Bx+Rx-Rax 取无源控制器为:U=Ax+(1-D)Bx+Rx-Rx线路阻抗补偿环1一io1:7i02:线路阻抗一LRAx+(1-(11)(12)1101(8)(9)(10)第6 0 卷第8 期2023年8 月15日系统误差能量函数为:AH(x)=
20、2对能量函数H(x)求导得:H()=-(1-D)Bx+x(R+R,)=-m+n(14)因为式中B为反对称矩阵,m=0,R和R.又为正定对角阵,所以n0。由李雅普诺夫稳定性定理可以得知,系统误差x=0是一个渐进稳定的点,可以得到系统的无源控制律,将式(7)中各矩阵代入到式(12),得:011L+(1-D)0Rid010Lit+(1-D)V。-R i a(i t -i t)=V.ci-(1-D)it+R式中,讠为系统电感电流期望值,根据Boost的内部特性,当电感电流被选为反馈量时,原系统为最小相位系统,是渐进稳定的。计算得到控制器的输人输出关系式分别如下:D=1-DV,+(it-it)RidRi
21、dC(V,-(1-D)。)RL1(1-D*)R以上为使用无源控制的电流内环控制律,由于Boost电路的数学模型可以准确获得,所以上述控制闭环既可以使电流快速跟踪负载的变化,又可以使输出电压稳定在期望值。但是由于直流微电网中负载的随机性和波动性,无源控制会产生一定的静态误差,同时由于线路阻抗的存在,会造成变换器分流精度较低和直流母线电压降落。2.2电压环设计电压环采用PI控制器,将变换器的输出电压作为反馈量,若不考虑线路阻抗,则变换器的输出电压为直流母线电压,与期望输出电压进行比较,在经过PI调节器得到电流的变化量,补偿到控制器中,从而消除直流母线电压在负载波动时的稳态误差。当负载发生变化时,产
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