一种直流微电网直流电压波动同步消除系统及方法

摘要

本发明公开了一种直流微电网直流电压波动同步消除系统及方法，包括：直流微电网中位于不同位置的单相交流负荷、DC‑AC变换器、通讯通道、主控制器和从控制器；每一个单相交流负荷均连接与其相对应的DC‑AC变换器，所述DC‑AC变换器连接同一条直流母线，每一个DC‑AC变换器均由控制器独立控制；所述控制器之间能够通过通讯通道进行通信。本发明有益效果：在不增加其他功率装置的基础上，减小直流微电网中大量单相交流负荷对直流电压的影响，改善直流微电网的电能质量。

说明书

技术领域

本发明涉及直流配电网电压纹波消除技术领域，尤其涉及一种直流微电网直流电压波动同步消除系统及方法。

背景技术

近年来，随着新能源和电力电子技术的发展，现有的低压交流电网将面临分布式能源的接入、电力电子负载接入、潮流控制复杂化、稳定性、经济性等诸多挑战，直流微电网逐渐显现其优势，典型的直流微电网结构如图1所示。分布式电源的应用使传统的配电网扩展出了发电的功能。分布式电源主要有储能电池、光伏电池、风力发电机等，将这些分布式电源接入交流电网的电力电子装置控制复杂、成本高，而接入直流微电网只需简单的DC-DC变换器或AC-DC变换器，控制简单，稳定性高。同时，随着负载形式的改变，越来越多的负载需要直流供电，例如数据中心、电动汽车充电站、LED照明、变频电机等，接入传统交流电网需使用AC-DC变换装置，而接入直流微电网只需简单的DC-DC装置。与交流电网相比，直流微电网的电能质量只取决于直流电压，控制简单。因此，直流微电网是未来低压电网领域的重要发展方向。

当直流微电网中存在大量的单相交流负荷时，由于单相功率存在二次波动，会造成直流电压的较大波动。为减小直流电压的波动，现有方法提出增加直流电容的方案，但所使用电容容值较大，电容成本高，且电容寿命受环境影响较大，降低了直流微电网系统的可靠性。

也有文献提出可通过改进并网控制器的控制方法来减小直流电压波动，该方法在二次波动频率较小时有一定效果，但当二次波动频率较高时，由于该方法控制带宽有效，无法减小直流电压波动。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种直流微电网直流电压波动同步消除系统及方法,该系统及方法无需增加额外的功率器件，无需改变直流电网的控制参数，仅需增加简单的通讯装置或利用直流微电网中现有的通讯装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流微电网直流电压波动同步消除系统，包括：直流微电网中位于不同位置的单相交流负荷、DC-AC变换器、通讯通道、主控制器和从控制器；

每一个单相交流负荷均连接与其相对应的DC-AC变换器，所述DC-AC变换器连接同一条直流母线，每一个DC-AC变换器均由控制器独立控制；所述控制器之间能够通过通讯通道进行通信；

设定主控制器和从控制器，所述主控制器接收所有从控制器发送的参数，计算出能够让直流微电网电压波动最小时的每个DC-AC变换器分组信息；主控制器给各个从控制器发送包含分组信息的分组信号和调整信号，控制从控制器交流参考电压的相位，进而控制相应的DC-AC变换器的输出。

进一步地，所述从控制器将与其连接的DC-AC变换器的输出视在功率和频率参数通过通讯通道发送给主控制器。

进一步地，所述通讯通道为直流微电网中现有的通讯通道，或者单独装设的通讯通道。

一种直流微电网直流电压波动同步消除系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)从所有的DC-AC变换器的控制器中设定其中一个控制器作为主控制器，其余DC-AC变换器的控制器作为从控制器m(m＝2,…,N)；

(2)从控制器分别获取所控制DC-AC变换器的输出视在功率S_m和频率f_m；并将获取的参数发送至主控制器；

(3)主控制器接收从控制器发送的参数，并结合自己所控制的DC-AC变换器的输出视在功率S₁和频率f₁，计算出让直流微电网电压波动最小时的每个DC-AC变换器的分组信息；

(4)主控制器将计算出的分组信息发送给从控制器，从控制器接收并识别出是分组信息，并将相位值存储；

(5)主控制器每隔设定时间向从控制器发送一次调整信号，从控制器接收并识别出是调整信号，并立刻根据步骤(4)中存储的分组信息计算并调整交流参考电压的相位。

进一步地，所述步骤(3)中，计算出让直流微电网电压波动最小时的每个DC-AC变换器的分组信息的方法具体为：

(2-1)根据频率f_m将N个DC-AC变换器分成W组，频率相同的变换器一组，每一组变换器的总数量定义为L_u(u＝1,…,W)，且满足：所有组DC-AC变换器数量的总和为N；

(2-2)将本组DC-AC变换器再分成两组，数量分别记为L_u1和L_u2，让两组DC-AC变换器的视在功率和S_sum1，S_sum2尽量接近。

进一步地，所述步骤(2-2)中的分组方法具体为：

(a)将本组的视在功率相加，计算出视在功率总和的一半S_sum/2；

(b)将本组DC-AC变换器按照视在功率从大到小排序；

(c)将经过排序后的视在功率从最小值进行叠加，直至加到第L_u1个视在功率时，所得到的S_sum1最接近S_sum/2；

(d)排序后的前L_u1个变换器为1组，其余变换器为第2组。

进一步地，所述步骤(5)中主控制器每隔设定时间向从控制器发送一次调整信号的具体方法为：

主控制器对应的DC-AC变换器每经过2f₁个瞬时功率周期，在瞬时功率的某个设定相位处发送同步信号。

进一步地，所述步骤(5)中主控制器每隔设定时间向从控制器发送一次调整信号的具体方法为：

(5-a)每个从控制器根据自己收到的分组信息计算出相位角

(5-b)从控制器收到调整信号后，立刻将自己的参考电压相位改成且第一次改变发生在DC-AC变换器输出功率前。

本发明有益效果：

(1)在不增加其他功率装置的基础上，减小直流微电网中大量单相交流负荷对直流电压的影响，改善直流微电网的电能质量。

(2)直流电网直流侧的电容值可以降低，将低直流电网的设备成本，同时增加直流微电网的运行可靠性。

附图说明

图1为直流微电网结构示意图；

图2为直流微电网直流电压波动同步消除系统示意图；

图3为主控制器发送调整信号示意图；

图4为从控制器根据分组信号和调整信号调整交流电压参考值的相位。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种直流微电网直流电压波动同步消除系统，如图2所示，包括：直流微电网中位于不同位置的单相交流负荷、DC-AC变换器、通讯通道、主控制器和从控制器；

每一个单相交流负荷均连接与其相对应的DC-AC变换器，DC-AC变换器连接同一条直流母线，每一个DC-AC变换器均由控制器独立控制；控制器之间能够通过通讯通道进行通信。

单相交流负荷由DC-AC变换器供电，总数为N，且DC-AC变换器连接到同一直流母线。DC-AC变换器的基本工作由其控制器独立控制。

通讯通道可以是直流微电网中的现有的通讯通道，也可以是单独装设的通讯通道，如RS485、电力线载波通讯(PLC)等。

主控制器为其中一个DC-AC变换器中的控制器，主控制器具有DC-AC变换器的基本控制、通讯方法。主控制器可在所有控制器中任意选择，本专利中将主控制器设定为控制器1。

从控制器为除去前述主控制器的其他所有控制器，本专利中控制器2到N为从控制器，其具有DC-AC变换器的基本控制、通讯方法。

设定主控制器和从控制器，主控制器接收所有从控制器发送的参数，计算出能够让直流微电网电压波动最小时的每个DC-AC变换器分组信息；主控制器给各个从控制器发送包含分组信息的分组信号和调整信号，控制从控制器交流参考电压的相位，进而控制相应的DC-AC变换器的输出。

主控制器发送调整信号，从控制器根据调整信号调整交流参考电压的相位。

从控制器将DC-AC变换器运行参数发送给主控制器，该运行参数包括DC-AC变换器输出视在功率、频率，从控制器接收主控制器的分组信号和调整信号，根据分组信号和调整信号确定交流输出的相位，并按此相位控制DC-AC变换器的输出。

直流微电网直流电压波动同步消除系统的具体实现方法如下，包括以下步骤：

(1)从控制器即控制器m(m＝2,…,N)获取所控制DC-AC变换器的输出视在功率S_m、频率f_m。将这些参数发送给主控制器即控制器1。

(2)主控制器接受从控制器发送的参数，并结合自己所控制的DC-AC变换器的输出视在功率S₁、频率f₁，使用自适应计算方法计算出让直流微电网电压波动最小时的每个DC-AC变换器的分组信息。

自适应计算方法的具体步骤为：

(2-1)根据频率f_m将N个DC-AC变换器分成W组，频率相同的变换器一组，每一组变换器的总数量定义为L_u(u＝1,…,W)，且满足：

$>N=\underset{u=1}{\overset{W}{\Sigma }}{L}_u$>

(2-2)对每一组变换器的数据进行如下运算。将本组变换器再分成两组，数量分别记为L_u1和L_u2，让两组变换器的视在功率和S_sum1，S_sum2尽量接近。考虑到算法不能太复杂，采用如下简便计算方式：

(a)将本组的视在功率相加，计算出视在功率总和的一半S_sum/2。

(b)将本组变换器按照视在功率从大到小排序。

(c)将经过排序后的视在功率从最小值进行叠加，直至加到第L_u1个视在功率时，所得到的S_sum1最接近S_sum/2。

(d)排序后的前L_u1个变换器为1组，其余变换器为2组。

(3)主控制器将计算出的分组信息发送给从控制器，从控制器接收并识别出是分组信息，并将相位值存储，具体识别、存储方法为业内公知常识。

(4)主控制器每秒钟发送一次调整信号，从控制器接收并识别出是调整信号，并立刻根据步骤(3)中存储的分组信息计算并调整交流参考电压的相位。

主变换器每经过2f₁个瞬时功率周期，在瞬时功率的某个相位处发送同步信号，应用中具体相位可以改变，为方便说明，本发明中将具体相位设定为0°，如图3所示。

(4-a)每个从控制器根据自己收到的分组信息计算出相位角

(第一组c＝0°；第二组c＝90°)

(4-b)从控制器收到调整信号后，立刻将自己的参考电压相位改成且第一次改变发生在DC-AC变换器输出功率前，之后再收到调整信号时，参考电压相位已经很接近只需进行微小的改变，不会影响DC-AC变换器的正常输出，如图4所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。