一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略的制作方法

本发明属于电力电子技术研究领域，具体涉及一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略。

背景技术

随着城市技术的发展，城市管理水平的提升以及智慧城市概念深入推进，传统配电网规划模式的弊端逐渐暴露出来，特别是城市中心区配电网规划已难以满足现代化城市电网的发展要求，主要表现为现状站点布局不够合理，电力管道紧张，配电自动化发展滞后与城市生态环境不兼容等。城市配电网规划已经进入信息化，全局化，精细化，差异化的发展阶段。多年的电网规划经验表明，电网规划应该依据城市功能区的空间布局划分单元网格。结合区域内发展定位及客户用电需求。如何构建与城市生态建设和城市总体发展布局协同发展的新型配电网形态，成为城市电网精细化管理的全新模式，逐渐得到重视。

相较于传统的采用开关电器的直流配电系统存在着不易实现对电能的连续可控调节，缺乏柔性，开关切换只能够存在于相同电压等级的配电母线之间等诸多问题，本专利提出的新型多端口直流配电系统能够提高配电系统的稳定性和可靠性，提高配电系统的容错性能和持续供电能力，实现各个配电分区之间的电能自动柔性传输。同时将多端口变换器作为配电系统的能量交换中心，通过相应的控制策略保证了每个配电分区的电压在动态调控中始终处于允许的稳定运行范围内，不但显著提升了配电系统的性能，而且能够实现不同电压等级配电分区之间的电能的自动柔性传输。

综上所述，现有技术存在不易实现对电能的连续可控调节、开关切换只能够存在于相同电压等级的配电母线之间等诸多问题。

技术实现要素：

本发明提供的是一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略，设计实现了多端口变换器为能量交换中心的多配电分区电能自动柔性传输的控制策略：

一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略，包括以下步骤：

(1)根据系统具体的性能要求，设计电流控制器gac、gbc、gcc、gdc和电压控制器gau1、gau2、gau3、gbu1、gbu2、gbu3、gcu1、gcu2、gcu3、gdu1、gdu2、gdu3；

(2)根据配电分区各自的稳定状态，设定配电分区a、b、c、d的直流母线稳定运行电压分别为uan、ubn、ucn，udn，设置中间公共端口e稳定运行的直流母线电压上限和下限阈值分别为uhe和ule，且公共端口e中的全桥变换器fbe1和fbe2的驱动信号相位为零相位；

(3)根据电压传感器vsa、vsb、vsc，vsd、vse测得四个配电分区的直流母线电压值ua、ub、uc、ud和公共端口e的直流母线电压ue，将电压ua与设定的配电分区a稳定运行电压uan进行比较，将电压ue与设定的公共端口e的直流母线电压uhe、ule进行比较，得到偏差信号δua1～δua3，将其分别输入电压控制器gau1～gau3，并对电压控制器的输出进行限幅，进而得到ia1～ia3，同理，其他配电分区也进行相应的比较操作，将得到的偏差信号δub1～δub3分别输入电压控制器gbu1～gbu3，对电压控制器的输出进行限幅后得到ib1～ib3，将得到的偏差信号δuc1～δuc3分别输入电压控制器gcu1～gcu3，对电压控制器的输出进行限幅后得到ic1～ic3，将得到的偏差信号δud1～δud3分别输入电压控制器gdu1～gdu3，对电压控制器的输出进行限幅后得到id1～id3；

(4)将信号ia1和ia2经过取小环节mina得到信号iamin，信号ib1和ib2经过取小环节minb得到信号ibmin，信号ic1和ic2经过取小环节minc得到信号icmin，信号id1和id2经过取小环节mind得到信号idmin；

(5)将信号ia3、ib3、ic3、id3分别与信号iamin、ibmin、icmin、idmin进行取大操作，进而得到信号iaref、ibref、icref、idref，iaref、ibref、icref、idref分别作为电流调节器gac、gbc、gcc、gdc的给定信号；

(6)根据电流传感器csa、csb、csc、csd测得四个配电分区的电流ia、ib、ic、id，将电流ia、ib、ic、id分别与信号iaref、ibref、icref、idref进行比较，得到的电流偏差信号δiac、δibc、δicc、δidc作为电流调节器gac、gbc、gcc、gdc的输入信号，电流调节器gac、gbc、gcc、gdc的输出信号则分别作为配电分区a、b、c、d中的全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd与中间公共端口e之间的移相角；

(7)将得到的移相角控制信号分别作为全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd的载波信号的相位，并以幅值为二分之一载波周期的信号作为调制信号用于pwm调制，最终得到用于全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd开关管驱动的脉冲信号；

(8)若系统性能不满足要求，那么返回(2)～(6)步骤，否则退出运行状态。

所述全桥变换器fbe1和fbe2中所有开关管的占空比均为0.5，且同桥臂上下两个开关管处于互补导通模式，桥臂e1和e2之间的移相角固定为180°，桥臂e1和e3之间的移相角为0。

本发明的有益效果在于：

本专利提出的新型多端口直流配电系统能够提高配电系统的稳定性和可靠性，提高配电系统的容错性能和持续供电能力，实现各个配电分区之间的电能自动柔性传输。同时将多端口变换器作为配电系统的能量交换中心，通过相应的控制策略保证了每个配电分区的电压在动态调控中始终处于允许的稳定运行范围内，不但显著提升了配电系统的性能，而且能够实现不同电压等级配电分区之间的电能的自动柔性传输。

附图说明

图1是本发明执行流程图

图2是以多端口变换器为能量交换中心的四隔离配电分区拓扑结构示意图；

图3是以多端口变换器为能量交换中心的四隔离配电分区控制策略示意图；

图4是全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd、fbe1、fbe2的两桥臂间方波电压va12、vb12、vc12、vd12、ve12、ve32波形图；

图5是四个配电分区a、b、c、d的直流母线电压ua、ub、uc、ud波形图；

图6是中间公共端口e的直流母线电压ue波形图；

图7是为配电分区a、b、c、d通过多端口变换器输出的功率波形；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的是一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略(本专利为四端口，并可扩展到更多端口数)。多端口变换器的每个端口均连接一个独立的配电分区，利用多端口变换器作为能量交换中心来实现多个配电分区之间的能量传递，通过对多端口变换器的控制，使每个配电分区的电压维持在其正常运行的范围内。当某个配电分区发生故障或是重载时，有功率冗余的配电分区在保证自身稳定运行的条件下向其传递电功率，从而保持整个配电系统的正常运行。本专利所提出的控制策略能够实现多个配电分区之间的电能柔性传输，提高配电系统能量管理的水平，提高配电系统对电能调控的灵活性和可靠性。

一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略，

(1)通过控制多端口变换器每个端口的移相角来控制各个端口之间的能量传输。一旦某个配电分区发生故障或是重载时，其他存在功率冗余的配电分区将其多余的能量传输给该配电分区以维持其稳定运行。

(2)本专利中采用硬件解耦的多端口变换器作为电能交换中心，从拓扑结构上来看，该多端口变换器由两个共用一个桥臂的硬件解耦的三端口变换器构成，并在拓扑结构上形成了一个三桥臂的公共端口(附图1中标注为端口e)。不但实现了各个端口之间的功率解耦，减少了开关管的数量，而且简化了硬件电路的拓扑结构。

(3)在控制上，每个配电分区与中间公共端口(附图1中标注为端口e)均构成双有源桥结构，可采用完全相似的控制策略实现每个配电分区与公共端口之间的电能传输，在控制上方便易行。

(4)各配电分区端口与公共端口之间的电能传输采用端口电压与端口电流协调控制的方案。参照附图1，以配电分区a与端口e之间的电能传输为例。在控制结构中设置了三个电压控制环路，电压控制环路au1控制配电分区a直流母线电压ua处于期望电压uan，电压控制环路au2的目的在于控制公共端口e直流母线电压ue不高于最高电压阈值uhe，电压控制环路au3的目的在于控制端口e直流母线电压ue不低于最低电压阈值ule。其中，au1控制环路电压控制器gau1的上、下限幅值分别为ia1max、ia1min，au2控制环路电压控制器gau2的上、下限幅值分别为ia2max、ia2min，au3控制环路电压控制器gau3的上、下限幅值分别为ia3max、ia3min。将经限幅处理后的对gau1和gau2的输出ia1和ia2送入取最小值环节mina，获得信号iamin。将gau3输出经限幅处理后的信号ia3与iamin送入取最大值环节maxa，获得信号iaref。将iaref作为配电分区a向端口e输入的电流ia的参考信号，经电流控制环ac的控制器gac得到配电分区a所在端口与公共端口e之间的移相角用于对ia进行的控制。如附图3所示，全桥变换器fba两桥臂间电压波形va12与桥臂e1和e2之间的电压波形ve12之间的相位差为全桥变换器fbb、fbc、fbd两桥臂间电压波形vb12、vc12、vd12与桥臂e1和e2之间电压ve12(或是桥臂e3和e2之间电压ve32)的电压波形相位差分别为通过调节移相角从而实现对配电分区和公共端口e之间电功率的调控。

(5)参照附图1，各配电分区之间的电功率传输需要通过公共端口e来交换的，各配电分区之间不进行直接的电能传输。

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略，该技术可以应用于新能源电动汽车、船舶直流配电系统、新能源分布式发电系统等。

相较于传统的采用开关电器的直流配电系统存在着不易实现对电能的连续可控调节，缺乏柔性，开关切换只能够存在于相同电压等级的配电母线之间等诸多问题，本专利提出的新型多端口直流配电系统能够提高配电系统的稳定性和可靠性，提高配电系统的容错性能和持续供电能力，实现各个配电分区之间的电能自动柔性传输。同时将多端口变换器作为配电系统的能量交换中心，通过相应的控制策略保证了每个配电分区的电压在动态调控中始终处于允许的稳定运行范围内，不但显著提升了配电系统的性能，而且能够实现不同电压等级配电分区之间的电能的自动柔性传输。

本发明提供的是一种基于解耦多端口实现多配电分区电能柔性调控的控制策略，主要贡献和特点在于：

设计实现了多端口变换器为能量交换中心的多配电分区电能自动柔性传输的控制策略，能够实现：

(1)不同配电分区间电能传输方向的自由平滑切换以及传输功率的柔性调节；

(2)在不同配电分区之间进行能量传递时，通过设计的控制策略，能够保证每个配电分区的电压维持在设定的稳定范围内，在此基础上，有冗余的配电分区可将其冗余电能传递至重载或存在故障的配电分区。

结合附图1与附图2，本发明是这样实现的：

如附图1所示，四个配电分区通过多端口变换器为能量交换中心进行电能的柔性传输，硬件解耦的多端口变换器的拓扑结构如图中虚线所示，各配电分区中，用于接口的全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd与公共端口e分别通过高频变压器hft1、hft2、hft3、hft4进行连接。其中，各高频变压器靠近配电分区一侧的原边绕组具有一定数值的漏电感，如la、lb、lc和ld，而与公共端口e连接的副边绕组漏感近似为零。

全桥变换器fba中所有开关管的占空比均为0.5，且同桥臂上下两个开关管处于互补导通模式，桥臂a1和a2之间的移相角固定为180°，桥臂a1和a2之间的方波电压va12波形图如图3所示，全桥变换器fbb、fbc、fbd与fba的工作模式相同，桥臂b1和b2之间、c1和c2之间、d1和d2之间的方波电压vb12、vc12、vd12波形图如图3所示。

在公共端口e中，桥臂e1和e2构成全桥变换器fbe1，桥臂e2和e3构成全桥变换器fbe2。fbe1和fbe2共享桥臂e2，全桥变换器fbe1、fbe2中所有开关管的占空比均为0.5，且同桥臂上下两个开关管处于互补导通模式，桥臂e1和e2之间的移相角固定为180°，桥臂e1和e3之间的移相角为0，桥臂e1和e2之间、e3和e2之间的电压分别为ve12和ve32，且ve12和ve32同相位，波形图如图3所示。以ve12和ve32的相位为为参考相位。

在拓扑结构上，全桥变换器fba、fbb、fbe1通过高频变压器hft1和hft2构成硬件解耦的三端口变换器tpc1；全桥变换器fbc、fbd、fbe2通过高频变压器hft3和hft4构成硬件解耦的三端口变换器tpc2。硬件解耦的三端口变换器为成熟技术，其原理在此不再赘述。

以配电分区a为例，该分区中含有负载(在图中以集中负载ra表示)和电源psa(可以是新能源发电所提供的电源)，电流传感器csa用于测量配电分区a输出至公共端口e的电流ia，电压传感器vsa用于测量配电分区a的直流母线电压ua。其余配电分区b、c、d输出至公共端口e的电流ib、ic、id分别由各自的电流传感器csb、csc、csd测得,配电分区b、c、d的直流母线电压ub、uc、ud分别由各自的电压传感器vsb、vsc、vsd测得。其它配电分区b、c、d的拓扑结构和原理与配电分区a一致。

中间公共端口e用于实现各配电分区电能的交换，设计为精简的三桥臂拓扑结构。电容ce为公共端口能量的缓冲元件。通过调节各配电分区中全桥变换器与公共端口全桥变换器之间的移相角，将公共端口e电容ce的端电压控制在允许的ule和uhe之间来实现各配电分区之间功率的传输，并实现功率传输的平衡。公共端口e的直流母线电压ue可由电压传感器vse测量所得。

图2为专利所述以多端口变换器为能量交换中心的四隔离配电分区拓扑结构示意图。

图3为专利所述以多端口变换器为能量交换中心的四隔离配电分区控制策略示意图。

图4为全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd、fbe1、fbe2的两桥臂间方波电压va12、vb12、vc12、vd15、ve12、ve32波形图

图5为四个配电分区a、b、c、d的直流母线电压ua、ub、uc、ud波形图

图6为中间公共端口e的直流母线电压ue波形图

图7为配电分区a、b、c、d通过多端口变换器输出的功率波形。

结合附图2和附图3，对专利所述以多端口变换器为能量交换中心的多配电分区电能柔性传输的控制策略的执行流程说明如下：

(1)首先根据系统具体的性能要求,设计电流控制器gac、gbc、gcc、gdc和电压控制器gau1、gau2、gau3、gbu1、gbu2、gbu3、gcu1、gcu2、gcu3、gdu1、gdu2、gdu3。根据配电分区各自的稳定状态，设定配电分区a、b、c、d的直流母线稳定运行电压分别为uan、ubn、ucn，udn，设置中间公共端口e稳定运行的直流母线电压上限和下限阈值分别为uhe和ule。设置公共端口e中的全桥变换器fbe1和fbe2的驱动信号相位为零相位，即用于驱动全桥变换器的载波信号的相位设置为0(桥臂e1、e3开关状态相同)。

(2)采集电压传感器vsa、vsb、vsc，vsd、vse可得到四个配电分区的直流母线电压值ua、ub、uc、ud和公共端口e的直流母线电压ue。将采集到的电压ua与设定的配电分区a稳定运行电压uan进行比较，将采集到的电压ue与设定的公共端口e的直流母线电压uhe、ule进行比较，可以得到他们的偏差信号δua1～δua3，将其分别输入电压控制器gau1～gau3，并对电压控制器的输出进行限幅，进而得到ia1～ia3。同理，其他配电分区也进行相应的比较操作，将得到的偏差信号δub1～δub3分别输入控制器gbu1～gbu3，对控制器的输出进行限幅后得到ib1～ib3，将得到的偏差信号δuc1～δuc3分别输入控制器gcu1～gcu3，对控制器的输出进行限幅后得到ic1～ic3，将得到的偏差信号δud1～δud3分别输入控制器gdu1～gdu3，对控制器的输出进行限幅后得到id1～id3。

(3)将经过限幅后的电压控制器的输出信号ia1和ia2经过取小环节mina得到信号iamin，信号ib1和ib2经过取小环节minb得到信号ibmin，信号ic1和ic2经过取小环节minc得到信号icmin，信号id1和id2经过取小环节mind得到信号idmin。

(4)将运行电压控制环au3、bu3、cu3、du3得到的信号ia3、ib3、ic3、id3分别与信号iamin、ibmin、icmin、idmin进行取大操作，进而得到信号iaref、ibref、icref、idref分别作为电流调节器gac、gbc、gcc、gdc的给定信号。

(5)通过电流传感器csa、csb、csc、csd测量得到四个配电分区的电流ia、ib、ic、id分别与信号iaref、ibref、icref、idref进行比较，得到的电流偏差信号δiac、δibc、δicc、δidc作为电流调节器gac、gbc、gcc、gdc的输入信号，电流调节器的输出信号则分别作为配电分区a、b、c、d中的全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd与中间公共端口e之间的移相角。

(6)将得到的移相角控制信号分别作为全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd的载波信号的相位，并以幅值为二分之一载波周期的信号作为调制信号用于pwm调制，最终得到用于全桥变换器fba、fbb、fbc、fbd开关管驱动的脉冲信号。

(7)若系统性能不满足要求，那么继续执行(2)～(6)步骤，否则退出运行状态。

根据本专利所述的控制策略，将配电分区a、b、c、d直流母线期望的电压最低稳定运行值均设置为180v，即uan＝ubn＝ucn＝udn＝180v。将端口e稳定运行时的最高电压和最低电压设置为：ule＝175v、uhe＝185v；配电分区a、b、c、d的负载均为10ω，即ra＝rb＝rc＝rd＝10ω。配电分区a的电源psa输出功率在0～0.3s时为4kw，在0.3～1.4s突降为3kw；配电分区b的电源psb输出功率在始终为4kw；配电分区c的电源psc输出功率在0～0.6s时为4kw，在0.6～1.4s时为3kw。配电分区d的电源psd输出功率在0～0.9s时为4kw，在0.9～1.4s时为3kw。通过仿真得到配电分区a、b、c、d的直流母线电压波形ua、ub、uc、ud如附图5所示，端口e的直流母线电压波形ue如附图5所示。配电分区a、b、c、d通过多端口变换器输出功率pa、pb、pc、pd波形如附图7所示。