一种基于恒功率负载有源补偿装置的自适应控制方法

1.本发明适用于孤岛直流微电网补偿装置技术领域，具体是一种基于恒功率负载有源补偿装置的自适应控制方法。


背景技术：

2.减小恒功率负载及增大阻性负载是较为灵活的提升孤岛直流微电网系统稳定裕度的措施，但直接减小恒功率负载或增加阻性负载会牺牲用户需求并增加不必要的损耗，故不具备实用性。恒功率负载和阻性负载由于输入特性差异，对系统稳定性产生的影响截然不同。可通过引入外部补偿装置，对恒功率负载的输入特性进行补偿，使其变为阻性负载所对应的输入特性，进而提升孤岛直流微电网的稳定裕度。
3.针对补偿装置的控制策略，传统的控制策略虽易于实现，但存在下列问题：当直流母线电压跌落，新稳态工作点下的恒功率负载输入电压u
cpl
低于额定恒功率负载输入电压u
ucpl_n
时，补偿电流i
comp
不会自动回归至0，为一负值，导致补偿侧电池持续放电，当放电至电池soc下限时补偿装置将退出运行；当新稳态工作点u
cpl
高于u
cpl_n
时，补偿侧电池将被持续充电，当其持续充电至soc到达上限时补偿装置将退出运行。因此，若不能使得补偿电流在系统到达新的稳态工作点后自动恢复至0，使补偿装置输入侧电池退出充/放电，系统的工作效率及运行可靠性将大大降低。
4.目前，针对含恒功率负载的直流微电网稳定性，国内外学者做了大量的研究，提出了诸多措施。根据作用方式的不同，可分为两大类：1)通过改进变换器的控制策略以实现系统附加阻尼，以此来提升系统稳定性；2)对直流微电网进行一次设备的加装，如滤波器、储能装置、补偿器等，以此来提升系统稳定裕度。第一类措施成本较低，但不具有普适性，随着设备高集成度和封装化，对原有设备中的控制策略无法随意更改，若修改可能会对设备造成不利影响甚至损坏，有些控制策略需要高性能的控制芯片，会使得成本增加。第二类措施需外加设备，会使得系统成本和体积增加，相较于第一类，无需调整控制策略，不会对原有控制器性能造成影响，同时外部设备的控制策略及工作方式均独立于变换器，可对其进行模块化设计与封装，可实现即插即用。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明实施例要解决的技术问题是提供一种基于恒功率负载有源补偿装置的自适应控制方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
7.一种基于恒功率负载有源补偿装置的自适应控制方法，包括如下步骤：
8.步骤一、控制系统采集到恒功率负载输入电压u
cpl
和输入电流i
cpl
；
9.步骤二、判断控制系统是否处于稳态，若控制系统稳定，则进入后续步骤对控制参数re进行修正；
10.步骤三、判断补偿装置输入侧电池soc是否在允许范围内，若在允许范围内，则执
行步骤四，否则转至步骤五；
11.步骤四、对等效负载电阻值re进行修正；
12.步骤五、若补偿装置输入侧电池soc在允许范围外，则对等效负载电阻值re进行修正；
13.步骤六、进行pi调节器使补偿电流跟随给定值。
14.作为本发明进一步的改进方案：步骤四中，等效负载电阻值re的修正步骤为：
15.4.1等效负载电阻值re由当前时刻恒功率负载输入电压稳态值u
cpl0
以及电流稳态值i
cpl0
，根据式(1)进行计算得到，
[0016][0017]
4.2采用变步长斜坡函数，使re由旧值逐步过渡到新值re'，当恒功率负载为0时，re取上限值r
e_max
，恒功率负载达到最大值时，re取下限值r
e_min
，r
e_min
可由式(2)计算得到，
[0018][0019]
式中，p
cpl_max
为恒功率负载最大值，u
l
为直流母线电压允许范围的下限值，步长切换时的临界值为r
e_c
，在re值大于r
e_c
时使用较大的步长以保证re的修正速度，在re值小于r
e_c
时选取较小的步长，避免补偿电流变化过快导致系统不稳定，同时，设置多个r
e_c
以实现补偿电流由旧值至零的平滑过渡；
[0020]
4.3返回步骤4.1，继续执行步骤4.1～4.2，迭代3～4次后，当i
comp
＝0时进入步骤四。
[0021]
作为本发明进一步的改进方案：步骤五中，等效负载电阻值re的修正步骤为：
[0022]
5.1若补偿装置输入侧电池soc低于设定的下限值，则减小re至r
e1
，使补偿电流i
comp
变为式(3)所示，对补偿装置输入侧电池soc进行主动充电，使soc升高至允许范围内；若补偿装置输入侧电池soc高于设定的上限值，则增大re至r
e2
，使补偿电流i
comp
变为式(4)所示，对补偿装置输入侧电池soc进行主动放电，使soc降低至允许范围内；
[0023][0024][0025]
式(3)和式(4)中，i
cpl1
为初始时刻的恒功率负载输入电流。
[0026]
5.2采用变步长斜坡函数，使re由旧值过渡到新值。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
1、补偿装置控制策略及工作状态独立于各源变换器，无需对源变换器的控制策略进行更改，可进行模块化设计，实现真正意义上的即插即用；
[0029]
2、补偿电流能在系统稳定后自动回复至零，消除了不必要的损耗，提高了系统运行可靠性；
[0030]
3、补偿后，直流母线电容仅需较小容值即可保证系统稳定运行，降低了系统运行成本。
附图说明
[0031]
图1为完整的有源补偿装置控制方法框图；
[0032]
图2为补偿装置变步长斜坡函数示意图；
[0033]
图3为恒功率负载输入电压跌落时，采用改进型自适应控制方法下系统工作点的移动轨迹；
[0034]
图4为恒功率负载增大时，采用改进型自适应控制方法下系统工作点的移动轨迹；
[0035]
图5为补偿侧电池soc接近阈值时，re进行主动调节，对补偿侧电池主动进行充/放电；
[0036]
图6为补偿装置自适应控制方法框图；
[0037]
图7为补偿装置pi调节器结构图；
[0038]
图8为改进型自适应控制策略下直流母线电压跌落时系统仿真波形；
[0039]
图9为改进型自适应控制策略下恒功率负载增大时系统仿真波形；
[0040]
图10为改进型自适应控制策略下补偿后系统在增大母线电容时的特征值变化情况；
[0041]
图11为改进型自适应控制策略下补偿后系统在增大恒功率负载时的特征值变化情况；
[0042]
图中：
[0043]icomp
—补偿装置电流；
[0044]uic
—补偿侧电池电压；
[0045]
l
lc
—补偿装置变换器输出线路电感；
[0046]rlc
—补偿装置变换器输出线路电阻；
[0047]cbus
—直流母线电容；
[0048]ubus
—直流母线电压；
[0049]ucpl0
—恒功率负载输入电压稳态值；
[0050]icpl0
—恒功率负载输入电流稳态值。
具体实施方式
[0051]
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0052]
一种基于恒功率负载有源补偿装置的自适应控制方法，包括如下步骤：
[0053]
步骤一、图1为完整的有源补偿装置控制方法框图，控制系统采集到恒功率负载输入电压u
cpl
和输入电流i
cpl
；
[0054]
步骤二、判断系统是否处于稳态，若系统稳定，则进入后续步骤对控制参数re进行修正；
[0055]
步骤三、判断补偿装置输入侧电池soc是否在允许范围内，若在允许范围内，则执行步骤四，否则转至步骤五；
[0056]
步骤四、对等效负载电阻值re进行修正，具体为，
[0057]
4.1等效负载电阻值re由当前时刻恒功率负载输入电压、电流稳态值u
cpl0
、i
cpl0
，根据式(1)进行计算得到。
[0058][0059]
4.2采用变步长斜坡函数，如图2所示，使re由旧值逐步过渡到新值re'。当恒功率负载为0时，re取上限值r
e_max
，r
e_max
理论上为正无穷，但过大的上限值会使得恒功率负载由0开始增大时re值修正过慢，故可根据系统额定功率和直流母线电压等级设置r
e_max
值为500ω～1000ω。恒功率负载达到最大值时，re取下限值r
e_min
，r
e_min
可由式(2)计算得到，式中，p
cpl_max
为恒功率负载最大值，u
l
为直流母线电压允许范围的下限值。步长切换时的临界值为r
e_c
，在re值大于r
e_c
时使用较大的步长以保证re的修正速度，在re值小于r
e_c
时选取较小的步长，避免补偿电流变化过快导致系统不稳定。同时，可设置多个r
e_c
以实现补偿电流由旧值至零的平滑过渡，
[0060][0061]
4.3返回步骤4.1，继续执行步骤4.1～4.2，迭代3～4次后，当i
comp
＝0时，即到达新稳态工作点如图3、4中的
③
点，进入步骤四。
[0062]
步骤五、若补偿装置输入侧电池soc在允许范围外，则对等效负载电阻值re进行修正，具体为，
[0063]
5.1若补偿装置输入侧电池soc低于设定的下限值，则减小re至r
e1
，使补偿电流i
comp
变为式(3)所示，式中i
cpl1
为初始时刻的恒功率负载输入电流，从而对补偿装置输入侧电池soc进行主动充电，使soc升高至允许范围内，如图5(a)所示；若补偿装置输入侧电池soc高于设定的上限值，则增大re至r
e2
，使补偿电流i
comp
变为式(4)所示，对补偿装置输入侧电池soc进行主动放电，使soc降低至允许范围内，如图5(b)所示；
[0064][0065][0066]
5.2采用变步长斜坡函数，使re由旧值过渡到新值。
[0067]
步骤六、进入pi调节器使补偿电流跟随给定值，系统整体控制策略框图如图6所示，pi调节器结构如图7所示。
[0068]
在matlab/simulink中对本发明实施例所述方法进行仿真验证。图8是直流母线电压跌落时采用改进型自适应控制方法的仿真波形图，可以看出0.5s时直流母线电压跌落，当系统达到新的稳态工作点之后，re由16.9ω减小到16.25ω，经过约1.5s过渡时间，补偿电流由-1a回复至0a。图9是改进型自适应控制方法下恒功率负载增大时的仿真波形图，0.5s时恒功率负载由10kw增大至20kw，到达新的稳态工作点之后，经过0.2s，re由16.9ω减小至8.3ω，再经过0.15s的过渡时间，补偿电流由-24.8a回复至0a。从图8、9中可以看出在改进型自适应控制方法下，补偿电流在系统达到新的稳态工作点之后自动回复至0，并持续保持稳定。图10是在自适应控制方法下，补偿后系统母线电容由10uf增大至100uf时的特征值变化情况。图11是在自适应控制方法下，补偿后系统恒功率负载由1kw增大至25kw时的特征值变化情况。通过图10、11可知在改进型自适应控制方法下，补偿后系统的稳定裕度明显
提升，并且只需较小母线电容容值即可保证系统稳定运行。
[0069]
本发明通过引入恒功率负载输入电压u
cpl
与输入电流i
cpl
的稳态值对等效负载电阻值re进行修正，使补偿电流i
comp
在系统到达新的稳态工作点后自动回复至零，从而使补偿侧电池自动退出充/放电状态。本发明能够解决补偿侧电池处于持续充/放电状态带来的补偿装置高损耗与低运行可靠性问题。
[0070]
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。