CN105305402A - 一种直流微网母线电压鲁棒自治控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，采用非线性干扰观测器、直流母线电压下垂控制和电压/电流双环控制相结合，包括：建立DC-DC变流器模型；通过非线性干扰观测器对DC-DC变流器输出电流进行跟踪，采用基于二阶通用积分环节的带通滤波环节对观测器输出结果进行滤波：直流母线电压下垂控制中输出电流采用非线性干扰观测器输出结果；电压/电流双环控制中采用非线性干扰观测器输出结果的扰动电流前馈控制方法。本发明既能实现直流微电网对等控制和自治运行，还能有效提高控制系统动态响应，抑制暂态直流母线电压波动和冲击，有利于直流微电网内分布式电源和负荷的扩展和即插即用。

Description

一种直流微网母线电压鲁棒自治控制方法

技术领域

本发明属于微网变流器控制技术领域，涉及一种基于非线性干扰观测器的直流微网母线电压鲁棒自治控制算法。

背景技术

微电网技术的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网运行问题，有助于当电网灾变时向重要负荷持续供电，避免间歇式电源直接影响本地用户电能质量，具有重要的经济意义和社会价值。同交流微电网相比，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷，成为智能电网领域研究的新热点之一。如何对直流微电网内不同类型分布式发电单元、储能、直流负荷以及交直流接口变流器等进行协调控制，保证系统稳定运行，是目前直流微电网运行控制技术研究关注的重点。

直流母线电压是衡量直流微电网内功率平衡的唯一指标。为了提高供电可靠性，直流微电网系统通常采用多台主电源共同调节直流母线电压。当系统中的所有主电源在控制上具有相同地位时，就称其为对等控制。此时，即使某台主电源由于故障而退出运行，该直流微电网依然能够维持正常工作。作为对等控制策略的一种实现方式，下垂控制由于无需依赖高速通信，易于实现“即插即用”，且可靠性较高，在直流微电网中得到了广泛关注和应用[1-2]。文献[3]通过建立直流微电网的状态空间平均模型，分析了控制参数对系统稳定性的影响，得出合理的控制参数能够有效保证系统的稳定性。文献[4]侧重于研究下垂控制的直流微电网稳定性问题，通过小扰动近似，得到了适用于任意结构的微电网的稳定运行条件。文献[5]建立了独立运行直流微电网的大信号模型，为系统参数设计提供了一种稳定性判据，但是文中忽略了控制系统对等效模型的影响。文献[6]针对LC滤波器容易导致直流微电网发生谐振的问题，提出了一种分布式的振荡抑制策略，然而多个阻尼控制器之间的相互作用会增加参数设计的复杂性。

上述文献主要关注直流微电网的稳定性问题，而对如何提高直流母线电压控制系统的动态响应研究较少。

参考文献

[1]GuerreroJM，VasquezJC，MatasJ，etal.Hierarchicalcontrolofdroop-contr-

olledACandDCmicrogrids-ageneralapproachtowardstandardization[J].IEEETransonIndustryElectronics，2011，58(1)：158-172.

[2]陆晓楠，孙凯，黄立培，等.直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法[J].中国电机工程学报，2013，33(16)：37-46.

[3]施婕，郑漳华，艾芊.直流微电网建模与稳定性分析[J].电力自动化设备，2010，30(2)：86-90.

[4]AnandSandFernandesBG.Reduced-ordermodelandstabilityanalysisoflow-voltageDCmicrogrid[J].IEEETransonIndustrialElectronics，2013，60(11)：5040-5049.

[5]TahimAPN，PaganoDJ，BenzE，etal.ModelingandstabilityanalysisofislandedDCmicrogridsunderdroopcontrol[J].IEEETransonPowerElectronics，2015，30(8)：4597-4607.

[6]JamshidpourE，Nahid-MobarakehB，PoureP，etal.DistributedactiveresonancesuppressioninhybridDCpowersystemsunderunbalancedloadconditions[J].IEEETransonPowerElectronics，2013，28(4)：1833-1842.

发明内容

本发明针对直流微电网母线电压稳定控制，克服现有技术的上述不足，提供一种有效的直流微电网母线电压鲁棒自治控制方法，通过设计一种非线性干扰观测器，并对常规直流母线电压下垂控制和扰动电流前馈控制算法进行相应改进，达到同时提高直流微电网母线电压控制系统的动态响应和稳定性，并实现微电网自治运行和分布式电源即插即用的目的。

为此，本发明采用如下技术方案。

一种直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，采用非线性干扰观测器、直流母线电压下垂控制和电压/电流双环控制相结合，其特征在于，

(1)建立DC-DC变流器模型，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}=i_{bat}-i_o\\ u_s=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+(1-d_2)u_{dc}\\ u_s{i}_L=u_{dc}{i}_{bat}\end{array}\right.$

式中，C代表直流母线电容；L为直流侧电感；u_s、u_dc分别表示储能端口电压和直流母线电压；i_L、i_bat、i_o分别表示储能输出电感电流、高压侧输出电流和DC-DC输出电流；d₂为开关管S₂的占空比；

(2)通过非线性干扰观测器对DC-DC变流器输出电流进行跟踪，采用基于二阶通用积分环节的带通滤波环节对观测器输出结果进行滤波，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dz}{dt}=\frac{l}{C}z+\frac{l^2{u}_{dc}}{C}-\frac{{\mathrm{lu}}_s}{C}\·\frac{i_L}{u_{dc}},{\hat{i}}_o=z+l{u}_{dc}\\ {\hat{i}}_{o\_filter}={\hat{i}}_o(s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2)/s^2+2k_f{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2\end{array}\right.$

式中，表示该直流母线电压控制单元输出电流的观测值，z为观测器中间状态变量，l为观测器增益，取为l∈[2，5]；为i_o的观测值；ω₀为交流负荷或电网电压频率；增益k_f取0.5～1.5；

(3)直流母线电压下垂控制中输出电流采用非线性干扰观测器输出结果；

(4)电压/电流双环控制中采用非线性干扰观测器输出结果的扰动电流前馈控制方法。

本发明提出的基于非线性干扰观测器的直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，既能实现直流微电网对等控制和自治运行，还能有效提高控制系统动态响应，抑制暂态直流母线电压波动和冲击，有利于直流微电网内分布式电源和负荷的扩展和即插即用。

附图说明

图1典型直流微电网结构图和储能单元及其相应DC-DC变流器结构图；

图2基于非线性干扰观测器的直流微网母线电压鲁棒自治控制方法；

图3(a)和(b)分别为常规控制算法与本发明控制算法实验波形图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。

如图1(a)所示，直流微电网内分布式电源、储能系统及负荷等均需通过相应的DC-DC或DC-AC变流器接入直流母线；双向DC-AC变流器作为直流微电网与外部交流电网之间的能量转换接口，可实现交直流系统间的功率交换与相互支撑。为实现直流微电网并网和独立两种运行模式的无缝切换，通常可由直流系统内可控型分布式电源或储能单元及其相应的DC-DC变流器(如图1(b)所示)来控制直流母线电压。本发明内容主要应用于图1(b)所示DC-DC变流器控制，用以控制直流母线电压，维持直流微电网内功率和能量平衡。

在具体介绍本发明的技术方案之前，先介绍下该方法应用的控制对象的建模，即图1(b)所示DC-DC变流器数学模型，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}=i_{bat}-i_o\\ u_s=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+(1-d_2)u_{dc}\\ u_s{i}_L=u_{dc}{i}_{bat}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，C代表直流母线电容；L为直流侧电感；u_s、u_dc分别表示储能端口电压和直流母线电压；i_L、i_bat、i_o分别表示储能输出电感电流、高压侧输出电流和DC-DC输出电流；d₂为开关管S₂的占空比。

图2所示为本发明内容中基于非线性干扰观测器的直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，该方法共包括非线性干扰观测器设计、基于非线性干扰观测器的直流母线电压下垂控制和基于非线性干扰观测器的电压/电流双环控制三部分，各部分具体实施方式如下：

1)非线性干扰观测器设计

非线性干扰观测器的目的是通过本地信息，避免采用电流传感器，获取直流母线电压控制单元输出电流i_o。本发明中设计非线性干扰观测器如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dz}{dt}=\frac{l}{C}z+\frac{l^2{u}_{dc}}{C}-\frac{{\mathrm{lu}}_s}{C}\·\frac{i_L}{u_{dc}}\\ {\hat{i}}_o=z+{\mathrm{lu}}_{dc}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，z为观测器中间状态变量，l为观测器增益，为DC-DC输出电流i_o的观测值。选择l时，应注意防止数值过大带来的实现困难，如饱和效应、噪声加剧等，通常希望观测器响应速度比反馈控制系统的响应速度快些，因此本发明中该增益选择范围可取为l∈[2，5]。

若单相或三相不平衡交流负荷通过DC-AC变流器接入直流微电网，或直流微电网通过单相DC-AC变流器并入交流系统等，将导致直流母线电压中存在二倍工频纹波分量，从而导致含有两倍工频纹波分量。为有效消除该分量，本发明采用基于二阶通用积分环节(SOGI)的带通滤波环节G_BPF(s)对观测器输出结果进行滤波，实施方式如下：

${\hat{i}}_{o\_filter}={\hat{i}}_o{G}_{BPF}\left(s\right)={\hat{i}}_o\frac{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}{s^2+2k_f{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}---\left(3\right)$

式中，ω₀为交流负荷或电网电压频率(通常为314.15rad/s)；增益k_f取值不同会影响带通滤波器对2ω₀附近频率分量的滤波效果及动态响应，一般可取0.5～1.5较合适。

2)基于非线性干扰观测器的直流母线电压下垂控制

基于非线性干扰观测器的直流母线电压下垂控制实施方式如下：

$U_{dcref}=U_0-k{\hat{i}}_{o\_fileter}---\left(4\right)$

式中，U_dcref表示内环直流电压控制参考值；U₀和k分别表示直流母线电压控制单元下垂曲线的电压设定点和下垂系数(这两个参数通常由系统实际直流母线电压运行要求决定，假定系统实际运行中可允许的直流母线电压上限和下限值分别为U_max和U_min，DC-DC输出电流最大限值为I_omax，则U₀通常取为(U_max+U_min)/2，k取为(U_max-U_min)/2I_omax)；表示该直流母线电压控制单元输出电流的观测值，该值由非线性干扰观测器获得，避免使用电流传感器。

3)基于非线性干扰观测器的电压/电流双环控制

本发明内容中基于非线性干扰观测器的电压/电流双环控制具体实施方式如下式(5)～(7)。其中式(5)为基于非线性干扰观测器的扰动电流前馈，式中U_dcref由式(4)所得；k_pu、k_iu分别为电压环PI控制器比例和积分控制参数(通常由电压环的动态性能和稳定性来决定这两个参数，比例系数k_pu越大，尽管能提高系统动态响应速度，但系统相角裕度将减小，系统稳定性降低；比例系数k_pu越小，导致动态响应速度会降低，相角裕度增大会增加系统阻尼，造成系统动态过程缓慢；增大积分系数k_iu则能显著缩短直流母线电压因扰动引起的恢复时间，因此在选择这两个参数时因尽可能保证直流母线电压控制系统相角裕度45°左右，调节时间不小大于0.5s。)。

$i_{ref}={\hat{i}}_{o\_filter}\frac{u_{dc}}{u_s}+(U_{dcref}-u_{dc})(k_{pu}+\frac{k_{iu}}{s})---\left(5\right)$

为有效滤除电压环输出电流参考值中的二倍频脉动分量，从而消除DC-DC双向变流器输出电流二倍频纹波分量，改善其电流波形，本发明采用基于二阶通用积分环节(SOGI)的带通滤波环节G_BPF(s)对电流参考i_ref输出结果进行滤波，实施方式如下：

$i_{Lref}=G_{BPF}\left(s\right)i_{ref}=\frac{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}{s^2+2k_f{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}{i}_{ref}---\left(6\right)$

电流环PI控制实施方式如下，式中k_pi、k_ii分别为电流环PI控制器比例和积分控制参数(这两个参数通常由电流环的动态性能和稳定性决定，积分系数k_ii一定时，比例系数k_pi越大，电流环阶跃响应的超调量越小，表明系统阻尼越大；比例系数k_pi一定时，积分系数k_ii越大，电流环阶跃响应的超调量增大，且系统动态响应加快，在实际电流控制中，电流环的超调量不宜超过20％，调节时间应不大于0.1s。)。

$d_2=(i_{Lref}-i_L)(k_{pi}+\frac{k_{ii}}{s})---\left(7\right)$

为验证本发明内容中所提控制算法的有效性，进行了实物验证，波形结果如图3所示，其中图3(a)为采用常规控制算法的波形，图3(b)为采用本发明控制算法的实验结果。从图中可以看出，在同样的负荷扰动下，直流母线电电压在常规方法下跌落10V左右，而在采用本发明控制算法后，电压跌落得到明显抑制，且两DC-DC变流器实现了功率均流，达到了自治运行和即插即用的效果。

综上所述，应用本发明基于非线性干扰观测器的直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，不仅能实现直流微电网内分布式电源的即插即用，还能增强直流母线电压控制系统的动态响应和抗扰性能，能有效应对直流微电网内负荷变化或可再生能源发电单元出力波动。

Claims (2)

1.一种直流微网母线电压鲁棒自治控制方法，采用非线性干扰观测器、直流母线电压下垂控制和电压/电流双环控制相结合，其特征在于，

(1)建立DC-DC变流器模型，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}=i_{bat}-i_o\\ u_s=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+(1-d_2)u_{dc}\\ u_s{i}_L=u_{dc}{i}_{bat}\end{array}\right.$

式中，C代表直流母线电容；L为直流侧电感；u_s、u_dc分别表示储能端口电压和直流母线电压；i_L、i_bat、i_o分别表示储能输出电感电流、高压侧输出电流和DC-DC输出电流；d₂为开关管S₂的占空比；

(2)通过非线性干扰观测器对DC-DC变流器输出电流进行跟踪，采用基于二阶通用积分环节的带通滤波环节对观测器输出结果进行滤波，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dz}{dt}=\frac{l}{C}z+\frac{l^2{u}_{dc}}{C}-\frac{{\mathrm{lu}}_s}{C}\·\frac{i_L}{u_{dc}},{\hat{i}}_o=z+l{u}_{dc}\\ {\hat{i}}_{o\_filter}={\hat{i}}_o(s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2)/s^2+2k_f{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2\end{array}\right.$

式中，表示该直流母线电压控制单元输出电流的观测值，z为观测器中间状态变量，l为观测器增益，取为l∈[2，5]；为i_o的观测值；ω₀为交流负荷或电网电压频率；增益k_f取0.5～1.5；

(3)直流母线电压下垂控制中输出电流采用非线性干扰观测器输出结果；

(4)电压/电流双环控制中采用非线性干扰观测器输出结果的扰动电流前馈控制方法。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，(3)中采用的直流母线电压下垂控制为：

$U_{dcref}=U_0-k{\hat{i}}_{o\_fileter}$

式中，U_dcref表示内环直流电压控制参考值；U₀和k分别表示直流母线电压控制单元下垂曲线的电压设定点和下垂系数，设系统可允许的直流母线电压上限和下限值分别为U_max和U_min，DC-DC输出电流最大限值为I_omax，则U₀取为(U_max+U_min)/2，k取为(U_max-U_min)/2I_omax)。