CN105656021B - 直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法 - Google Patents

直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法，该装置包括鲁棒直流控制器、下垂控制器、积分模块、PI控制器及脉宽调制驱动器，鲁棒直流控制器和下垂控制器均连接至积分模块，积分模块与PI控制器连接，PI控制器与脉宽调制驱动器连接。本发明以负载电压为反馈量，从而将DC‑DC变换器与直流母线之间的线路阻抗变换成DC‑DC变换器自身的等效输出阻抗，消除了因线路阻抗的不平衡而导致的DC‑DC变换器间电流分配不均及环流问题，提高了电流分配的精度。而且，本发明采用鲁棒直流控制器的输出值与传统下垂控制器的输出值作差，对差值进行积分，将该积分输入到PI控制器中，对直流母线的电压下降率进行抑制，解决了电压下降幅度过大的问题。

Description

直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法
技术领域
本发明涉及下垂控制技术领域，具体涉及一种直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭与日渐增加的环境压力，能源结构正经历着以传统能源为主向可再生能源调整的过渡期。我国幅员辽阔，风能资源、海洋资源及生物能资源丰富，这为我国的能源结构调整提供了基本的前提。
新能源的分散特性使其更适用于以微电网的形式作为分布式电源向负载供电。日常生活中种类众多的电器设备实质还是直流电驱动，常见的分布式电源可直接生产或间接简单变换成直流形式电能。以直流形式向负载提供能电能可以节省大量整流、逆变环节，因此可以显著降低成本和损耗。然而，采用分布式电源带来的问题之一就是各自发电单元所生产的电能需要通过DC-DC变换器分别并入直流配电网，目前的DC-DC变换器并联方式主要可以分为三种：集中控制方式、主从控制方式、分散式控制方式。其中，集中控制方式和主从控制方式需要通信线路进行通信，以协调各DC-DC变换器的正常工作。但是一旦通信失败，所组成的直流配电网则将无法正常工作。结合分布式电源的特点，无主从控制的分散式控制方式可以解决集中控制方式和主从控制方式中单台DC-DC变换器故障将导致系统瘫痪的问题，可以提高直流配电网的可靠性。分散式控制方式又可以分为有互连线控制方式和无互联线控制方式，其中无互联线控制方式主要是指下垂控制方式。下垂控制方式即各DC-DC变换器采用外特性下垂的控制方式，使输出外特性趋于一致，以达到均流的目的。因此下垂控制方式在微电网中的应用得到了广大学者的关注。从理论上来说，下垂控制方式可以实现DC-DC变换器之间电流的均流控制。尽管下垂控制方式能有效解决各DC-DC变换器的并联问题，但仍存在以下问题：
(1)由于线路阻抗的存在，线路阻抗的不平衡影响负荷功率在多台DC-DC变换器之间的均分，因此导致电流分配精度较低；
(2)下垂控制方式由于下垂系数的影响，依旧存在有母线电压下降幅度过大和DC-DC变换器间环流抑制不理想的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中线路阻抗的不平衡影响负荷功率在各DC-DC变换器之间的均分、母线电压下降幅度过大和DC-DC变换器间环流抑制不理想。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种直流配电网的鲁棒下垂控制装置和方法。
第一方面，该装置包括：鲁棒直流控制器、下垂控制器、积分模块、PI控制器及脉宽调制驱动器，其中：
所述鲁棒直流控制器，连接所述积分模块，用于将直流配电网中直流母线侧的负载电压与预设的目标参考电压作差，将得到的差值与鲁棒系数相乘，并将得到的乘积输出至所述积分模块；
所述下垂控制器，连接积分模块，用于将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值与下垂系数相乘得到电压下垂值，并将所述电压下垂值发送至积分模块；
所述积分模块，连接至所述PI控制器，用于将所述鲁棒直流控制器输出的乘积与所述下垂控制器输出的电压下垂值作差，将得到的差值进行积分，并将得到的积分输出至所述PI控制器；
所述PI控制器，连接至所述脉宽调制驱动器，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；并将该第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号，并将该第一电压信号输出至所述脉宽调制驱动器；
所述脉宽调制驱动器，用于生成锯齿波信号，并将该锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
可选的，所述脉宽调制驱动器包括锯齿波发生器和比较器，其中：
所述锯齿波发生器用于生成所述锯齿波信号；
所述比较器用于将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
可选的，所述比较器具体用于：将在所述第一电压信号大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。
可选的，所述PI控制器包括外环电压环和内环电流环，其中：
所述外环电压环，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
所述内环电流环，用于将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号，并将该第一电压信号输出至所述脉宽调制驱动器。
可选的，所述鲁棒系数大于所述下垂系数。
第二方面，该方法包括：
将直流配电网中直流母线侧的负载电压与预设的目标参考电压作差，将得到的差值与鲁棒系数相乘得到第一乘积；
将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值与下垂系数相乘得到电压下垂值；
将所述第一乘积与所述电压下垂值作差，将得到的差值进行积分；
将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号；
生成锯齿波信号，并将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
可选的，所述将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号，包括：
将在所述第一电压信号大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。
本发明提供的鲁棒下垂控制装置和方法中，以负载电压为反馈量，从而将DC-DC变换器与直流母线之间的线路阻抗变换成DC-DC变换器自身的等效输出阻抗，消除了因线路阻抗的不平衡而导致的DC-DC变换器间电流分配不均及环流问题，提高了电流分配的精度。同时保持负载电压在期望的运行范围内，提高了直流配电网的稳定性，提升了变换器间电流分配的精确性。而且，本发明采用鲁棒直流控制器的输出值与传统下垂控制器的输出值作差，对差值进行积分，将该积分输入到PI控制器中，对直流母线的电压下降率进行抑制，解决了电压下降幅度过大的问题。可见，本发明实现了在直流配电网中DC-DC变换器并联运行时的功率均衡控制。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了根据本发明直流配电网的鲁棒下垂控制装置一实施例的结构框图；
图2示出了本发明鲁棒下垂控制装置与直流配电网的连接示意图；
图3示出了本发明鲁棒下垂控制装置的信号处理流程图；
图4示出了本发明鲁棒下垂控制装置中脉宽调制驱动器的比较器的处理示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供一种直流配电网的鲁棒下垂控制装置，如图1、2、3所示，该装置包括：鲁棒直流控制器、下垂控制器、积分模块、PI控制器及脉宽调制驱动器，其中：
所述鲁棒直流控制器，连接所述积分模块，用于将直流配电网中直流母线侧的负载电压Vl与预设的目标参考电压V*作差，将得到的差值与鲁棒系数Ke相乘，并将得到的乘积输出至所述积分模块；
所述下垂控制器，连接积分模块，用于将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值i02与下垂系数dj相乘得到电压下垂值，并将所述电压下垂值发送至积分模块；
所述积分模块，连接至所述PI控制器，用于将所述鲁棒直流控制器输出的乘积与所述下垂控制器输出的电压下垂值作差，将得到的差值进行积分，并将得到的积分输出至所述PI控制器；
所述PI控制器，连接至所述脉宽调制驱动器，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压V02作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；并将该第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流iL2作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号refPWM，并将该第一电压信号refPWM输出至所述脉宽调制驱动器；
所述脉宽调制驱动器，用于生成锯齿波信号，并将该锯齿波信号与所述第一电压信号refPWM进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
本发明提供的鲁棒下垂控制装置中，以负载电压为反馈量，从而将DC-DC变换器与直流母线之间的线路阻抗变换成DC-DC变换器自身的等效输出阻抗，消除了因线路阻抗的不平衡而导致的DC-DC变换器间电流分配不均及环流问题，提高了电流分配的精度。同时保持负载电压在期望的运行范围内，提高了直流配电网的稳定性。而且，本发明采用鲁棒直流控制器的输出值与传统下垂控制器的输出值作差，对差值进行积分，将该积分输入到PI控制器中，对直流母线的电压下降率进行抑制，解决了电压下降幅度过大的问题。可见，本发明实现了在直流配电网中DC-DC变换器并联运行时的功率均衡控制。
如图2所示，多个DC-DC变换器并联设置，每一个DC-DC变换器的输出信号通过LC滤波器进行滤波后经过相应的线路阻抗Zline连接到直流母线上，直流母线为负载提供电能。其中可以每一个DC-DC变换器均连接鲁棒下垂控制装置，也可以其中某一个或某几个连接鲁棒下垂控制装置。在将本发明提供的鲁棒下垂控制装置安装至直流配电网中使用时，需要采集直流配电网中DC-DC变换器的电流电压信号及负载电压等，具体采集方式可以但不限于有限传输的方式将相关信号传输至相应的处理模块。其中，对DC-DC变换器的输出信号进行滤波的目的是使电压稳定输出，降低电压纹波。在实际中，各DC-DC变换器连接的线路阻抗Zline不同。
DC-DC变换器的工作电压不限于电池、光伏板等直流形式的电源。直流形式的电源经过DC-DC变换器的升压或降压变换为同一电压等级的电能为直流母线上的负载提供电能。
在具体实施时，可以采用恒定阻抗线材、数字信号传输等方式将负载电压传输至鲁棒下垂控制装置。
应当理解的是，下垂控制器的原理是：通过下垂控制函数达到电压下垂的目的，其中因下垂作用导致的电压下垂值为：
ΔV＝djij
其中，ΔV表示电压下垂值，dj表示电压下垂系数，而下垂系数dj通常由DC-DC变换器额定功率下的期望电压下垂率决定，为了使DC-DC变换器能正比于其额定功率分配负荷，DC-DC变换器的下垂系数应该与其额定功率成反比，但由于受到计算误差、扰动、元件不匹配等影响，此条件的实现非常严格，即下垂系数dj应该正比于DC-DC变换器等效输出阻抗与线路阻抗之和。在DC-DC变换器并联运行的直流配电网系统中，当负载增大时负载电压将下降，由于下垂控制的作用其电压也会下降，且下垂系数越小电压下降也越小。但通常为了获得更快的响应速度一般需要大的下垂系数dj。
应当理解的是，当直流配电网运行稳定、DC-DC变换器的电流均分精度较高时，积分模块中的运算应当满足以下关系，即不存在电压差值：
Ke(V*-Vo)＝djij
其中，V*为额定电压，ij为DC-DC变换器j的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值，Ke为鲁棒闭环增益，dj为DC-DC变换器的电压下垂系数。
在具体实施时，所述脉宽调制驱动器可包括锯齿波发生器和比较器，其中：
所述锯齿波发生器用于生成所述锯齿波信号；
所述比较器用于将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
进一步地，所述比较器可以具体用于：将在所述第一电压信号refPWM大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号refPWM小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。如图4所示，可以采用幅值为频率为5MHZ的锯齿波信号进行比较运算，当refPWM大于或等于锯齿波信号幅值时，生成低电平，该低电平可以使DC-DC变换器中IGBT开关管关断。当refPWM小于锯齿波信号幅值时，生成高电平，该高电平可以使DC-DC变换器中IGBT开关管闭合。开关管的闭合或关断，可以调整DC-DC变换器的输出。
在具体实施时，所述PI控制器包括外环电压环和内环电流环，其中：
所述外环电压环，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
所述内环电流环，用于将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号，并将该第一电压信号输出至所述脉宽调制驱动器。
可见，积分模块的输出作为外环电压环的输入，外环电压环的输出作为内环电流环的输出。
在具体实施时，为了系统能够更稳定的运行，同时为了使负载电压具有较好的鲁棒性，鲁棒系数可大于下垂系数。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种直流配电网的鲁棒下垂控制方法，包括：
将直流配电网中直流母线侧的负载电压与预设的目标参考电压作差，将得到的差值与鲁棒系数相乘得到第一乘积；
将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值与下垂系数相乘得到电压下垂值；
将所述第一乘积与所述电压下垂值作差，将得到的差值进行积分；
将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号；
生成锯齿波信号，并将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
进一步地，所述将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号，可包括：
将在所述第一电压信号大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种直流配电网的鲁棒下垂控制装置，其特征在于，包括：鲁棒直流控制器、下垂控制器、积分模块、PI控制器及脉宽调制驱动器，其中：
所述鲁棒直流控制器，连接至所述积分模块，用于将直流配电网中直流母线侧的负载电压与预设的目标参考电压作差，将得到的差值与鲁棒系数相乘，并将得到的乘积输出至所述积分模块；
所述下垂控制器，连接至所述积分模块，用于将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值与下垂系数相乘得到电压下垂值，并将所述电压下垂值发送至积分模块；
所述积分模块，连接至所述PI控制器，用于将所述鲁棒直流控制器输出的乘积与所述下垂控制器输出的电压下垂值作差，将得到的差值进行积分，并将得到的积分输出至所述PI控制器；
所述PI控制器，连接至所述脉宽调制驱动器，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压经LC滤波器滤波后的电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；并将该第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号，并将该第一电压信号输出至所述脉宽调制驱动器；
所述脉宽调制驱动器，用于生成锯齿波信号，并将该锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉宽调制驱动器包括锯齿波发生器和比较器，其中：
所述锯齿波发生器用于生成所述锯齿波信号；
所述比较器用于将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述比较器具体用于：将在所述第一电压信号大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PI控制器包括外环电压环和内环电流环，其中：
所述外环电压环，用于将所述积分与所述DC-DC变换器的输出电压经LC滤波器滤波后的电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
所述内环电流环，用于将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号，并将该第一电压信号输出至所述脉宽调制驱动器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述鲁棒系数大于所述下垂系数。
6.一种直流配电网的鲁棒下垂控制方法，其特征在于，包括：
将直流配电网中直流母线侧的负载电压与预设的目标参考电压作差，将得到的差值与鲁棒系数相乘得到第一乘积；
将直流配电网中DC-DC变换器的输出电流经LC滤波器滤波后得到的电流值与下垂系数相乘得到电压下垂值；
将所述第一乘积与所述电压下垂值作差，将得到的差值进行积分；
将得到的积分与所述DC-DC变换器的输出电压经LC滤波器滤波后的电压作差，对差值进行PI运算，得到第一电流值；
将所述第一电流值与所述DC-DC变换器的输出电流作差，将得到的差值进行PI运算，得到第一电压信号；
生成锯齿波信号，并将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述锯齿波信号与所述第一电压信号进行比较运算，得到用于所述DC-DC变换器内开关管开闭的控制信号，包括：
将在所述第一电压信号大于或等于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管关断的控制信号，将在所述第一电压信号小于所述锯齿波信号幅值的时间段内生成用于所述DC-DC变换器内开关管闭合的控制信号。
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Inventor after: Shuai Zhikang

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