CN106647278B - 一种直流微电网分布式控制系统 - Google Patents

Abstract

一种直流微电网分布式控制系统，其包括：电压测量装置和电流测量装置，其用于测量得到第一延时电压和第一延时电流；第一电压调整信号生成装置，其用于根据第一延时电压和第二微源的输出电压，生成第一电压调整信号；第二电压调整信号生成装置，其用于根据第一延时电流、第二微源的输出电流以及预设电流比，生成第二电压调整信号；电压参考值生成装置，其用于根据第一电压调整信号和第二电压调整信号生成第二微源的电压参考值；电压调节装置，其用于根据电压参考值调整第二微源的输出电压。本系统引入了通讯线路对电压数据和电路数据的延时作用，使分布式控制系统能够应用于低带宽情况，并能够准确地实现电压恢复和电流均分。

Description

一种直流微电网分布式控制系统

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体地说，涉及一种直流微电网分布式控制系统。

背景技术

微电网是相对传统大电网的一个概念，它是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，其通过静态开关关联至常规电网。由于直流负载不断增多，并且在直流微电网中无需考虑分布式电源之间的同步问题，同时能够提供更好的电能质量和具有更高的效率，因此近年来直流微电网成为研究的热点并得到的迅速的发展。

分布式控制以其高效、可靠和稳定等优点在直流微电网中得到了广泛应用。为了使得直流微电网的电能质量得到更好的控制，许多学者以及工程人员对直流微电网的分布式控制方法进行了研究，并提出了多种不同的控制方法。然而，现有的这些控制方法尚无法较好地实现系统的电压恢复与功率均分。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种直流微电网分布式控制系统，所述系统包括：

电压测量装置和电流测量装置，其用于测量采集到的直流微电网中第一微源的输出电压和输出电流经过通讯线路传输后的相应值，分别对应得到第一延时电压和第一延时电流；

第一电压调整信号生成装置，其与所述电压测量装置连接，用于根据所述第一延时电压和第二微源的输出电压，生成第一电压调整信号；

第二电压调整信号生成装置，其与所述电流测量装置连接，用于根据所述第一延时电流、第二微源的输出电流以及预设电流比，生成第二电压调整信号；

电压参考值生成装置，其与所述第一电压调整信号生成装置和第二电压调整信号生成装置连接，用于根据所述第一电压调整信号和第二电压调整信号生成所述第二微源的电压参考值；

电压调节装置，其与所述电压参考值生成装置连接，用于根据所述电压参考值调整所述第二微源的输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述第一电压调整信号生成装置包括：

均值电路，其与所述电压测量装置连接，用于计算所述第二微源的输出电压与所述第一延时电压的平均值，得到电压平均值；

电压PI控制电路，其输入端与所述均值电路的输出端连接，用于根据所述电压平均值和预设参考电压生成所述第一电压调整信号。

根据本发明的一个实施例，所述电压PI控制电路包括：

第一减法器，其与所述均值电路连接，用于计算所述电压平均值和预设参考电压的电压差值；

电压PI控制器，其与所述第一减法器连接，用于根据所述电压差值生成所述第一电压调整信号。

根据本发明的一个实施例，所述电压PI控制器配置为根据如下表达式生成所述第一电压调整信号：

其中，v_2a表示第一电压调整信号，p_v2和m_v2分别表示电压PI控制器的比例参数和积分参数，v_ref表示参考电压，表示电压平均值。

根据本发明的一个实施例，所述第二电压调整信号生成装置包括：

比例调节器，其与所述电流测量装置连接，用于基于所述预设电流比分别对所述第一延时电流和所述第二微源的输出电流进行比例运算；

电流PI控制电路，其与所述比例调节器连接，用于根据比例运算后的第一延时电流和所述第二微源的输出电流生成第二电压调整信号。

根据本发明的一个实施例，所述电流PI控制电路配置为根据如下表达式生成所述第二电压调整信号：

v_2b＝p_i2(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂)+m_i2∫(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂)

其中，v_2b表示第二电压调整信号，p_i2和m_i2分别表示电流PI控制电路的比例参数和积分参数，i₁(t-τ)表示第一延时电流，i₂表示第二微源的输出电流，k₁/k₂表示预设电流比。

根据本发明的一个实施例，所述电压参考值生成装置配置为根据如下表达式生成所述第二微源的电压参考值：

其中，v_{2_ref}和分别表示第二微源的电压参考值和电压初始值，v_2a和v_2b分别表示第一电压调整信号和第二电压调整信号。

根据本发明的一个实施例，所述电压调节装置包括DC/DC变换器。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

电流参考值生成装置，其与所述所述电流测量装置连接，用于根据所述第一延时电流、第二微源的输出电流以及预设电流比，生成所述第二微源的电流参考值；

电流调节装置，其与所述电流参考值生成装置连接，用于根据所述第二微源的电流参考值调整所述第二微源的输出电流。

根据本发明的一个实施例，所述电流参考值生成装置配置为根据如下表达式计算所述第二微源的电流参考值：

其中，i_{2_ref}表示第二微源的电流参考值，k₁/k₂表示预设电流比，i₁(t-τ)表示第一延时电流。

相较于现有的直流微电网分布式控制系统，本发明所提供的直流微电网分布式控制系统引入了通讯线路对电压数据和电路数据的延时作用，使分布式控制方法能够应用于低带宽情况，并能够准确地实现电压恢复和电流均分。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的直流微电网物理模型的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的直流微电网分布式控制系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的直流微电网分布式控制系统的部分结构的具体电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

现有的直流微电网分布式控制方法多是采用下垂控制方式，而这种控制方式无法同时实现准确的电压恢复和电流均分。针对现有技术中所存在的上述问题，本实施例提供了一种新的直流微电网分布式控制方法以及直流微电网分布式控制系统。

不失一般性，现有的直流微电网物理模型可以简化为如图1所示。其中，该直流微电网供电系统包括两个微源，即第一微源DG#1和第二微源DG#2，这两个微源均是由戴维南等效原理简化得到的直流源。

根据图1，可以得到如下表达式：

v_load＝v₁-i₁·R_line1 (1)

v_load＝v₂-i₂·R_line2 (2)

其中，v_load表示两个微源之间的公共负载R_load之间的电压，R_line1表达表示第一微源DG#1与公共负载之间的线路阻抗，R_line2表达表示第一微源DG#2与公共负载之间的线路阻抗，v₁和i₁分别表示第一微源DG#1的输出电压和输出电流，v₂和i₂分别表示第二微源DG#2的输出电压和输出电流。

进而可以得到如下的第一微源和第二微源的输出电流表达式：

i₁＝α₁·v₁-λ·v₂ (3)

i₂＝α₂·v₂-λ·v₁ (4)

其中，

为了更加清楚的阐述本实施例所提供的直流微电网分布式控制方法以及直流微电网分布式控制系统的实现原理、实现过程以及优点，以下以图1所示的直流微电网简化模型来对该方法以及系统进行描述。

图2示出了本实施例所提供的直流微电网分布式控制系统的结构示意图，图3示出了本实施例所提供的直流微电网分布式控制系统的部分结构的具体电路示意图。

如图2所示，该系统优选地包括：电压测量装置201、电流测量装置202、第一电压调整信号生成装置203、第二电压调整信号生成装置204、电压参考值生成装置205以及电压调节装置206。

其中，电压测量装置201和电流测量装置202用于测量直流微电网中第一微源的输出电压和输出电流经过线路传输后的相应值，从而分别得到第一延时电压v₁(t-τ)和第一延时电流i₁(t-τ)。其中，τ(t)≥0为信号通过通信线路时的延时。

第一电压调整信号生成装置203与电压测量装置201以及第二微源DG#2的输出端连接，其能够根据电压测量装置201传输来的第一时延电压v₁(t-τ)和第二微源的输出电压v₂，生成第一电压调整信号v_2a。

如图3所示，本实施例中，第一电压调整信号生成装置203优选地包括：均值电路301和电压PI控制电路302。均值电路301包含两个信号输入端，其中一个信号输入端与电压测量装置201连接，用于接收电压测量装置201传输来的电压信号(即第一延时电压v₁(t-τ))，另一信号输入端与设置于第二微源的输出端的电压测量装置连接，用于获取第二微源的输出电压v₂。均值电路301的输出端与电压PI控制电路302的输入端连接。

本实施例中，均值电路301包括加法器301a和放大倍数为1/2比例放大器301b。其中，加法器301a用于对第一延时电压v₁(t-τ)和第二微源的输出电压v₂进行求和，并将求和结果输入至比例放大器301b，从而由比例放大器301b根据上述求和结果计算第一延时电压v₁(t-τ)和第二微源的输出电压v₂的平均值，得到电压平均值即存在：

在得到电压平均值后，均值电路301会将电压平均值传输至电压PI控制电路302，以由电压PI控制电路302根据电压平均值和预设参考电压v_ref生成第一电压调整信号v_2a。

具体地，如图3所示，本实施例中，电压PI控制电路302优选地包括第一减法器302a和电压PI控制器302b。其中，第一减法器302a的正相输入端用于接收预设参考电压v_ref，负相输入端与均值电路301的输出端连接。这样，第一减法器也就可以计算得到电压平均值与预设参考电压v_ref的电压差值Δv₂，即存在：

第一减法器302a会将上述电压差值Δv₂传输至电压PI控制器302b中，这样电压PI控制器302b也就可以根据上述电压差值Δv₂生成第一电压调整信号v_2a。具体地，本实施例中，电压PI控制器302b优选地根据如下表达式计算第一电压调整信号v_2a：

其中，p_v2和m_v2分别表示电压PI控制器302b的比例参数和积分参数。

再次如图2所示，本实施例中，第二电压调整信号生成装置204与电流测量装置202连接，其用于根据电路测量电路202测量得到的第一延时电流i₁(t-τ)、获取到的第二微源的输出电流i₂以及预设电流比，生成第二电压调整信号v_2b。

具体地，如图3所示，本实施例中，第二电压调整信号生成装置204优选地包括比例调节器303和电流PI控制电路304。其中，比例调节器303与电流测量装置202以及设置在第二微源输出端位置处的相关电流测量装置连接，其能够基于预设电流比分别对第一延时电流i₁(t-τ)以及第二微源的输出电流i₂进行比例运算。

比例调节器303会将比例运算后的第一延时电流i₁(t-τ)以及第二微源的输出电流i₂传输至电流PI控制电路304，以由电流PI控制电路304根据比例运算后的第一延时电流i₁(t-τ)以及第二微源的输出电流i₂生成第二电压调整信号v_2b。

具体地，本实施例中，电流PI控制电路304优选地包括第二减法器304a和电流PI控制器304b。其中，第二减法器304a的正相输入端用于接收比例运算后的第一延时电流i₁(t-τ)，负相输入端用于接收比例运算后的第二微源的输出电流i₂，其输出端用于输出自身生成的电流差值Δi₂，即存在：

Δi₂＝i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂ (11)

其中，i₁(t-τ)/k₁表示比例运算后的第一延时电流i₁(t-τ)的相应电流值，i₂/k₂表示比例运算后的第二微源的输出电流i₂的相应电流值，k₁/k₂表示预设电流比(即第一微源的输出电流与第二微源的输出电流的比值)。

第二减法器304a会将上述电流差值Δi₂传输至电流PI控制器304b中，这样电流PI控制器304b也就可以根据上述电流差值Δi₂生成第二电压调整信号v_2b。具体地，本实施例中，电流PI控制器304b优选地根据如下表达式计算第二电压调整信号v_2b：

v_2b＝p_i2(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂)+m_i2∫(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂) (12)

其中，p_i2和m_i2分别表示电流PI控制器的比例参数和积分参数。

再次如图2所示，电压参考值生成装置205与第一电压调整信号生成装置203和第二电压信号调整信号生成装置204连接，其用于根据第一电压调整信号生成装置203所生成的第一电压调整信号v_2a以及第二电压调整信号生成装置204所生成的第二电压调整信号v_2b生成第二微源的电压参考值v_{2_ref}。

具体地，如图3所示，本实施例中，第二微源的电压参考值v_{2_ref}为第一电压调整信号v_2a、第二电压调整信号v_2b与第二微源的电压初始值之和，即存在：

需要指出的是，本实施例中，电压参考值生成装置205优选地可以采用加法器来实现，在本发明的其他实施例中，电压参考值生成装置205还可以采用其他合理的器件或电路来实现，本发明不限于此。

在得到第二微源的电压参考值v_{2_ref}后，电压参考值生成装置205会将该电压参考值v_{2_ref}输出至电压调节装置206。具体地，本实施例中，电压调节装置206优选地包括第三减法器305、电压调节器306以及DC/DC变换器(图中未示出)。其中，第三减法器305的正相输入端与电压参考值生成装置205连接，负相输入端与设置在第二微源输出端的相应电压测量电路连接，其输出端与电压调节器306连接，电压调节器306能够将自身的输出电压调整至与电压参考值v_{2_ref}相等或近似。DC/DC变换器的输入端与电压调节器306，其输出端形成整个第二微源的输出端。从图3中可以看出，本实施例中，电压调节装置206采用闭环调节的方式来对调整第二微源的输出电压。

本实施例中，该直流微电网分布式控制系统还包括电流参考值生成装置207和电流调节装置208。其中，电流参考值生成装置207与电流测量电路202连接，其能够接收电流测量电路202传输来的第一延时电流i₁(t-τ)、由设置在第二微源输出端的相关电流测量电路测量得到的第二微源的输出电流i₂，并根据上述电流值以及预设电流比生成第二微源的电流参考值i_{2_ref}。

具体地，本实施例中，电流参考值生成装置207优选地根据如下表达式计算第二微源的电流参考值i_{2_ref}：

其中，i_{2_ref}表示第二微源的电流参考值，k₁/k₂表示预设电流比，i₁(t-τ)表示第一延时电流。

在得到第二微源的电流参考值i_{2_ref}后，电流参考值生成装置207会将该电流参考值i_{2_ref}传输至电流调节装置208。其中，电流调节装置208优选地包括第四减法器208a和电流调节器208b。第四减法器208a的正相输入端与电流参考值生成装置207连接，负相输入端与设置在第二微源输出端的相应电流测量电路连接，其输出端与电流调节器208b连接，电流调节器208b能够将自身的输出电压调整至与电流参考值i_{2_ref}相等或近似。

需要指出的是，上述内容是以直流微电网中的第二微源为控制对象为例进行说明的，对直流微电网中的其他微源的控制原理以及控制过程与上述内容类似，故在此不再对其他微源的控制原理以及控制过程进行赘述。

从上述描述中可以看出，相较于现有的直流微电网分布式控制系统，本实施例所提供的直流微电网分布式控制系统引入了通讯线路对电压数据和电路数据的延时作用，其能够准确地实现电压恢复和电流均分。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种直流微电网分布式控制系统，其特征在于，所述系统包括：

电压测量装置和电流测量装置，其用于测量采集到的直流微电网中第一微源的输出电压和输出电流经过通讯线路传输后的相应值，分别对应得到第一延时电压和第一延时电流；

第一电压调整信号生成装置，其与所述电压测量装置连接，用于根据所述第一延时电压和第二微源的输出电压得到电压平均值，并将预设参考电压与所述电压平均值的电压差值进行电压PI控制处理，生成第一电压调整信号；

第二电压调整信号生成装置，其与所述电流测量装置连接，用于根据所述第一延时电流、第二微源的输出电流以及预设电流比进行比例运算与减法运算以生成电流差值，并对所述电流差值进行电流PI控制处理，生成第二电压调整信号；

电压参考值生成装置，其与所述第一电压调整信号生成装置和第二电压调整信号生成装置连接，用于根据所述第一电压调整信号、所述第二电压调整信号以及第二微源的电压初始值之和，生成所述第二微源的电压参考值；

电压调节装置，其与所述电压参考值生成装置连接，用于根据所述电压参考值调整所述第二微源的输出电压。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电压调整信号生成装置包括：

均值电路，其与所述电压测量装置连接，用于计算所述第二微源的输出电压与所述第一延时电压的平均值，得到电压平均值；

电压PI控制电路，其输入端与所述均值电路的输出端连接，用于根据所述电压平均值和预设参考电压生成所述第一电压调整信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电压PI控制电路包括：

第一减法器，其与所述均值电路连接，用于计算所述电压平均值和预设参考电压的电压差值；

电压PI控制器，其与所述第一减法器连接，用于根据所述电压差值生成所述第一电压调整信号。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电压PI控制器配置为根据如下表达式生成所述第一电压调整信号：

其中，v_2a表示第一电压调整信号，p_v2和m_v2分别表示电压PI控制器的比例参数和积分参数，v_ref表示参考电压，表示电压平均值。

5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二电压调整信号生成装置包括：

比例调节器，其与所述电流测量装置连接，用于基于所述预设电流比分别对所述第一延时电流和所述第二微源的输出电流进行比例运算；

电流PI控制电路，其与所述比例调节器连接，用于根据比例运算后的第一延时电流和所述第二微源的输出电流生成第二电压调整信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电流PI控制电路配置为根据如下表达式生成所述第二电压调整信号：

v_2b＝p_i2(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂)+m_i2∫(i₁(t-τ)/k₁-i₂/k₂)

其中，v_2b表示第二电压调整信号，p_i2和m_i2分别表示电流PI控制电路的比例参数和积分参数，i₁(t-τ)表示第一延时电流，i₂表示第二微源的输出电流，k₁/k₂表示预设电流比。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压参考值生成装置配置为根据如下表达式生成所述第二微源的电压参考值：

其中，v_{2_ref}和分别表示第二微源的电压参考值和电压初始值，v_2a和v_2b分别表示第一电压调整信号和第二电压调整信号。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压调节装置包括DC/DC变换器。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

电流参考值生成装置，其与所述所述电流测量装置连接，用于根据所述第一延时电流、第二微源的输出电流以及预设电流比，生成所述第二微源的电流参考值；

电流调节装置，其与所述电流参考值生成装置连接，用于根据所述第二微源的电流参考值调整所述第二微源的输出电流。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电流参考值生成装置配置为根据如下表达式计算所述第二微源的电流参考值：

其中，i_{2_ref}表示第二微源的电流参考值，k₁/k₂表示预设电流比，i₁(t-τ)表示第一延时电流。