CN106786482B - 直流微网的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

直流微网的下垂控制方法，本发明涉及一种下垂控制方法。目前在使用常规下垂控制时存在问题：微源输出电压会随着输出电流的增大线性减小,直流母线会产生较大电压偏差，功率分配精度低。本发明包括以下步骤：1)通过低速通信引入所有微源出口电流、重要母线电压信息；2)电流限幅与电流信号发送暂停联动机制；检测每个微源所发功率，一旦检测到某微源满载，发出指令断开通信输出通道开关，使该微源不再向外发送自身电流信号，但仍收取其他微源发来的电流信号，并继续产生功率补偿和电压补偿；不再满载时，发出指令重新闭合通信输出通道开关。本技术方案善系统电压质量；保证当微源选取不合理的下垂系数时,保证微网系统正常运行。

Description

直流微网的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种下垂控制方法，尤其涉及直流微网的下垂控制方法。

背景技术

近年来，随着分布式电源的快速发展和电力电子技术的不断成熟，电网中电源和负载的组成都有了明显的变化，采用直流的设备越来越多，同时直流供电系统不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性更高，因此越来越多的研究者关注到了直流微网。

直流微网系统中协调控制的重要目标是要实现分布式电源间负荷的合理分配。目前负荷分配方法分为集中式和分布式两种。后者具有更高的冗余性和经济型，易于实现即插即用。目前应用最广泛的微电网分布式负荷分配方法是下垂控制。

尽管下垂控制有很多优势，但是在低压直流系统中，连线电阻的影响不可忽视。因此在使用常规下垂控制时，遇到了两个不能同时解决的问题。其一：微源输出电压会随着输出电流的增大线性而减小，当微源输出电流很大或者选取较大的下垂系数时，直流母线会产生较大电压偏差；其二，由于微源与直流母线间有连线电阻的存在，功率分配的精度会大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供直流微网的下垂控制方法，以还到保证微网系统工作的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

直流微网的下垂控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过低速通信引入所有微源出口电流、重要母线电压信息，其中电流信息用来保证功率分配精度，电压信息用来保证电压质量；

2)电流限幅与电流信号发送暂停联动机制；

检测每个微源所发功率，一旦检测到某微源满载，也即其输出电流达限幅值时，发出指令断开通信输出通道开关，使该微源不再向外发送自身电流信号，但仍收取其他微源发来的电流信号，并继续产生功率补偿和电压补偿；断开满载微源的通信输出通道后，即取消了满载微源对其它微源所发功率按下垂系数反比所起的钳制作用，未满载运行的微源仍可根据负载实际需要输送更多功率，且未满载微源间保持功率均分；如果此后系统负载减小，已经满载的微源其输出功率低于自身最大容量，即不再满载时，发出指令重新闭合通信输出通道开关。

本技术方案提出了一种基于微源间平均电流及重要母线电压作为反馈信号的下垂控制改进方案，并提出电流限幅与电流信号发送暂停联动机制提高本方案的适应性。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，还包括功率补偿步骤；在微电源电压小幅度偏离参考电压的情况下，将电源出力按比例分配给负载；

V_0i＝V_{0_ref}-K_iI_0i (1)

式中：V_0i为第i个微源出口电压；V_{0_ref}为电压参考值；K_i为第i个微源下垂系数；I_0i为第i个微源出口电流；

取“K_i*I_oi”的值做为功率补偿环节中的信息传输量，由本地微源“K_i*I_oi”的瞬时值与所有远方微源存在一定延时传输过来的“K_u*I_ou”值求和，算取平均值I_avg，如式(2)；

再由本地微源“K_i*I_oi”的值与I_avg做差比较经PI控制后，得到本地微源功率补偿量δ_i；如式(3)得到：

δ_i＝G_Δi*(K_i*I_oi-I_avg) (3)

式中G_d和G_Δi分别为功率补偿环节中通信延时和PI控制器传递函数；在功率补偿环节采用了PI控制，根据控制理论，当系统稳定，能够进入稳态，则积分控制的输入稳态时为0，暂态过程结束后，由式(3)得：

K₁*I_o1＝…＝K_i*I_oi＝…＝K_n*I_on＝I_avg (5)

各微源运行电流与下垂系数成反比，从而保证在有损网中，各微源间仍能按相同的负载率分配负载运行，即功率均分；

当某个微源收不到远方信号时，如果没有保留常规的下垂控制环节，该微源将失去调节能力；而保留常规下垂控制，则该微源按常规的下垂控制来分担负荷；

进一步的，还包括电压补偿步骤；由低速通信实时传递电力网络中重要母线电压V_j给各微源；各微源控制器再用式(6)算取所有重要母线电压的平均值V_avg后，与参考电压V_{0_ref}做差比较经PI控制后得到每个微源的电压补偿量λ_i，如式(7)；

λ_i＝G_Δv*(V_{o_ref}-V_avg) (7)；

V_{O_ref}为电压参考值；式中G_d和G_Δv分别为电压补偿环节通信延时和PI控制器传递函数；

由于电压补偿采用了PI控制，因此稳态时：

V_{o_ref}＝V_avg (8)。

有益效果：本发明提出了一种基于微源间平均电流及重要母线电压作为反馈信号的下垂控制改进方案，该方法能比较理想地实现各个微源的电流/功率和其下垂系数K_i成反比分配；引入的重要母线(由微网运营方确定哪些节点为重要母线，并安装相应的通信通道)电压，可较好地改善系统电压质量；同时设计的满载微源连锁停发功率信号的方案，可以保证当微源选取不合理的下垂系数时，即使某一微源已满载，其它未满载的微源仍能不受已满载微源的钳制，继续按比例承担新增负载，保证微网系统正常运行。

本技术方案增加PI控制的功率补偿保证功率均分；增加PI控制的电压补偿改善系统电压质量；满载微源连锁停发功率信号的机制，防止可能发生的个别微源下垂系数设置不合理引发的问题，以保证微网系统正常运行。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是一种直流微网结构示意图。

图3(a)实验一的1#，2#，3#DC/DC各自出口电流图。

图3(b)实验一的3条重要母线节点电压图。

图4(a)实验二的1#，2#，3#DC/DC各自出口电流图。

图4(b)实验二的3条重要母线节点电压图。

图5(a)实验三的1#，2#，3#DC/DC各自出口电流图。

图5(b)实验三的3条重要母线节点电压图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于微源间平均电流及重要母线电压作为反馈信号的下垂控制改进方案，该方法能比较理想地实现各个微源的电流/功率和其下垂系数K_i成反比分配；引入的重要母线(由微网运营方确定哪些节点为重要母线，并安装相应的通信通道)电压，可较好地改善系统电压质量；同时设计的满载微源连锁停发功率信号的方案，可以保证当微源选取不合理的下垂系数时，即使某一微源已满载，其它未满载的微源仍能不受已满载微源的钳制，继续按比例承担新增负载，保证微网系统正常运行。

常规下垂控制方法是根据微电源的下垂特性对其进行控制。其原理是在微电源电压小幅度偏离参考电压的情况下，将电源出力按比例分配给负载。

V_0i＝V_{0_ref}-K_iI_0i (1)

式中：V_0i为第i个微源出口电压；V_{0_ref}为电压参考值；K_i为第i个微源下垂系数；I_0i为第i个微源出口电流。

如果所有微源都经超导体连接到一个公共母线，则所有微源出口的运行电压V_0i均相等，根据式(1)，则各个微源的电流/功率将和其下垂系数K_i成反比分配；若将各微源的下垂系数K_i设置为与各自的容量P_Ni成反比，则各微源的负载率将相等，这是微网中理想的功率分配。

但考虑到连接各微源和公共母线的导线存在电阻R_i，而且有可能未来的直流微网在结构上并不存在所谓的公共母线，所以仅靠常规的下垂控制并不能做到各微源的负载率相等这一理想的功率分布。虽然为了改善功率分布可加大下垂系数K_i使其远大于导线电阻R_i，但这样将会影响电压质量。

本发明基于微源间平均电流反馈信号以及重要母线电压对常规下垂控制进行改进，可应用于多电源直流电力网络，方案具体如下：

在常规下垂控制的基础上通过低速通信引入所有微源出口电流、重要母线电压信息，其中电流信息用来保证功率分配精度，电压信息用来保证电压质量，如图1所示。各微源与网络间的连线电阻为R_i(i＝1,2,3…n)，其中微源由恒压直流源和Boost DC/DC升压器模拟。

一、功率补偿环节

如图1，取“K_i*I_oi”的值做为功率补偿环节中的信息传输量，由本地微源“K_i*I_oi”的瞬时值与所有远方微源存在一定延时传输过来的“K_u*I_ou”(对于第i个微源，u为所有远方微源编号，u＝1,2,3…n，u≠i)值求和，算取平均值I_avg，如式(2)。再由本地微源“K_i*I_oi”的值与I_avg做差比较经PI控制后，得到本地微源功率补偿量δ_i。以第i个微源为例，δ_i可由公式(3)得到：

δ_i＝G_Δi*(K_i*I_oi-I_avg) (3)

式中G_d和G_Δi分别为功率补偿环节中通信延时和PI控制器传递函数。由于在功率补偿环节采用了PI控制，根据控制理论，如果系统是稳定的，能够进入稳态，则积分控制的输入稳态时一定是0，故暂态过程结束后，由式(3)可得：

K₁*I_o1＝…＝K_i*I_oi＝…＝K_n*I_on＝I_avg (5)

即各微源运行电流与下垂系数成反比，从而保证在有损网中，各微源间仍能按相同的负载率分配负载运行，即功率均分。

控制器中之所以仍保留常规下垂控制是为了预防通信通道故障收不到远方信号。当某个微源收不到远方信号时，如果没有保留常规的下垂控制环节，该微源将失去调节能力；而保留常规下垂控制，则该微源仍将按常规的下垂控制来分担负荷，当然这时所分担的负荷量会受网络结构和参数的影响。

二、电压补偿环节

为了保证重要母线电压维持在一定电压水平，引入电压补偿改善系统电压质量，如图1。由低速通信实时传递电力网络中重要母线电压V_j(j为重要母线节点编号，j＝1,2,3…m)给各微源。各微源控制器再用式(6)算取所有重要母线电压的平均值V_avg后，与参考电压V_{O_ref}做差比较经PI控制后得到每个微源的电压补偿量λ_i，如式(7)。

λ_i＝G_Δv*(V_{o_ref}-V_avg) (7)

V_{O_ref}为电压参考值；式中G_d和G_Δv分别为电压补偿环节通信延时和PI控制器传递函数。

由于电压补偿采用了PI控制，因此稳态时：

V_{o_ref}＝V_avg (8)

考虑到DC/DC整流器的电压承受能力，给电压补偿量λ设置了5％的限幅，见图1中的电压补偿限幅环节。如果没有电压补偿，微源的出口电压将在采用常规下垂控制时的出口电压值附近，负荷越大，出口电压越低，伴随着更低的负荷端电压，所以电压补偿将有助于改善系统电压质量。

三、电流限幅与电流信号发送暂停联动机制

为了有效保护DC/DC变换器不因过载损坏，一般在电压环和电流环之间设置电流限幅(见图1中DC/DC控制电路中电流限幅)，将变换器输出电流限制在额定电流之内。一旦DC/DC变换器输出电流达限幅值，即该微源满载，此后一直保持输出最大允许运行电流。

通过本发明中的功率补偿环节，保证了在有损网中，各微源间输出功率能与设置的下垂系数成反比，即功率均分。但在实际微网运行中，如果个别微源未按要求设置其下垂系数，假设其设置的下垂系数偏小，则当负荷增加时，容量小的微源将先于其它微源满载。按照上述控制策略式(2)‐(4)未满载运行的微源其输出功率将受已满载微源功率的限制，无法根据负载实际需要增发更多的功率，这将导致系统电压跌落。

为了防止这种现象发生，即当微源满载时应不再发出功率信号，这样其它微源仅根据未满载微源的信息构成功率补偿信号中的平均值。因此通过Matlab中Function函数编程，实现满载与停发功率信号的联动(见图1通信输出通道)。即检测每个微源所发功率，一旦检测到某微源满载，也即其输出电流达限幅值时，经Function函数判断，发出指令0断开通信输出通道开关S，使该微源不再向外发送自身电流信号，但仍收取其他微源发来的电流信号，并继续产生功率补偿和电压补偿。断开满载微源的通信输出通道后，即取消了满载微源对其它微源所发功率按下垂系数反比所起的钳制作用，未满载运行的微源仍可根据负载实际需要输送更多功率，且未满载微源间保持功率均分。如果此后系统负载减小，已经满载的微源其输出功率低于自身最大容量，即不再满载时，经Function函数判断，发出指令重新闭合通信输出通道开关S。

四、应用举例

对本发明设计的改进下垂控制，通过几个仿真实验，观察在各种可能出现的工况下保持系统稳定和功率均分的效果，包括热插拔实验、通信故障实验、下垂系数设置不合理致某一微源满载运行实验。为此在Matlab/Simulink中模拟搭建了700V电压等级的3电源6母线直流微网，如图2，其中母线4、母线5、母线6为重要母线。图2中各元件参数见附录表1，按附录表1系统参数，若满足功率均分，则各电源运行电流比应为4：2：1。

4.1实验一：热插拔实验

实验方案：仿真时间0-1s时系统工作在常规下垂控制；从1s时系统开始工作在改进下垂控制；2.5s时3#电源突然退出运行，4.5s时恢复运行，整个仿真实验运行至7s时结束，实验结果如图3(a)。

由图3(b)分析可知：

1)仿真时间0-1s系统工作在常规下垂，各电源运行电流I_o120.37A，I_o212.06A，I_o35.49A(电流比3.7：2.2：1，不满足4：2：1的均分)；1-2.5s时系统工作在改进下垂，此时3条重要母线电压抬升至700V并且各电源运行电流I_o122.75A，I_o211.37A，I_o35.69A(电流比4：2：1，三者功率均分)。因此相比常规下垂，电源电流得到改善，三者功率均分，同时系统电压抬升，电压质量得到改善。

2)在仿真时间2.5s时，3#电源退出运行，此时I_o3为0A，经过短暂扰动后I_o1稳定在26.3A，I_o2稳定在13.15A(电流比2：1，1#与2#电源功率仍满足均分)。

3)在仿真时间4.5s时，3#电源恢复运行，经过短暂扰动后各电源运行电流又能回到I_o122.75A，I_o211.37A，I_o35.69A(三者功率均分)。同时由3(b)图可知，3#DC/DC的突然退出与插入，重要母线电压仍能维持700V。

本仿真实验验证了本设计的改进下垂控制可使整个微网系统在热插拔前后保持稳定运行，并自动保持功率均分同时能保证电压质量。

4.2实验二：通信故障实验

实验方案：改进下垂控制下，在2s时3#电源电流通信发生故障(不能收，发信息)；在5s时3#电源电压通信也发生故障(无法进行电压补偿)，即在仿真时间5-7s时，3#电源工作在常规下垂，1#、2#电源工作在改进下垂。在7s时3#电源电流与电压通信都恢复正常，整个实验运行至10s结束，实验结果如图4(a)。

由图4(b)分析可知：

1)在仿真时间2s时中断3#电源与其余两个电源间电流通信，此时各电源运行电流I_o123.41A，I_o211.71A，I_o34.92A(电流比4.8：2.4：1)，3#电源因失去功率补偿，在线路电阻的影响下无法与1#，2#电源满足电流比4：2：1，但是通信正常的1#与2#电源，其运行电流比仍满足2：1的功率分配。

2)在仿真时间5s时，在3#电源电流通信故障的基础上，又中断其电压补偿通道，此时3条重要母线电压仅靠1#，2#电源来改善，两电源将要承受更多的电压补偿，因此1#，2#电源的输出电流将会抬升，各电源运行电流I_o125.78A，I_o212.89A，I_o31.14A(电流比22.6：11.3：1)，通信正常的1#与2#电源，电流比仍继续满足2：1的功率分配。

3)在仿真时间7s时，3#电源电流与电压通信均恢复正常，经过短暂的扰动后，系统恢复稳态，此时I₀₁22.76A，I₀₂11.38A，I₀₃5.7A(电流比4：2：1，三者功率均分)。

本仿真实验验证了本发明设计的改进下垂控制在某微源通信通道发生故障时，微网系统能够稳定运行，且正常微源相互间仍保持功率均分，故障微源以常规下垂控制分担负荷。

4.3实验三：下垂系数设置不合理致某一微源满载运行

若某微源设置的下垂系数偏小，则当负荷增加时，该微源会先于其他微源满载。本实验检验本发明设计的电流限幅与电流信号发送暂态联动机制是否能使其它微源功率不受满载微源钳制，且其它微源间是否仍能按下垂系数成反比分配。

为了模拟下垂系数设置不合理的情况，将3#电源的下垂系数由原来的0.8改设为0.2，而1#电源和2#电源的下垂系数仍分别为原来的0.2和0.4。由于此时3#电源的下垂系数设置过小，如果系统带表2中的负荷，3#电源将先于其他两个电源达到满载。为此首先将三个负载均调整为较小的150Ω，此时三个电源均未满载，运行电流比将由下垂系数决定为2：1：2，然后在1s时增加负载，即将一个负载电阻，由150Ω变为50Ω，检验3#电源满载情况下的系统性能，见图5(a)。

3#电源满载后，由于电源控制器中电流限幅的作用，3#电源将一直保持输出额定功率5kW，此时若不暂停3#电源电流信号的发送，那么3个电源所发功率将仍然按2：1：2分配，虽然此时1#、2#电源还未满载，但它们无法根据负载实际需要增发更多的功率，导致3条重要母线电压持续下跌,见图5(b)。

为了防止这种现象发生，在2s时将3#电源电流信号暂停不发送(即一旦某电源满载，即不发送电流补偿信号)，因此在1#、2#电源各自的功率补偿环节中都将没有I₀₃参与，所以3个电源所发功率将不按2：1：2分配，1#、2#电源可根据负载实际需要输送更多功率，3条重要母线电压得到改善，逐渐稳定在700V附近,见图5(b)。此时各电源运行电流I₀₁11.43A，I₀₂5.71A，I₀₃6.73A(电流比2：1：1.1，1#、2#电源运行电流仍按2：1分配),见图5(a)。

在3s时让加重的负载恢复至150Ω，3#电源不再满载，3#电源电流信号恢复发送，经短暂扰动后，系统重新恢复至稳态，电压稳定在700V，同时各电源运行电流I₀₁6.36A，I₀₂3.2A，I₀₃6.3A(电流比2：1：2，三者功率均分)。

本仿真实验验证了当某微源满载时，本发明的电流限幅与控制电流补偿信号发送的策略，能够让系统继续稳定运行并且其它未满载微源间功率仍能按下垂系数成反比分配，同时能提高电压质量。

总结：本发明设计的改进下垂控制方案，保留了常规的下垂控制环节，但增加PI控制的功率补偿保证功率均分，增加PI控制的电压补偿改善系统电压质量，使改进的下垂控制方案可以兼顾功率均分目标和电压质量目标。同时为防止可能发生的个别微源下垂系数设置不合理引发的问题，引入了满载微源连锁停发功率信号的机制，可以保证微网系统正常运行。

五、附录3电源6母线直流电力网络系统参数

表1电源6母线直流电力网络系统参数

参数	数值	单位
			直流母线电压等级	700	V
负载R<sub>load1</sub>	50	Ω
			负载R<sub>load2</sub>	80	Ω
负载R<sub>load3</sub>	40	Ω
			1#电源额定容量	20	kW
2#电源额定容量	10	kW
			3#电源额定容量	5	kW
1#电源下垂系数K<sub>1</sub>	0.2	Ω
			2#电源下垂系数K<sub>2</sub>	0.4	Ω
3#电源下垂系数K<sub>3</sub>	0.8	Ω
			1#电源与节点1间电阻R<sub>1</sub>	0.4	Ω
2#电源与节点2间电阻R<sub>2</sub>	2	Ω
			3#电源与节点3间电阻R<sub>3</sub>	6	Ω
母线上每一小段电阻	2	Ω
			远方信号通信延时	1	ms

以上图所示的直流微网的下垂控制方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (3)

1.直流微网的下垂控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过低速通信引入所有微源出口电流、重要母线电压信息，其中电流信息用来保证功率分配精度，电压信息用来保证电压质量；

2)电流限幅与电流信号发送暂停联动机制；

检测每个微源所发功率，一旦检测到某微源满载，也即其输出电流达限幅值时，发出指令断开通信输出通道开关，使该微源不再向外发送自身电流信号，但仍收取其他微源发来的电流信号，并继续产生功率补偿和电压补偿；断开满载微源的通信输出通道后，即取消了满载微源对其它微源所发功率按下垂系数反比所起的钳制作用，未满载运行的微源仍可根据负载实际需要输送更多功率，且未满载微源间保持功率均分；如果此后系统负载减小，已经满载的微源其输出功率低于自身最大容量，即不再满载时，发出指令重新闭合通信输出通道开关。

2.根据权利要求1所述的直流微网的下垂控制方法，其特征在于：还包括功率补偿步骤；在微电源电压小幅度偏离参考电压的情况下，将电源出力按比例分配给负载；

V_0i＝V_{0_ref}-K_iI_0i (1)

式中：V_0i为第i个微源出口电压；V_{0_ref}为电压参考值；K_i为第i个微源下垂系数；I_0i为第i个微源出口电流；

取“K_i*I_oi”的值做为功率补偿环节中的信息传输量，由本地微源“K_i*I_oi”的瞬时值与所有远方微源存在一定延时传输过来的“K_u*I_ou”值求和，算取平均值I_avg，如式(2)；

再由本地微源“K_i*I_oi”的值与I_avg做差比较经PI控制后，得到本地微源功率补偿量δ_i；如式(3)得到：

δ_i＝G_△i*(K_i*I_oi-I_avg) (3)

式中：τ_i为延时时间；G_d和G_△i分别为功率补偿环节中通信延时和PI控制器传递函数；在功率补偿环节采用了PI控制，根据控制理论，当系统稳定，能够进入稳态，则积分控制的输入稳态时为0，暂态过程结束后，由式(3)得：

K₁*I_o1＝…＝K_i*I_oi＝…＝K_n*I_on＝I_avg (5)

各微源运行电流与下垂系数成反比，从而保证在有损网中，各微源间仍能按相同的负载率分配负载运行，即功率均分；

当某个微源收不到远方信号时，如果没有保留常规的下垂控制环节，该微源将失去调节能力；而保留常规下垂控制，则该微源按常规的下垂控制来分担负荷；其中常规下垂控制是根据微电源的下垂特性对其进行控制，其原理是在微电源电压小幅度偏离参考电压的情况下，将电源出力按比例分配给负载。

3.根据权利要求2所述的直流微网的下垂控制方法，其特征在于：还包括电压补偿步骤；由低速通信实时传递电力网络中重要母线电压V_j给各微源；各微源控制器再用式(6)算取所有重要母线电压的平均值V_avg后，与参考电压V_{0_ref}做差比较经PI控制后得到每个微源的电压补偿量λ_i，如式(7)；

V_{0_ref}为电压参考值；式中G_d和G_△v分别为电压补偿环节通信延时和PI控制器传递函数；

由于电压补偿采用了PI控制，因此稳态时：

其中：j为重要母线节点编号，j＝1,2,3…m。