CN107017615B - 一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，其系统包括一次控制单元和二次控制单元；其方法包括一次控制和二次控制；一次控制采用传统的下垂控制；二次控制包括SoC控制和平均电压控制，均采用一致性算法，使得DC‑ESs出口处的平均母线电压达到额定值，从而整体提升系统的电压水平；并使得DC‑ESs的输出功率按SoC分配，避免单个储能电池的过充或过放；本发明提供的方法解决了分散式控制存在控制误差的问题，且不需要集中式控制所必需的中央控制器，实现了“即插即用”，提升了系统的灵活性、鲁棒性和可拓展性，适于多DC‑ESs并联的直流微网系统；并可扩展到其他多电源并联的微网系统的应用中，用于提升并联型DC‑ESs稳定直流母线电压的效果以及优化电弹簧的工作条件。
Description
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统。
背景技术
光伏电池(Photovoltaics，PVs)、燃料电池和风电等直流可再生能源的发展以及直流负载容量的增加推动了直流微网的快速发展，相比于交流微网，直流微网不存在同步、无功功率传输、谐波电流及逆变器损耗等问题，仅需要简单的电力电子接口，就能够实现更有效的电力传输。直流微网技术已广泛应用于船舶系统，家庭用电系统和远程通讯系统。但由于可再生能源存在间歇性，同时负载存在不可预测的波动，导致直流微网中可能出现瞬时的功率不平从而影响直流母线电压的稳定。为平抑系统中的功率波动，保持供需平衡，通常会在孤立的微网中采用储能装置；而电弹簧(Electric Springs，ESs)是一种解决功率不平衡的新方法，能够减小对储能装置的容量需求。
电弹簧最早是作为一种需求响应技术用于交流系统的电压调整，后来拓展到功率调整，通过提供电压和频率支撑来提高微网的可靠性。研究表明，通过控制次要负载的功率实现功率平衡能有效减少储能装置的容量需求。直流电弹簧(DC Electric Springs，DC-ESs)与交流电弹簧一样，串联次要负载，在可再生能源功率波动或故障导致电压跌落时，DC-ESs能够将直流母线电压维持在限定值以内，并联DC-ESs较串联DC-ESs有更快的响应速度。
在分布式网络中，各个分布式电源处均需安装DC-ES，多DC-ESs同时工作时，如不对并联的多DC-ESs进行有效控制，会出现功率分配不合理，储能电池过充或过放，母线电压跌落等问题。现有直流微网中，通常采用集中式控制或分散式控制的方法来对电弹簧进行控制，但分散式控制存在较大误差，集中式控制必需中央控制器，无法实现“即插即用”，系统的灵活性和可拓展性有局限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，其目的在于解决现有分散式控制方法存在较大误差，而集中式控制方法无法实现“即插即用”的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，具体包括如下步骤：
(1)根据直流电弹簧单元的荷电状态和输出功率的采样值，计算直流电弹簧的状态变量；
(2)根据相邻节点的平均电压值以及本节点电压的采样值，计算本节点的平均电压值；
(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；
(4)采用双积分控制器，以第i个节点的平均电压vavgi与参考电压vref的差值作为输入信号，获取用于调节平均电压的参考电压修正量；
(5)将用于调节荷电状态的参考电压修正量、用于调节平均电压的参考电压修正量和参考电压vref相加，形成一次控制的电压给定值作为一次控制的输入信号；
(6)采用传统下垂控制的一次控制，根据上述输入信号生成控制DC/DC变换器的PWM(Pulse Width Modulation)信号；传统下垂控制由下垂系数决定功率分配，各直流电弹簧的功率按下垂系数成反比例分配。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，第i个直流电弹簧的状态变量
其中，PESi是第i个储能电池的输出功率，F(SoCi)是与第i个储能电池的荷电状态相关的函数，
其中，SoCi是指第i个储能电池的荷电状态，a是储能电池正常工作时荷电状态的下限，b是储能电池正常工作时荷电状态的上限。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，第i个节点的平均电压
其中，vbusi是第i个节点的电压采样值，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重，aij>0表示第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间能相互交换信息，aij＝0表示两者之间不能相互通讯；vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值，j∈Ni，Ni是与第i个直流电弹簧相互通讯的直流电弹簧的集合。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，其调节荷电状态的参考电压修正量
其中，kPE为PI控制器的比例系数，kIE为PI控制器的积分系数。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，其用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i＝kPU(vref-vavgi)+kIU∫(vref-vavgi)dt+kIIU∫∫(vref-vavgi)dtdt；
其中，kPU是双积分控制器的比例系数，kIU、kIIU是双积分控制器的积分系数；vavgi是第i个节点的平均电压；vref是指参考电压，可以系统电压额定值作为参考电压值。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，经下垂控制得到的各直流电弹簧的端口的母线电压
其中，是一次控制的电压给定值；Rdi是第i个直流电弹簧对应控制器的下垂系数，iLi是第i个直流电弹簧的电感电流。
优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，为使直流母线电压能快速跟踪给定值，一次控制采用电压电流双闭环控制方式；
(a)将直流母线电压的实际值与由下垂控制决定的期望值的差值经电压外环控制器GV(s)得到电感电流的参考值；
(b)将电感电流的参考值与实测值之差经电流内环控制器GI(s)得到一组调制信号；
(c)将上述电感电流的参考值和调制信号送入PWM信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的PWM控制信号；
优选地，上述的电压外环控制器GV(s)、电流内环控制器GI(s)均采用PI控制；
其中，kPV为电压外环PI控制器的比例系数，kIV为电压外环PI控制器的积分系数，kPC为电流内环PI控制器的比例系数，kIC为电流内环PI控制器的积分系数，s为复频域的复变量。
为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制系统，包括互相连接的一次控制单元和二次控制单元；
其中，一次控制单元采用传统的下垂控制，其电压指令值由二次控制单元产生；
二次控制单元包括荷电状态(State of Charge,SoC)控制模块和电压控制模块；其中，荷电状态控制模块用于根据各电池荷电状态的偏差获取用于调节荷电状态的参考电压修正量δ1i；电压控制模块用于根据节点的平均电压获取用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i；上述一次控制单元的电压指令值，由上述用于调节荷电状态的参考电压修正量δ1i与用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i相加后再加上系统电压额定值vref而形成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，定义了与储能电池容量及荷电状态SoC有关的状态变量，通过控制状态变量保持一致以平衡各直流电弹簧的储能电池荷电状态，防止单个储能电池的过充或过放，延长直流电弹簧的使用寿命；与现有技术中其他直接控制直流电弹簧的控制策略相比，避免了荷电状态不同的直流电弹簧单元之间的互相充放电，提高了系统效率；
(2)本发明提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，是一种分层式控制方法，通过二次控制产生的电压修正量，补偿了一次控制可能出现的电压偏差，使各直流电弹簧单元出口母线电压的平均值达到了电压参考值；与现有技术的集中式控制相比，本发明提供的这种分布式控制不需要集中控制器，能够实现“即插即用”，有较高的可靠性和灵活性；与传统的分散式控制相比，又克服了控制存在偏差的缺陷。
附图说明
图1是由4个PVs和4个DC-ESs构成的400V直流微网系统的示意图；
图2是并联型DC-ES结构示意图；
图3是实施例中的四个DC-ESs系统的通讯拓扑示意图；
图4是实施例中的一次控制示意图；
图5是实施例中的二次控制示意图；
图6是由下垂控制切换到基于一致性的分布式控制时系统的响应特性曲线；其中，图6(a)对应母线电压，图6(b)对应DC-ESs输出功率；图6(c)对应电池SoC，图6(d)对应状态变量xi；
图7是实施例中当DC-ES4退出运行时系统的响应特性曲线；其中，图7(a)对应母线电压；图7(b)对应DC-ESs输出功率；图7(c)对应电池SoC。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，是由4个PVs和4个DC-ESs构成的400V直流微网系统的系统结构示意图；该系统包括物理层和网络层；其中物理层包括PVs、DC-ESs和负载；网络层包括通讯链路，用于完成DC-ESs之间的信息交换。其中，DC-ES结构图如图2所示意的，包括一个双向DC/DC变换器和储能电池。以下结合该系统来具体阐述实施例提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法。
对于上述系统而言，采用本实施例提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法的控制目标是使系统中各DC-ES出口母线处的计算平均电压vavgi稳定在额定值400V，并且对各储能电池按SoC水平的高低进行功率分配；对4组PVs进行恒功率控制，输出功率PPVi(i＝1,2,3,4)均为8kW，负载采用恒阻抗负载，各分布式电源处的负载Rloadi＝10Ω(i＝1,2,3,4)，线路阻抗Rlinei＝0.02Ω(i＝1,2,3,4)。
为保证一致性，通讯拓扑中必须含有至少一条生成树，在本实施例中采用图3所示的环形通讯拓扑，当任意一条通讯链路断开或某一DC-ES退出运行时，系统中仍能包含一条生成树，具有较高的可靠性。
实施例提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制系统，包括互相连接的一次控制单元和二次控制单元；一次控制单元采用下垂控制，其电压指令值由二次控制单元产生；图4是实施例中的一次控制示意图；
二次控制单元包括荷电状态(State of Charge,SoC)控制模块和电压控制模块；其中，荷电状态控制模块用于根据各电池荷电状态的偏差获取关于荷电状态的参考电压修正量；电压控制模块用于根据节点的平均电压获取关于平均电压的参考电压修正量；图5是实施例中的二次控制示意图；由关于荷电状态的参考电压修正量与关于平均电压的参考电压修正量相加后再加上系统电压额定值而形成一次控制单元的电压指令值。
本实施例中，对各DC-ESs均采用相同的控制器，各控制器参数经调试取值如下：
一次控制：电压环：kPV＝2，kIV＝125；电流环：kPC＝500，kIC＝1250；下垂系数Rdi＝0.2(i＝1,2,3,4)。
二次控制：SoC控制器：kPE＝0.3，kIE＝3；平均电压控制器：kPU＝2，kIU＝1000，kIIU＝20。
实施例提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，具体包括如下步骤：
(1)采样测量获取各DC-ES单元的荷电状态SoC和输出功率PES，计算各DC-ES的状态变量xi，并将该状态变量xi的信息传递给相邻节点；
其中，xi是第i个DC-ES的状态变量，PESi是第i个储能电池的输出功率，F(SoCi)是与第i个储能电池的荷电状态相关的函数，
其中，SoCi是指第i个储能电池的荷电状态，0.9是实施例中储能电池正常工作时荷电状态的上限，0.4是实施例中储能电池正常工作时荷电状态的下限。
(2)采样测量获取第i个节点的电压vbusi，并根据接收的相邻节点j的平均电压值vavgj，
计算第i个节点的平均电压值
并将第i个节点的平均电压值vavgi传递给相邻节点；
其中，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重，aij>0表示第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间能相互交换信息，aij＝0表示两者之间不能相互通讯；vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值，j∈Ni，Ni是与第i个直流电弹簧相互通讯的直流电弹簧的集合。
(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节SoC的参考电压修正量δ1i：
式中，kPE为PI控制器的比例系数，kIE为PI控制器的积分系数。
(4)采用双积分控制器，以参考电压vref与第i个节点的平均电压值vavgi的差值作为输入信号，输出用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i：
δ2i＝kPU(vref-vavgi)+kIU∫(vref-vavgi)dt+kIIU∫∫(vref-vavgi)dtdt (4)
其中，kPU是双积分控制器的比例系数，kIU、kIIU是双积分控制器的积分系数；vavgi是第i个节点的平均电压，vref是系统电压额定值；
(5)将上述两个参考电压修正量δ1i、δ2i与参考电压vref相加，形成一次控制的电压给定值作为一次控制的输入信号；
(6)由一次控制产生控制DC/DC变换器的PWM信号；
实施例中，一次控制采用传统的下垂控制，经下垂控制得到的各DC-ESs端口的母线电压满足：
其中，Rdi是第i个DC-ES对应控制器的下垂系数，iLi是第i个DC-ES的电感电流。
实施例中，为使直流母线电压能快速跟踪给定值，一次控制采用电压电流双闭环控制方式。直流母线电压的实际值和由下垂控制决定的期望值之差，经电压外环控制器GV(s)得到电感电流的参考值，电感电流的参考值与实测值之差经电流内环控制器GI(s)得到一组调制信号，送入PWM信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的PWM控制信号；
其中，GV(s)、GI(s)均采用PI控制；
其中，kPV和kIV分别为电压环PI控制器的比例系数和积分系数，kPC和kIC分别为电流环PI控制器的比例系数和积分系数，s是复变量。
采用在PSCAD/EMTDC软件中对实施例提供的控制方法与传统下垂控制方法进行对比，仿真结果如图6所示。仿真前5s采用一次控制(下垂控制)，由于4个DC-ESs的下垂系数和线路阻抗均相等，其出口处的母线电压和输出功率均相等，各电池的SoC以相同的斜率下降；由图6(a)可以看出，由于下垂系数的影响，母线电压约为394.5V，低于额定值400V。5s后加入二次控制，母线的平均电压水平提升到400V，各DC-ESs的输出功率按SoC成比例分配，如图6(b)所示，DC-ES1的SoC最大，其输出功率最大，DC-ES4的SoC最小，其输出功率最低。从图6(c)可以看出，各电池的SoC成收敛趋势变化，避免了单个电池的过充或过放，从图6(d)可以看出，采用实施例提供的控制方法后，状态变量xi趋于一致。
图7是在采用本实施例所提供的控制方法及系统下，当DC-ES4退出运行时，系统的响应特性曲线；前5s系统稳定运行，5s时，DC-ES4退出运行，同时DC-ES4和DC-ES3之间、DC-ES4和DC-ES2之间的通讯链路被切断。各母线电压的响应特性如图7(a)所示，DC-ES4退出运行后，母线电压的平均值仍能稳定在额定值400V。DC-ESs输出功率及电池SoC的响应特性分别如图7(b)和7(c)所示，5s后，DC-ES4的输出功率降为零，其余三个DC-ESs的输出功率仍按SoC的大小进行分配，使三个电池的SoC呈收敛趋势变化。仿真结果表明，在图3所示的环形通讯拓扑条件下，本发明提出的基于一致性的直流电弹簧分布式控制系统及控制方法具有较高的可靠性，在任意一台DC-ES故障退出运行的情况下，仍能使系统正常运行。当需要新加入一台DC-ES时，只需要将这台DC-ES与原系统中任意一台DC-ES建立通讯链路即可，能够满足微网系统“即插即用”的要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)根据直流电弹簧单元的荷电状态和输出功率的采样值，计算直流电弹簧的状态变量；
(2)根据相邻节点的平均电压值以及本节点电压的采样值，计算本节点的平均电压；
(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；
(4)采用双积分控制器，以第i个节点的平均电压与参考电压的差值作为输入信号，获取用于调节平均电压的参考电压修正量；
(5)将用于调节荷电状态的参考电压修正量、用于调节平均电压的参考电压修正量和参考电压相加，形成一次控制的电压给定值；
(6)根据所述的电压给定值采用传统下垂控制的一次控制，生成控制DC/DC变换器的PWM信号。
2.如权利要求1所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，第i个直流电弹簧的状态变量
其中，PESi是第i个储能电池的输出功率，F(SoCi)是与第i个储能电池的荷电状态相关的函数，
SoCi是指第i个储能电池的荷电状态，a是储能电池正常工作时荷电状态的下限，b是储能电池正常工作时荷电状态的上限。
3.如权利要求2所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，第i个节点的平均电压
其中，vbusi是第i个节点的电压采样值，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重；vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值，j∈Ni，Ni是与第i个直流电弹簧相互通讯的直流电弹簧的集合。
4.如权利要求3所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，用于调节荷电状态的参考电压修正量
其中，kPE为PI控制器的比例系数，kIE为PI控制器的积分系数。
5.如权利要求3或4所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，用于调节平均电压的参考电压修正量
δ2i＝kPU(vref-vavgi)+kIU∫(vref-vavgi)dt+kIIU∫∫(vref-vavgi)dtdt；
其中，kPU是双积分控制器的比例系数，kIU、kIIU是双积分控制器的积分系数；vref是指参考电压。
6.如权利要求3或4所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，经下垂控制得到的各直流电弹簧的端口的母线电压
其中，是一次控制的电压给定值；Rdi是第i个直流电弹簧对应控制器的下垂系数，iLi是第i个直流电弹簧的电感电流。
7.如权利要求3或4所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，一次控制采用电压电流双闭环控制方式；
(a)将直流母线电压的实际值与由下垂控制决定的期望值的差值经电压外环控制器GV(s)得到电感电流的参考值；
(b)将电感电流的参考值与实测值之差经电流内环控制器GI(s)得到一组调制信号；
(c)将所述电感电流的参考值和调制信号送入PWM信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的PWM控制信号。
8.如权利要求7所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，电压外环控制器GV(s)、电流内环控制器GI(s)均采用PI控制；
其中，kPV为电压外环PI控制器的比例系数，kIV为电压外环PI控制器的积分系数，kPC为电流内环PI控制器的比例系数，kIC为电流内环PI控制器的积分系数，s是指复变量。
9.一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制系统，其特征在于，包括互相连接的一次控制单元和二次控制单元；
所述一次控制单元采用传统的下垂控制，其电压指令值由二次控制单元产生；所述二次控制单元包括荷电状态控制模块和电压控制模块；
所述荷电状态控制模块用于根据各电池荷电状态的偏差获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；所述电压控制模块用于根据节点的平均电压获取用于调节平均电压的参考电压修正量；
对于任意第i个节点，所述荷电状态的偏差为第i个直流电弹簧和与之通信的直流电弹簧的状态变量的差值；
所述第i个节点的平均电压为
其中，vbusi是第i个节点的电压采样值，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重，vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值。
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Patent Citations (4)
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