CN108448563A - 一种直流微电网分布式协同控制系统及直流微电网 - Google Patents

Abstract

一种直流微电网分布式协同控制系统，包括：电压调节器，用于根据所述节点数据生成节点平均电压估计值，并根据所述节点平均电压估计值和输出电压参考值生成第一电压校正量；电流调节器，用于根据所述节点数据生成第二电压校正量；校正电压生成器，用于根据所述第一电压校正量和第二电压校正量生成相应的校正电压值；电压控制器，用于根据所述校正电压值生成本地电压设定值，并根据所述本地电压设定值生成转换器控制信号，以通过所述转换器控制信号控制与之连接的转换器的运行状态。本系统能够实现直流母线电压恢复、消除平均电压偏差，同时还能够有效保证各微源之间的比例负载分配。

Description

一种直流微电网分布式协同控制系统及直流微电网

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种直流微电网分布式协同控制系统及直流微电网。

背景技术

直流微电网是将现代电子负载和替代能源与光伏系统、燃料电池和储能系统等直流输出类型相结合的有效解决方案。在直流微电网中，多个储能单元通常通过DC-DC双向变换器并联到直流母线上，以满足大规模的储能要求。

下垂控制是在没有数字通信的基础上，通过并行转换器之间的协作操作实现公共直流母线电压调节的方式。该方式是通过在转换器的电压调节器的顶部添加所谓的虚拟电阻(VR)控制回路，其允许电流共享，同时提供对系统的主动阻尼和即插即用能力。

然而，由于负载会产生电压偏差，因此线路阻抗及分布式电源输出阻抗会影响负荷的精确分配。这样也就造成传统意义上的负载不能按照下垂控制输出的虚拟阻抗进行分配。

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协同控制系统，所述控制系统设置在直流微电网的节点中，并通过直流微电网的通信网络获取邻居节点的节点数据，所述控制系统包括：

电压调节器，其用于根据所述节点数据生成节点平均电压估计值，并根据所述节点平均电压估计值和输出电压参考值生成第一电压校正量；

电流调节器，其用于根据所述节点数据生成第二电压校正量；

校正电压生成器，其与所述电压调节器和电流调节器连接，用于根据所述第一电压校正量和第二电压校正量生成相应的校正电压值；

电压控制器，其与所述校正电压生成器连接，用于根据所述校正电压值生成本地电压设定值，并根据所述本地电压设定值生成转换器控制信号，以通过所述转换器控制信号控制与之连接的转换器的运行状态。

根据本发明的一个实施例，所述校正电压生成器配置为计算所述第一电压校正量与第二电压校正量之和，得到所述校正电压值。

根据本发明的一个实施例，所述电压控制器配置为根据如下表达式确定所述本地电压设定值：

其中，表示对应于节点i的本地电压设定值，v_ref,i表示对应于节点i的输出电压参考值，R_D,i表示对应于节点i的虚拟输出阻抗，i_i表示对应于节点i的输出电流，δv_i表示对应于节点i的校正电压。

根据本发明的一个实施例，所述电压控制器包括：

第一差分器，其用于根据校正电压值、输出电压参考值和输出电流值生成所述本地电压设定值；

第二差分器，其与所述第一差分器连接，用于根据所述本地电压设定值和本地电压测量值生成第一电压偏差；

第一PI控制器，其与所述第二差分器连接，用于根据所述第一电压偏差生成输出电流参考值；

第三差分器，其与所述第一PI控制器连接，用于根据所述输出电流参考值和输出电流实际值生成第一电流偏差；

转换器控制信号生成模块，其与所述第三差分器连接，用于根据所述第一电流偏差生成所述转换器控制信号。

根据本发明的一个实施例，所述电压调节器包括：

全局平均电压观测器，其用于根据接收到的邻居节点传输来的节点数据和本地节点数据生成节点平均电压估计值；

第四差分器，其与所述全局平均电压观测器连接，用于根据所述节点平均电压估计值和输出电压参考值生成第二电压偏差；

第二PI控制器，其与所述第四差分器连接，用于根据所述第二电压偏差生成所述第一电压校正量。

根据本发明的一个实施例，所述全局平均电压观测器配置为利用动态一致性协议来根据邻居节点传输来的节点数据生成节点平均电压估计值。

根据本发明的一个实施例，所述全局平均电压观测器配置为根据如下表达式确定所述节点平均电压估计值：

其中，表示对应于节点i的节点平均电压估计值，v_i(t)表示t时刻节点i的输出电压，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，表示t时刻节点j的节点平均电压估计值，表示t时刻节点i的节点平均电压估计值。

根据本发明的一个实施例，节点j向节点i传播数据的通信权重与节点i向节点j传播数据的通信权重相等。

根据本发明的一个实施例，所述第二PI控制器配置为根据如下表达式确定所述第一电压校正量：

其中，表示第一电压校正量，k_pv和k_iv分别表示第二PI控制器的比例系数和积分系数，v_ref,i表示对应于节点i的输出电压参考值，表示对应于节点i的节点平均电压估计值。

根据本发明的一个实施例，所述电流调节器包括：

电流失配估计器，其用于根据接收到的邻居节点传输来的节点数据和本地节点数据生成电流失配量；

第三PI控制器，其与所述电流失配估计器连接，用于根据所述电流失配量生成所述第二电压校正量。

根据本发明的一个实施例，所述电流失配估计器配置为根据如下表达式生成所述电流失配量：

其中，δ_i表示对应于节点i的电流失配量，b表示电压调节器与电流调节器之间的耦合增益，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，和分别表示对应于节点j和节点i的每单位电流。

本发明还提供了一种直流微电网，其包括如上任一项所述的分布式协同控制系统。

本发明所提供的直流微电网分布式协同控制系统以分布式通信的方式进行通信，并且将一致性算法应用到电压调节器和电流调节器中。电压调节器实现对全局平均电压的估计，然后再根据该全局平均电压的估计值来调整本地电压设定值以实现节点电压恢复。电流调节器对输出电流失配量的计算，然后再根据该输出电流失配量来调整电压设定点以实现比例负载分配。针对现有分布式控制方式中由于中央控制单元不存在而导致未通过DCL连接的两个微源之间无法进行通信的问题，本发明所提供的控制系统利用一致性算法有效规避了该问题。

此外，在二级控制中，该控制系统利用电压调节器和电流调节器来分别产生两个电压校正项来调整局部下垂控制器(即电压控制器)的电压参考值，然后利用下垂控制方法调整本地电压设定值。该控制系统能够实现直流母线电压(即节点电压恢复)恢复、消除平均电压偏差，同时还能够有效保证各微源之间的比例负载分配。

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是现有技术中一种典型的直流微电网的结构框架示意图；

图2是是根据本发明一个实施例的直流微电网控制系统的结构示意图；

图3是是根据本发明一个实施例的基于一致性协议的平均电压计算逻辑图；

图4是是根据本发明一个实施例的电压控制器的结构示意图；

图5是是根据本发明一个实施例的电压下垂特性图；

图6至图9是是根据本发明一个实施例的控制系统的仿真结果示意图。

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。

传统意义上的负载不能按照下垂控制输出的虚拟阻抗进行分配，因此现有技术中引入了二级控制器，将直流微电网各节点的电压恢复为本节点电压基准，避从而免下垂控制时的电压偏移额定值。次级输出信号则通过上下移动下垂线来相应地改变下垂单元的电压基准。

对于二级控制来说，现有技术中存在一种方式是采用全局通信的方式得到分布式电源的输出电流，并采用平均电流分配控制方法来恢复直流母线电压。这种集中式通信控制方法可以克服集中控制对中央控制单元依赖性，但对通信技术的要求较高。将分散式和集中式控制方法结合到分层控制结构中，即使用直流微电网的分布式控制来克服集中通信及控制的缺陷成为研究的热点。这种分布式控制方法使信息共享不受单点故障的影响，可以满足分布式电源即插即用的需求。

图1示出了一种典型的直流微电网的结构框架示意图。如图1所示，该直流微电网包含了物理层、网络层和控制层。其中，所有的信息通过网络层来进行信息交换，每一个微源作为网络图中的一个节点，节点i向其邻居发送一组由三个元素组成的数据其中，表示对直流微电网平均电压的估计值，v_i表示测量得到的与节点i所对应转换器的输出电压(即节点i所对应的本地电压)，表示测量计算后得到的每单位电流，它是指由转换器提供的电流除以负载分配系数得到的，即存在：

其中，表示与节点i所对应的第i个转换器的负载分配系数。

网络层中的信息链路可以交换具有不同增益(也称为通信权重)的数据。这些通信权重是设计参数，可以被视为数据传输增益。在通信链路的另一端，每个节点j能够从通信权重a_jk的所有邻居ψ_k(k∈N_j)接收数据。

例如，如果节点j通过指定权重为a_ij的链路向节点i传播数据，则在节点i接收到节点j传递的信息为a_ijψ_k。一般来说，如果节点i从节点j接收数据，则a_ij＞0；而如果节点i不从节点j接收数据，那么a_ij＝0。

这样的通信图通常由相关的N阶邻接矩阵A_G＝[a_ij]∈R^N×N表示，其中包含N个节点之间的通信权重。因此，不同于传统的每单位电流，各个转换器可以使用不同的值作为它们的基极电流(即它们的额定电流)。其中，在相同电压区域中的转换器共享用于基极电流的相同值。

直流微电网的分层控制与交流微电网类似，包括一次控制和二次控制。全局电压调节和比例负载分配分别是二次/一次控制的两个目标，其要求为每个转换器分配适当的电压设定值。基于电压下垂特性的分布式控制方法由于其结构简单，且易于实现储能单元的即插即用等优点被广泛应用于储能系统的控制系统。

根据微电网分层控制策略，将下垂控制应用在分布式电源的外环控制中有助于维持系统在一次控制中的稳定性。在二级控制中通过使用邻居节点的信息，利用分布式控制策略为下垂控制方法提供合适的电压参考值。控制器通过产生一个控制信号(即PWM波的占空比d_i)，从而得到转换器控制信号(即具有相应占空比的PWM波)来调节转换器的输出电压和电流。

本发明提供了一种新的直流微电网控制系统以及应用该控制系统的直流微电网。该控制系统基于一致性算法来进行分布式协同控制，从而实现直流微电网的电压调节和负载分配。同时，该控制系统还能够实现直流母线电压恢复、消除平均电压偏差，同时保证各个微源之间的比例负载分配。

图2示出了本实施例所提供的直流微电网分布式协同控制系统的结构示意图，本实施例所提供的直流微电网分布式协同控制系统200对应设置在直流微电网的各个节点中，其能够通过直流微电网中的通信网络来获取邻居节点的节点数据。由于本实施例中各个控制系统的结构以及工作过程相同，因此为了描述的方便，以下以其中一个节点i中的控制系统来作进一步的说明。

如图2所示，本实施例所提供的直流微电网分布式协同控制系统200对应设置在直流微电网的各个节点中，其能够通过直流微电网中的通信网络来获取邻居节点的节点数据。例如，对于节点i中的控制系统来说，其能够通过直流微电网中的通信网络来获取邻居节点j的节点数据ψ_j。其中，节点数据ψ_j中包括了节点j对直流微电网平均电压的估计值节点j测量得到的本地电压v_j和节点j测量计算得到的每单位电流

该控制系统包括：电压调节器201、电流调节器202、校正电压生成器203以及电压控制器204。其中，节点i从邻居节点接收到的节点数据主要用于电压调节器201和电流调节器202中。电压调节器201能够根据接收到的节点数据生成节点平均电压估计值，并根据该节点平均电压估计值和所设置的输出电压参考值来生成第一电压校正量。而电流调节器202则可以根据接收到的节点数据来生成第二电压校正量。

如图2所示，本实施例中，电压调节器201优选地包括：全局平均电压观测器201a、第四差分器201b以及第二PI控制器201c。其中，全局平均电压观测器201a能够根据即受到的邻居节点传输来的节点数据生成节点平均电压估计值。

在分布式控制中，中央控制单元不存在，本地控制系统仅通过专用数字通信链路(DCL)相互通信。如果两个系统之间没有通过DCL连接，那么它们则无法直接访问彼此的数据。因此为了规避这个问题，本实施例中，全局平均电压观测器优选地配置为使用一致性算法来根据邻居节点传输来的节点数据生成节点平均电压估计值。

一致性算法可以通过连续地计算给定的本地控制系统和其邻居的一些重要变量的所有代数差来使目标输出达成一致。该定义也可以表示为分布式线性一致性协议：

其中，x_i(t)和x_j(t)分别表示节点i中的本地控制系统和节点j中的本地控制系统中指定变量的值。这里，j通过由N_i表示的节点i中的本地控制系统的整个相邻集合进行迭代。

由表达式(2)可知，x_i(t)相对于其邻居变量的值进行交互调整。同样，任何其它控制系统中变量的值也根据自己相邻节点中的控制系统变量的值进行调整。因此，可以分析证明，如果每个微源通过分布式通信网络进行通信，那么所有本地控制系统中的特定变量将在一定时间内收敛到共同的平均值。而以这种方式共享信息比现有技术中所使用的简单的数据平均具有更广泛的适用性。

本实施例中，全局平均电压观测器201a正是利用基于上述原理的动态一致性协议来根据邻居节点传输来的节点数据生成节点平均电压估计值。具体地，如图3所示，本实施例中，全局平均电压观测器201a优选地配置为根据如下表达式确定节点平均电压估计值：

其中，表示对应于节点i的节点平均电压估计值，v_i(t)表示t时刻节点i的输出电压，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，表示t时刻节点j的节点平均电压估计值，表示t时刻节点i的节点平均电压估计值。

当然，在本发明的其它实施例中，全局平均电压观测器201a还可以根据实际需要来采用其它合理方式来确定节点平均电压估计值，本发明不限于此。

如图2所示，第四差分器201b与全局平均电压观测器201a连接，其能够根据全局平均电压观测器201a所生成的节点平均电压估计值以及获取到的输出电压参考值来生成第二电压偏差。

具体地，本实施例中，第四差分器201b优选地通过计算对应于节点i的输出电压参考值v_ref,i与对应于节点i的节点平均电压估计值的差值(即)来得到上述第二电压偏差。

在得到上述第二电压偏差后，第四差分器201b会将该第二电压偏差传输至与之连接的第二PI控制器201c，以由第二PI控制器201c根据上述第二电压偏差生成第一电压校正量。

具体地，本实施例中，第二PI控制器201c优选地配置为根据如下表达式确定第一电压校正量：

其中，表示第一电压校正量，k_pv和k_iv分别表示第二PI控制器的比例系数和积分系数，v_ref,i表示对应于节点i的输出电压参考值，表示对应于节点i的节点平均电压估计值。

由此可见，当节点平均电压估计值与输出电压参考值v_ref,i之间存在任何差异时，控制系统200可以利用电压调节器201来调整第一电压校正量以消除该差异。

由于系统的收敛速度取决于通信权重所构成的拉普拉斯矩阵A_G，因此，本实施例中，为了获得更快的收敛，通信权重需要进行适当配置。具体地，对于像电力系统和微电网这样的网络，拉普拉斯矩阵A_G优选地可以配置成对称的，即存在：

a_ij＝a_ji (5)

这也就是说，节点j向节点i传播数据的通信权重a_ij与节点i向节点j传播数据的通信权重a_ji相等。对称的拉普拉斯矩阵A_G能够使得该控制系统具有即插即用和链路故障弹性等特性。

拉普拉斯矩阵A_G能够反映出直流微电网的通信网络的拓扑结构，并且还能够通过合理的配置拉普拉斯矩阵A_G中各个元素的取值实现更快速的收敛。本实施例中，拉普拉斯矩阵A_G优选地可以配置为：

当然，在本发明的其它实施例中，电压调节器201还可以采用其它合理形式来实现，本发明不限于此。

再次如图2所示，本实施例中，电流调节器202优选地包括电流失配估计器202a和第三PI控制器202b。其中，电流失配估计器202a能够根据接收到的节点数据来生成电流失配量，具体地，电流失配估计器202a优选地通过将本地每单位电流与接收到的邻居节点的每单位电流的加权平均值进行比较来确定出当前的电流失配量。

本实施例中，电流失配估计器202a优选地根据如下表达式来确定电流失配量：

其中，δ_i表示对应于节点i的电流失配量，b表示电压调节器与电流调节器之间的耦合增益，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，和分别表示对应于节点j和节点i的每单位电流。

在得到电流失配量δ_i后，电流失配估计器202a会将上述电流失配量δ_i传输至与之连接的第三PI控制器202b，以由第三PI控制器202b根据上述电流失配量δ_i生成第二电压校正量

具体地，本实施例中，第三PI控制器202b优选地配置为根据如下表达式确定第二电压校正量：

其中，表示第二电压校正量，k_pi和k_ii分别表示第三PI控制器的比例系数和积分系数，δ_i表示对应于节点i的电流失配量。

如果任何两个邻居节点的每单位电流不同，那么对应的控制系统中的电流调节器将会响应该电流偏差，从而通过调节它们的第二电压校正量来重新获得每单位电流之间的平衡。

当然，在本发明的其它实施例中，电流调节器202还可以采用其它合理方式来根据接收到的节点数据生成第二电压校正量本发明不限于此。

再次如图2所示，本实施例中，校正电压生成器203与电压调节器201和电流调节器202连接，其能够根据电压调节器201所传输来的第一电压校正量以及电流调节器202所传输来的第二电压校正量生成相应的校正电压值。

具体地，本实施例中，校正电压生成器203优选地配置为计算第一电压校正量与第二电压校正量之和，来得到校正电压值δv_i，即存在：

电压控制器204与校正电压生成器203连接，其能够根据校正电压生成器203所传输来的校正电压值δv_i与测量得到的输出电流值i_i生成本地电压设定值，并根据本地电压设定值来生成相应的转换器控制信号，从而通过所述转换器控制信号控制与之连接的转换器205的运行状态。

下垂控制通常在直流微电网中作为一次控制，在维持系统稳定运行方面发挥重要作用。与交流微电网不同的是，直流微电网中分布式电源的下垂特性是一个关于电压和电流的线性函数。传统的一次控制过程可以表示如下：

其中，R_D表示虚拟输出阻抗，v_ref表示无负载时的输出电压参考值，和i_o分别表示本地电压设定值和输出电流值。

如果ε_v表示允许的最大电压偏差值，v_n表示额定输出电压，i_max表示下垂控制单元最大输出电流，那么虚拟输出阻抗R_D和无负载时的输出电压参考值v_ref则可以表示为：

下垂控制器在主要控制层面上作用于本地信息。当运行条件变化时，下垂机构立即启动电压调整。但是，这个本地控制性能有限。在二次控制层面上的转换器之间的协作可以帮助适当地微调本地电压设定值并且减小电流和电压残余。

图4示出了本实施例所提供的电压控制器204的结构示意图，其能够表征出电压控制器204的下垂控制结构，图5则示出了电压控制器204所能够实现的电压下垂特性图。

如图4所示，本实施例中，电压控制器204优选地包括：第一差分器401、第二差分器402、第一PI控制器403、第三差分器404以及转换器控制信号生成模块405。其中，第一差分器401用于根据校正电压生成器203所传输来的校正电压值δv_i和输出电压参考值v_ref,i生成本地电压设定值

具体地，本实施例中，第一差分器401优选地根据如下表达式生成本地电压设定值

其中，R_D,i表示对应于节点i的虚拟输出阻抗，i_i表示对应于节点i的输出电流。

由此可见，本实施例中，电压外环将反馈得到的输出电流i_i经下垂系数(即虚拟输出阻抗R_D,i)放大后，再与直流母线参考电压(即输出电压参考值v_ref,i)以及校正电压值δv_i相比较来调整下垂控制的本地电压设定值

需要指出的是，不同单元的虚拟输出阻抗R_D,i的大小会影响功率分配和系统的稳定性。较低的虚拟输出阻抗R_D,i值能确保直流母线中的电压偏差较低。而虚拟输出阻抗R_D,i越大，直流母线中的电压偏差也就越大，但是微源之间的负载分配越精确。此外，较小的虚拟输出阻抗R_D,i可能会使得直流微电网的稳定性降低。

如图4所示，本实施例中，第二差分器402与第一差分器401连接，其能够根据第一差分器401所传输来的本地电压设定值和本地电压测量值v_i生成第一电压偏差。即，存在：

第一PI控制器403与第二差分器402连接，其能够根据第二差分器402传输来的第一电压偏差Δv_i生成输出电流参考值i_ref,i。第三差分器404与第一PI控制器403连接，其能够根据输出电流参考值i_ref,i和输出电流实际值i_i生成第一电流偏差Δi_i，即存在：

Δi_i＝i_ref,i-i_i (15)

第三差分器404会将得到的上述第一电流偏差传输至与之连接的转换器控制信号生成模块405，以由转换器控制信号生成模块405根据上述第一电流偏差生成相应的转换器控制信号。其中，该转换器控制信号优选地为PWM波。当然，在本发明的其他实施例中，转换器控制信号生成模块405所生成的转换器控制信号还可以为其它合理信号，本发明不限于此。

本实施例中，转换器控制信号生成模块405优选地包括级联的PI控制器和PWM波生成器。上述第一电流偏差Δi_i经过计算得到一个控制信号(即PWM波的占空比d_i)，将该控制信号传输至与之连接的PWM波生成器，则得到相应的转换器控制信号(即具有相应占空比的PWM波)。当然，在本发明的其它实施例中，根据实际需要，转换器控制信号生成模块405还可以采用其它合理方式来实现，本发明不限于此。

再次如图2所示，本实施例中，转换器205在接收到控制系统200所传输来的转换器控制信号后，也就可以对各储能单元206的输出电压和/或输出电流进行调节。

本实施例中，对于每一个转换器的输出电压，都应当有：

v_ref,i-ε＜v_i＜v_ref,i+ε (16)

其中，ε表示预先设置的允许输出电压相对于其参考值的偏差。

在不失一般性的情况下，可以假定所有转换器都使用相同的参考电压，即对于所有1≤i≤N(其中，N表示转换器的总数)，都有：

v_ref,i＝v_ref (17)

为了验证所提出的控制系统，发明人在Simulink中搭建了一个具有四个互连的直流微源的仿真模型。在该仿真过程中，四个微源通过电阻式感应分配系统集中供应一个远端负载和四个本地负载。如图1所描述的，通信网络使用具有双向链路的环形结构，每个微源只能与其紧邻的邻居进行通信，且通信权重具有平衡的拉普拉斯矩阵。

图6～图9显示了仿真结果。结果表明，本发明所提出的直流微电网分布式协同控制系统可以同时实现直流电压恢复、准确的均流和比例负载分配。

由图6可知，在0～2.0s，仅由传统的下垂控制调节DC-DC转换器的输出电压与电流。在t＝2.0s时，所述控制系统被引入到直流微电网中，所有转换器的输出电压全部升压，并且在t＝2.8s左右达到平衡状态。由图7可知，第三个和第四个转换器承载两倍于其他两个转换器的电流，即存在：

i₁:i₂:i₃:i₄＝1:1:2:2 (18)

这个结果与试验设置的相对应，这样也就实现了比例负载分配，并且基本无偏差的效果。

由图8可知，四个微源的输出每单位电流变得相等，即实现了准确的均流，并且基本无偏差的效果。这说明以分布的方式共享信息，利用一致性算法进行迭代计算可以达到一致性的目标。

由图9可知，平均电压随时间变化而逐渐升高，最后被精确地调节到输出电压参考值，即v_ref＝48V。每个微源的平均电压估计值与真实的全局平均输出电压之间有非常好的一致性。这说明全局平均输出电压能够被适当地恢复，并且以分布的方式共享信息，利用一致性算法进行迭代计算可以精确地估计全局平均电压值。应该注意的是，所有微源中的本地转换器的输出电压不能相等，否则输出电流将不能被准确地控制，不能实现精确的均流和比例负载分配。这种效果是由于系统的电网连接由不同的线路电阻组成。然而，尽管输出电压不完全相同，但是每个电压水平都在可接受的范围内。因此同样可以验证本发明所提供的控制系统的有效性。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的直流微电网分布式协同控制系统以分布式通信的方式进行通信，并且将一致性算法应用到电压调节器和电流调节器中。电压调节器实现对全局平均电压的估计，然后再根据该全局平均电压的估计值来调整本地电压设定值以实现节点电压恢复。电流调节器对输出电流失配量的计算，然后再根据该输出电流失配量来调整电压设定点以实现比例负载分配。针对现有分布式控制方式中由于中央控制单元不存在而导致未通过DCL连接的两个微源之间无法进行通信的问题，本发明所提供的控制系统利用一致性算法有效规避了该问题。

此外，在二级控制中，该控制系统利用电压调节器和电流调节器来分别产生两个电压校正项来调整局部下垂控制器(即电压控制器)的电压参考值，然后利用下垂控制方法调整本地电压设定值。该控制系统能够实现直流母线电压(即节点电压恢复)恢复、消除平均电压偏差，同时还能够有效保证各微源之间的比例负载分配。

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 (12)

1.一种直流微电网分布式协同控制系统，其特征在于，所述控制系统设置在直流微电网的节点中，并通过直流微电网的通信网络获取邻居节点的节点数据，所述控制系统包括：

电压调节器，其用于根据所述节点数据生成节点平均电压估计值，并根据所述节点平均电压估计值和输出电压参考值生成第一电压校正量；

电流调节器，其用于根据所述节点数据生成第二电压校正量；

校正电压生成器，其与所述电压调节器和电流调节器连接，用于根据所述第一电压校正量和第二电压校正量生成相应的校正电压值；

电压控制器，其与所述校正电压生成器连接，用于根据所述校正电压值生成本地电压设定值，并根据所述本地电压设定值生成转换器控制信号，以通过所述转换器控制信号控制与之连接的转换器的运行状态。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述校正电压生成器配置为计算所述第一电压校正量与第二电压校正量之和，得到所述校正电压值。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述电压控制器配置为根据如下表达式确定所述本地电压设定值：

其中，表示对应于节点i的本地电压设定值，v_ref,i表示对应于节点i的输出电压参考值，R_D,i表示对应于节点i的虚拟输出阻抗，i_i表示对应于节点i的输出电流，δv_i表示对应于节点i的校正电压。

4.如权利要求1～3中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电压控制器包括：

第一差分器，其用于根据校正电压值、输出电压参考值和输出电流值生成所述本地电压设定值；

第二差分器，其与所述第一差分器连接，用于根据所述本地电压设定值和本地电压测量值生成第一电压偏差；

第一PI控制器，其与所述第二差分器连接，用于根据所述第一电压偏差生成输出电流参考值；

第三差分器，其与所述第一PI控制器连接，用于根据所述输出电流参考值和输出电流实际值生成第一电流偏差；

转换器控制信号生成模块，其与所述第三差分器连接，用于根据所述第一电流偏差生成所述转换器控制信号。

5.如权利要求1～4中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电压调节器包括：

全局平均电压观测器，其用于根据接收到的邻居节点传输来的节点数据和本地节点数据生成节点平均电压估计值；

第四差分器，其与所述全局平均电压观测器连接，用于根据所述节点平均电压估计值和输出电压参考值生成第二电压偏差；

第二PI控制器，其与所述第四差分器连接，用于根据所述第二电压偏差生成所述第一电压校正量。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述全局平均电压观测器配置为利用动态一致性协议来根据邻居节点传输来的节点数据生成节点平均电压估计值。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述全局平均电压观测器配置为根据如下表达式确定所述节点平均电压估计值：

其中，表示对应于节点i的节点平均电压估计值，v_i(t)表示t时刻节点i的输出电压，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，表示t时刻节点j的节点平均电压估计值，表示t时刻节点i的节点平均电压估计值。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，节点j向节点i传播数据的通信权重与节点i向节点j传播数据的通信权重相等。

9.如权利要求5～8中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述第二PI控制器配置为根据如下表达式确定所述第一电压校正量：

其中，表示第一电压校正量，k_pv和k_iv分别表示第二PI控制器的比例系数和积分系数，v_ref,i表示对应于节点i的输出电压参考值，表示对应于节点i的节点平均电压估计值。

10.如权利要求1～9中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电流调节器包括：

电流失配估计器，其用于根据接收到的邻居节点传输来的节点数据和本地节点数据生成电流失配量；

第三PI控制器，其与所述电流失配估计器连接，用于根据所述电流失配量生成所述第二电压校正量。

11.如权利要求10所述的控制系统，其特征在于，所述电流失配估计器配置为根据如下表达式生成所述电流失配量：

其中，δ_i表示对应于节点i的电流失配量，b表示电压调节器与电流调节器之间的耦合增益，a_ij表示节点j向节点i传播数据的通信权重，和分别表示对应于节点j和节点i的每单位电流。

12.一种直流微电网，其特征在于，包括如权利要求1～11中任一项所述的分布式协同控制系统。