CN108574309B - 适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法：根据交直流混合微网额定运行点参数，分别设定连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的下垂模块内直流侧母线电压最低值和额定运行点下的下垂系数；将设定的额定运行点下的下垂系数作为模型辨识的初值，用有限长度的脉冲响应序列来辨识出下垂模块的数学模型；对辨识出的下垂模块的数学模型进行离线逆建模，得到下垂模块的逆模型；以得到的下垂模块的逆模型作为串联控制器，对下垂模块的动态特性作开环控制，在直流侧微网与交流侧微网交换功率波动时，自适应调节实际下垂模块中的下垂系数，实现直流母线电压0误差调节。本发明使直流微网的运行电压控制更准确，满足电能质量中相关的电压质量标准。

Description

适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种无差电压下垂控制方法。特别是涉及一种适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法。

背景技术

近年来，随着能源需求和环境问题的日益凸显，以清洁能源为主的分布式发电方式得到了广泛重视。为应对分布式能源发电灵活的特性，以及解决其可靠接入的问题，微电网作为解决方案被提出。目前越来越多的新能源发电方式、储能装置和负载等都使用直流电，因此直流微电网越来越受到人们关注。相较于交流微电网，直流微电网可以减少能量变换环节，同时提高系统效率和可靠性，控制复杂度也相对降低。交直流混合微电网则能够兼顾直流微网与交流微网二者的优势，弥补二者的不足。交直流混合威望中直流侧通常通过连接换流器连接到交流电网，控制直流母线电压并保持功率平衡。而连接在交流侧与直流侧之间的换流器控制策略对交流和直流侧的直流电压控制和功率平衡控制至关重要。其中直流微电网下垂控制及其变形自从被应用于直流微电网中，已经被广泛的研究和讨论。相较于主从控制依赖高速通信技术，下垂控制即使是在无通信的情况下也能达到各单元电流分配的目的，因此更经济可靠。传统的电压下垂控制中下垂系数固定，当直流微网与交流电网之间的传输功率发生波动时，直流母线电压必然会偏离额定值，严重时可能会造成直流母线电压的过度下垂，无法保证微电源母线电压的稳态指标，不能灵活应对不同的运行条件。

1986年，B.Widrow教授在斯坦福大学提出了自适应逆控制理论，它针对参数不确定或时变，并且易受扰动的一类对象系统，用被控对象传递函数的逆作为串联控制器来对系统的动态特性作开环控制，从而避免了因反馈引起的不稳定性问题，同时又能将系统动态特性的控制与对象扰动的控制分开处理而互不影响，具有很大的优越性。最小均方误差(LMS)算法由Widrow和Hopf于1960年提出的，因其具有计算量小、易于实现等优点而得到广泛使用。典型的应用领域有系统辨识、信号处理和自适应控制等。

传统的电压下垂控制中下垂系数固定，当负荷需求变化导致连接在交流侧与直流侧之间的换流器接口处的传输功率增大或减小时，直流母线电压必然会偏离额定值，严重时可能会造成直流母线电压的过度下垂，无法保证微电源母线电压的稳态指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够消除电压控制和功率传输控制之间相互影响，避免过度下垂导致直流电压电能质量降低，实现直流电压无差调节的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，包括如下步骤：

1)根据交直流混合微网额定运行点参数，分别设定连接在交流侧与直流侧之间的换流器的U_dc-I_dc下垂模块内直流侧母线电压最低值U_dcmin和额定运行点下的下垂系数K_d；

2)基于自适应滤波理论，将设定的额定运行点下的下垂系数K_d作为模型辨识的初值，用有限长度的脉冲响应序列来辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型；

3)基于自适应滤波理论，对辨识出的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型进行离线逆建模，得到U_dc-I_dc下垂模块的逆模型；

4)以步骤3)得到的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型作为串联控制器，对U_dc-I_dc下垂模块的动态特性作开环控制，在直流侧微网与交流侧微网交换功率波动时，自适应调节实际U_dc-I_dc下垂模块中的下垂系数，实现直流母线电压0误差调节。

步骤1)中所述的连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的U_dc-I_dc下垂模块为：

U_dc＝U_dcmin+K_dI_dc

式中：U_dc为直流侧母线电压；U_dcmin为直流侧母线电压最低值；K_d为电压下垂控制的下垂系数；I_dc为流入换流器直流电流。

步骤2)是采用如下公式辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型：

y_1k＝W_1(k)^Tx′_k

式中：x′_k为第k个辨识过程输入信号向量；W_1(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_1k为U_dc-I_dc下垂模块的辨识模型的输出响应。

所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_1(k+1)＝W_1(k)+2με_1kx′_k

式中：W_1(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_1k为第k次输出响应y_k与期望响应d_k的误差；x′_k为自适应滤波器第k次输入信号向量。

步骤3)中所述的离线逆建模是采用如下公式：

y_2k＝W_2(k) ^Tx_k″

式中：x_k″为第k个辨识过程输入信号向量；W_2(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_2k为U_dc-I_dc下垂模块的逆模型的输出响应。

所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_2(k+1)＝W_2(k)+2με_2kx_k″

式中：W_2(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_2k为第k次输出响应y_k与期望响应d_k的误差；x_k″为自适应滤波器第k个输入信号向量。

步骤2)中所述的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型和步骤3)中所述的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型均是由有限长度的脉冲响应序列构成的数学模型，结构由自适应滤波器承载。

本发明的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，通过使用逆建模得到的下垂模块的逆作为串联控制器对下垂系数进行实时动态调节，消除电压控制和功率传输控制之间的相互影响，实现无差调压，平衡交流侧和直流侧之间的交换功率，使直流微网的运行电压控制更准确，满足电能质量中相关的电压质量标准，确保对重要用户供电的电压要求。

附图说明

图1是直流电压下垂曲线调节示意图；

图2是本发明适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法原理图；

图3是模型辨识原理图；

图4是自适应LMS滤波器结构图；

图5为逆建模过程原理图；

图6为自适应LMS算法的流程图；

图7为两个联络换流器并联运行的交直流微电网系统结构图；

图8为本发明方法时联络换流器传输功率的仿真对比图；

图9为直流母线电压的仿真结果对比图；

图10为两个联络换流器下垂系数仿真结果图；

图11为联络换流器1交流电流仿真结果图；

图12为联络换流器2交流电流仿真结果图；

图13为均方误差MSE变化过程结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法做出详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，采用电流特性(U_dc-I_dc)的直流电压下垂控制策略，在直流微网与交流微网交换功率波动时，通过使用逆建模得到的下垂模块的逆作为串联控制器对下垂系数进行实时动态调节，使直流母线电压稳定在额定电压。

如图2所示，本发明的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，包括如下步骤：

1)根据交直流混合微网额定运行点参数，分别设定连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的U_dc-I_dc下垂模块内直流侧母线电压最低值U_dcmin和额定运行点下的下垂系数K_d；

其中所述的连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的U_dc-I_dc下垂模块为：

U_dc＝U_dcmin+K_dI_dc (1)

式中：U_dc为直流侧母线电压；U_dcmin为直流侧母线电压最低值；K_d为电压下垂控制的下垂系数；I_dc为流入换流器直流电流。

2)基于自适应滤波理论，将设定的额定运行点下的下垂系数K_d作为模型辨识的初值，用有限长度的脉冲响应序列来辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型，辨识得到的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型的结构由自适应滤波器承载，结构由自适应滤波器承载，如图4所示。

图1为直流电压下垂曲线调节示意图。在图1中，系统初始运行点为1点，运行电压是额定电压，传输功率如曲线a所示。当负荷需求变化要求微电源输出功率增加时，U-I特性曲线沿着功率增加方向由运行曲线a变为曲线b。若仍按原来的下垂系数K₁进行控制，运行点沿着曲线从1点移动到2点，但直流母线电压高于额定电压U_dcN。如果同时调整下垂系数至K₂，系统运行点变为点2′，则可使电压恢复到U_dcN。同理，当负荷需求变化要求微电源输出功率减小时，U-I特性曲线沿着功率减小的方向由运行曲线a变为曲线c，若仍按原来的下垂系数K₁进行控制，运行点沿着曲线从1点移动到3点，直流母线电压低于额定电压U_dcN。如果同时调整下垂系数为K₃，系统运行点变为点3′，则可使电压恢复到U_dcN。

因此，当交直流两侧交换功率波动时，如果能采取某种控制策略来实时动态调整下垂系数，则可以实现固定的直流电压控制，即无差调压。基于以上分析，本发明基于自适应滤波理论，将设定的额定运行点下的下垂系数K_d作为模型辨识的初值，用有限长度的脉冲响应序列来辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型，所述辨识出的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型的结构由自适应滤波器承载；具体是采用如下公式辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型：

y_1k＝W_1(k) ^Tx′_k (2)

式中：x′_k为第k个辨识过程输入信号向量；W_1(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_1k为U_dc-I_dc下垂模块的辨识模型的输出响应。

所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_1(k+1)＝W_1(k)+2με_1kx′_k (3)

式中：W_1(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_1k为第k次输出响应y_k与期望响应d_k的误差；x′_k为自适应滤波器第k次输入信号向量。

首先需要辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型。辨识过程如图3所示，未引入随机抖动信号δ_k时，同一个输入信号向量x_k同时加到辨识模型

和U_dc-I_dc下垂模块P(z)上，辨识模型

的结构由自适应滤波器承载，U_dc-I_dc下垂模块的输出响应作为辨识模型

的期望响应d_k，使辨识模型

的输出响应y_k与d_k的误差ε_1k趋近于0，就实现了用辨识模型

来等效U_dc-I_dc下垂模块的数学模型，即实现了有限长度的脉冲响应序列来辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型。

需要注意的是，为了使辨识模型

和U_dc-I_dc下垂模块模型之间在要求的频率范围内尽可能匹配，输入信号向量x_k该频率范围内就需要有频谱能量。然而，在很多情况下，对象输入x_k在要求的频率范围内没有足够的谱密度，结果就会导致模型辨识失配。在本发明中引入随机抖动信号δ_k，它供给了一个统计特性容易控制且有足够谱密度的输入信号向量。该抖动信号是独立的随机信号，所以它的频谱加到输入信号向量x_k的频谱上就组成了x′_k的频谱。因此，如图3所示，最终用x′_k＝x_k+δ_k最终取代x_k作为输入信号。

本发明中采用LMS算法来调节辨识模型

即自适应滤波器的权重系数以使均方误差MSE最小，即使误差向量ε_1k趋近于0。自适应LMS滤波器的原理如图4所示。给一组L个输入信号x′_k经自适应滤波器延时、采样后加权求和形成输出响应y1k。

第k个输入信号向量是x′_k＝[x′_1k,x′_2k,…,x′_Lk]^T，

权系数向量是W_1(k) ^T＝[w_1k,w_2k,L,w_Lk]^T，

则第k个输出响应是y_1k＝W_1(k) ^Tx′_k＝x′_k ^TW_1(k)，

输入信号和期望响应都假设是平稳的，且各态遍历的过程。第k次误差为：

ε_1k＝d_k-y_1k＝d_k-W_1(k) ^Tx′_k＝d_k-x′_k ^TW_1(k)

该误差的平方为ε_1k ²＝d_k ²-2d_kx′_k ^TW_1(k)+W_1(k) ^Tx′_kx′_k ^TW_1(k)

其中ε_1k ²的期望值，即均方误差是

式中输入信号和期望响应之间的互相关向量定义为

以及式中输入信号的对称和正定(或半正定)输入相关矩阵定义为

则式可表述为

由上式可以看出，均方误差性能函数是权重系数的二次型函数，具有“碗状形”的曲面，自适应过程就是连续不断地调节这些权系数，以寻找碗的底部。本发明采用最速下降法来搜寻均方误差的最小值。本发明使权重系数每一步变化量都正比于均方误差函数梯度的负方向即可使均方误差收敛于最小值，权系数向量的调节公式为：

真实梯度估计是

它等于真实梯度加上梯度噪声。就单一的ε_k值平方并对它进行微分，就好似它是均方误差那样，可以求得一个粗略的梯度估计：

将式(9)代入式(8)得到权系数向量的调节公式为：

W_1(k+1)＝W_1(k)+2με_1kx′_k (10)

关于LMS算法收敛问题，对均值和方差都收敛的一个较强的条件是

其中：trR表示R的迹，等于所有进入权系数信号的均方和。

图6为本发明中的自适应LMS算法的流程图。图中，ε为给定的允许误差，用以与误差的绝对值|ε_k|作比较，判断迭代是否已收敛。在扰动时，选择合适的收敛因子μ及权系数初始值，通过式(10)的迭代，使均方误差沿梯度的负方向迅速找到最小值，自适应调节实际下垂模块中的下垂系数以实现直流母线电压0误差调节。

3)基于自适应滤波理论，对辨识出的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型进行离线逆建模，得到U_dc-I_dc下垂模块的逆模型，所述的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型，该数学模型结构由自适应滤波器承载，如图4所示；所述的离线逆建模是采用如下公式：

y_2k＝W_2(k) ^Tx_k″ (12)

式中：X″_k为第k个辨识过程输入信号向量；W2(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_2k为U_dc-I_dc下垂模块的逆模型的输出响应。

所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_2(k+1)＝W_2(k)+2με_2kx_k″ (13)

式中：W_2(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_2k为第k次输出响应yk与期望响应dk的误差；x_k″为自适应滤波器第k个输入信号向量。

基于自适应滤波理论对所得模型

进行离线逆建模，得到U_dc-I_dc下垂模块的逆模型，如图5所示。定义：

其中：

为与U_dc-I_dc下垂模块相匹配的辨识模型

为U_dc-I_dc下垂模块的逆模型。

图5逆建模过程中的逆模型

可由具有N个可变的权系数的自适应滤波器构成，其原理与图4相似。给一组N个输入信号x_k″经数字滤波器延时采样后加权求和形成输出信号y_2k。

第k个输入信号向量是x″_k＝[x″_1k,x″_2k,…,x″_Nk]^T，

权系数向量是W_2(k) ^T＝[w_1k,w_2k,L,w_Nk]^T，

则第k个输出响应是y_2k＝W_2(k) ^Tx″_k＝x″_k ^TW_2(k)，

第k次误差为

ε_2k＝d_k-y_2k＝d_k-W_2(k) ^Tx″_k＝d_k-x″_k ^TW_2(k) (15)

本发明逆建模过程也采用自适应LMS算法使误差均方MSE最小，通过动态实时调整自适应滤波器的权重系数可以使ε_2k等于0。

权重系数的调节公式：

W_2(k+1)＝W_2(k)+2με_2kx″_k (16)

当ε_2k＝0时，满足：

由此可知，逆模型

与U_dc-I_dc下垂模块的辨识模型

互逆。

图6为本发明中的自适应LMS算法的流程图。图中，ε为给定的允许误差，用以与误差的绝对值|ε_k|作比较，判断迭代是否已收敛。在直流侧微网与交流侧微网交换功率波动时，通过式(16)的迭代，选择合适的收敛因子μ及权系数初始值，使均方误差沿梯度的负方向迅速找到最小值，自适应调节实际下垂模块中的下垂系数达到最优以实现直流母线电压0误差调节，满足了电能质量中相关电压质量标准，提高了直流微电网的动态性能。

4)以步骤3)得到的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型

作为串联控制器，对U_dc-I_dc下垂模块的动态特性作开环控制，如图2所示，在扰动出现时，自适应调节实际U_dc-I_dc下垂模块中的下垂系数。

为验证本发明所提方法的正确性与可行性，建立了两个连接换流器并联运行的交直流微电网系统如图7所示。额定直流电压设为500V；下垂特性曲线中U_{dc_min}设为475V；传统的下垂系数和自适应下垂系数初始值均设为50V/kA；下垂系数调整上限设为400V/kA；两个换流器参数相同，不考虑循环电流，均分交流侧与直流侧交换功率。换流器滤波电阻R＝0.2Ω；电感器L＝3mH；电容器C＝15μF。直流母线电容器C＝8000μF，换流器开关频率为5kHz。辨识模型过程和逆建模过程中的LMS算法收敛因子μ分别设置为6×10^-4与2×10^-5；辨识模型过程和逆建模过程中的自适应滤波器的权向量维数设为15。换流器初始传输功率设为400kW，在t＝0.4s换流器2投入，与换流器1共同分担功率传输；在t＝0.6s时，换流器2切除。

图9为分别采用传统控制方法和本专利所提出的无差直流电压下垂控制方法的直流电压仿真对比图。传统的控制方法中连接换流器采用固定的下垂系数，当传输功率变化时，直流母线电压会随之变化，本专利所提方法可以稳定直流电压恒定。图8为采用本发明方法时传输功率仿真结果。图11和12分别为换流器1与2交流电流仿真结果；图13模型辨识过程均方误差MSE变化过程。

Claims (6)

1.一种适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据交直流混合微网额定运行点参数，分别设定连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的U_dc-I_dc下垂模块内直流侧母线电压最低值U_dcmin和额定运行点下的下垂系数K_d；

所述的连接在交流侧与直流侧之间的换流器中的U_dc-I_dc下垂模块为：

U_dc＝U_dcmin+K_dI_dc

式中：U_dc为直流侧母线电压；U_dcmin为直流侧母线电压最低值；K_d为电压下垂控制的下垂系数；I_dc为流入换流器直流电流；

2)基于自适应滤波理论，将设定的额定运行点下的下垂系数K_d作为模型辨识的初值，用有限长度的脉冲响应序列来辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型；

3)基于自适应滤波理论，对辨识出的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型进行离线逆建模，得到U_dc-I_dc下垂模块的逆模型；

4)以步骤3)得到的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型作为串联控制器，对U_dc-I_dc下垂模块的动态特性作开环控制，在直流侧微网与交流侧微网交换功率波动时，自适应调节实际U_dc-I_dc下垂模块中的下垂系数，实现直流母线电压0误差调节。

2.根据权利要求1所述的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，步骤2)是采用如下公式辨识出U_dc-I_dc下垂模块的数学模型：

y_1k＝W_1(k) ^Tx′_k

式中：x′_k为第k个辨识过程输入信号向量；W_1(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_1k为U_dc-I_dc下垂模块的辨识模型的输出响应。

3.根据权利要求2所述的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_1(k+1)＝W_1(k)+2με_1kx′_k

式中：W_1(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_1k为第k次输出响应y_k与期望响应d_k的误差；x′_k为第k个辨识过程输入信号向量。

4.根据权利要求1所述的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，步骤3)中所述的离线逆建模是采用如下公式：

y_2k＝W_2(k) ^Tx_k″

式中：x_k″为第k个辨识过程输入信号向量；W_2(k)为第k个辨识过程中的权系数向量；y_2k为U_dc-I_dc下垂模块的逆模型的输出响应。

5.根据权利要求4所述的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，所述的辨识过程是对权系数向量进行调节，调节公式为：

W_2(k+1)＝W_2(k)+2με_2kx_k″

式中：W_2(k+1)为第k+1次权系数向量；μ为收敛因子，用于控制收敛速度与稳定性的常数；ε_2k为第k次输出响应y_k与期望响应d_k的误差；x_k″为第k个辨识过程输入信号向量。

6.根据权利要求1所述的适用于交直流混合微电网的无差直流电压下垂控制方法，其特征在于，步骤2)中所述的U_dc-I_dc下垂模块的数学模型和步骤3)中所述的U_dc-I_dc下垂模块的逆模型均是由有限长度的脉冲响应序列构成的数学模型，结构由自适应滤波器承载。

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