CN109240400A - 一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，主要应用于采用下垂控制的直流微电网系统中。本发明通过建立模糊控制器，将单元平均输出电流和平均输出电压变化率作为模糊控制器的输入量，经过模糊推理，得到可变的母线电压给定值，能够很好地解决传统电压补偿法在重载情况下依然存在母线电压跌落较大的问题。

Description

一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法

技术领域

本发明涉及直流微电网运行控制领域，具体涉及一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法。

背景技术

随着分布式能源发电技术的发展，微电网成为解决能源问题的重要途径。目前的新能源发电方式、储能装置和负载等都越来越多地使用直流电，因此相较于交流微电网，直流微电网可以更有效地减少能量变换环节，且其控制复杂度相对较低，由此受到广泛关注和发展。

为了保证直流微电网的稳定运行，很多运行控制策略被提出，下垂控制因其在无通信情况下也能达到系统中各单元电流分配的目的而被广泛的研究和讨论。然而传统下垂控制存在一定的局限性，其中之一就是会给直流微电网系统带来母线跌落的问题。只有一个稳定的直流母线电压才能够保证系统中负载的可靠运行，因此多数改进下垂控制都会加入母线电压补偿器。现有的母线电压补偿器可分为两种，即母线电压直接补偿和母线电压间接补偿。母线电压直接补偿就是直接采样直流母线公共点电压与给定电压参考值作差进行偏差补偿；母线电压间接补偿即为通过采样本地单元变换器的输出电压与给定电压参考值作差进行偏差补偿。在采用母线电压间接补偿时，本质上是保证各单元变换器输出电压的稳定，然而在负载功率增大的过程中由于实际线缆阻抗的存在，并不能保证直流母线公共点电压的稳定。因此，为了达到真正补偿直流母线电压的目的，可以对传统的母线电压间接补偿方法进行改进。模糊控制已经在很多领域得到应用，它能从行为上模仿人的推理和决策，其将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将采样信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。由此，可以将模糊控制与母线电压补偿方法相结合，通过不断修正给定母线电压参考值，达到补偿母线电压的目的。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，为了在采用母线电压间接补偿方法时，达到真正补偿直流母线电压的目的，本发明提出一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法。

为实现上述目的，本发明的构思是：

在传统下垂控制中加入母线电压补偿器，该母线电压补偿器主要利用模糊控制器获得可变的母线电压给定值，再与单元平均输出电压作差，偏差量经过PI调节器得到的值叠加到下垂控制环路中，达到补偿母线电压的目的。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，具体步骤为：

步骤一、根据直流微电网系统要求确定初始母线电压给定值U_dc ^*；

步骤二、采样各单元输出电压，得到单元平均输出电压其中U_dci为第i个单元的输出电压采样值；

步骤三、建立模糊控制器，得到模糊控制器输出量Δu，进而获得可变母线电压给定值U_dc ^*+Δu；

步骤四、可变母线电压给定值与单元平均输出电压作差得到偏差量，再经过PI调节器得到母线电压补偿量

步骤五、将母线电压补偿量叠加到基本下垂控制环路中，即得到补偿后的下垂控制表达式为其中k为下垂曲线系数，U_dcrefi为第i个单元的输出电压参考值，I_dci为第i个单元的输出电流采样值。

所述步骤三中的模糊控制器按以下步骤设计：

1)确定控制器输入量为单元平均输出电流和平均输出电压变化率输出量为母线电压给定值补偿量Δu；

2)定义模糊集，输入输出量的模糊集均定义为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，即负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，输入输出量的论域根据直流微电网系统参数要求确定；

3)定义输入输出隶属度函数；

4)建立模糊规则表，主要根据两点要求建立：①单元平均输出电流越大，说明母线电压跌落越明显；②平均输出电压变化率大于0，说明母线电压升高，且变化率越大，母线电压升高越快；平均输出电压变化率小于0，说明母线电压跌落，且变化率越小，母线电压跌落越快；

5)确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器设计。

与现有技术相比，本发明具备如下突出实质性特点和显著优点：

在采用直流母线电压间接补偿时，能够通过模糊控制器，结合系统的相关物理量，不断修正母线电压给定值，再获得母线电压补偿量，从而对传统直流微电网下垂控制进行改进。如此，在实际线缆阻抗存在的情况下，即使负载功率显著增大，也能够很好地稳定直流母线电压，且可以有效地解决直流母线电压跌落的问题。模糊控制融入了人的思维，因此能够近似达到人为补偿的目的，使得该方法更加智能。

附图说明

图1为本发明的一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法原理图。

图2为两单元直流微电网储能系统结构图。

图3为输入量1隶属度函数图。

图4为输入量2隶属度函数图。

图5为输出量隶属度函数图。

图6为采用传统直流母线电压补偿方法的直流母线电压波形图。

图7为采用本发明基于模糊控制的直流母线电压补偿方法的直流母线电压波形图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合具体实施例和附图对本发明作详细描述。

本发明提出的基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，可参阅图1所示原理图，图2为两单元直流微电网储能系统结构图：各单元蓄电池通过DC/DC变换器并联到直流母线，R_line1和R_line2为各单元变换器到直流母线间的线缆阻抗，该系统直流母线电压为380V。

本实施例在图2所示两单元直流微电网储能系统中采用本发明所提基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、根据直流微电网系统要求确定初始母线电压给定值U_dc ^*为380V。

步骤二、采样各单元输出电压，得到单元平均输出电压其中U_dc1和U_dc2分别是变换器1和变换器2的输出电压采样值。

步骤三、建立模糊控制器，得到模糊控制器输出量Δu，进而获得可变母线电压给定值U_dc ^*+Δu。具体模糊控制器设计按以下步骤设计：

1)确定控制器输入量1为单元平均输出电流(I_dc1和I_dc2分别是变换器1和变换器2的输出电流采样值)，输入量2为平均输出电压变化率输出量为母线电压给定值补偿量Δu。

2)定义模糊集，输入输出量的模糊集均定义为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，即负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，输入输出量的论域根据直流微电网系统参数要求确定，本实施例采用输入量1论域为{0，1，1.5，2.5，3.5，4，5}，输入量2论域为{-800，-600，-400，0，400，600，800}，输出量论域为{0，3.2，4.8，6，7.2，8.8，12}。

3)定义输入输出隶属度函数，本实施例采用输入输出隶属度函数如图3～5所示。

表1模糊规则表

4)建立模糊规则表，主要根据两点要求建立：a.单元平均输出电流越大，说明母线电压跌落越明显；b.平均输出电压变化率大于0，说明母线电压升高，且变化率越大，母线电压升高越快；平均输出电压变化率小于0，说明母线电压跌落，且变化率越小，母线电压跌落越快。本实施例建立如表1所示模糊规则。

5)确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器设计。

步骤四、可变母线电压给定值与单元平均输出电压作差得到偏差量，再经过PI调节器得到母线电压补偿量

步骤五、将母线电压补偿量叠加到基本下垂控制环路中，即可得补偿后的下垂控制表达式为其中k为下垂曲线系数，U_dcrefi为第i个单元的输出电压参考值，I_dci为第i个单元的输出电流采样值(i为1或2)。

参阅仿真波形图6和图7，仿真时在0.1S时系统突加负载。图6所示为采用传统直流母线电压补偿方法的直流母线电压波形，可见系统再次达到稳态时电压跌落大约为3.3V；图7为采用本发明基于模糊控制的直流母线电压补偿方法的直流母线电压波形，可见系统再次达到稳态时电压跌落几乎不存在。由此可见，本发明所提的一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法能够很好地稳定直流母线电压，且可以有效地解决直流母线电压跌落的问题。

Claims (2)

1.一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、根据直流微电网系统要求确定初始母线电压给定值U_dc ^*；

步骤二、采样各单元输出电压，得到单元平均输出电压其中U_dci为第i个单元的输出电压采样值；

步骤三、建立模糊控制器，得到模糊控制器输出量Δu，进而获得可变母线电压给定值U_dc ^*+Δu；

步骤四、可变母线电压给定值与单元平均输出电压作差得到偏差量，再经过PI调节器得到母线电压补偿量

步骤五、将母线电压补偿量叠加到基本下垂控制环路中，即得到补偿后的下垂控制表达式为其中k为下垂曲线系数，U_dcrefi为第i个单元的输出电压参考值，I_dci为第i个单元的输出电流采样值。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的直流母线电压补偿方法，其特征在于：所述步骤三中的模糊控制器按以下步骤设计：

1)确定控制器输入量为单元平均输出电流和平均输出电压变化率输出量为母线电压给定值补偿量Δu；

2)定义模糊集，输入输出量的模糊集均定义为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，即负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，输入输出量的论域根据直流微电网系统参数要求确定；

3)定义输入输出隶属度函数；

4)建立模糊规则表，主要根据两点要求建立：①单元平均输出电流越大，说明母线电压跌落越明显；②平均输出电压变化率大于0，说明母线电压升高，且变化率越大，母线电压升高越快；平均输出电压变化率小于0，说明母线电压跌落，且变化率越小，母线电压跌落越快；

5)确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器设计。