CN109672167A - 基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率分配控制方法，传统的控制策略在负载分配方面效果较差，换流器间存在环流，且由于较高的下垂增益，其电压控制能力不强。从加强电压恢复和利用修正的下垂参数进行实时的电压偏移调整出发，本发明采用基于比例下垂指标的自适应的下垂计算方法来改善传统方法的不足，通过随时间变化的下垂参数提供了更好的负载分配效果。

Description

基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法
技术领域
本发明涉及低压直流微电网下垂控制领域，具体涉及一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法。
背景技术
分布式能源(DERs)是现代电力系统的设计、开发和控制的关键因素。微电网被定义为具有类似太阳能、风能、燃料电池等分布式能源集群的小规模电网，通过电力电子设备将储能装置和负载互相连通。微电网可以帮助终端用户不仅依赖来自主网的电能，同时也能产生、控制、存储以及从当地的电力系统获取能源。
分布式电源的广泛互连导致出现了交流、直流及混合形式的微电网。交流微电网运行和控制处理潮流、负载分配、电压调节和各类电能质量问题。此外，直流微电网克服了交流系统的主要缺点如无功功率控制、趋肤效应和频率同步等。因此，直流微电网的控制是简单高效并且可靠的。因此，低压(LV)配电系统正经历向直流的转变。
光伏(PV)直流微电网的设计和控制的主要问题在于：换流器拓扑结构选择、电压控制、负载分配及能源管理等。现今，在负载电流分配领域，主要采用主从电流(MSC)分配方案，其属于有源均流方法。在这种方法中，在换流器之间一个采用共同的电流分配母线来生成有效的参考电平。然而MSC的主要缺点在于，因为平均总负载电流用于生成实际参考电平，因此一旦出现故障，则电流分配母线会使整个系统无法工作。下垂控制方法广泛用于在每个换流器上放置虚拟输出阻抗来进行负载分配，下垂控制方法可划分为分散控制方式、利用通信的集中控制方式和利用通信的分布式控制。
当采用传统的下垂控制方式时，随着负载的增大或者减小，会使得系统的电压偏离额定值，造成各换流器的负载分配失衡，微电网系统的能源利用效率就会降低。因此，采用改进的电压控制方法来控制系统电压在合理范围内和多个光伏系统之间的负载合理分配是一个非常重要的课题，其对提高微电网的可靠性和维持系统的稳定性具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，有效地把系统电压实时控制在合理范围内，并且优化了对负载的分配，从而提高了系统的运行稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，提供一个包括光电池组、换流器和负载在内的两换流器简化电路模型，包括以下步骤：
步骤S1:构建光电池组的数学模型；
步骤S2:根据光电池组的数学模型，得到换流器的输出电流；
步骤S3:从换流器中取出输出电流反馈，将输出电流反馈量乘以各自的下垂电阻，再将参考电平减去上述的乘积，得到修正的新的参考电平信号；
步骤S4:构建直流微电网的PDI算法模型；
步骤S5:根据PDI算法模型，计算参考电流；
步骤S6:将输入电流和输出电流用虚拟电阻表示，将输入电流和输出电流的PDI的方程式变换成虚拟电阻表示的函数，通过调整虚拟电阻，得到PDI算法模型的最小值；
步骤S7:若各换流器的输出功率相同，则PDI算法输出相等的负载电流，若此时输出电压误匹配,则将输出电压较低的的换流器的虚拟电阻值降低至负数，从而抬升了输出电压较低的的换流器的输出电压的值；输出电压较高的换流器的虚拟电阻值增加，就降低了输出电压较高的换流器的输出电压的值，使负载分配达到平衡；
步骤S8:若各换流器的输出功率不等，由各功率能得到各自的输出参考电流，把参考电流与实际的输出电流进行比较，如果实际电流小于参考电流，则减小下垂电阻；如果实际电流大于参考电流，则增大下垂电阻。
进一步的，所述步骤S1具体为：
建立光电池组的数学模型，其非线性电压电路特性方程为：
其中，Ipv和Vpv是光电池组的输出电流和终端电压，Irs是反向饱和电流，Np是并联的太阳能电池数，Ns是串联的太阳能电池数，q是单位电荷量，A是二极管理想因数，k是玻尔兹曼常数,T是太阳能电池的温度；
牛顿-拉夫逊法方程如下
其中，xn是x在n时刻的瞬时值；
利用上述式(1)和(2)，f(x)可以表示为如下形式
其中，x可以是Ipv或者Vpv。
进一步的，所述步骤S2具体为：通过控制每一个换流器的参考电压来实现需要的负载分配状况，给每一个换流器输出端设置一个虚拟下垂电阻Rdroop1和Rdroop2，当虚拟电阻变化时，参考电压就可以得到调整，换流器的输出电流可以表示为：
其中，R1和R2分别是换流器1、2所连接的电缆电阻，RL表示负载电阻。
参考电平用下垂电阻Rdroop表示为
其中，IL表示负载电流。
进一步的，所述PDI算法模型具体为：直流微电网中，分布式电源相互并联，并且依据各自的输入功率按比例分配负载，由标准化分配电流差Idiff和输出电压偏移Vdev可以得到系统的PDI指标
其中,Ni表示基于额定负载电流的标准化分配电流差，Nv表示基于换流器参考电压的标准化电压偏移；
分配电流差和输出电压偏移可以表示为
其中，Ij及表示第j个换流器的参考电流、实际输出电流和实际输出电压。
进一步的，所述步骤S5具体为：令总的负载功率PL为1pu，由每个换流器提供的功率可表示为
PL＝P1+P2+…+Pj (9)
当每个光电池组的辐照度不同时，基于功率P1到Pj的值来调整换流器输出电压，进而控制输出电流。因此，PDI算法产生的第j个换流器的输出参考电流为
进一步的，所述步骤S6具体为：
将输出电流I1和I2，输出电压VDC1及VDC2用虚拟电阻Rdroop表示，可以把PDI的方程式变换成Rdroop的函数；输出电流可写成：
其中，q＝(R2+Rdroop2)(R2+Rdroop2)+(R2+Rdroop2)RL+(R2+Rdroop2)RL；
同样地，输出电压写做：
把虚拟电阻Rdroop从0增至最大，计算得到PDI指标的最小值，对应这个值的Rdroop的值就是各个换流器负载分配所需要的下垂参数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明利用PDI指标找到的下垂电阻值Rdroop可以保证输出电流差和输出电压偏移都达到最小。
2、本发明通过“下垂电阻偏移”方法，实时调整下垂电阻值Rdroop，实现输出电压的精准匹配，提高了各换流器负载分配的效率。
附图说明
图1是本发明实施例中换流器电路模型；
图2是本发明实施例中计算Rdroop的并联换流器控制流程图；
图3是本发明方法流程图；
图4是本发明实施例中PDI特性图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，提供一个包括光电池组、换流器和负载在内的两换流器简化电路模型，其中，VDC1和VDC2是光电池的等效直流电压源，R1和R2是换流连接的电缆等效电阻；包括以下步骤：
步骤S1:如图2所示，构建光电池组的数学模型；建立光电池组的数学模型，其非线性电压电路特性方程为：
其中，Ipv和Vpv是光电池组的输出电流和终端电压，Irs是反向饱和电流，Np是并联的太阳能电池数，Ns是串联的太阳能电池数，q是单位电荷量(1.6×10-19C)，A是二极管理想因数(A＝1-5)，k是玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K),T是太阳能电池的温度(K)；
牛顿-拉夫逊法方程如下
其中，xn是x在n时刻的瞬时值；
利用上述式(1)和(2)，f(x)可以表示为如下形式
其中，x可以是Ipv或者Vpv。
步骤S2:根据光电池组的数学模型，得到换流器的输出电流；本实施例换流器数量以2个为例，本发明不限于两个换流器。通过控制每一个换流器的参考电压来实现需要的负载分配状况，给每一个换流器输出端设置一个虚拟下垂电阻Rdroop1和Rdroop2，当虚拟电阻变化时，参考电压就可以得到调整，换流器的输出电流可以表示为：
其中，R1和R2分别是换流器1、2所连接的电缆电阻，RL表示负载电阻。
参考电平用下垂电阻Rdroop表示为
其中，IL表示负载电流。
步骤S3:从换流器中取出输出电流反馈(i1至ij)，将输出电流反馈量乘以各自的下垂电阻(R1至Rj)，再将参考电平减去上述的乘积，得到修正的新的参考电平信号：
步骤S4:构建直流微电网的PDI算法模型；如图3所示，通过输入电压电流参数VDC1、VDC2、VDC、I1、I2及开关状态S1、S2，由标准化分配电流差Idiff和输出电压偏移Vdev可以得到系统的PDI指标
其中,Ni表示基于额定负载电流的标准化分配电流差，Nv表示基于换流器参考电压的标准化电压偏移；分配电流差和输出电压偏移可以表示为
其中，Ij及表示第j个换流器的参考电流、实际输出电流和实际输出电压。把Ij和表示为Rdroop的函数，通过调整Rdroop的值即可得到PDI的最小值，如图4所示，该最小值所对应的Rdroop即是和相交时取得的Rdroop。
步骤S5:根据PDI算法模型，计算参考电流；令总的负载功率PL为1pu，由每个换流器提供的功率可表示为
PL＝P1+P2+…+Pj (9)
当每个光电池组的辐照度不同时，基于功率P1到Pj的值来调整换流器输出电压，进而控制输出电流。因此，PDI算法产生的第j个换流器的输出参考电流为
步骤S6:将输入电流和输出电流用虚拟电阻表示，将输入电流和输出电流的PDI的方程式变换成虚拟电阻表示的函数，通过调整虚拟电阻，得到PDI算法模型的最小值；输出电流可写成：
其中，q＝(R2+Rdroop2)(R2+Rdroop2)+(R2+Rdroop2)RL+(R2+Rdroop2)RL；
同样地，输出电压写做：
把虚拟电阻Rdroop从0增至最大，就可以找到PDI指标的最小值，对应这个值的Rdroop的值就是各个换流器负载分配所需要的下垂参数；
步骤S7:若换流器的输出功率相同，则PDI算法必须输出相等的负载电流，就必须使各输出电压相等。若此时输出电压误匹配，例如VDC1＞VDC2,将输出电压较低的的换流器Rdroop值降低至负数，从而抬升了VDC2的值；输出电压较高的换流器Rdroop值增加，就降低了VDC1的值，使负载分配达到平衡。
步骤S8:若各换流器的输出功率不等，由各功率能得到各自的输出参考电流IREF，把参考电流与实际的输出电流进行比较，如果实际电流小于参考电流，则减小下垂电阻；如果实际电流大于参考电流，则增大下垂电阻，方程式为
其中，k*和k**是计算新的下垂电阻的下垂校正因数，为保持负载电压在限制范围内，k**的值应比k*更大。若k**＜k*，对应的Rdroopnew下降会更大，则换流器输出电压的偏移会更严重。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于，提供一个包括光电池组、换流器和负载在内的两换流器简化电路模型，包括以下步骤：
步骤S1:构建光电池组的数学模型；
步骤S2:根据光电池组的数学模型，得到换流器的输出电流；
步骤S3:从换流器中取出输出电流反馈，将输出电流反馈量乘以各自的下垂电阻，再将参考电平减去上述的乘积，得到修正的新的参考电平信号；
步骤S4:构建直流微电网的PDI算法模型；
步骤S5:根据PDI算法模型，计算参考电流；
步骤S6:将输入电流和输出电流用虚拟电阻表示，将输入电流和输出电流的PDI的方程式变换成虚拟电阻表示的函数，通过调整虚拟电阻，得到PDI算法模型的最小值；
步骤S7:若各换流器的输出功率相同，则PDI算法输出相等的负载电流，若此时输出电压误匹配,则将输出电压较低的的换流器的虚拟电阻值降低至负数，从而抬升了输出电压较低的的换流器的输出电压的值；输出电压较高的换流器的虚拟电阻值增加，就降低了输出电压较高的换流器的输出电压的值，使负载分配达到平衡；
步骤S8:若各换流器的输出功率不等，由各功率能得到各自的输出参考电流，把参考电流与实际的输出电流进行比较，如果实际电流小于参考电流，则减小下垂电阻；如果实际电流大于参考电流，则增大下垂电阻。
2.根据权利要求1所述的基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：
建立光电池组的数学模型，其非线性电压电路特性方程为：
其中，Ipv和Vpv是光电池组的输出电流和终端电压，Irs是反向饱和电流，Np是并联的太阳能电池数，Ns是串联的太阳能电池数，q是单位电荷量，A是二极管理想因数，k是玻尔兹曼常数,T是太阳能电池的温度；
牛顿-拉夫逊法方程如下
其中，xn是x在n时刻的瞬时值；
利用上述式(1)和(2)，f(x)可以表示为如下形式
其中，x可以是Ipv或者Vpv。
3.根据权利要求1所述的基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：通过控制每一个换流器的参考电压来实现需要的负载分配状况，给每一个换流器输出端设置一个虚拟下垂电阻Rdroop1和Rdroop2，当虚拟电阻变化时，参考电压就可以得到调整，换流器的输出电流可以表示为：
其中，R1和R2分别是换流器1、2所连接的电缆电阻，RL表示负载电阻。
参考电平用下垂电阻Rdroop表示为
其中，IL表示负载电流。
4.根据权利要求3所述的基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于：所述PDI算法模型具体为：直流微电网中，分布式电源相互并联，并且依据各自的输入功率按比例分配负载，由标准化分配电流差Idiff和输出电压偏移Vdev可以得到系统的PDI指标
其中,Ni表示基于额定负载电流的标准化分配电流差，Nv表示基于换流器参考电压的标准化电压偏移；
分配电流差和输出电压偏移可以表示为
其中，Ij及表示第j个换流器的参考电流、实际输出电流和实际输出电压。
5.根据权利要求4所述的基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：令总的负载功率PL为1pu，由每个换流器提供的功率可表示为
PL＝P1+P2+…+Pj (9)
当每个光电池组的辐照度不同时，基于功率P1到Pj的值来调整换流器输出电压，进而控制输出电流。因此，PDI算法产生的第j个换流器的输出参考电流为
6.根据权利要求5所述的基于改进下垂算法的用于光伏低压微电网的功率控制方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：
将输出电流I1和I2，输出电压VDC1及VDC2用虚拟电阻Rdroop表示，可以把PDI的方程式变换成Rdroop的函数；输出电流可写成：
其中，q＝(R2+Rdroop2)(R2+Rdroop2)+(R2+Rdroop2)RL+(R2+Rdroop2)RL；
同样地，输出电压写做：
把虚拟电阻Rdroop从0增至最大，计算得到PDI指标的最小值，对应这个值的Rdroop的值就是各个换流器负载分配所需要的下垂参数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107846024A (zh) * 2017-12-11 2018-03-27 厦门大学嘉庚学院 孤岛微电网概率潮流解析计算方法

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