CN109802379B - 一种直流微电网系统及其变下垂系数控制方法 - Google Patents

一种直流微电网系统及其变下垂系数控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流微电网系统及其变下垂系数控制方法。直流微电网系统，包括三个变换器单元、两个电阻负载、一个TMS320F28335控制器及其附属电路。这种变下垂系数控制方法相比于传统的下垂控制，加入了电压恢复控制和下垂系数修正控制。本方法针对输出电压最小值进行电压补偿控制，达到了变换器输出电压最小值与设定参考值相同的控制目标，解决了传统的下垂控制直流母线电压与设定电压参考值偏差较大的问题。本方法将一个变换器的下垂系数固定，通过下垂系数修正控制得到其余变换器的下垂系数补偿项，下垂系数参考值叠加下垂系数补偿项后即为修正后的下垂系数，然后进行下垂控制，从而在线路电阻差异很大的情况下实现了变换器平均分配负载电流的控制目标，解决了变换器线路电阻不一致时分流精度下降的问题。

Description

一种直流微电网系统及其变下垂系数控制方法
技术领域
本发明属于电力系统的直流微电网控制领域，涉及一种改进的下垂控制方法，具体涉及一种基于输出电压补偿控制、下垂系数修正控制的变下垂系数控制方法及应用该方法控制的一个微电网系统。
背景技术
随着大量可再生新能源的接入，微电网的概念被提出。微电网可以被分为交流微电网和直流微电网两种。相比于交流微电网，直流微电网由于其控制复杂性较低，可靠性更高，能量传递效率更高，从而越来越受到人们的关注。直流微电网中一个关键的问题是直流变换器间如何协调控制，从而实现负载电流均分或者按比例分配。目前提出的电流分配策略主要包括平均电流控制，主从控制，下垂控制等。
相比于其他电流分配策略，下垂控制具有优越性。下垂控制不需要其他变流器的电压电流信息，仅需要根据电压参考值和输出电流值的一个简单下垂关系即可得到电压参考值，实现变流器间的电流分配。这非常适合于直流微电网，因为直流微电网中的新能源及其直流变换器具有离散分布的特点，采用下垂控制不需要变流器间进行复杂的通信，一方面减小了系统的成本，另一方面提高了系统的可靠性。但下垂控制也存在两大缺点，一是下垂控制是以下降输出电压为代价来提升电流分配精度的，采用普通的下垂控制会导致直流母线电压低于参考值；二是线路电阻不一致导致电流分配精度下降。下垂控制的下垂系数相当于一个虚拟电阻，传统的下垂控制通过设置相同的虚拟电阻来使直流变换器平均分配负载电流。当线路电阻不相等时，各变流器的虚拟电阻与线路电阻之和也不相等，从而导致了分流精度下降。
为了克服下垂控制的两个缺点，一些改进型的下垂控制被提出来。申请公布号为CN108574276A的中国专利提出了一种基于频率注入的直流微电网功率均分控制方法，通过将经典的下垂控制存在的电压下垂问题转移到频率上，实现母线电压控制和输出功率均分。但是该方法的控制中没有充分考虑各变换器的接入状态对控制效果的影响。授权公告号为CN201510056732的中国专利，通过给下垂控制环节的各个变换器设置相同的电压参考值，在负荷侧的公共母线端设置电压测量模块及信号发射器，将检测到的母线电压值信号作为各个变换器的反馈信号作用于变流器下垂控制环节，使每个变换器输出到公共母线上的功率与对应的变流器下垂系数k成反比。但是该方法在变换器线路电阻差异较大的情况下，其功率分配效果会受到较大影响。Xiaonan Lu在IEEE Trans.Power Electronics上发表了题为《An improved droop control method for dc microgrids based on lowbandwidth communication with dc bus voltage restoration and enhanced currentsharing accuracy》的文章中提出在传统的下垂控制器基础上新增了平均电压控制器和平均电流控制器，从而将直流变换器的输出电压平均值控制到参考值，负载电流在线路电阻不一致的情况下也能均分或按设定比例分配。但是采用该方法时，变换器的下垂系数是固定的，在线路电阻不一致、负载快速变化的情况下动态效果不是特别好。Wang Panbao在IEEE Transactions on Power Electronics上发表的题为《An improved distributedsecondary control method for DC microgrids with enhanced dynamic currentsharing performance》提出了一种变下垂系数的方法，采用变下垂系数控制将各直流变换器下垂系数平均值控制在给定参考值，各变换器的下垂系数与线路电阻之和相等，从而实现了线路电阻不相等情况下的电流平均分配。采用平均电压控制使得变流器的输出电压平均值控制到给定参考值。但是采用这种方法时直流微电网中线路电阻最小的直流变换器输出电压会低于设定参考值。
以上方法有的在变换器线路电阻差异较大的情况下分流精度不理想，有的方法在负载快速变化时控制效果不理想，有的方法过于复杂，不适用于变换器数量较多的情况。因此，有必要研究一种能够准确控制变换器输出电压、能够在负载快速变化时迅速实现负载电流均分的控制方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有的控制方案的不足，对传统的下垂控制加以改进：①对直流母线电压进行补偿控制，实现直流变换器输出电压的最小值与设定参考值一致；②对变换器的下垂系数进行修正，实现在线路电阻不一致的情况下，变换器的输出电流依然相等。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：直流微电网系统，包括三个变换器单元、两个电阻负载、一个TMS320F28335控制器及其附属电路。第一变换器单元包括第一分布式电源、第一BUCK变换器、第一线路电阻、第一静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第二变换器单元包括第二分布式电源、第二BUCK变换器、第二线路电阻、第二静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第三变换器单元包括第三分布式电源、第三BOOST变换器、第三线路电阻、第三静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第一电阻负载直接并联在直流母线上，第二电阻负载与第四静态开关串联后并联在直流母线上。输出电压采样电路、输出电流采样电路得到的采样信号通过偏置电路后输入TMS320F28335控制器的ADC引脚。DSP控制器输出的三路PWM信号进过光耦隔离电路、驱动电路后控制开关管的开通和关断。
进一步的，所述的三个变换器可以分为两种类型，第一种为下垂系数固定的变换器；第二种为下垂系数变化的变换器。本发明的变下垂系数控制包括以下步骤：
S1、读取ADC采样得到的数字结果，根据采样结果得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3。其中u1、i1为第一BUCK变换器的输出电压、输出电流；u2、i2为第二BUCK变换器的输出电压、输出电流；u3、i3为第三BUCK变换器的输出电压、输出电流。读取各变换器的接入状态标志量，将标志量代入逻辑表达式，确定是否需要对所有PI控制器存储的上一时刻的量进行清零；
S2、比较S1步骤得到的u1、u2、u3，得出输出电压最小值umin。用输出电压参考值uref减去输出电压最小值umin得到电压控制偏差uerror，电压控制偏差uerror输入第一PI控制器后得到电压补偿量Δu，输出电压参考值uref叠加上电压补偿量Δu后得到电压补偿控制后的输出电压参考值uref_new；
S3、对于下垂系数不变的变换器，其下垂系数始终为下垂系数参考值Kref。而对于下垂系数变化的变换器，则需要进行下垂系数修正控制。下垂系数参考值叠加上变换器下垂系数修正控制结果即可得到相应的变换器的下垂系数；
S4、将S3得到的第一变换器的下垂系数K1乘上S1得到的i1得到droop1，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop1后得到第一变换器的电压内环参考值u1 *。相似的，将S3得到的K2乘上S1得到的i2得到droop2，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop2后得到第一变换器的电压内环参考值u2 *。将S3得到的K3乘上S1得到的i3得到droop3，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop3后得到第一变换器的电压内环参考值u3 *；
S5、将S4得到的u1 *减去S1得到的u1，得到差值u1_error，u1_error输入第四PI控制器后得到第一BUCK变换器闭环输出结果u1_out，再将u1_out经过转化后赋给PWM1的比较寄存器；相似的，将S4得到的u2 *减去S1得到的u2，得到差值u2_error，u2_error输入第五PI控制器后得到第二BUCK变换器闭环输出结果u2_out，再将u2_out经过转化后赋给PWM2的比较寄存器；将S4得到的u3 *减去S1得到的u3，得到差值u3_error，u3_error输入第六PI控制器后得到第三BOOST变换器闭环输出结果u3_out，再将u3_out经过转化后赋给PWM3的比较寄存器。
进一步的，当直流变换器从直流微电网中切出接入时，所有的PI控制器存储的前一时刻的量需要清零。本发明中设置S为清零动作的标志位，当S＝1时，DSP执行PI控制器的清零操作，S＝0不动作。设置switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32来表征各变换器当前时刻和上一时刻的接入状态。变量名的第一个数字代表变换器编号，第二个数字代表所在时刻。例如switch11＝0即表示第一直流变换器当前时刻处于切除状态，switch22＝1即表示第二直流变换器上一时刻处于接入状态。步骤S1包括以下步骤：
S11、读取ADC采样得到的数字结果，根据采样结果得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3；
S12、读取switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32这六个状态量；
S13、设置变量S1、S2、S3。当switch11等于switch12时，S1取1，否则为0；当switch21等于switch22时，S2取1，否则为0；当switch31等于switch32时，S3取1，否则为0；
S14、计算S的值，S的表达式如下:
S＝(！S1)||(！S2)||(！S3) (1)
其中“！”为非运算符，“||”为或运算符。
S15、根据S的值，选择是否执行PI控制器清零操作。
根据逻辑关系，可得清除动作标志位的表达式为：
S＝(！(switch11＝＝switch12))||(！(switch21＝＝switch22))||(！(switch31＝＝switch32)) (2)
其中“＝＝”为判断运算符。
进一步的，如果选用第一BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，步骤S3包括以下步骤：
S31、将Kref赋给K1；
S32、将S1得到的i2减去i1，差值输入第二PI控制器，得到第二BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2；
S33、将S1得到的i3减去i1，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3。
进一步的，如果选用第二BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S34、将S1得到的i1减去i2，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一变换器的下垂系数K1；
S35、将Kref赋给K2；
S36、将S1得到的i3减去i2，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3。
进一步的，如果选用第三BOOST变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S37、将S1得到的i1减去i3，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一变换器的下垂系数K1；
S38、将S1得到的i2减去i3，差值输入第三PI控制器，得到第二BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2；
S39、将Kref赋给K3。
进一步的，S2得到输出电压参考值uref_new的表达式为：
Figure GDA0003607159840000061
其中P1为第一PI控制器的比例项，I1为第一PI控制器的积分项，s为拉普拉斯算子。
进一步的，当选用第一BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000062
其中P2为第二PI控制器的比例项，I2为第二PI控制器的积分项。P3为第三PI控制器的比例项，I3为第三PI控制器的积分项。
进一步的，当选用第二BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000063
进一步的，当选用第三BOOST变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000064
进一步的，S5得到的各变换器闭环输出结果下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000065
其中P4为第四PI控制器的比例项，I4为第四PI控制器的积分项。P5为第五PI控制器的比例项，I5为第五PI控制器的积分项。P6为第六PI控制器的比例项，I6为第六PI控制器的积分项。
本发明的有益效果是：
本发明提出的最小输出电压补偿控制方法能够有效的补偿直流母线电压，其中线路电阻最小的直流变换器输出电压最小，其输出电压值被控制到设定参考值，从而保证了所有的直流变换器的输出电压值都大于等于设定参考值，减小了直流母线电压与设定参考值之间的偏差。
本发明提出的下垂系数修正方法通过固定一个变换器的下垂系数、修正其余变换器的下垂系数，实现了下垂系数与线路电阻间的匹配，从而确保了所有变换器的下垂系数与线路电阻值之和都是相等的，进而保证负载电流能够平均分配给每个直流变换器，大大减小了线路电阻不一致对电流分配精度造成的不利影响。
本发明通过检测变换器的接入状态，进行相应的逻辑运算，从而确定是否对PI控制器进行清零操作。清零操作的执行确保了直流变换器从直流母线上切除或者接入时，整个系统能够平稳的从上一个稳态过渡新的稳态，迅速的达到稳定的工作状态。
本发明在直流变换器突然接入/切除的情况下，调节速度很快，所需调节时间较短；在负载突然加重/减轻的情况下也能快速调节到稳定状态，且用到的PI控制器数目比其他变下垂系数的方法少。
附图说明
图1为本发明实施例的微电网系统硬件结构图；
图2为本发明实施例的主电路及其控制流程示意图；
图3为本发明实施例在PLECS仿真中负载突加前后的输出电压电流波形图；
图4为本发明实施例在PLECS仿真中变换器切出接入过程的输出输入波形图；
图5为本发明实施例的使用所提出的变下垂系数控制策略在负载突加前后的实验波形图；
图6为本发明实施例的使用所提出的变下垂系数控制策略在变换器接入切出前后的实验波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，直流微电网系统，包括三个变换器单元、两个电阻负载、一个TMS320F28335控制器及其附属电路。第一变换器单元包括第一分布式电源、第一BUCK变换器、第一线路电阻、第一静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第二变换器单元包括第二分布式电源、第二BUCK变换器、第二线路电阻、第二静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第三变换器单元包括第三分布式电源、第三BOOST变换器、第三线路电阻、第三静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。第一电阻负载直接并联在直流母线上，第二电阻负载与第四静态开关串联后并联在直流母线上。输出电压采样电路、输出电流采样电路得到的采样信号通过偏置电路后输入TMS320F28335控制器的ADC引脚。DSP控制器输出的三路PWM信号进过光耦隔离电路、驱动电路后控制开关管的开通和关断。
如图2所示，所述的三个变换器可以分为两种类型，第一种为下垂系数固定的变换器，第一BUCK变换器属于该类型；第二种为下垂系数变化的变换器，第二BUCK变换器、第三BOOST变换器属于该类型。
本发明的变下垂系数控制包括以下步骤：
S1、读取ADC采样得到的数字结果，根据采样结果得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3。其中u1、i1为第一BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u2、i2为第二BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u3、i3为第三BUCK变换器的输出电压、输出电流。读取各直流器的接入状态标志量，将标志量代入逻辑表达式，确定是否需要对所有PI控制器存储的上一时刻的量进行清零。
S2、比较S1步骤得到的u1、u2、u3，得出输出电压最小值umin。用输出电压参考值uref减去输出电压最小值umin得到电压控制偏差uerror，电压控制偏差uerror输入第一PI控制器后得到电压补偿量Δu，输出电压参考值uref叠加上电压补偿量Δu后得到电压补偿控制后的输出电压参考值uref_new。
S3、对于下垂系数不变的变换器，其下垂系数始终为下垂系数参考值Kref。而对于下垂系数变化的变换器，则需要进行下垂系数修正控制。下垂系数参考值叠加上变换器下垂系数修正控制结果即可得到相应的变换器的下垂系数。
S4、将S3得到的K1乘上S1得到的i1得到droop1，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去下droop1后得到第一变换器的电压内环参考值u1 *。相似的，将S3得到的K2乘上S1得到的i2得到droop2，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop2后得到第二变换器的电压内环参考值u2 *。将S3得到的K3乘上S1得到的i3得到droop3，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop3后得到第三变换器的电压内环参考值u3 *。
S5、将S4得到的u1 *减去S1得到的u1，得到差值u1_error，u1_error输入第四PI控制器后得到第一BUCK变换器闭环输出结果u1_out，再将u1_out经过转化后赋给PWM1的比较寄存器；相似的，将S4得到的u2 *减去S1得到的u2，得到差值u2_error，u2_error输入第五PI控制器后得到第二BUCK变换器闭环输出结果u2_out，再将u2_out转化后赋给PWM2的比较寄存器；将S4得到的u3 *减去S1得到的u3，得到差值u3_error，u3_error输入第六PI控制器后得到第三BUCK变换器闭环输出结果u3_out，再将u3_out转化后赋给PWM3的比较寄存器；
进一步的，当直流变换器从直流微电网中切除或者接入时，所有的PI控制器存储的前一时刻的量需要清零。本发明中设置S为清零动作的标志位，当S＝1时，DSP执行PI控制器的清零操作，S＝0不动作。设置switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32来表征各变换器当前时刻和上一时刻的接入状态。变量名的第一个数字代表变换器编号，第二个数字代表所在时刻。例如switch11＝0即表示第一直流变换器当前时刻处于切除状态，switch22＝1即表示第二直流变换器上一时刻处于接入状态。步骤S1包括以下步骤：
S11、读取ADC采样得到的数字结果，根据采样结果得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3；
S12、读取switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32这六个接入状态标志量；
S13、设置变量S1、S2、S3。当switch11等于switch12时，S1取1，否则为0；当switch21等于switch22时，S2取1，否则为0；当switch31等于switch32时，S3取1，否则为0；
S14、计算S的值，S的表达式如下:
S＝(！S1)||(！S2)||(！S3) (1)
其中“！”为非运算符，“||”为或运算符。
S15、根据S的值，选择是否执行PI控制器清零操作
根据逻辑关系，可得清除动作标志位的表达式为：
S＝(！(switch11＝＝switch12))||(！(switch21＝＝switch22))||(！(switch31＝＝switch32)) (2)
其中“＝＝”为判断运算符。
进一步的，如果选用第一BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，步骤S3包括以下步骤：
S31、将Kref赋给K1；
S32、将S1得到的i2减去i1，差值输入第二PI控制器，得到第二BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2。
S33、将S1得到的i3减去i1，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3。
进一步的，如果选用第二BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S34、将S1得到的i1减去i2，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一变换器的下垂系数K1。
S35、将Kref赋给K2；
S36、将S1得到的i3减去i2，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3。
进一步的，如果选用第三BOOST变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S37、将S1得到的i1减去i3，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一变换器的下垂系数K1。
S38、将S1得到的i2减去i3，差值输入第三PI控制器，得到第二BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2。
S39、将Kref赋给K3；
进一步的，S2得到输出电压参考值uref_new的表达式为：
Figure GDA0003607159840000111
其中P1为第一PI控制器的比例项，I1为第一PI控制器的积分项，s为拉普拉斯算子。
进一步的，当选用第一BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000112
其中P2为第二PI控制器的比例项，I2为第二PI控制器的积分项。P3为第三PI控制器的比例项，I3为第三PI控制器的积分项。
进一步的，当选用第二BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000113
进一步的，当选用第三BOOST变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000114
进一步的，S5得到的各变换器闭环输出结果下垂系数表达式为：
Figure GDA0003607159840000121
其中P4为第四PI控制器的比例项，I4为第四PI控制器的积分项。P5为第五PI控制器的比例项，I5为第五PI控制器的积分项。P6为第六PI控制器的比例项，I6为第六PI控制器的积分项。
为了验证所提出的变下垂系数控制的可行性，在PLECS仿真环境中搭建了含有两个BUCK变换器、一个BOOST变换器的直流微电网仿真模型，为了使仿真结果与实验结果具有可对比性，仿真参数与实验参数一致。第一BUCK变换器输入电压为30.9V，第二BUCK变换器输入电压为30.6V，第三BOOST变换器输入电压为20.3V。第一BUCK变换器、第二BUCK变换器、第三BOOST变换器的电感均为2mH，即L1＝L2＝L3＝2mH,第一BUCK变换器、第二BUCK变换器、第三BOOST变换器的电容均为1880uF，即C1＝C2＝C3＝1880uF.第一BUCK变换器的线路电阻为1.4Ω，第二BUCK变换器的线路电阻为4Ω，第三BOOST变换器的线路电阻为1.9Ω。负载为9.8Ω。电压参考值设定为25V。
图3给出了直流微电网系统在传统下垂控制、变下垂系数控制、负载突加情况下的输出电压、输出电流、下垂系数的仿真波形图。在整个过程中第三BOOST变换器都与直流母线处于断开状态。只有第一BUCK变换器、第二BUCK变换器处于工作状态。0～0.4s时，微电网系统采用传统的下垂控制。可以看出，第一BUCK变换器的输出电压仅为10V，第二BUCK变换器的输出电压仅为11V，不及电压参考值的一半，控制误差极大。而且，由于两个变换器的线路电阻不相等，两个变换器输出电流并不相等，传统的下垂控制分流精度并不理想。0.4s以后，微电网系统采用本发明提出的变下垂系数控制，可以看出第一BUCK变换器的输出电压为25V，与参考值一致，第二BUCK变换器的输出电压为28V，直流变换器的输出电压得到了很大的提升，控制误差大大减小。线路电阻小的变换器输出电压低，线路电阻越大的变换器输出电压越高。随着输出电压的提高，变换器的输出电流也得到了很大的提升，下垂系数修正控制的调节下，K2逐渐稳定在27.4。K1被固定为30。可以得到r1+K1＝r2+K2＝31.4。可以看出，下垂系数修正控制很好的补偿了线路电阻的差异，确保了变换器的等效输出电阻一致，因此稳定状态下两个变换器的输出电流相等，分流精度大大提高。0.8s时直流母线并入一个阻值为20Ω的电阻负载。稳定以后第一BUCK变换器的输出电压仍为25V；第二BUCK变换器的输出电压为29.4V，相比与之前略有提升，下垂系数仍为27.4；两个变换器的输出电流由于负载加重的原因输出电流均有所增长，最终变换器输出电流仍然相等。
图4给出了使用本发明提供的控制策略的直流微电网中第二直流变换器从微电网中切除、一段时间后重新接入情况下的输出电压波形、输出电流波形、下垂系数变化趋势图(仿真)。之前提到的参数均未改变。0～0.5s期间，三个直流变换器都处于工作状态。0.5～1s期间，将第二BUCK变换器切除，另外两个变换器依然工作。可以看出，在第二BUCK变换器切除后，两个变换器输出电压都出现了急剧的下跌，但在本发明提出的变下垂系数控制的调节下，0.25s后系统再次达到稳定。稳定后，第一BUCK变换器的输出电压仍为25V，而第三BOOST变换器的输出电压略微增加。两个变换器输出电流也再次达到相等，新状态下两个变换器的输出电流之和为2.38A，之前输出电流之和为2.43A。第二BUCK变换器切除以后虽然输出电压最小的直流变换器(第一BUCK变换器)的输出电压仍为25V，但由于第一BUCK变换器的输出电流更大，所以第一BUCK变换器在线路电阻上的压降比以前更大了，所以直流母线电压比之前要小，负载获得的功率也更小，所以输出电流之和也出现了下降。切除变换器带来的直流母线电压下降的影响很小，输出电流之和也仅仅下降了0.05A，总的来说对负载的影响很小。1s后重新接入第二BUCK变换器，经过0.25s系统再次达到稳定，系统稳定后的输出电流、输出电压均与之前三个变换器并联的量一致。总的说来，采用本发明提出的控制策略的直流微电网系统具有很强的稳健性、冗余性。
为了验证所提出的变下垂系数控制的可行性，搭建了含有两个BUCK变换器、一个BOOST变换器的直流微电网实验平台，实验参数与仿真参数一致。图5给出了该系统采用传统的下垂控制、变下垂系数控制、负载突加时的输出电压、输出电流波形(实验)。与图3的实验步骤相同，首先直流微电网系统采用传统的下垂控制，一段时间后采用变下垂系数控制，再过一段时间后在直流母线上并上一个20Ω的电阻。整个过程只有第一BUCK变换器和第二BUCK变换器工作。电流波形是通过测量输出电流通过1Ω电阻的压降得到的。与图3显示的仿真波形图对比可以发现：采用传统的下垂控制时实验情况下变换器的输出电压更低，电流分配精度也更低。当采用变下垂系数控制时，实验情况下达到稳态的时间也比仿真要慢，实验时调节时间约为1s，而仿真时调节时间0.15s。当负载加重时，实验情况所需要的调节时间约为0.75s，也比仿真模型的调节时间要长。当采取改进的下垂控制时，第一BUCK变换器的输出电压为25V，第二BUCK变换器的输出电压高于第一BUCK变换器，两者的输出电流相等；负载突加时，两个变换器的输出电压下降，随后在控制器的调节下逐渐上升，稳态情况下两个变换器的输出电流相等，第一BUCK变换器的输出电压仍为25V。这些实验结果都是和仿真完全一致的。
图6给出了直流微电网系统在第二直流变换器切除、一段时间后第二直流变换器重新接入时的实验波形图。从实验波形图可以看出，当第二BUCK变换器切除时，第三BOOST变换器的输出电流会急剧上升，第一BUCK变换器的输出电流会急剧下降，然后在控制器的作用下，第三BOOST变换器的输出电流会逐渐减小，第一BUCK变换器的输出电流会逐渐增加，最后两个变换器的输出电流会再次相等。第二BUCK变换器切除以后，直流母线电压会急剧跌落，在控制器的调节下，直流母线电压会逐步回升，达到稳态时直流母线电压比三个变换器并联时的电压低。当第二BUCK变换器重新接入时，直流母线电压会急剧跌落，在控制器的调节下，直流母线电压会逐步回升，达到稳态时直流母线电压比两个变换器并联时的电压高。稳态情况下三个变换器的输出电流相等。
以上仿真和实验结果充分说明了，本方法提出的针对直流变换器输出电压最小值进行电压补偿控制能够使线路电阻最小的直流变换器输出电压为设定参考值，大大提升直流母线电压，解决传统下垂控制带来的电压跌落问题；本发明提出的固定一个直流变换器的下垂系数、对其他变换器的下垂系数进行修正的控制思路可以提高直流变换器的电流分配精度，消除直流变换器线路电阻不一致对电流分配精度造成的不良影响。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者了解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合依然在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流微电网系统的变下垂系数控制方法，其特征在于，该方法控制下的直流微电网的变换器可以分为两种类型，第一种为下垂系数固定的变换器，第二种为下垂系数变化的变换器，直流微电网中有且只有一个下垂系数固定的直流变换器，其余变换器都是下垂系数变化的变换器，变下垂系数控制方法，包括以下步骤：
S1、读取ADC的采样结果，得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3，其中u1、i1为第一BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u2、i2为第二BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u3、i3为第三BOOST变换器的输出电压、输出电流，读取各直流器的接入状态标志位，将接入状态标志位代入逻辑表达式，确定是否需要对所有PI控制器存储的上一时刻的值进行清零；
S2、比较S1步骤得到的u1、u2、u3，得出输出电压最小值umin，用输出电压参考值uref减去输出电压最小值umin得到电压控制偏差uerror，电压控制偏差uerror输入第一PI控制器后得到电压补偿量Δu，输出电压参考值uref叠加上电压补偿量Δu后得到经过电压补偿控制后的输出电压参考值uref_new；
S3、对于下垂系数不变的变换器，其下垂系数始终固定为下垂系数参考值Kref，而对于下垂系数变化的变换器，则需要进行下垂系数修正控制，下垂系数参考值叠加上变换器下垂系数修正控制结果即可得到相应的变换器的下垂系数；
S4、将S3得到的第一BUCK变换器的下垂系数K1乘上S1得到的i1得到第一下垂量droop1，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去下垂量droop1后得到第一变换器的电压内环参考值u1 *；相似的，将S3得到的第二BUCK变换器的下垂系数K2乘上S1得到的i2得到第二下垂量droop2，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop2后得到第二BUCK变换器的电压内环参考值u2 *；将S3得到的K3乘上S1得到的i3得到第三下垂量droop3，再将S2得到的输出电压参考值uref_new减去droop3后得到第三BOOST变换器的电压内环参考值u3 *；
S5、将S4得到的u1 *减去S1得到的u1，得到控制误差u1_error，u1_error输入第四PI控制器后得到第一BUCK变换器闭环输出结果u1_out，u1_out经过转化后赋给PWM1的比较寄存器；相似的，将S4得到的u2 *减去S1得到的u2，得到差值u2_error，u2_error输入第五PI控制器后得到第二BUCK变换器闭环输出结果u2_out，u2_out经过转化后赋给PWM2的比较寄存器；将S4得到的u3 *减去S1得到的u3，得到差值u3_error，u3_error输入第六PI控制器后得到第三BUCK变换器闭环输出结果u3_out，u3_out经过转化后赋给PWM3的比较寄存器。
2.根据权利要求1所述的直流微电网系统的变下垂系数控制方法，其特征在于，当直流变换器从直流微电网中切除和接入时，所有的PI控制器存储的前一时刻的量都需要清零，本发明中设置S为清零动作标志位，当S＝1时，DSP执行PI控制器的清零操作，S＝0不动作，设置switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32这六个接入状态标志量来表征各变换器当前采样时刻和上一采样时刻的接入状态，变量名的第一个数字代表变换器编号，第二个数字代表所在时刻，switch11表示第一BUCK直流变换器当前时刻接入状态，switch12表示第一BUCK直流变换器上一时刻接入状态，switch21表示第二BUCK直流变换器当前时刻接入状态，switch22表示第二BUCK直流变换器上一时刻接入状态，switch31表示第三BOOST直流变换器当前时刻接入状态，switch32表示第三BOOST直流变换器上一时刻接入状态，接入状态标志位为0时代表该变换器已从直流微电网中切除，接入状态标志位为1代表该变换器已接入直流微电网，S1包括以下步骤：
S11、读取ADC采样得到的数字结果，根据采样结果得到微电网中6个状态量的值，这6个状态量分别是u1、u2、u3、i1、i2、i3，其中u1、i1为第一BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u2、i2为第二BUCK变换器的输出电压、输出电流；其中u3、i3为第三BOOST变换器的输出电压、输出电流；
S12、读取switch11、switch12、switch21、switch22、switch31、switch32这六个接入状态标志量；
S13、设置第一中间变量S1、第二中间变量S2、第三中间变量S3，当switch11等于switch12时，S1取1，否则为0；当switch21等于switch22时，S2取1，否则为0；当switch31等于switch32时，S3取1，否则为0；
S14、计算清零动作标志位S的值，S的表达式如下:
S＝(！S1)||(！S2)||(！S3) (1)
其中“！”为非运算符，“||”为或运算符；
S15、根据S的值，执行PI控制器清零操作或者不动作；
根据逻辑关系，可得清除动作标志位的逻辑计算表达式为：
S＝(！(switch11＝＝switch12))||(！(switch21＝＝switch22))||(！(switch31＝＝switch32)) (2)
其中“＝＝”为判断运算符。
3.根据权利要求1所述的直流微电网系统的 变下垂系数控制方法，其特征在于，如果选用第一BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，步骤S3包括以下步骤：
S31、将下垂系数参考值Kref赋给第一BUCK变换器的下垂系数K1；
S32、将S1得到的i2减去i1，差值输入第二PI控制器，得到第二BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2；
S33、将S1得到的i3减去i1，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3；
如果选用第二BUCK变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S34、将S1得到的i1减去i2，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一变换器的下垂系数K1；
S35、将下垂系数参考值Kref赋给第二BUCK变换器的下垂系数K2；
S36、将S1得到的i3减去i2，差值输入第三PI控制器，得到第三BOOST变换器的下垂系数修正值ΔK3，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK3后得到第三变换器的下垂系数K3；
如果选用第三BOOST变换器为下垂系数固定的变换器，则步骤S3包括以下步骤：
S37、将S1得到的i1减去i3，差值输入第二PI控制器，得到第一BUCK变换器的下垂系数修正值ΔK1，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK1后得到第一BUCK变换器的下垂系数K1；
S38、将S1得到的i2减去i3，差值输入第三PI控制器，得到第二BOOST 变换器的下垂系数修正值ΔK2，下垂系数参考值Kref叠加上修正值ΔK2后得到第二变换器的下垂系数K2；
S39、将下垂系数参考值Kref赋给第三BOOST变换器的下垂系数K3。
4.根据权利要求1所述的直流微电网系统的 变下垂系数控制方法，其特征在于，S2得到补偿后的输出电压参考值uref_new的表达式为：
Figure FDA0003623131150000041
其中P1为第一PI控制器的比例项，I1为第一PI控制器的积分项，s为拉普拉斯算子，umin为输出电压最小值，uref为输出电压参考值；
当选用第一BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure FDA0003623131150000042
其中P2为第二PI控制器的比例项，I2为第二PI控制器的积分项，P3为第三PI控制器的比例项，I3为第三PI控制器的积分项，Kref为下垂系数参考值；
当选用第二BUCK变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure FDA0003623131150000043
当选用第三BOOST变换器为下垂系数不变的变换器时，S3得到的三个直流变换器下垂系数表达式为：
Figure FDA0003623131150000044
S5得到的各变换器闭环输出结果下垂系数表达式为：
Figure FDA0003623131150000051
其中P4为第四PI控制器的比例项，I4为第四PI控制器的积分项；P5为第五PI控制器的比例项，I5为第五PI控制器的积分项；P6为第六PI控制器的比例项，I6为第六PI控制器的积分项；uref_new为输出电压参考值。
5.一种应用权利要求1-4的变下垂系数控制方法的直流微电网架构，其特征在于，包括三个变换器单元、两个电阻负载、直流母线、一个TMS320F28335控制器及其附属电路，第一变换器单元包括第一分布式电源、第一BUCK变换器、第一线路电阻、第一静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路；第二变换器单元包括第二分布式电源、第二BUCK变换器、第二线路电阻、第二静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路；第三变换器单元包括第三分布式电源、第三BOOST变换器、第三线路电阻、第三静态开关(控制变换器接入切出)、开关管驱动电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路；第一电阻负载直接并联在直流母线上，第二电阻负载与第四静态开关串联后并联在直流母线上，输出电压采样电路、输出电流采样电路得到的信号通过偏置电路后输入TMS320F28335控制器的ADC引脚，DSP控制器输出的三路PWM信号经过光耦隔离电路、驱动电路后控制开关管的开通和关断。
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