CN109802381A - 一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，所述的直流微电网包括多台并联的BDDC单元，所述的方法采用下垂控制法对各BDDC单元中的换流器进行控制，采用模糊控制器对各BDDC单元的虚拟电阻进行动态调整，从而调整各BDDC单元的输出电流，引入二次电压补偿控制，采用PI控制器对检测到的实际直流母线电压和额定参考电压的差值进行调节，将调节后的补偿量动态叠加到下垂控制的参考电压上。与现有技术相比，本发明能够有效的提高直流微电网内并联分布式电源间的负荷电流分配精度和系统的稳定性，最终实现了直流微电网多源并联系统间的动态协调控制。

Description

一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，尤其是 涉及一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法。

背景技术

相比于传统交流微电网，直流微电网具有转换次数少、控制结构简单、不需要 对电压的相位和频率进行跟踪、不需要考虑传输过程中的涡流损耗和无功补偿等优 点，因此系统运行的可控性及可靠性大大提高；随着直流用电负荷的不断增加，直 流微电网的容量需要进一步扩大，以满足直流微电网内部用户的用电需求，因此， 通过并联多分布式电源实现直流微电网内部多源协调控制，共同维持直流母线电压 稳定，成为了直流微电网发展面临的一大挑战。

对于微电网的协调稳定运行，目前，国内外学者提出了多种控制方法，如集中 通信控制、分布式控制，分层控制等，集中控制由于采用通信线，对通信网络实时 性具有严苛的要求,在获得较好的电流负荷分配精度的同时会使系统可靠性变差、 成本增加且灵活度降低，并且其结构并不适用于微源、负载较分散的直流微电网系 统，因此不适用于不同运行条件下负载及环境的变化，近年来，大量的文献集中研 究于微电网的分层控制、分布式控制以及两者的结合。

直流微电网内各分布式电源通过换流器与公共直流母线相连，各分布式电源之间的协调运行最终体现为各换流器之间的协调控制。下垂控制是当前微电网中换流 器并联运行控制的主要方法，当多个换流器并联运行时，由于换流器到公共母线的 线路阻抗存在差异，下垂控制法的稳定性和换流器的功率分配受到影响。“A decentralized controlmethod for a low-voltage DC microgrid[J].IEEE Transactions on EnergyConversion,2014,29(4)”提出利用虚拟阻抗抵消线路阻抗的影响，但是阻抗 预测是在并网状态下完成，因此要求微电网初始不能工作于离网模式。“[10]基 于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测[J].电工技术学报,2018,11(12)”通过主动 注入单脉冲扰动检测出变流器输出电压电流变化以获得线路电阻信息，进而将其补 偿到下垂系数中消除线路电阻的影响，改善电流负荷分配，但是此方法策略精度在 线路电阻和等效电容较小的情况下误差较大；文献“An enhanced droop control method for accurate load sharing andvoltage improvement of isolated and interconnected DC microgrids[J].IEEETransactions on Sustainable Energy,2016”提出 加入线路阻抗测量装置，便于对下垂控制器进行修正，但需要额外的硬件装置；文 献“一种适用于直流微电网的改进型电流负荷分配控制策略[J].中国电机工程学报, 2016,36(1)”利用V的导数代替下垂控制中V的地位，减少了电压电流间的耦 合影响，改善电流负荷分配精度的同时提高了输出电压质量，但该方法并没有完全 消除线路电阻参数不一致对电流负荷分配的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊控 制的直流微电网多源动态协调控制方法，解决多个储能单元通过变流器并联接于直 流微电网时由于线路电阻参数不一致导致负荷电流分配精度低和电压跌落的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，所述的直流微电网包括多台并联的双向DC/DC换流器(Bidirectional DC/DC converter，BDDC)单元， 所述的方法采用下垂控制法对各BDDC单元中的换流器进行控制，其特征在于， 所述的方法采用模糊控制器对各BDDC单元的虚拟电阻进行动态调整，从而调整 各BDDC单元的输出电流。

所述的模糊控制器的输入量为BDDC单元输出电流与期望输出电流的差，即 I_i'＝I_i-k_iI_ave，其中，I_i'为模糊控制器的输入量，I_i为第i个BDDC单元输出电流， k_i为第i个BDDC单元输出电流比值，I_ave为并联BDDC单元输出电流平均值， i＝1,2…N，N为BDDC单元个数，R_linei为第i个BDDC单元到直流母线的线路电阻，R_di为第i个BDDC单元的虚拟电阻值。

所述的模糊控制器在对BDDC单元输出电流进行调整时，若BDDC单元输出 电流I_i大于I_ave，则放电时增大虚拟阻抗值R_di以减小输出电流，充电时减小虚拟阻 抗值R_di以减小输出电流；反之，若BDDC单元输出电流I_i小于I_ave，则放电时减 小虚拟阻抗值R_di以增大输出电流，充电时增大虚拟阻抗值R_di以增大输出电流。

所述的并联BDDC单元输出电流平均值I_ave采用动态一致性算法获取，将每一 个独立的BDDC单元视为一个信息节点，各信息节点仅通过与相邻信息节点双向 通信，通过迭代更新自身输出电流，最终得到全局数据的平均值。

所述的迭代更新计算式如下：

θ_ij[k+1]＝θ_ij[k]+I_{ave_j}[k]-I_{ave_i}[k]

其中，I_{ave_i}代表第i个BDDC的输出电流平均值，[k]表示迭代次数，k可取任 意正整数，为确保迭代精度，优选取值为20，σ为比例因子，j代表第j个BDDC 单元，N为直流微电网含储能单元即BDDC个数，θ_ij[k]表示第k次迭代时第i个 和第j个BDDC单元之间的累计误差，初始值为0，I_{ave_j}为第j个BDDC的输出 电流平均值。

所述的方法采用二次电压补偿控制，采用PI控制器对检测到的实际直流母线 电压和额定参考电压的差值进行调节，将调节后的补偿量动态叠加到下垂控制的参 考电压上，改进后的下垂控制表达式为：

U_i＝U_ref-R_diI_i+ΔU

其中，U_i为第i个BDDC单元输出电压，U_ref为空载时BDDC输出电压参考值， ΔU为二次电压补偿量，k_pv，k_pi为PI控制器参数，1/s为积分在频域里的表示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)利用模糊控制动态调整下垂控制虚拟电阻值改变BDDC输出电流，实现 多BDDC并联系统协调控制，解决了系统因线路阻抗不匹配而造成的负荷电流分 配精度低的问题。

(2)采用动态一致性算法，每个单元通过与邻近单元交互信息获得全局输出 电流平均值，减弱了对于通信的依赖，提供实时系统状态信息，为模糊控制提供了 可靠地模糊输入依据。

(3)引入二次电压补偿控制，采用PI控制器对检测到的实际直流母线电压和 额定参考电压的差值进行调节，将调节后的补偿量动态叠加到下垂控制的参考电压 上，使得直流母线电压水平维持在额定状态。

附图说明

图1为本实施例含N台BDDC并联系统等效电路图；

图2为本实施例布式分层控制设计结构图；

图3为本实施例线路电阻对均流控制影响图；

图4为本实施例BDDC通信结构图；

图5为本实施例直流微电网结构图；

图6为本实施例三台BDDC并联均流控制仿真结果，其中图6(a)为输出电 流分配情况，图6(b)为直流母线电压变化情况，图6(c)为输出电流分配情况，

图6(d)为直流母线电压变化情况；

图7为本实施例三台BDDC并联1:2:3协调控制仿真结果，其中图7(a)为 输出电流分配情况，图7(b)为直流母线电压变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例

一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制策略。首先在代理层通过动态一致性算法求得并联多变流器系统输出电流平均值，在此基础上，结合分布式控 制和分层控制的思想，以下垂控制为底层控制，二次电压补偿控制为补偿层控制的 分布式分层控制结构，解决了系统因线路阻抗不匹配而造成的负荷电流分配精度低 的问题，并同时维持母线电压稳定，改善电压电能质量。

以下从线路电阻对电流分配的影响、多源动态协调控制设计、模糊控制器设计、二次电压补偿、分布式分层控制结构设计以及算例验证等几个方面对本发明做进一 步说明。

(1)线路电阻对电流分配的影响

任意两组BDDC之间输出电流关系为：

各BDDC输出电流与BDDC到直流母线的线路电阻和虚拟电阻值之和成反 比，以均流协调控制为例，若各BDDC采用相同的虚拟电阻值，要使得各BDDC 间实现均流协调控制，则各BDDC到直流母线的线路电阻必须完全相同，如图3 所示，显然这一条件在实际情况中无法满足，从而导致负荷电流无法按既定分配比 例输出。

(2)多源动态协调控制

在多BDDC并联运行的系统中，BDDC的输出电流与线路电阻和虚拟电阻有 关，通过调节各BDDC的虚拟电阻值就可以动态改变各BDDC的输出电流，从而 实现输出电流按既定分配比例输出。

(3)模糊控制器设计

模糊控制具有较强的鲁棒性，利用模糊推理机制可以动态自适应的调整各 BDDC虚拟电阻的大小。因此，采用模糊控制方法，将各BDDC输出电流与期望 输出电流作差后得到I_i'作为模糊控制输入，模糊控制器根据输入量自动调整输出虚 拟阻抗值R_di,进而调整各BDDC间输出电流。

I_i'＝I_i-k_iI_ave

对于输出电流I_i较大的BDDC单元，放电时需增大虚拟阻抗值R_di以减小输出 电流，充电时则需减小虚拟阻抗值R_di以减小输出电流；反之，对于输出电流I_i较 小的BDDC单元，放电时需减小虚拟阻抗值R_di以增大输出电流，充电时则需增大 虚拟阻抗值R_di以增大输出电流。最终实现多BDDC并联系统间输出电流按既定电 流分配比例协调分配。

为求得并联BDDC系统输出电流平均值，基于动态一致性算法，系统各节点 仅通过与相邻节点通信得到全局数据的平均值，减弱了对于通信的依赖程度，提高 了系统的稳定性。将本发明中连接到直流微电网的多储能单元用图论G＝{V,E}表 示，如图4所示，将每一个独立的BDDC单元视为一个信息节点，V＝{1,2,…,N} 表示节点的集合，表示边的集合,代表BDDC间的信息交互， 网络中的每个节点仅与邻近的节点进行双向通信，将每个BDDC单元的输出电流 传递给相邻的BDDC单元,并通过迭代不断地更新自身输出电流，最终得到并联 BDDC系统输出电流的平均值。

其中，i、j为网络中的节点，i,j＝1,2,…,N；I_{ave_i}代表第i个BDDC的输出电流 平均值，θ_ij[k]代表两个BDDC之间的累计误差，初始值为0；σ代表比例因子。

(4)电压恢复设计

采用下垂控制时由于电流流过虚拟电阻时会产生电压损耗，将导致直流母线电压偏离额定值，进而影响系统的稳定运行，为此，引入二次电压补偿控制，采用 PI控制器对检测到的实际直流母线电压和额定参考电压的差值进行调节，将调节 后的补偿量动态叠加到下垂控制的参考电压上，改进后的下垂控制表达式为：

U_i＝U_ref-R_diI_i+ΔU

(5)分布式分层控制结构设计

本发明所提分布式分层控制体系整体框架图如图2所示，将分布式控制和分层 控制思想相结合，每个换流器单元的本地控制器分为控制底层、补偿层和代理层， 在代理层，本发明采用动态一致性算法，每个单元通过与邻近单元交互信息获得全 局输出电流平均值，减弱了对于通信的依赖，提供实时系统状态信息，为模糊控制 提供了可靠地模糊输入依据；在补偿层，本发明将检测到的直流母线电压和参考电 压作差，通过PI控制器进行调节，补偿了直流母线电压损耗；在控制底层，采用 基于模糊控制的多源动态协调控制策略，动态改变BDDC的虚拟电阻值，消除了 线路电阻对输出电流的影响，实现了并联BDDC间输出电流按既定比例输出；通 过补偿层PI调节器提供的补偿参数调节下垂控制曲线，使得直流母线电压水平维 持在额定状态。最终实现直流微电网多源并联系统间的动态协调控制。

(6)算例分析

为了验证本发明所提控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK仿真平台中 搭建如图5所示的直流微电网的仿真模型。仿真中分布式电源采用光伏发电，且光 伏发电始终处于MPPT控制模式，本发明主要研究三台通过BDDC并联的储能系 统的协调控制策略；算例1对三台带有不同线路阻抗的BDDC并联系统进行均流 协调控制验证；为不失一般性，算例2对三台并联BDDC系统进行按电流分配比 例为1:2:3协调控制进行验证。

算例1：多源均流协调控制

0～2s时储能系统处于充电模式；2s时增加光伏出力，储能系统由充电模式转 换为放电模式，2s～4s时处于放电状态,；4s时，减小负荷，储能系统又由放电模 式转换为充电模式。通过图6仿真结果看出，采用传统下垂控制时，采用相同的虚 拟电阻，由于线路电阻的不同，输出电流无法满足1:1:1的分配比例，且由于下垂 控制会给直流母线带来电压偏差问题，未采用二次补偿控制时直流母线电压偏离额 定电压值较大。而采用本发明提出的基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制 方法后，各并联BDDC输出电流达到了很好的均流状态，满足既定分配比例，且 采用二次电压补偿控制后，直流母线电压小范围波动后又恢复到额定电压值。

算例2：多源1:2:3协调控制

从图7仿真结果看出，0～2s时，储能系统处于充电模式，在线路电阻存在差 异的情况下，输出电流分配比例也很快收敛到1:2:3；2s时，增加光伏出力，储能 系统由充电模式转换为放电模式,输出电流仍按照既定1:2:3比例分配；4s时，减小 负荷，储能系统又由放电模式转换为充电模式，输出电流仍然保持1:2:3的分配比 例，且直流母线电压小范围波动后很快恢复到额定电压。

Claims (6)

1.一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，所述的直流微电网包括多台并联的BDDC单元，所述的方法采用下垂控制法对各BDDC单元中的换流器进行控制，其特征在于，所述的方法采用模糊控制器对各BDDC单元的虚拟电阻进行动态调整，从而调整各BDDC单元的输出电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器的输入量为BDDC单元输出电流与期望输出电流的差，即I′_i＝I_i-k_iI_ave，其中，I′_i为模糊控制器的输入量，I_i为第i个BDDC单元输出电流，k_i为第i个BDDC单元输出电流比值，I_ave为并联BDDC单元输出电流平均值，i＝1,2…N，N为BDDC单元个数，R_linei为第i个BDDC单元到直流母线的线路电阻，R_di为第i个BDDC单元的虚拟电阻值。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，其特征在于，所述的模糊控制器在对BDDC单元输出电流进行调整时，若BDDC单元输出电流I_i大于I_ave，则放电时增大虚拟阻抗值R_di以减小输出电流，充电时减小虚拟阻抗值R_di以减小输出电流；反之，若BDDC单元输出电流I_i小于I_ave，则放电时减小虚拟阻抗值R_di以增大输出电流，充电时增大虚拟阻抗值R_di以增大输出电流。

4.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，其特征在于，所述的并联BDDC单元输出电流平均值I_ave采用动态一致性算法获取，将每一个独立的BDDC单元视为一个信息节点，各信息节点仅通过与相邻信息节点双向通信，通过迭代更新自身输出电流，最终得到全局数据的平均值。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，其特征在于，所述的迭代更新计算式如下：

θ_ij[k+1]＝θ_ij[k]+I_{ave_j}[k]-I_{ave_i}[k]

其中，I_{ave_i}代表第i个BDDC的输出电流平均值，[k]表示迭代次数，σ为比例因子，j代表第j个BDDC单元，θ_ij[k]表示第k次迭代时第i个和第j个BDDC单元之间的累计误差，初始值为0，I_{ave_j}为第j个BDDC的输出电流平均值。

6.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的直流微电网多源动态协调控制方法，其特征在于，所述的方法采用二次电压补偿控制，采用PI控制器对检测到的实际直流母线电压和额定参考电压的差值进行调节，将调节后的补偿量动态叠加到下垂控制的参考电压上，改进后的下垂控制表达式为：

U_i＝U_ref-R_diI_i+ΔU

其中，U_i为第i个BDDC单元输出电压，U_ref为空载时BDDC输出电压参考值，ΔU为二次电压补偿量，k_pv，k_pi为PI控制器参数，1/s为积分在频域里的表示。