CN110011296B - 一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，包含分布式电源系统、负荷以及各电力电子接口装置，将自抗扰控制技术运行于下垂控制策略中，其电压电流双环均采用自抗扰控制结构，实现了系统的电压稳定和电流分配，且该结构对系统的不确定性和外部扰动均具有鲁棒性；通过设计一种新型的二次控制策略，在保证电流分配精度的同时减小了直流母线电压偏差。本发明不同于其他已提出的控制方法，所提方法只需要在离散时刻采样全局电流信息，降低了通信负担，且抗扰性更强。

Description

一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法

技术领域

本发明属于直流微电网中补偿母线电压及微源变流器功率输出均衡设计技术领域，涉及一种考虑了基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，具体涉及含自抗扰控制的下垂控制方法。本发明属于直流微电网中补偿母线电压及微源变流器功率输出均衡设计技术领域，具体涉及一种含母线电压补偿和负荷功率动态分配的直流微电网协调控制方法。

背景技术

随着可再生能源越来越多地渗透到现代电网中，微电网的概念被提出作为集成分布式发电机和可控/不可控负载的集合实体。由于微电网中的各种类型的源和负载具有特征耦合，例如光伏、发光二极管照明等，因此采用直流微电网来收集这些单元是一种有效的方式。与交流微电网相比，直流微电网可以缩短通过减少dc-ac或ac-dc转换器的数量来实现能量转换。同时，它们还具有效率更高，可靠性更高，控制复杂度更低等优点。因此近年来，直流微电网已经成为了最受欢迎的研究课题之一。随着网络物理技术和先进的控制技术的发展，传统的微电网逐渐变得高度分散和自主，具备在并网和孤岛运行模式下自我管理的能力。

直流微电网中逆变器的主要控制方法是下垂控制，其基于传统发电机的下垂特性，实现即插即用和点对点控制，无需通信和协调即可独立完成每个微源的功率分配。然而基于传统下垂控制的直流微电网运行时，易受负荷波动的影响而导致电压电流的偏移，对微电网的稳定运行产生影响。

自抗扰控制技术不需要精确的系统模型，对控制对象不确定性具有鲁棒性。自抗扰控制能够通过估计扰动并实时消除，实现对扰动的抑制，具有天然的解耦性，在对耦合系统的的控制上远远超过了PID和其他基于模型的方法。它已被用于控制飞轮储能系统中的双向DC-DC变换器，以补偿模型不确定性和未知干扰。

发明内容

为了克服传统下垂控制策略存在的局限性，本发明的目的在于将自抗扰控制技术运用于下垂控制策略中，取代传统的PI控制，并提出一种新型二次控制策略，以保证系统电压的稳定和功率的合理分配。基于自抗扰的下垂控制电压电流双环均采用自抗扰控制结构，外环输出电压采用线性自抗扰控制结构，根据电压偏差迅速进行调节，补偿扰动，稳定输出电压，并通过二次控制的作用将电压提升至额定值；内环输出电流采用线性自抗扰控制结构，根据电流精度偏差迅速进行调节，补偿精度差异，提高电流分配精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，包括以下步骤：

S1：搭建孤岛运行的直流微电网模型，包括分布式电源、直流负荷、储能装置以及各电力电子接口装置；

S2：采样分布式电源的输出电压值与母线电压值，作为电压外环的输入信号；采样所有分布式电源的输出电流值，计算微网内的平均电流信息，作为电流内环的输入信号；

S3：电压外环和电压内环均采用线性电压电流双环自抗扰控制器，获取用于调整母线电压的补偿修正量和调节电流精度偏差的电流修正量；

S4：利用所述的母线电压补偿修正量和电流修正量设计分布式二次控制方法；

S5：根据输入电压参考值采用基于电压电流双环自抗扰的下垂控制，生成控制DC/DC变流器的PWM信号。

本发明中，所述微电网为孤岛直流微电网，该微电网由分布式电源通过变换器接入直流母线且各DG变流器在无互联的情况下，仅根据微源自身和相邻微源的测量信息，控制各自的输出电压和电流，实现微网内母线电压的稳定以及负荷功率的合理分配。

进一步，所述步骤S1中，所述直流微电网包括以下构成：

S1-1.分布式电源：实现低碳发电，在孤岛模式下，通过变换器接入直流母线；

S1-2.负荷：多种类型的可控负荷包括直流负荷和交流负荷，分别通过直流-直流变换器和直流-交流变换器与直流母线相连；

S1-3.储能装置：蓄电池和超级电容组成了混合储能系统，通过直流-直流变换器接入直流母线，保证系统的供电可靠性和稳定性；

S1-4.电力电子接口装置：单向直流-直流变换器将分布式电源发出的电能进行电能变换接入直流母线，直流母线通过直流-交流变换器与交流大电网相连。

再进一步，所述步骤S2中，母线电压的修正量包括以下过程：

电压偏差为(U^*-U_com(t))，母线电压修正量表示为：

式中U_com(t)为直流母线电压，Δu_i(t)为母线电压修正量，即通过电压修正，在一个有限的时间T内，补偿输出电压的跌落，即

lim_t→∞||U^*-U_com(t)||＝0 (2)

电流修正量表示为：

式中ε为增益参数，

为通信权重，

表示该微源能够接收到直流母线电压信息，σ(t)为狄拉克函数。

更进一步，所述步骤S3中，线性电压电流双环自抗扰控制器的步骤包括：

S3-1.考虑到电流控制的微源能够被视为输入和总扰动的组合，由公式表示为：

其中y、u分别为输出和输入，ω为扰动，b为补偿系数。典型自抗扰控制器由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈控制律NLSEF组成；

S3-2.跟踪微分器：根据参考输入V以及受控对象的特性确定过渡过程，得到理想的输入信号，TD表示为：

式中V表示输入信号；h表示积分步长；fhan(V₁，V₂，r，h)表示非线性函数；

S3-3.扩张状态观测器：ESO是ADRC的核心部分，用于解决主动抗扰技术中扰动观测这一核心问题，将总扰动扩张成系统的一个新状态变量，然后利用系统的输入、输出，重构出包含系统原有状态变量与扰动的所有状态，它并不依赖生成扰动的模型，也不需要直接测量就能对扰动进行观测，得到估计值，并在反馈中对其进行补偿，ESO表示为：

式中fal(e，α，δ)表示非线性函数；u表示扰动补偿控制量；b为补偿增益系数；z₁、z₁表示信号y的状态估计量；z₃表示总干扰估计信号；

S3-4.非线性状态误差反馈控制律：NLSEF基于TD和安排过渡过程手段，可以跟踪产生过渡过程的误差信号，NLSEF为TD的输出和ESO产生的状态变量估计之间的误差的非线性组合，NLSEF表示为：

S3-5.控制量生成：由于通过ESO，原对象中扩张出的代表扰动状态变量x₃被状态变量ESO的z₃跟踪，通过削减x₃(即z₃)，可将原对象简化成一个双重积分器串联单位增益的控制问题，进而可以得出控制量表达式如下：

S36.线性化：针对被控对象式为

构造状态空间模型为：

其中：

对应的连续线性扩张状态观测器LESO为：

其中z为观测器的状态向量，L为观测器误差反馈增益矩阵，经过参数化，L设计为L＝[3ω₀ 3ω₀ ² ω₀ ³]，ω₀为观测器带宽，观测器增益矩阵与观测器的带宽唯一相关，使得连续LESO的设计变得简单；

S3-7.电压电流双环均采用线性自抗扰控制结构，取代传统的PI控制结构，电压外环以分布式电源输出电压与母线电压的参考值的差值(U^*-U_com)和逆变器输出电压U_dci作为两个输入信号，获取用于调整母线电压的补偿修正量，电流内环以电流外环输出信号和逆变器输出电流I_dci作为两个输入信号，根据电流精度偏差生成电流修正量进行调节。

所述步骤S4中，设计一种新型分布式二次控制器如下：

电压控制模块的输出是一系列由电压偏差调节产生的控制信号Δu_i(t)；电流控制模块的输出是一系列在时刻t上的狄拉克脉冲函数信号ΔI_i(t)。两个输出信号经过积分器后产生最终的二次控制信号Δu(t)，一方面改善电流分配的精度，一方面减少了直流母线电压偏差。

所述步骤S5中，根据输入电压参考值采用基于下垂控制的一次控制，生成控制DC/DC变流器的PWM信号，系统内母线电压将恢复到参考值，并且满足负荷功率分配的高性能。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有以下有益效果：

1、利用本发明提出的新型分布式二次控制方法改善传统下垂控制的局限性，在保证电流分配精度的同时减小了直流母线电压偏差，实现系统的整体稳定。

2、相较于集中式控制，本发明所提出的分布式二次控制策略性能更好，可以克服集中通信及控制的缺陷，更契合与微电网分布式的结构，可靠性和可扩展性更强；且在不忽略线缆阻抗的情况下，系统能够稳定运行以及达到负荷分配的高精度。

3、相较于其他微电网中的自抗扰控制，仅在电压外环采用自抗扰控制结构，本发明提出的自抗扰控制采用电压电流双环自抗扰控制结构，系统不仅稳定运行，且具有更强的抗扰性。

4、利用基于自抗扰控制的下垂控制取代传统的PI下垂控制，具有更强的抗干扰能力，能够有效抑制各参数的波动，对电网中的不确定干扰具有较好的抑制作用。当扰动发生时，该控制策略能够有效调节直流微电网中的功率平衡，保证母线电压的恒定，并且相较于PI控制，波动性更小，抗扰性更强。

附图说明

图1是典型直流微电网结构图。

图2是二次控制器原理图。

图3是典型自抗扰控制器原理图。

图4是二阶线性自抗扰控制器原理图。

图5是基于自抗扰的电压电流双环下垂控制。

图6是接入二次控制直流母线电压曲线。

图7是接入二次控制各微源输出电流曲线。

图8是负载波动时直流母线电压曲线。

图9是负载波动时各微源输出电流曲线。

图10是基于自抗扰的电压坏控制输出电压曲线。

图11是基于PI的电压坏控制输出电压曲线。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图11，一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，包括以下步骤：

S1：搭建孤岛运行的直流微电网模型，包括分布式电源、直流负荷以及各电力电子接口装置；

S2：采样分布式电源的输出电压值与母线电压值，作为电压外环的输入信号；采样所有分布式电源的输出电流值，计算微网内的平均电流信息，作为电流内环的输入信号；

S3：电压外环和电压内环均采用线性电压电流双环自抗扰控制器，获取用于调整母线电压的补偿修正量和调节电流精度偏差的电流修正量；

S4：利用所述的母线电压补偿修正量和电流修正量设计分布式二次控制方法；

S5：根据输入电压参考值采用基于电压电流双环自抗扰的下垂控制，生成控制DC/DC变流器的PWM信号。

本发明中，所述微电网为孤岛直流微电网，该微电网由分布式电源通过变换器接入直流母线且各DG变流器在无互联的情况下，仅根据微源自身和相邻微源的测量信息，控制各自的输出电压和电流，实现微网内母线电压的稳定以及负荷功率的合理分配。

进一步，所述步骤S1中，如图1所示，所述直流微电网包括以下构成：

S1-1.分布式电源：实现低碳发电，在孤岛模式下，通过变换器接入直流母线；

S1-2.负荷：多种类型的可控负荷包括直流负荷和交流负荷，分别通过直流-直流变换器和直流-交流变换器与直流母线相连；

S1-3.储能装置：蓄电池和超级电容组成了混合储能系统，通过直流-直流变换器接入直流母线，保证系统的供电可靠性和稳定性；

S1-4.电力电子接口装置：单向直流-直流变换器将分布式电源发出的电能进行电能变换接入直流母线，直流母线通过直流-交流变换器与交流大电网相连。

再进一步，所述步骤S2中，如图2所示，电压偏差为(U^*-U_com(t))，母线电压修正量表示为：

式中U_com(t)为直流母线电压，Δu_i(t)为母线电压修正量；

即通过电压修正，在一个有限的时间T内，补偿输出电压的跌落，即

lim_t→∞||U^*-U_com(t)||＝0 (2)

电流修正量表示为：

式中ε为增益参数，

为通信权重，

表示该微源能够接收到直流母线电压信息，σ(t)为狄拉克函数。

所述步骤S3中，基于电压电流双环自抗扰的下垂控制包括以下内容：

S3-1.考虑到电流控制的微源能够被视为输入和总扰动的组合，由公式表示为：

其中y、u分别为输出和输入，ω为扰动，b为补偿系数。如图3所示，典型自抗扰控制器由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈控制律NLSEF组成；图中V表示输入信号；y表示输出信号；u表示扰动补偿控制量；b为补偿增益系数；z₁、z₂表示信号y的状态估计量；z₃表示总干扰估计信号；

S3-2.跟踪微分器：根据参考输入V以及受控对象的特性确定过渡过程，得到理想的输入信号，TD表示为：

式中V表示输入信号；h表示积分步长；fhan(V₁，V₂，r，h)表示非线性函数；

S3-3.扩张状态观测器：ESO是ADRC的核心部分，用于解决主动抗扰技术中扰动观测这一核心问题。它的基本思想就是：将总扰动扩张成系统的一个新状态变量，然后利用系统的输入、输出，重构出包含系统原有状态变量与扰动的所有状态。它并不依赖生成扰动的模型，也不需要直接测量就能对扰动进行观测，得到估计值，并在反馈中对其进行补偿，ESO表示为：

式中fal(e，α，δ)表示非线性函数；u表示扰动补偿控制量；b为补偿增益系数；z₁、z₂表示信号y的状态估计量；z₃表示总干扰估计信号；

S3-4.非线性状态误差反馈控制律：NLSEF基于TD和安排过渡过程手段，可以跟踪产生过渡过程的误差信号，NLSEF为TD的输出和ESO产生的状态变量估计之间的误差的非线性组合，NLSEF表示为：

S3-5.控制量生成：由于通过ESO，原对象中扩张出的代表扰动状态变量x₃被状态变量ESO的z₃跟踪，通过削减x₃(即z₃)，将原对象简化成一个双重积分器串联单位增益的控制问题，进而可以得出控制量表达式如下：

S3-6.线性化：针对被控对象式为

构造状态空间模型为：

其中：

对应的连续线性扩张状态观测器(LESO)为：

其中z为观测器的状态向量，L为观测器误差反馈增益矩阵。经过参数化，L可设计为L＝[3ω₀ 3ω₀ ² ω₀ ³]，ω₀为观测器带宽。观测器增益矩阵与观测器的带宽唯一相关，使得连续LESO的设计变得简单。如图4所示为线性自抗扰控制器原理图，其中K_p＝ω_c ²；

K_d＝2ω_c。ω_c为控制器带宽，ω₀为观测器带宽；u₀为反馈控制量，经过线性化后，线性ADRC的调整参数仅剩ω₀、ω_c和b三个参数，

使得参数整定工作量大幅度减小；

S3-7.电压电流双环均采用线性自抗扰控制结构，取代传统的PI控制结构。电压外环以分布式电源输出电压与母线电压的参考值的差值(U^*-U_com)和逆变器输出电压U_dci作为两个输入信号，获取用于调整母线电压的补偿修正量，电流内环以电流外环输出信号和逆变器输出电流I_dci作为两个输入信号，根据电流精度偏差生成电流修正量进行调节。

所述步骤S5中，根据输入电压参考值采用基于自抗扰的电压电流双环下垂控制，控制框图如图5所示，生成控制DC/DC变流器的PWM信号，系统内母线电压将恢复到参考值，并且满足负荷功率分配的高性能。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，为了验证所提出的基于电压电流双环自抗扰的分布式二次控制方案，在Matlab/Simulink环境中搭建了一个孤岛直流微电网系统仿真模型，证明了该方案的有效性。该直流微电网系统模型由3个分布式微源(DG1，DG2，DG3)和3个阻性负载(R1，R2，R3)构成。母线电压额定值设定为48V，每一个DG都由boost升压变换器驱动，采用电压电流双内环自抗扰控制。设定q₁＝q₂＝q₃＝2，即即三个DG的最大输出电流满足

各DG到直流母线公共点的线缆阻抗分别为0.1Ω，0.2Ω和0.3Ω。

本仿真的时间跨度为0～12s，分为t＝0～4s和t＝4～12s两个阶段。图6和图7分别为接入二次控制直流母线电压示意图和接入二次控制各微源输出电流示意图。在t＝4s时接入本发明所提出的二次控制方法。在t＝0～4s第一阶段时间内，采用基于自抗扰的下垂控制。由于线缆阻抗的存在和下垂控制的影响，各DG输出电流分别为8.65A，7.42A和6.49A，分流精度较低，且直流母线电压下降到38.76V。在t＝4s时加入所提出的二次控制方法，可以看到在大约0.4s的响应时间后，直流母线电压恢复到了额定值48V并保持稳定，各DG调整输出电流，迅速达到平均一致并稳定在9.6A，同时达到了提高电流分配精度和降低直流母线电压偏差的控制目标。

主要仿真分析了孤岛直流微电网中负载功率波动对系统稳定性的影响。仿真开始时系统中初始负载为R₁、R₂，在t＝2s时接入二次控制，控制效果如上述分析所示。负载扰动即在t＝6s时突然增加负载R₃，在t＝9s时断开负载R₃。负载功率波动时直流微电网的母线电压和电流分配精度情况分别如图8和图9所示。可以看到在负载功率波动时，母线电压迅速响应，在大约0.3s后电压稳定在48V；各分布式电源单位输出电流在负载R₃接入后迅速降低至6.4A并保持稳定，在负载R₃断开后迅速升高，均在0.3s后收敛到平均一致值，波动较小。

针对基于自抗扰的下垂控制和传统PI下垂控制的比较，仿真结果如图10和图11所示。基于自抗扰的电压环控制仿真图如图10所示，基于PI的电压环控制仿真图如图11所示。其中V_ref是输入电压参考值，V_dc是控制对象输出电压值。分别放大两张图中2.1s～2.5s的波形，可以看出经自抗扰控制后的输出电压的波动值约为0.38V，经PI控制后的输出电压的波动值约为0.78V，两者相差大约一倍。因此可以得出结论，自抗扰控制的波动性更小，抗扰性更强。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：搭建孤岛运行的直流微电网模型，包括分布式电源、直流负荷以及各电力电子接口装置；

S2：采样分布式电源的输出电压值与母线电压值，作为电压外环的输入信号；采样所有分布式电源的输出电流值，计算微网内的平均电流信息，作为电流内环的输入信号；

所述步骤S2中，电压偏差为(U^*-U_com(t))，母线电压补偿修正量表示为：

式中U_com(t)为直流母线电压，Δu_i(t)为母线电压补偿修正量；

即通过电压修正，在一个有限的时间T内，补偿输出电压的跌落，即

lim_t→∞||U^*-U_com(t)||＝0 (2)

电流修正量表示为：

式中ε为增益参数，

为通信权重，

表示该分布式电源能够接收到直流母线电压信息，σ(t)为狄拉克函数；

S3：电压外环和电流内环均采用自抗扰控制器，获取用于调整母线电压的补偿修正量和调节电流精度偏差的电流修正量；

S4：利用所述的母线电压补偿修正量和电流修正量设计分布式二次控制方法；

S5：根据输入电压参考值采用基于电压电流双环自抗扰的下垂控制，生成控制DC/DC变流器的PWM信号。

2.如权利要求1所述的一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述直流微电网包括以下部分：

S1-1.分布式电源：实现低碳发电，在孤岛模式下，通过变换器接入直流母线；

S1-2.直流负荷：多种类型的可控负荷以及与微网实现能量双向流动的电动汽车；

S1-3.电力电子接口装置：单向DC/DC变换器，将分布式电源发出的电能进行电能变换接入直流母线。

3.如权利要求1或2所述的一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，

S3-1.考虑到电流控制的微源能够被视为输入和总扰动的组合，由公式表示为：

其中y、u分别为输出和输入，ω为扰动，b为补偿增益系数，典型自抗扰控制器由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈控制律组成；

S3-2.跟踪微分器：根据参考输入V以及受控对象的特性确定过渡过程，得到理想的输入信号，TD表示为：

式中V表示输入信号；h表示积分步长；fhan(V₁，V₂，r，h)表示非线性函数；

S3-3.扩张状态观测器：将总扰动扩张成系统的一个新状态变量，然后利用系统的输入、输出，重构出包含系统原有状态变量与扰动的所有状态，它并不依赖生成扰动的模型，也不需要直接测量就能对扰动进行观测，得到估计值，并在反馈中对其进行补偿，ESO表示为：

式中fal(e，α，δ)表示非线性函数；u表示扰动补偿控制量；b为补偿增益系数；z₁、z₂表示信号y的状态估计量；z₃表示总干扰估计信号；

S3-4.非线性状态误差反馈控制律：NLSEF基于TD和安排过渡过程手段，可以跟踪产生过渡过程的误差信号，NLSEF为TD的输出和ESO产生的状态变量估计之间的误差的非线性组合，NLSEF表示为：

S3-5.控制量生成：由于通过ESO，原对象中扩张出的代表扰动状态变量x₃被状态变量ESO的z₃跟踪，通过削减x₃，即z₃，将原对象简化成一个双重积分器串联单位增益的控制问题，进而得出控制量表达式如下：

S3-6.线性化：针对被控对象式为

构造状态空间模型为：

其中：

C＝[1 0 0]；D＝[0]，

对应的连续线性扩张状态观测器LESO为：

其中z为观测器的状态向量，L为观测器误差反馈增益矩阵，经过参数化，L可设计为L＝[3ω₀ 3ω₀ ² ω₀ ³]，ω₀为观测器带宽，观测器增益矩阵与观测器的带宽唯一相关，使得连续LESO的设计变得简单；

S3-7.电压电流双环均采用线性自抗扰控制结构，取代传统的PI控制结构，电压外环以分布式电源输出电压与母线电压的参考值的差值(U^*-U_com)和逆变器输出电压U_dci作为两个输入信号，获取用于调整母线电压的补偿修正量，电流内环以电流外环输出信号和逆变器输出电流I_dci作为两个输入信号，根据电流精度偏差生成电流修正量进行调节。

4.如权利要求3所述的一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，设计一种新型分布式二次控制器如下：

电压控制模块的输出是一系列由电压偏差调节产生的控制信号Δu_i(t)；电流控制模块的输出是一系列在时刻t上的狄拉克脉冲函数信号ΔI_i(t)，两个输出信号经过积分器后产生最终的二次控制信号Δu(t)。

5.如权利要求4所述的一种基于自抗扰控制技术的直流微电网分布式下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据输入电压参考值采用基于自抗扰控制技术的下垂控制，生成控制DC/DC变流器的PWM信号，系统内母线电压将恢复到参考值，并且满足电流分配的高性能。

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