CN110224388B - 高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法及装置，其中方法包括：步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各为电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率；步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率；步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正；步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出。与现有技术相比，本发明具有有效避免了传统下垂控制导致的直流母线电压严重偏离额定值的情况等优点。

Description

高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法及装置

技术领域

本发明涉及一种孤岛直流微电网功率分配技术，尤其是涉及一种高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法及装置。

背景技术

相比于传统交流微电网，直流微电网由于能量变换过程少、效率高、损耗低，无需考虑电压相位及频率问题，因此系统运行的可控性及可靠性大大提高[1-3]；孤岛运行时，微电网需要依靠自身网内并联多分布式电源间的协调控制维持微电网的稳定运行，较之并网运行模式，控制更加复杂。现今，随着直流负荷需求的不断增加，直流微电网的容量需要进一步扩大，如何协调微电网内部多分布式电源间的控制逐渐成为当前研究的热点[4-5]。

通常情况下，假设系统尺度较小，近似忽略线路阻抗，利用传统下垂控制可以实现负荷功率按各自容量合理分配[6]。然而，随着微电网技术地不断深入发展，其网络结构日益趋于复杂化，考虑到不匹配线路阻抗、本地负荷差异等因素的影响，传统下垂控制难以实现良好的功率分配效果，保证分布式电源按照其容量精确分配负荷功率，降低了分布式电源的效率，同时下垂控制及线路阻抗带来的电压损耗会进一步降低直流母线电压的质量，严重情况下还会对系统电能质量和稳定性造成影响[10-13]。

近年来，国内外很多学者就以上问题展开了相关研究：文献[14-16]通过自适应改变下垂系数消除不匹配线路阻抗的影响，但是较大的下垂系数会降低电压调节性能，需要加入额外的电压二次补偿控制来恢复电压，否则微电网无法稳定运行；文献[17]提出新型的电压导数下垂控制，改善电流负荷分配精度的同时提高输出电压质量，但该方法并没有完全消除不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响。文献[18]提出了一种根据负载情况改变下垂系数的柔性控制策略，轻载情况下负荷分配精度仍有较大误差，同时工程上难以获取高次电流电气量。文献[19]通过向微电网主动注入单脉冲扰动计算出线路阻抗信息，以此改变下垂系数，消除了不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响，但在线路阻抗和等效电容较小的情况下，该控制方法的误差较大；文献[20]通过加入线路阻抗测量装置，便于对DG单元下垂系数进行修正，但该控制策略需要额外的硬件装置，增加了系统的成本且控制较复杂。

参考文献如下

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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高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法，包括：

步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各为电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率；

步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率；

步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正；

步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出。

所述步骤S2中各分布式电源的期望输出功率具体为：

其中：

为第i个分布式电源在第n次采样周期的期望输出功率，P_ratedi为第i个分布式电源的额定最大输出功率，P_{dci_k}为第i个分布式电源在第n次采样周期的输出功率，N为微电网的数目。

所述下垂系数修正结果为：

其中：M_{i_n}为修正后的第i个分布式电源在第n次采样周期的下垂系数，m₀为初始下垂系数，k_p为功率系数。

所述步骤S4中的控制结果的数学表达式为：

其中：u_{dci_(n+1)}为第i个分布式电源在第n+1次采样周期的输出电压，u_ref为直流输出电压参考值，k_v为输出电压补偿系数，s为拉普拉斯算子。

一种基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配装置，包括存储器、处理器及存储于存储器并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各为电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率；

步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率；

步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正；

步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)通过在传统下垂控制中引入功率信息，利用中央控制器发出的同步信号触发采样保持器，在每个采样周期自适应修改下垂系数，消除了不匹配线路阻抗及本地负荷对分布式电源负荷功率分配精度的影响，使分布式电源工作于均分负荷功率或按容量比例分配负荷功率的情况下，并且高通滤波下垂控制的引入使系统在不需要依靠电压二次恢复控制的情况下有效避免了传统下垂控制导致的直流母线电压严重偏离额定值的情况。

2)能够有效的提高孤岛直流微电网内并联多分布式电源间的负荷功率分配精度，并且维持直流母线电压的稳定运行，通过RTDS平台设计不同的算例，验证了本发明方法的有效性。

附图说明

图1为微电网结构图；

图2为2组DG单元并联运行等效电路图

图3为含本地负荷的DG单元下垂特性；

图4为含本地负荷的DG原始电路模型和等效电路模型；

图5为基于自适应高通滤波下垂总体控制框图；

图6为第一次采样周期后DG负荷功率分配；

图7为用于分析系统稳定性的控制结构图；

图8(a)～图8(c)为系统控制参数变化时的根轨迹图；

图9为基于RTDS的实验图；

图10(a)～图10(c)为不考虑本地负荷时传统下垂控制下实验结果；

图11(a)～图11(c)为不考虑本地负荷时本文所提控制下实验结果；

图12(a)～图12(c)为考虑本地负荷时传统下垂控制下实验结果；

图13(a)～图13(c)为考虑本地负荷时本文所提控制下实验结果；

图14(a)～图14(c)为传统下垂控制下DG负荷功率1：2：3分配实验结果；

图15(a)～图15(c)为本文所提控制下DG负荷功率1：2：3分配实验结果。

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。

本申请主要研究当并网逆变器断开，微电网处于孤岛运行模式时，微电网内并联多分布式电源间的功率分配控制策略。微电网整体结构如图1所示，图2为储能单元等效电路图。传统“电压-功率”下垂控制表达式为：

u_dci＝u_ref-m_iP_dci

当微电网系统稳定工作时时，若不考虑本地负荷及不匹配线路阻抗的影响，各DG单元实际直流输出电压满足：

u_dc1＝···＝u_dci＝···u_dcN＝u_pcc

其中，u_dci为第i个(i＝1,2,…,N)DG单元实际直流输出电压，u_ref为直流输出电压参考值，m_i为第i个DG单元的下垂系数，P_dci为第i个DG单元的输出功率。

根据上式，各DG可以根据其额定容量设置相应的下垂系数，使其按各自容量成比例精确地分配负荷功率，即：

其中，P_ratedi为第i个DG单元的额定最大输出功率。

但在实际微电网中，线路阻抗无法忽略时，输电线路往往无法保证各DG单元线路阻抗参数完全相同，导致各DG单元实际输出电压不一致；同时，随着直流用电负荷的日益增加，微电网网络结构日益趋于复杂化，不匹配线路阻抗不再是影响DG负荷功率分配的唯一因素，本地负荷的存在及波动，将进一步加深负荷功率分配误差。以两个具有相同额定容量DG单元的孤立直流微电网为例进行分析，两个DG单元采用相同的下垂特性曲线，当线路阻抗不一致且本地负荷存在差异时，传统下垂控制下其负荷功率分配特性如图3所示。

DG单元的下垂特性曲线为L₁、L₂，不考虑各DG出口存在本地负荷时，负荷特性曲线为d₁、d₂，由于线路阻抗不匹配，导致DG单元实际输出电压u_dc1≠u_dc2，此时系统存在负荷功率分配偏差为ΔP；考虑含本地负荷时，当DG₁出口处的本地负荷增加P_L1，DG₂出口处的本地负荷增加P_L2，且P_L1≠P_L2时，负荷特性曲线分别向右平移为d₁ ^*、d₂ ^*，达到新的稳定状态时，此时负荷功率分配偏差为ΔP^*，根据图3得：

根据上式可以看出，各DG单元的负荷功率分配不仅与其不匹配线路阻抗有关，还与其出口处的本地负荷有关，本地负荷的波动将进一步影响各DG单元间的负荷功率分配精度。而传统下垂控制并不能克服不匹配线路阻抗及本地负荷对负荷功率分配的影响，降低了分布式电源的效率。

对于含本地负荷的等效电路模型

为简化分析不匹配线路阻抗及本地负荷对DG单元负荷功率分配精度的影响，根据图4所示含本地负荷的等效电路模型，将DG出口处的本地负荷转移至直流母线处，等效后的本地负荷即可同公共负荷一样参与全网的负荷功率分配，此时，有

根据上式推导出等效不匹配线路阻抗满足

基于图4含本地负荷的等效电路模型，不匹配线路阻抗及本地负荷对DG负荷功率分配的影响可以简化成等效不匹配线路阻抗对DG负荷功率分配的影响，为下文设计改进功率分配控制策略奠定基础。

输出电压无偏差下垂控制设计如下：

传统下垂控制通过改变下垂系数可以改变负荷功率在并联多DG单元间的分配，采用较大的下垂系数可以提高负荷功率分配的精度，但同时会导致母线电压大幅度偏离额定值，降低母线电压质量，严重时甚至会导致微电网系统崩溃。为消除传统有差下垂控制控制导致的直流母线电压跌落。本文提出一种高通滤波下垂控制，使得DG输出电压稳定在额定值附近，具体分析如下。

通过对上文传统下垂控制公式两边进行求导得

Δu_dci＝u_dci-u_ref

上式可以说明，当微电网处于稳定运行状态时，DG单元可以自主稳定分配负荷功率，但是无法保证此时的DG单元输出电压仍维持在额定参考值；为此，在上式中增加一个电压补偿项，有

式中，Δu_dci为第i个DG单元的输出电压补偿项，k_v为输出电压补偿系数。

应用拉普拉斯变换得

sΔu_dci(s)+m_isΔP_dci(s)+k_vΔu_dci(s)＝0

进一步推导得出改进的下垂控制表达式为

上式相当于将DG实际输出功率进行高通滤波后作为下垂控制的输入功率，该控制可使得微电网系统在参数不确定的情况下电压始终运行于额定工作点，保证了微电网较高的电压质量；

基于上述等效线路阻抗分析，本文提出一种基于自适应高通滤波下垂控制的改进负荷功率分配控制策略，通过不断自适应地修正下垂系数，同时消除不匹配线路阻抗及本地负荷对负荷功率分配精度的影响；具体工作过程为：在上述下垂控制中引入DG输出功率信息，利用采样保持器，当检测到系统存在负荷功率偏差时，中央控制器发出同步信号触发DG单元的采样保持器工作，使其在每个采样周期自适应地修改下垂系数，最终消除等效不匹配线路阻抗对负荷功率分配的影响。

具体的，一种基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法，该方法以计算机程序的形式由计算机系统实现，对应的装置包括存储器、处理器及存储于存储器并由处理器执行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：

步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各为电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率；

步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率，各分布式电源的期望输出功率具体为：

其中：

为第i个分布式电源在第n次采样周期的期望输出功率，P_ratedi为第i个分布式电源的额定最大输出功率，P_{dci_k}为第i个分布式电源在第n次采样周期的输出功率，N为微电网的数目。

步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正，下垂系数修正结果为：

其中：M_{i_n}为修正后的第i个分布式电源在第n次采样周期的下垂系数，m₀为初始下垂系数，k_p为功率系数。

步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出，的控制结果的数学表达式为：

其中：u_{dci_(n+1)}为第i个分布式电源在第n+1次采样周期的输出电压，u_ref为直流输出电压参考值，k_v为输出电压补偿系数，s为拉普拉斯算子。

综上所述，本文提出的基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配控制策略整体控制框图如图5所示，其中S/H为采样保持器，同步信号S为开关函数，S＝0表示采样保持器不工作，系统工作在传统下垂控制模式；S＝1表示采样保持器工作，系统工作在改进下垂控制模式。具体调节过程为，本地控制器采样本地DG单元的输出功率输送至中央控制器，计算各DG单元在当前采样周期的期望输出功率，计算结果输送回各本地控制器与本地采样结果做差后经过采样保持器，采样保持器输出结果实时调节下垂系数。

自适应高通滤波下垂控制时序分析如下：

为详细阐述本文所提控制策略下直流微电网DG单元负荷功率分配调节过程，以并联运行的N台具有额定容量相同的DG单元为例进行自适应高通滤波下垂控制时序分析，此时，各DG单元应该均分负荷功率。首先，各DG单元运行在传统下垂控制模式，T秒时，中央控制器发出同步触发信号，S＝0切换为S＝1,触发各DG单元采样保持器工作，在第一个采样周期，有：

若R_linei>R_linej，则P_{dci_0}<P_{dcj_0}；采样保持器进行第一个采样周期后，有

根据上式，有

故M_{i_0}<M_{j_0},由此分析出第一次采样周期后，DG_i单元减小下垂系数为M_{i_0}以相应增大其输出负荷功率，故P_{dci_0}<P_{dci_1}，而DG_j单元则增大下垂系数为M_{j_0}以相应减小其输出负荷功率，故P_{dcj_1}<P_{dcj_0}。

随着采样周期不断进行，采样保持器不断进行工作自适应地修改DG单元相应下垂系数，如图6所示，P_{dci_n}不断增大，P_{dcj_n}不断减小，DG单元间负荷功率分配误差不断减小，直至系统负荷功率分配误差完全消除，采样保持器停止工作。

系统稳定性分析

为进一步验证本文所涉及控制策略的有效性，以2台并联运行具有相同额定容量的分布式电源(DG₁、DG₂)为例分析系统的稳定性。系统稳定性参数如表1所示，表1

参数	取值	参数	取值
				u<sub>ref</sub>	400V	R<sub>line1</sub>	0.1Ω
R<sub>line2</sub>	0.2Ω	R<sub>load</sub>	100Ω
				R<sub>local1</sub>	100Ω	R<sub>local2</sub>	50Ω
w<sub>c</sub>	(20～100)rad/s	k<sub>v</sub>	0.01～5
				M	0.001～0.05	--	--

DG单元用于稳定性分析的控制结构框图如图7所示，w_c为电流低通滤波环节的截止频率，直流电压闭环传递函数G_conv(s)≈1。

根据图7可以得出输出电压表达式为

其中，i_p1、i_p2为相应DG单元到公共直流母线的输出电流，其表达式为

其中系统结构参数α₁、α₂、λ如下所示。

式中,R'_line1、R'_line2、R'_pub为图2所示各电阻进行星三角变换后的等效电阻。

联立上式可得系统的特征方程为

As⁴+Bs³+Cs²+Ds+E＝0

式中：

A＝[u_ref(α₂-λ)-1]

B＝[u_ref(α₂-λ)-1][2(k_v+w_c)+w_cM]-w_cMu_ref(α₁-λ)

C＝[u_ref(α₂-λ)-1](k_v+w_c)[(k_v+w_c)+w_cM+2k_vw_c]-(k_v+w_c)w_cMu_ref(α₁-λ)

根据上述系统特征方程，可以得出在本文所提控制策略下系统关键参数包括截止频率w_c，输出电压补偿系数k_v及下垂系数M变化时的系统根轨迹图，如图8所示，用于分析稳定性的系数参数如表1所示。

图8(a)表示下垂系数M变化时对应的根轨迹分布情况，图8(b)表示截止频率w_c变化时对应的根轨迹分布情况，可以看出，主导极点λ₃、λ₄几乎不受下垂系数M及截止频率w_c变化的影响，共轭极点λ₁、λ₂随参数变化逐渐远离虚轴，保证了系统的稳定性；图8(c)表示输出电压补偿系数kv变化时对应的系统根轨迹分布情况，随着k_v变化，主导极点λ₄几乎不受影响，极点λ₁、λ₃随着k_v变化逐渐远离虚轴，极点λ₂先靠近虚轴后不断远离，系统的稳定性得以保障。

基于RTDS的实验算例验证：

为了验证本文所设计控制策略在各个不同工况下的有效性，本文基于RTDS搭建了含三组并联分布式电源(DG1、DG2、DG3)的实验平台，对孤岛直流微电网进行实验分析，如图9所示，系统控制参数如表2所示。

表2

参数	取值	参数	取值
				u<sub>ref</sub>	400V	R<sub>line1</sub>	0.1Ω
R<sub>line2</sub>	0.2Ω	R<sub>line3</sub>	0.3Ω
				m<sub>0</sub>	0.008	k<sub>p</sub>	5e-8
w<sub>c</sub>	50rad/s	k<sub>v</sub>	0.05

算例1：不含本地负荷时DG负荷功率分配

本算例主要是在不考虑DG单元本地负荷的情况下，针对孤岛直流微电网并联分布式电源间功率分配进行了实验验证，实验结果如图10、11所示。直流母线处公共负荷初始为8kW，4s后增加3kW，由于各DG单元具有相同的额定容量，故各DG单元输出功率应该相同；根据图10知，传统下垂控制由于不匹配线路阻抗的存在并不能达到理想的负荷功率分配比例，DG单元间始终存在功率分配偏差，同时，下垂系数的引入导致DG输出电压跌落，进一步造成直流母线电压大幅度偏离额定值，严重时甚至超出安全运行范围(±5％u_ref)，影响微电网正常工作。

图11为本文所提基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配控制实验波形图，由图11(a)输出功率波形图知,在本文所提控制策略下，并联DG单元输出功率逐渐收敛，最终实现了负荷功率的平均分配；同时，高通滤波下垂控制的引入使得传统下垂控制导致的输出电压跌落消除，DG输出电压恢复到额定工作值，且由于线路阻抗上的电压损耗一般很小，故直流母线电压在额定值极小范围内波动，保证了微电网良好的电压质量。

算例2：含本地负荷时DG负荷功率分配

算例1已经验证了不匹配线阻对DG单元负荷功率分配的影响，而根据上文2.1节分析知，不匹配线阻不是影响DG间负荷功率分配的唯一因素，本地负荷的存在及波动会进一步加深DG间负荷功率分配偏差；因此，本算例主要研究同时考虑不匹配线阻及本地负荷时，本文所提控制策略的有效性，并与传统下垂控制进行了对比验证。负荷功率分布情况如表3所示，

表3

实验结果如图12、13所示。

对比图10(a)、12(a)DG输出功率波形图可知，由于考虑了本地负荷的影响，DG间输出功率分配误差较图10(a)只考虑不匹配线阻的情况有所不同，验证了本地负荷对负荷功率分配精度的影响，同时，DG输出功率的增加导致输出电压大幅度跌落，直流母线电压严重偏离额定值，破坏微电网的安全稳定运行。

由图13知，在本文所提控制策略下，本地负荷和公共负荷共同参与DG间负荷功率分配，实现了负荷功率均分，同时由图13(b)、(c)知，DG输出电压实现无差控制恢复到额定值400V，从而直流母线电压偏差很小，提高了微电网的整体运行效率。

算例3：DG负荷功率1:2:3分配

为不失一般性，本算例以三组分布式电源具有不同容量(DG₁＝10kW,DG₂＝20kW,DG₃＝30kW)为例,研究考虑本文所提控制策略下负荷功率分配的有效性，此时DG间输出功率应满足1:2:3，负荷分布情况同算例2表3所示，实验结果如图14、15所示。

对比图14、15可以看出，本文所提控制策略对孤岛微电网DG单元负荷功率分配具有良好的实用性，在消除不匹配线阻及本地负荷对负荷功率分配精度影响的同时，保证了良好的母线电压质量，成分发挥了分布式电源的效率，进而提升了微电网运行的可靠性。

Claims (2)

1.一种基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配方法，其特征在于，包括：

步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各微电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率，

步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率，

步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正，

步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出；

所述步骤S2中各分布式电源的期望输出功率具体为：

其中：

为第i个分布式电源在第n次采样周期的期望输出功率，P_ratedi为第i个分布式电源的额定最大输出功率，P_{dci_k}为第i个分布式电源在第k次采样周期的输出功率，N为微电网的数目；

所述下垂系数修正结果为：

其中：M_{i_n}为修正后的第i个分布式电源在第n次采样周期的下垂系数，m₀为初始下垂系数，k_p为功率系数；

所述步骤S4中的控制结果的数学表达式为：

其中：u_{dci_(n+1)}为第i个分布式电源在第n+1次采样周期的输出电压，u_ref为直流输出电压参考值，k_v为输出电压补偿系数，s为拉普拉斯算子。

2.一种基于自适应高通滤波下垂控制的孤岛直流微电网功率分配装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储于存储器并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：当检测到系统存在负荷功率偏差时，采集各微电网中分布式电源的输出功率和额定最大输出功率，

步骤S2：基于采集的各分布式电源的输出功率和各分布式电源的额定最大输出功率，确定各分布式电源的期望输出功率，

步骤S3：基于采集的各分布式电源的输出功率，结合各分布式电源的期望输出功率、初始下垂系数进行下垂系数修正，

步骤S4：基于得到的修正后的下垂系数控制各分布式电源输出；

所述步骤S2中各分布式电源的期望输出功率具体为：

其中：

为第i个分布式电源在第n次采样周期的期望输出功率，P_ratedi为第i个分布式电源的额定最大输出功率，P_{dci_k}为第i个分布式电源在第k次采样周期的输出功率，N为微电网的数目；

所述下垂系数修正结果为：

其中：M_{i_n}为修正后的第i个分布式电源在第n次采样周期的下垂系数，m₀为初始下垂系数；

所述步骤S4中的控制结果的数学表达式为：

其中：u_{dci_(n+1)}为第i个分布式电源在第n+1次采样周期的输出电压，u_ref为直流输出电压参考值，k_v为输出电压补偿系数，s为拉普拉斯算子。

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