CN110336267B - 一种多直流电力弹簧分层控制方法 - Google Patents

一种多直流电力弹簧分层控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多直流电力弹簧分层控制方法，包括：S1、根据多直流电力弹簧主电路拓扑结构，构建上层控制器；S2、获取直流电力弹簧的离散预测模型，并建立目标函数，以构建下层控制器；S3、上层控制器输出电感电流参考值给下层控制器，得到多直流电力弹簧开关状态的最优解；S4、根据多直流电力弹簧开关状态的最优解，控制多直流电力弹簧中各单相DC/DC变换器的工作状态。与现有技术相比，本发明通过上层设计微分平滑控制，为下层控制提供电感电流参考轨迹；下层采用基于预测模型的控制方法，实现各段直流母线电压波动的快速平抑，本发明的分层控制方法避免了线性近似处理，具有算法简单、控制精度高的优点。

Description

一种多直流电力弹簧分层控制方法
技术领域
本发明涉及直流电力弹簧控制领域，尤其是涉及一种多直流电力弹簧分层控制方法。
背景技术
直流微电网中分布式电源的间歇性、波动性，会导致电源和负荷瞬时功率不平衡，进而影响直流母线电压电能质量。直流电力弹簧(Direct Current Electric String，DCES)作为一种新的智能电网技术，能够利用可控负荷来分担分布式电源的波动性功率，以平抑直流微电网的母线电压波动。单个直流电力弹簧因其储能容量有限难以实现对整个直流微电网母线电压的有效支撑，为满足未来电网中大范围、高比例的分布式发电并网的要求，布置多个直流电力弹簧是直流微电网实现母线电压平稳、提升电压质量的可行方案。
针对多直流电力弹簧的协调控制，中国专利CN201910094382.1公开了一种基于下垂特性的多个电力弹簧协调控制系统及控制方法，该专利采用下垂控制方法，利用系统连接点无功功率乘以下垂系数，以动态调节各个电力弹簧的电压给定值。下垂控制方法无需依靠通信网络，只需本地直流母线电压信号就能实现多直流电力弹簧的协调控制，能达到关键负载电压运行要求，但在实际的直流微电网中，线路阻抗的存在使得各段直流母线的电压参考值难以精确给定，控制精度受到影响，多直流电力弹簧之间的协调控制性能差，难以保证直流微电网的母线电压稳定。
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多直流电力弹簧分层控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多直流电力弹簧分层控制方法，包括以下步骤：
S1、根据多直流电力弹簧主电路拓扑结构，构建上层控制器，其中，多直流电力弹簧主电路由M段直流母线通过线路阻抗连接构成，所述直流母线由直流电力弹簧、非关键负载和关键负载构成，所述直流电力弹簧由储能电池、单相DC/DC变换器和LC滤波器构成；
S2、基于直流电力弹簧开关状态的简化模型，获取直流电力弹簧的离散预测模型，并建立以电感电流为控制变量的目标函数，以构建下层控制器；
S3、上层控制器输出电感电流参考值给下层控制器，对目标函数进行求解，得到多直流电力弹簧开关状态的最优解；
S4、根据多直流电力弹簧开关状态的最优解，控制多直流电力弹簧中各单相DC/DC变换器的工作状态。
优选的，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、由多直流电力弹簧主电路拓扑结构，得到各直流母线电流以及各直流电力弹簧的电感电流；
S12、定义直流母线电流为平滑输出量、直流母线电流参考值为平滑输出量参考值，设计反馈控制律，得到反馈量；
S13、分别定义状态变量为直流电力弹簧输出电压、定义控制变量为电感电流，得到多直流电力弹簧的系统可逆动态方程；
S14、反馈量输入可逆动态方程，获取控制变量参考值，即电感电流参考值，完成上层控制器的构建。
优选的，所述直流母线电流为：
Figure BDA0002110568760000021
其中，Vx和ix分别表示第x段直流母线的电压和电流，Vx+1和ix+1分别表示第(x+1)段直流母线的电压和电流，RCx和icx分别表示第x段直流母线关键负载的电阻和电流，VESx、RNx和iNx分别表示第x段直流母线的DCES输出电压、非关键负载的电阻和电流，Rx表示第x段直流母线的线路电阻，Rx+1表示第(x+1)段直流母线的线路电阻；
所述直流电力弹簧的电感电流为：
Figure BDA0002110568760000031
其中，iLx表示直流电力弹簧中LC滤波器的电感电流。
优选的，所述反馈控制律为：
Figure BDA0002110568760000032
其中，K1、K2和K3均表示控制参数，t表示时间，y表示平滑输出量，yref表示平滑输出量参考值，
Figure BDA0002110568760000033
和
Figure BDA0002110568760000034
分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数，
Figure BDA0002110568760000035
和
Figure BDA0002110568760000036
分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数，
Figure BDA0002110568760000037
和
Figure BDA0002110568760000038
即为反馈量。
优选的，所述系统可逆动态方程为：
Figure BDA0002110568760000039
Figure BDA00021105687600000310
其中，w表示可逆动态方程的状态变量，u表示可逆动态方程的控制变量，VG表示直流微电网电压，Rx和Lx分别表示第x段直流母线的线路电阻和线路电感，VNx和iNx分别表示第x段直流母线非关键负载的电压和电流，
Figure BDA00021105687600000311
表示微分算子。
优选的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、基于直流电力弹簧开关状态的简化模型，得到直流电力弹簧的离散预测模型，以求取实时电感电流；
S22、建立目标函数，所述目标函数的控制变量为直流电力弹簧的电感电流；
S23、实时电感电流输入目标函数，以跟踪上层控制器输出的电感电流参考值，完成下层控制器的构建。
优选的，所述直流电力弹簧开关状态具体为单相DC/DC变换器中开关管的工作状态，其中，单相DC/DC变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的输入端分别与第二开关管的输入端、储能电池的正极连接，所述第一开关管的输出端分别与LC滤波器电感的一端、第三开关管的输入端连接，所述第三开关管的输出端分别与第四开关管的输出端、储能电池的负极连接，所述第四开关管的输入端分别与第二开关管的输出端、LC滤波器电容的一端连接；
所述直流电力弹簧开关状态包括升压状态、第一续流状态、降压状态和第二续流状态，所述升压状态为第一开关管和第四开关管均导通，第二开关管和第三开关管均关断；
所述第一续流状态为第一开关管和第二开关管均导通，第三开关管和第四开关管均关断；
所述降压状态为第二开关管和第三开关管均导通，第一开关管和第四开关管均关断；
所述第二续流状态为第三开关管和第四开关管均导通，第一开关管和第二开关管均关断。
优选的，所述直流电力弹簧的离散预测模型具体为：
Figure BDA0002110568760000041
其中，iLx(k)和iLx(k+1)分别表示k和k+1时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的实时电感电流，Ts表示采样时间，LLx表示第x段直流母线中直流电力弹簧的滤波电感，VESx(k)和VDCx(k)分别表示k时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压。
优选的，所述目标函数为：
Jx＝|iLx(k+1)-iLxref|
其中，Jx为第x段直流母线中直流电力弹簧的目标函数，iLxref表示第x段直流母线中直流电力弹簧的电感电流参考值。
优选的，所述直流电力弹簧开关状态的最优解对应为目标函数的最小值。
与现有技术相比，本发明针对直流微电网中可再生能源出力的波动，考虑多直流电力弹簧系统多变量、强非线性的特性，提出一种多直流电力弹簧分层控制方法，该方法建立的系统可逆动态方程和离散预测模型，均由直流微电网系统模型直接得出，避免了线性近似处理，具有算法简单的优点；
本发明的上层设计微分平滑控制方法，提升系统稳定性，同时求取下层控制所需的电感电流参考值，通过精确给定给各段直流母线中直流电力弹簧的电感电流参考值，有效提高了控制精度；
本发明的下层设计基于预测模型的控制方法，动态调节直流电力弹簧，实现对可再生能源出力波动和负载波动的快速响应，通过建立以电感电流为控制变量的目标函数，使电感电流能快速跟踪上层控制输出的电感电流参考值，优化了多直流电力弹簧之间的协调控制性能。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为实施例的多直流电力弹簧主电路拓扑结构图；
图3a为本发明直流电力弹簧的升压状态示意图；
图3b为本发明直流电力弹簧的第一续流状态示意图；
图3c为本发明直流电力弹簧的降压状态示意图；
图3d为本发明直流电力弹簧的第二续流状态示意图；
图4为实施例的多直流电力弹簧分层控制原理框图；
图5a为实施例中未安装DCES的直流微电网母线电压波形图；
图5b为实施例中安装DCES并采用本发明方法控制后的直流微电网母线电压波形图；
图6为实施例中负载波动时本发明方法控制后的直流微电网母线电压波形图。
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。
如图1所示，一种多直流电力弹簧分层控制方法，包括以下步骤：
S1、根据多直流电力弹簧主电路拓扑结构，构建上层控制器，其中，多直流电力弹簧主电路由M段直流母线通过线路阻抗连接构成，所述直流母线由直流电力弹簧、非关键负载和关键负载构成，所述直流电力弹簧由储能电池、单相DC/DC变换器和LC滤波器构成；
S2、基于直流电力弹簧开关状态的简化模型，获取直流电力弹簧的离散预测模型，并建立以电感电流为控制变量的目标函数，以构建下层控制器；
S3、上层控制器输出电感电流参考值给下层控制器，对目标函数进行求解，得到多直流电力弹簧开关状态的最优解；
S4、根据多直流电力弹簧开关状态的最优解，控制多直流电力弹簧中各单相DC/DC变换器的工作状态。
本实施例的多直流电力弹簧主电路拓扑结构如图2所示，由3段直流母线通过线路阻抗连接构成，每段母线均由直流电力弹簧DCES、非关键负载和关键负载组成，在每段直流母线节点处，由KCL定律可得：
Figure BDA0002110568760000061
其中，
Figure BDA0002110568760000062
式中，Vx和ix分别表示第x段直流母线的电压和电流，Vx+1和ix+1分别表示第(x+1)段直流母线的电压和电流，RCx和icx分别表示第x段直流母线关键负载的电阻和电流，VESx、RNx和iNx分别表示第x段直流母线的DCES输出电压、非关键负载的电阻和电流，Rx表示第x段直流母线的线路电阻，Rx+1表示第(x+1)段直流母线的线路电阻；
对于每段直流母线的直流电力弹簧，由KCL定律可得：
iNx＝iLx+iESx   (3)
式中，iLx和iESx分别表示第x段直流母线中直流电力弹簧的电感电流和电容电流；
当系统进入稳态时，电容电流iESx＝0，联立式(1)、式(2)和式(3)，可得第x段直流母线中直流电力弹簧的电感电流为：
Figure BDA0002110568760000063
本实施例定义第1段直流母线电流为平滑输出量y＝i1，状态变量w＝VES1，控制变量u＝iL1，则得到用于平抑电网电压波动的系统可逆动态方程：
Figure BDA0002110568760000071
Figure BDA0002110568760000072
式中，VG表示直流微电网电压，R1、L1分别表示第1段直流母线的线路电阻和线路电感，VN1、iN1分别表示第1段直流母线非关键负载的电压和电流，
Figure BDA0002110568760000073
分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数，
Figure BDA0002110568760000074
表示微分算子，t表示时间；
由式(5)和式(6)可知：状态变量w和控制变量u都可以用平滑输出量y及其有限阶导数表示，依据微分平滑理论，可知直流电力弹簧系统为微分平滑系统；
当电源输出或者负载发生波动时，欲使直流电力弹簧输出能量跟踪参考轨迹，设计反馈控制律为：
Figure BDA0002110568760000075
式中，K1、K2和K3均表示控制参数，yref表示平滑输出量参考值，
Figure BDA0002110568760000076
和
Figure BDA0002110568760000077
分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数，
Figure BDA0002110568760000078
和
Figure BDA0002110568760000079
分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数，
Figure BDA00021105687600000710
和
Figure BDA00021105687600000711
即为反馈量；
将反馈量输入系统可逆动态方程的式(6)，至此，上层控制器实现跟踪直流母线电流参考轨迹，同时为下层控制提供电感电流参考值；
下层控制器采用基于预测模型的控制方法，直流电力弹簧开关状态的简化模型如图3a～3d所示，定义1代表开关管导通，定义0代表开关管关断，S1、S2、S3和S4分别为单相DC/DC变换器的四个开关管，S1的输入端分别与S2的输入端、储能电池的正极连接，S1的输出端分别与LC滤波器电感的一端、S3的输入端连接，S3的输出端分别与S4的输出端、储能电池的负极连接，S4的输入端分别与S2的输出端、LC滤波器电容的一端连接，图3a～3d分别对应直流电力弹簧的四种开关状态：升压状态、第一续流状态、降压状态和第二续流状态，根据KVL定律和欧拉前向法，可得直流电力弹簧的离散预测模型为：
Figure BDA0002110568760000081
式中，iLx(k)和iLx(k+1)分别表示k和k+1时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的实时电感电流，Ts表示采样时间，LLx表示第x段直流母线中直流电力弹簧的滤波电感，VESx(k)和VDCx(k)分别表示k时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压；
欲使电感电流快速跟踪参考轨迹，建立电感电流为控制变量的目标函数：
Jx＝|iLx(k+1)-iLxref|   (9)
式中，Jx为第x段直流母线中直流电力弹簧的目标函数，iLxref表示第x段直流母线中直流电力弹簧的电感电流参考值。
本实施例的多直流电力弹簧分层控制框图如图4所示，第1段、第2段和第3段直流母线电压参考值V1ref、V2ref和V3ref分别在直流微电网系统稳定运行基础上求取，将第1段直流母线电流i1与其参考值i1ref送入上层控制器的反馈控制律，经逆向动态方程得到第1段直流母线中直流电力弹簧的电感电流参考值iL1ref，将iL1ref输入下层控制器的第1段直流母线中直流电力弹簧的目标函数，同时将直流电力弹簧四种开关状态对应的状态变量代入目标函数中，经优化计算，取目标函数最小值对应的开关状态为系统最优开关状态SO1，将最优开关状态SO1送入第1段直流母线中直流电力弹簧的单相DC/DC变换器；
同理，得到最优开关状态SO2和SO3，并将其分别送入第2段和第3段直流母线中直流电力弹簧的单相DC/DC变换器，最终实现包含多直流电力弹簧的直流微电网的电压平稳及供电可靠。
为了验证本发明方法的有效性，本实施例设置在可再生能源出力波动时，使系统直流母线电压不稳定，利用Matlab/Simulink进行仿真验证，具体的仿真系统电路参数如表1所示：
表1
参数 数值
<![CDATA[母线1线路电阻R<sub>1</sub>/Ω]]> 0.5
<![CDATA[母线1线路电感L<sub>1</sub>/mH]]> 1.07
<![CDATA[母线2线路电阻R<sub>2</sub>/Ω]]> 0.05
<![CDATA[母线3线路电阻R<sub>3</sub>/Ω]]> 0.1
<![CDATA[母线1关键负载R<sub>C1</sub>/Ω]]> 55
<![CDATA[母线1非关键负载R<sub>N1</sub>/Ω]]> 50
<![CDATA[母线2关键负载R<sub>C2</sub>/Ω]]> 55
<![CDATA[母线2非关键负载R<sub>N2</sub>/Ω]]> 45
<![CDATA[母线3关键负载R<sub>C3</sub>/Ω]]> 65
<![CDATA[母线3非关键负载R<sub>N3</sub>/Ω]]> 50
<![CDATA[LC滤波器电感值L<sub>L</sub>/mH]]> 6.6
<![CDATA[LC滤波器电容值C<sub>L</sub>/uF]]> 21
直流电力弹簧蓄电池电压/V 49.2
各段直流母线电压波形图如图5a和图5b所示，图5a为未安装直流电力弹簧时的直流母线电压波形图，图5b为安装直流电力弹簧并采用本发明控制方法后的直流母线电压波形图，由图5a可以看出，未使用直流电力弹簧时，直流母线电压偏离48V，且存在波动；由图5b可以看出，使用直流电力弹簧并采用本发明控制方法后，各段直流母线电压在t＝1ms快速稳定在48V附近，最大直流母线电压最大偏差为0.08V，控制精度较高。
为证明本发明方法在负载波动情形下的稳定性，设置在t＝0.05s，位于母线3的关键负载从65Ω突降至40Ω，由图6可以看出，各段直流母线电压在经历一个幅值4V、时长1ms的抖动后，快速稳定在48V附近，稳态性能良好。

Claims (9)

1.一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据多直流电力弹簧主电路拓扑结构，构建上层控制器，其中，多直流电力弹簧主电路由M段直流母线通过线路阻抗连接构成，所述直流母线由直流电力弹簧、非关键负载和关键负载构成，所述直流电力弹簧由储能电池、单相DC/DC变换器和LC滤波器构成；
S2、基于直流电力弹簧开关状态的简化模型，获取直流电力弹簧的离散预测模型，并建立以电感电流为控制变量的目标函数，以构建下层控制器；
S3、上层控制器输出电感电流参考值给下层控制器，对目标函数进行求解，得到多直流电力弹簧开关状态的最优解；
S4、根据多直流电力弹簧开关状态的最优解，控制多直流电力弹簧中各单相DC/DC变换器的工作状态；
所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、由多直流电力弹簧主电路拓扑结构，得到各直流母线电流以及各直流电力弹簧的电感电流；
S12、定义直流母线电流为平滑输出量、直流母线电流参考值为平滑输出量参考值，设计反馈控制律，得到反馈量；
S13、分别定义状态变量为直流电力弹簧输出电压、定义控制变量为电感电流，得到多直流电力弹簧的系统可逆动态方程；
S14、反馈量输入可逆动态方程，获取控制变量参考值，即电感电流参考值，完成上层控制器的构建。
2.根据权利要求1所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述直流母线电流为：
Figure FDA0004068185230000021
其中，Vx和ix分别表示第x段直流母线的电压和电流，Vx+1和ix+1分别表示第(x+1)段直流母线的电压和电流，RCx和icx分别表示第x段直流母线关键负载的电阻和电流，VESx、RNx和iNx分别表示第x段直流母线的DCES输出电压、非关键负载的电阻和电流，Rx表示第x段直流母线的线路电阻，Rx+1表示第(x+1)段直流母线的线路电阻；
所述直流电力弹簧的电感电流为：
Figure FDA0004068185230000022
其中，iLx表示直流电力弹簧中LC滤波器的电感电流。
3.根据权利要求2所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述反馈控制律为：
Figure FDA0004068185230000023
其中，K1、K2和K3均表示控制参数，t表示时间，y表示平滑输出量，yref表示平滑输出量参考值，
Figure FDA0004068185230000024
和
Figure FDA0004068185230000025
分别表示平滑输出量参考值的一阶导数和二阶导数，
Figure FDA0004068185230000026
和
Figure FDA0004068185230000027
分别表示平滑输出量的一阶导数和二阶导数，
Figure FDA0004068185230000028
和
Figure FDA0004068185230000029
即为反馈量。
4.根据权利要求3所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述系统可逆动态方程为：
Figure FDA00040681852300000210
Figure FDA00040681852300000211
其中，w表示可逆动态方程的状态变量，u表示可逆动态方程的控制变量，VG表示直流微电网电压，Rx和Lx分别表示第x段直流母线的线路电阻和线路电感，VNx和iNx分别表示第x段直流母线非关键负载的电压和电流，
Figure FDA0004068185230000031
表示微分算子。
5.根据权利要求4所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、基于直流电力弹簧开关状态的简化模型，得到直流电力弹簧的离散预测模型，以求取实时电感电流；
S22、建立目标函数，所述目标函数的控制变量为直流电力弹簧的电感电流；
S23、实时电感电流输入目标函数，以跟踪上层控制器输出的电感电流参考值，完成下层控制器的构建。
6.根据权利要求5所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述直流电力弹簧开关状态具体为单相DC/DC变换器中开关管的工作状态，其中，单相DC/DC变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的输入端分别与第二开关管的输入端、储能电池的正极连接，所述第一开关管的输出端分别与LC滤波器电感的一端、第三开关管的输入端连接，所述第三开关管的输出端分别与第四开关管的输出端、储能电池的负极连接，所述第四开关管的输入端分别与第二开关管的输出端、LC滤波器电容的一端连接；
所述直流电力弹簧开关状态包括升压状态、第一续流状态、降压状态和第二续流状态，所述升压状态为第一开关管和第四开关管均导通，第二开关管和第三开关管均关断；
所述第一续流状态为第一开关管和第二开关管均导通，第三开关管和第四开关管均关断；
所述降压状态为第二开关管和第三开关管均导通，第一开关管和第四开关管均关断；
所述第二续流状态为第三开关管和第四开关管均导通，第一开关管和第二开关管均关断。
7.根据权利要求6所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述直流电力弹簧的离散预测模型具体为：
Figure FDA0004068185230000041
其中，iLx(k)和iLx(k+1)分别表示k和k+1时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的实时电感电流，Ts表示采样时间，LLx表示第x段直流母线中直流电力弹簧的滤波电感，VESx(k)和VDCx(k)分别表示k时刻第x段直流母线中直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压。
8.根据权利要求7所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述目标函数为：
Jx＝iLx(k+1)-iLxref
其中，Jx为第x段直流母线中直流电力弹簧的目标函数，iLxref表示第x段直流母线中直流电力弹簧的电感电流参考值。
9.根据权利要求8所述的一种多直流电力弹簧分层控制方法，其特征在于，所述直流电力弹簧开关状态的最优解对应为目标函数的最小值。
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