CN110365004A - 一种直流微电网功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流微电网技术，具体涉及直流微电网功率分配控制方法，直流微电网包括n个直流电源，每个直流电源均通过DC‑DC变换器经连接线与直流母线相连，负荷接至直流母线；功率分配控制方法设置直流母线电压控制器和DC‑DC变换器控制器，将直流母线电压参考值和测量值的误差作为直流母线电压控制器的输入，将直流母线电压控制器的输出作为补偿电压，并通过通信信道传送至每个DC‑DC变换器，加至DC‑DC变换器控制器的下垂控制方程，补偿功率分配逐周期偏差以消除下垂控制造成的输出电压降落。该方法同时实现了功率分配和直流母线电压调节，具有实现简单、保留微电网即插即用特性等优点。

Description

一种直流微电网功率分配控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网技术，具体涉及一种直流微电网功率分配控制方法。

背景技术

直流微电网包含光伏阵列、燃料电池、储能单元等直流电源和各类直流负载，具有可省略部分交直流变换装置、不存在频率稳定问题、无需调节无功功率、可靠性高等优点，因而得到广泛的研究和应用。

直流微电网中，直流电源通常经DC-DC变换器与直流母线连接，DC-DC变换器的作用是为直流母线提供电压支撑，并调节直流电源与直流微电网间交换的功率。由于直流电源的额定功率不同，因此需要根据直流电源的额定功率，在各直流电源间按比例地分配直流微电网的功率需求。

常规的功率管理方法是分布式的电压下垂控制，随着输出功率的增加，线性地降低输出电压以实现功率分配。该方法的优点是控制在本地完成，不依赖于其他变换器，能实现即插即用；然而由于DC-DC变换器和直流母线的连接线存在电阻，分配的精度受到影响。增加下垂系数能够改善功率分配精度，但是会造成DC-DC变换器输出电压显著降低。为了解决常规下垂控制的缺点，研究人员提出了许多改进型分布式下垂控制方法。频率下垂控制将交流微电网的有功-频率(P-f)下垂控制延伸至直流微电网，在变换器直流输出电压中叠加幅值很小的交流信号，利用频率为全局变量的特征实现功率分配，提高分配精度的同时也避免了变换器输出电压的降低。但是，这种方法会使直流母线电压出现纹波。基于通信的二级或自适应控制可改善功率分配精度，同时实现电压的调节。这些方法中也存在各种问题，如每个DC-DC变换器需要其余变换器的电压电流信息，牺牲了即插即用的优点。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种直流微电网功率分配控制方法，用直流母线电压PI调节器的输出作为补偿电压，通过通信信道传送至每个DC-DC变换器控制器，补偿因逐周期偏差消除下垂控制造成的变换器输出电压降低。

根据本发明的直流微电网功率分配控制方法，所述直流微电网包括n个直流电源，每个直流电源均通过DC-DC变换器经连接线与直流母线相连，负荷接至直流母线；所述功率分配控制方法中，设置直流母线电压控制器和DC-DC变换器控制器，将直流母线电压参考值和测量值的误差作为直流母线电压控制器的输入，将直流母线电压控制器的输出作为补偿电压，并通过通信信道传送至每个DC-DC变换器，加至DC-DC变换器控制器的下垂控制方程，补偿功率分配逐周期偏差以消除下垂控制造成的输出电压降落。

在优选的实施例中，将DC-DC变换器的输出电压v_dci和输出电流i_dci相乘，经低通滤波器LPF得到平均值输出电压v_dci经低通滤波器LPF得到平均值直流母线电压V_dcbus由直流母线电压控制器调节，直流母线电压控制器的输出ΔE_dc经通信信道传送至DC-DC变换器控制器，与和相加后送至电压/电流环控制器，最后经PWM发生器产生PWM波，控制DC-DC变换器开关管的通断。

在优选的实施例中，所述DC-DC变换器控制器采用逐周期功率分配偏差消除下垂控制器。

所述DC-DC变换器控制器中，下垂控制方程的电压参考值为当前采样周期的DC-DC变换器的输出电压测量值，定义等效直流功率为下垂系数与变换器当前采样周期输出功率的乘积；若干个采样周期后，各DC-DC变换器的输出等效直流功率趋于相等，即实现了根据电源容量在各电源间按比例精确分配功率。

与现有技术相比，本发明基于逐周期偏差消除下垂控制造成的输出电压降落，可对直流微电网进行精确的功率分配，同时调节直流母线电压；直流微电网负荷所需的功率由所有电源共同提供，功率能够根据电源的容量在各电源间按比例精确分配。本发明方法同时实现了功率分配和直流母线电压调节，具有实现简单、保留微电网即插即用特性等优点。

附图说明

图1是直流微电网结构示意图；

图2是逐周期功率分配偏差消除下垂控制结构图；

图3是两台电源额定功率比为1:1时的仿真结果图；

图4是两台电源额定功率比为1:2时的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

图1所示为直流微电网的示意图。n个DC-DC变换器并联接至直流母线，共同为负荷供电，变换器输出电压平均值为V_dci，输出功率平均值为P_dci，线路电阻为R_dclinei，i＝1,2,…,n，直流母线电压平均值为V_dcbus。

DC-DC变换器输出功率为：

常规直流下垂控制方程为：

式中k_dci为第i个DC-DC变换器的下垂系数。

基于逐周期功率分配偏差消除的下垂方程为：

式中和分别为第i个DC-DC变换器在第n个周期的输出电压和功率。与常规直流下垂控制方程相比，式(3)中等号右侧第1项用第n个周期的输出电压采样值代替了式(2)的参考电压下一个采样周期，又成为新的参考电压。即基于逐周期功率分配偏差消除的下垂控制方程是每周期更新的。第n+1个周期的输出电压降为：

为了便于分析功率分配偏差消除原理，考虑直流微电网中仅有2个DC-DC变换器与直流母线连接的简单情况。当逐周期偏差消除下垂控制开始运行时，假设即在第1个采样周期中第1个变换器的输出电压小于第2个变换器。当逐周期偏差消除下垂控制运行至第n个周期时，设即在第1个采样周期中第1个变换器的输出电压仍小于第2个变换器。同时，大于于是根据式(4)有也就是说，2个DC-DC变换器的输出电压均下降，且初始电压低的变换器输出电压下降得更快。

每个DC-DC变换器输出功率的降落为：

如果最终能实现根据变换器的容量按比例分配功率，则关系式k_dc1P_dc1＝k_dc2P_dc2得到满足。因此，为了简化分析，定义等效直流功率P_dcei为：

P_dcei＝k_dciP_dci i＝1,2 (6)

根据前面的假设，有P_dce1>P_dce2。

由式(5)和式(6)得到2个DC-DC变换器的等效直流功率降落之比为：

由式(1)得到：

式(8)两端同时乘以k_dc1/k_dc2得到：

由式(9)容易得k_dc1R_dcline2>k_dc2R_dcline1，因此式(7)的比值大于1，即 换句话说，第1个变换器输出的等效直流功率比第2变换器下降得快，P_dce1逐周期地接近P_dce2，直至若干个周期后两者相等。

然而，功率分配偏差的消除伴随着变换器输出电压的下降，从而也使直流母线电压下降。为了恢复电压，考虑在式(3)的下垂方程后加上一补偿电压ΔE_dc，则式(3)变为：

为了使变换器输出电压和母线电压恢复并且维持恒定，补偿电压ΔE_dc的取值需要仔细设计。如果ΔE_dc取值偏小，上述电压可能仍然呈下降趋势；如果ΔE_dc取值偏大，上述电压将出现持续上升趋势，使变换器承受很高的电压应力。为了克服这一问题，本发明增加一个直流母线电压PI控制器，将直流母线电压PI控制器的输出作为ΔE_dc，通过通信信道将ΔE_dc的值送至各DC-DC变换器控制器，加至下垂控制方程。因此，直流母线电压偏差被消除同时实现功率的按比例精确分配。

需要注意的是，由于各变换器和直流母线之间线路的电阻通常存在差异，各变换器的输出电压会偏离母线电压。然而，这种偏差较小，不会造成变换器电压应力过高。

逐周期功率分配偏差消除下垂控制结构如图2所示。将测得的DC-DC变换器输出电压v_dci和输出电流i_dci相乘，经低通滤波器LPF得到平均值输出电压v_dci也经低通滤波器LPF得到平均值母线电压V_dcbus由PI控制器调节，PI控制器的输出ΔE_dc经通信信道传送至DC-DC变换器控制器(图中虚线箭头表示经通信信道传输)，与和相加后送至电压/电流环控制器，最后经PWM发生器产生PWM波，控制DC-DC变换器开关管的通断。

图3为两台电源额定功率比为1:1时的仿真结果。仿真参数为：DC-DC变换器直流侧电压200V，直流母线电压参考值负荷额定功率5kW，连接线电阻R_dcline1＝1Ω、R_dcline2＝2Ω，下垂系数k_dc1＝k_dc2＝0.005，直流母线电压PI控制器比例系数为0.3、积分系数为2。在0.2s之前，采用常规下垂控制，由图可见功率分配存在着较大偏差，p_dc1＝2645W、p_dc2＝2054W；直流母线电压v_dcbus＝481V，低于参考值。0.2s开始逐周期功率分配偏差消除下垂控制投入，两个变换器输出功率迅速逼近，稳定后p_dc1＝pdc2＝2537W，同时母线电压v_dcbus逐渐升高，最后稳定于500V。需要说明的是两个变换器输出功率之和为2537×2＝5074W，大于负荷功率5kW，原因是变换器除了为负荷供电外，还要提供连接线电阻消耗的功率。

图4为两台电源额定功率比为1:2时的仿真结果。仿真参数为：两台DC-DC变换器的下垂系数分别为k_dc1＝0.01、k_dc2＝0.005，其余参数与额定功率比为1:1时的相同。在0.2s之前，采用常规下垂控制，由图可见功率分配存在着较大偏差，p_dc1＝1981W、p_dc2＝2628W，二者之比严重偏离1:2；直流母线电压v_dcbus＝476V，低于参考值。0.2s开始逐周期功率分配偏差消除下垂控制投入，两个变换器输出功率发生变化，p_dc1减小、p_dc2增加，稳定后p_dc1＝1700W、p_dc2＝3400W，比值为1:2，同时母线电压逐渐升高，最后稳定于500V。

由图3和图4的仿真结果可见，逐周期功率分配偏差消除下垂控制不仅能使功率根据电源容量按比例精确分配，还能消除直流母线电压偏差。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流微电网功率分配控制方法，所述直流微电网包括n个直流电源，每个直流电源均通过DC-DC变换器经连接线与直流母线相连，负荷接至直流母线；其特征在于，所述功率分配控制方法中，设置直流母线电压控制器和DC-DC变换器控制器，将直流母线电压参考值和测量值的误差作为直流母线电压控制器的输入，将直流母线电压控制器的输出作为补偿电压，并通过通信信道传送至每个DC-DC变换器，加至DC-DC变换器控制器的下垂控制方程，补偿功率分配逐周期偏差以消除下垂控制造成的输出电压降落。

2.根据权利要求1所述的直流微电网功率分配控制方法，其特征在于，将DC-DC变换器的输出电压v_dci和输出电流i_dci相乘，经低通滤波器LPF得到平均值输出电压v_dci经低通滤波器LPF得到平均值直流母线电压V_dcbus由直流母线电压控制器调节，直流母线电压控制器的输出ΔE_dc经通信信道传送至DC-DC变换器控制器，与和相加后送至电压/电流环控制器，最后经PWM发生器产生PWM波，控制DC-DC变换器开关管的通断。

3.根据权利要求1所述的直流微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述直流母线电压控制器为PI控制器。

4.根据权利要求1所述的直流微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换器控制器采用逐周期功率分配偏差消除下垂控制器。

5.根据权利要求1或4所述的直流微电网功率分配控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换器控制器中，下垂控制方程的电压参考值为当前采样周期的DC-DC变换器的输出电压测量值，定义等效直流功率为下垂系数与变换器当前采样周期输出功率的乘积；若干个采样周期后，各DC-DC变换器的输出等效直流功率趋于相等。