CN110474317B - 一种多直流电力弹簧下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多直流电力弹簧下垂控制方法，包括：分别设置各段直流母线电压的标准参考值；获取当前各段直流母线上直流电力弹簧控制信号；根据直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，计算得到当前各段直流母线电压的调整参考值；采集各段直流母线电压实际值；根据各段直流母线电压的调整参考值和实际值，通过PI控制器调节，得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值；根据各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，对应控制各段直流母线上直流电力弹簧的工作状态。与现有技术相比，本发明利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，设计的下垂控制方法控制精度高，能够实现直流母线电压的快速平稳控制。

Description

一种多直流电力弹簧下垂控制方法

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下垂控制方法。

背景技术

由于分布式电源出力存在间歇性和随机性，使得直流微电网中各电源与负荷的瞬时功率极不平衡，将对直流母线电压的电能质量产生不利影响，而直流电力弹簧(DirectCurrent Electric String，DCES)通过使负荷用电量随电源发电量的变化而变化，从而防止直流母线电压过高或偏低，实现直流母线电压平稳的目的，但由于单个直流电力弹簧的调节能力有限，因此实际应用中，通常采用多个直流电力弹簧共同调节直流微电网整个直流母线电压的方式。

由于直流微电网中各段直流母线电压均不相同，多个直流电力弹簧需要沿着配电网分散安装在不同的位置，也就是说，直流电力弹簧需要调节或支撑的实际直流母线电压取决于安装的位置，因此，多直流电力弹簧的电压参考值应根据安装位置进行不同的设置。若多个直流电力弹簧均设置相同的电压参考值，则直流电力弹簧之间将无法协调工作。

针对多个电力弹簧的协调控制问题，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，通过初级控制实现对电压和频率的控制、通过次级控制修正每个电力弹簧的电压给定值，其中，初级控制采用电流内环、电压和频率外环的功率解耦控制方法；次级控制为下垂控制，该专利解决的是多个单相交流电力弹簧的协调控制问题，且需要通过引入每个节点的注入无功功率来修正每个节点处电力弹簧的参考电压给定。

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。为此，本发明旨在提出一种算法简单、可自动调整直流母线电压参考值的下垂控制方法，从而实现直流电力弹簧的广泛推广与应用。

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下垂控制方法，利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，实现多直流电力弹簧不同直流母线电压参考值的给定。

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下垂控制方法，包括以下步骤：

S1、基于多直流电力弹簧主电路拓扑结构，分别设置各段直流母线电压的标准参考值；

S2、获取当前各段直流母线上直流电力弹簧控制信号；

S3、根据直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，计算得到当前各段直流母线电压的调整参考值；

S4、采集当前各段直流母线电压的实际值；

S5、根据各段直流母线电压的调整参考值和实际值，通过PI控制器调节，得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值；

S6、根据各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，对应控制各段直流母线上直流电力弹簧的工作状态。

优选地，所述步骤S1中多直流电力弹簧主电路包括多段直流母线，所述多段直流母线之间通过线路阻抗连接，所述各段直流母线的节点处均连接有直流电力弹簧、非关键负载和关键负载，所述直流电力弹簧中设有DC/DC变换器、储能电池和LC滤波器。

优选地，所述直流电力弹簧的一端与关键负载的一端均连接至直流母线的节点，所述直流电力弹簧的另一端与非关键负载串联后接地，所述关键负载的另一端直接接地。

优选地，所述直流电力弹簧控制信号为DC/DC变换器的占空比。

优选地，所述步骤S3中直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系具体为：考虑线路阻抗的存在，直流微电网中各段直流母线电压随线路延长呈自然下降趋势，因此距离直流微电网电源越近处的直流母线电压越高，该段直流母线上直流电力弹簧中DC/DC变换器的占空比越小，可调整的直流母线电压参考值越大；距离直流微电网电源越远处的直流母线电压越低，该段直流母线上直流电力弹簧中DC/DC变换器的占空比越大，可调整的直流母线电压参考值越小。

优选地，所述步骤S3中当前各段直流母线电压的调整参考值为：

V_sxref＝V_xref-Md_x

其中，V_sxref表示当前第x段直流母线电压的调整参考值，V_xref表示设置的第x段直流母线电压的标准参考值，M表示线性反馈系数，d_x表示当前第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号。

优选地，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、将各段直流母线电压的调整参考值与对应的各段直流母线电压的实际值进行比较，得到各段直流母线电压的偏差值；

S52、将各段直流母线电压的偏差值输入PI控制器，输出得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值。

优选地，所述步骤S52中各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值为：

d_xref＝k_p(V_sxref-V_sx)+k_i∫(V_sxref-V_sx)dt

其中，d_xref表示第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，k_p和k_i均为PI控制器的参数，V_sx表示第x段直流母线电压的实际值，dt表示时间t的微分。

与现有技术相比，本发明针对多直流电力弹簧的协调控制问题，设计可调整直流母线电压参考值的下垂控制方法，从而实现直流母线电压的快速平稳控制，且具有无需通信网络、成本低的优点；

本发明利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，即考虑直流微电网中各段直流母线电压随线路延长呈自然下降的趋势，解决了多直流电力弹簧无法自动精准调整直流母线电压参考值的问题；

本发明只需采集直流母线电压的实际值，通过PI控制器输出直流电力弹簧控制信号参考值，以控制直流电力弹簧中DC/DC变换器的占空比，最终使直流电力弹簧中LC滤波器输出可控幅值的直流电压，本发明的控制方法简单可靠，且能保证控制精度。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的直流电力弹簧下垂控制原理框图；

图3为实施例中直流电力弹簧主电路拓扑结构图；

图4a为实施例中未安装直流电力弹簧的直流母线电压波形图；

图4b为实施例中安装直流电力弹簧后采用本发明方法控制后的直流母线电压波形图。

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下垂控制方法，包括以下步骤：

S1、基于多直流电力弹簧主电路拓扑结构，分别设置各段直流母线电压的标准参考值；

S2、获取当前各段直流母线上直流电力弹簧控制信号；

S3、根据直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，计算得到当前各段直流母线电压的调整参考值；

S4、采集当前各段直流母线电压的实际值；

S5、根据各段直流母线电压的调整参考值和实际值，通过PI控制器调节，得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值；

S6、根据各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，对应控制各段直流母线上直流电力弹簧的工作状态。

其中，多直流电力弹簧主电路包括多段直流母线，多段直流母线之间通过线路阻抗连接，各段直流母线的节点处均连接有直流电力弹簧、非关键负载和关键负载，直流电力弹簧中设有DC/DC变换器、储能电池和LC滤波器。

通过控制DC/DC变换器的占空比，从而使LC滤波器输出可控幅值的直流电压。直流电力弹簧对直流母线电压起支撑作用时，LC滤波器输出电压为正且随占空比增大而增大；直流电力弹簧对直流母线电压起抑制作用时，LC滤波器输出电压为负且随占空比增大而减少。考虑线路阻抗的存在，直流微电网中各段直流母线电压随线路延长呈自然下降趋势，距离直流微电网电源越远处的直流母线电压越低。而多直流电力弹簧沿直流配电线分散安装，距离直流微电网电源越远处的直流母线电压参考值越低，该直流母线上直流电力弹簧为支撑直流母线电压，则该直流电力弹簧的占空比越大。因此，利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，设计如图2所示的下垂控制原理框图，得到：

V_sxref＝V_xref-Md_x  (1)

d_xref＝k_p(V_sxref-V_sx)+k_i∫(V_sxref-V_sx)dt  (2)

式中，V_sxref表示当前第x段直流母线电压的调整参考值，V_xref表示设置的第x段直流母线电压的标准参考值，M表示线性反馈系数，d_x表示当前第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号，d_xref表示第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，k_p和k_i均为PI控制器的参数，V_sx表示第x段直流母线电压的实际值，dt表示时间t的微分。

由式(1)可以看出，距离直流微电网电源越近处的直流母线电压越高，其直流电力弹簧占空比越小，可调整直流母线电压参考值越大；距离直流微电网电源越远处的直流母线电压越低，其直流电力弹簧占空比越大，可调整直流母线电压参考值越小，满足直流微电网中各段直流母线电压随线路延长呈自然下降的规律。

利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，将直流电力弹簧控制信号经反馈系数调整后，与直流母线电压的标准参考值做差，得到直流母线电压的调整参考值，再将直流母线电压的调整参考值与直流母线电压的实际值进行比较，所得电压偏差通过PI控制器进行调节，最终将控制信号参考值送入直流电力弹簧，实现各段直流母线电压平稳，从而保证直流微电网系统供电可靠。

为了验证本发明多直流电力弹簧下垂控制方法的正确性和有效性，考虑可再生能源出力波动使直流母线电压不稳定的情形，基于Matlab/Simulink进行仿真验证，本实施例的多直流电力弹簧主电路如图3所示，由3段直流母线组成，每一段直流母线的节点(V_x，x＝1，2，3)处均连接有直流电力弹簧(DCES_x，x＝1，2，3)、非关键负载(R_Nx，x＝1，2，3)和关键负载(R_Cx，x＝1，2，3)，直流电力弹簧的一端与关键负载的一端均连接至直流母线的节点，直流电力弹簧的另一端与非关键负载串联后接地，关键负载的另一端直接接地。

具体的仿真电路参数如表1所示：

表1

各段直流母线电压波形图如图4a和图4b所示，图4a为未安装直流电力弹簧时的各段直流母线电压波形图，图4b为安装直流电力弹簧并采用本发明下垂控制方法后的各段直流母线电压波形图，由图4a可以看出，未使用直流电力弹簧时，各段直流母线均存在波动，且随线路延长呈自然下降趋势，即有直流母线1的电压值最高、直流母线3的电压值最低；由图4b可以看出，使用直流电力弹簧并采用本发明下垂控制方法后，直流母线1的电压在t＝5ms时经快速调整稳定在48V，直流母线2和直流母线3的电压均能保持平稳且随线路延长呈自然下降规律。

综上所述，本发明利用直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，结合直流母线电压的标准参考值与直流电力弹簧控制信号，求取直流母线电压的调整参考值，以获得不同直流电力弹簧控制信号参考值，从而实现根据直流电力弹簧安装位置不同而自动调整直流母线电压参考值的目的，该方法具有无需通信网络及成本低的优点，为多直流电力弹簧的协调及稳定控制提供了简单可行的解决方案。

Claims (5)

1.一种多直流电力弹簧下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于多直流电力弹簧主电路拓扑结构，分别设置各段直流母线电压的标准参考值；

S2、获取当前各段直流母线上直流电力弹簧控制信号；

S3、根据直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系，计算得到当前各段直流母线电压的调整参考值；

S4、采集当前各段直流母线电压的实际值；

S5、根据各段直流母线电压的调整参考值和实际值，通过PI控制器调节，得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值；

S6、根据各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，对应控制各段直流母线上直流电力弹簧的工作状态；

所述步骤S1中多直流电力弹簧主电路包括多段直流母线，所述多段直流母线之间通过线路阻抗连接，所述各段直流母线的节点处均连接有直流电力弹簧、非关键负载和关键负载，所述直流电力弹簧中设有DC/DC变换器、储能电池和LC滤波器；

所述直流电力弹簧控制信号为DC/DC变换器的占空比；

所述步骤S3中直流母线电压与直流电力弹簧控制信号的近似线性关系具体为：考虑线路阻抗的存在，直流微电网中各段直流母线电压随线路延长呈自然下降趋势，因此距离直流微电网电源越近处的直流母线电压越高，该段直流母线上直流电力弹簧中DC/DC变换器的占空比越小，可调整的直流母线电压参考值越大；距离直流微电网电源越远处的直流母线电压越低，该段直流母线上直流电力弹簧中DC/DC变换器的占空比越大，可调整的直流母线电压参考值越小。

2.根据权利要求1所述的一种多直流电力弹簧下垂控制方法，其特征在于，所述直流电力弹簧的一端与关键负载的一端均连接至直流母线的节点，所述直流电力弹簧的另一端与非关键负载串联后接地，所述关键负载的另一端直接接地。

3.根据权利要求1所述的一种多直流电力弹簧下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S3中当前各段直流母线电压的调整参考值为：

V_sxref＝V_xref-Md_x

其中，V_sxref表示当前第x段直流母线电压的调整参考值，V_xref表示设置的第x段直流母线电压的标准参考值，M表示线性反馈系数，d_x表示当前第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号。

4.根据权利要求3所述的一种多直流电力弹簧下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、将各段直流母线电压的调整参考值与对应的各段直流母线电压的实际值进行比较，得到各段直流母线电压的偏差值；

S52、将各段直流母线电压的偏差值输入PI控制器，输出得到各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值。

5.根据权利要求4所述的一种多直流电力弹簧下垂控制方法，其特征在于，所述步骤S52中各段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值为：

d_xref＝k_p(V_sxref-V_sx)+k_i∫(V_sxref-V_sx)dt

其中，d_xref表示第x段直流母线上直流电力弹簧控制信号参考值，k_p和k_i均为PI控制器的参数，V_sx表示第x段直流母线电压的实际值，dt表示时间t的微分。

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