CN110556816B - 一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法，包括S1：设定直流母线电压的期望值，即变换器输出直流电压的期望值，获取变换器实际的输出电流和输出电压；S2：根据直流母线电压的期望值和变换器实际的输出电流，通过复合下垂曲线控制计算后得到变换器的给定输出电压，所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制；S3：进行变换器的电压电流的双闭环控制，得到变换器的控制信号。本发明基于复合下垂特性的电压精确控制策略，以实现孤立直流微电网的电压稳定性，并考虑了本地负荷的影响。同时，提出了基于电压恢复的直流母线电压无偏差控制策略，以消除由下垂特性引起的直流母线电压偏差。

Description

一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法和系统
技术领域
本发明涉及电气工程领域，更具体地，涉及一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法和系统。
背景技术
在直流微电网中，直流母线电压的波动直接反映了系统功率传输的信息。在直流微电网中，定义各单元向微网中输出功率时电流为正方向，即单元放电时电流为正，充电时电流为负。传统下垂控制包括单微源下垂控制和多微源(两个及以上)的下垂控制：
单微源下垂控制：下垂特性曲线表达式为Uref＝U0-KI，其中K为表征斜率的下垂曲线系数，在控制中可以等效为各单元变换器的串联虚拟阻抗。当直流母线电压高于期望值U0时，说明母线电压高，系统功率过剩，需要单元充电来储存能量；当直流母线电压低于期望值U0时，说明母线电压低，系统需要更多功率，单元就需要释放能量来稳定母线电压。
多微源的下垂控制：负载功率的不断变化，各微源变换器控制模式的切换以及大量分布式电源产生的电能随外界环境的变化而改变，都会使直流母线电压产生波动，给系统的稳定性带来较大的影响。为了实现不同容量大小的微源并联接入母线时输出功率按比例进行分配，采用下垂控制方法对各微源进行控制。并联时不同容量大小的微源之间为了实现输出功率按比例进行分配，条件为各自的下垂系数与其输出电流呈现反比例关系。但是当输出电流减小时，直流母线电压的给定值会上升，这样实际的电压值也会跟随上升，这样母线电压会产生波动，系统运行稳定性降低。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法，实现分散控制模式下孤立直流微电网的功率合理分配，并消除直流母线电压的偏差。
本发明的进一步目的是提供一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法，包括以下步骤：
S1：设定直流母线电压的期望值，即变换器输出直流电压的期望值，获取变换器实际的输出电流和输出电压；
S2：根据直流母线电压的期望值和变换器实际的输出电流，通过复合下垂曲线控制计算后得到变换器的给定输出电压，所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制；
S3：进行变换器的电压电流双闭环控制，得到变换器的控制信号。
优选地，所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制，具体为：
Figure BDA0002187102550000022
式中，Udc为直流母线电压，
Figure BDA0002187102550000023
为空载电压，Ii为U-I下垂控制中第i个变换器的输出电流，pi为第i台变换器经过低通滤波器滤波后的输出有功功率；Ri为第i台变换器的阻值，k1为复合下垂控制的电流下垂系数，k2为复合下垂控制的功率下垂系数。
优选地，每一变换器对应的空载电压相等。
一种适用于直流微电网的复合下垂控制系统，包括：
直流单元，所述直流单元为直流微电网中的供电单元和储能单元；
变换器，所述直流单元通过变换器连接到直流母线上，所述变换器中使用上述所述的控制方法控制输出电压；
直流母线，所述直流母线提供电能于负载上。
优选地，所述变换器为DC/DC变换器。
复合下垂控制的模式：
(一)k1＝0，k2＝0，恒压源模式；
(二)当k1＝0，采取U-P下垂控制；
(三)当k2＝0，采取U-I下垂控制；
(四)k1和k2都不等于0，采用复合下垂控制。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
通过采用复合下垂控制可以解决传统下垂控制所导致的在负载、电流变化所导致的直流母线电压参考值的波动，使得实际值能够跟踪参考值，保持直流微网的稳定与协调控制，基于复合下垂特性的功率精确分配策略，以实现孤立直流微电网的功率合理分配，并考虑了本地负荷的影响，同时，提出了基于电压恢复的直流母线电压无偏差控制策略，以消除由下垂特性引起的直流母线电压偏差；实现功率精确分配策略和直流母线电压无偏差控制，充分考虑了不同微源的功率输出和虚拟阻抗的影响；基于母线电压所处的现有等级，进行系统工况分析和控制方式的转换(MPPT、下垂控制、恒压恒流、最大电压电流控制、投切负载)可以使得直流微网能够保持协调控制和能量最优管理。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的下垂控制框图。
图3为单微源U-I的下垂控制曲线图。
图4为并联微源U-I的下垂特性曲线图。
图5为电压型直流变换器并联等效电路图。
图6为U-P下垂特性曲线图。
图7为传统下垂控制的母线电压波形图。
图8为本发明的复合下垂控制的母线电压波形图。
图9为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法，如图1，包括以下步骤：
S1：设定直流母线电压的期望值，即变换器输出直流电压的期望值，获取变换器实际的输出电流和输出电压；
S2：根据直流母线电压的期望值和变换器实际的输出电流，通过复合下垂曲线控制计算后得到变换器的给定输出电压，所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制；
S3：进行变换器的电压电流双闭环控制，得到变换器的控制信号。
直流微电网下垂控制的实现方式如图2，将下垂曲线控制加在变换器的电压电流双闭环控制之外，作为控制外环，得到变换器输出直流电压参考值，再进行电压电流双闭环控制。
单微源下垂控制的下垂特性曲线表达式为Uref＝U0-KI，其中K为表征斜率的下垂曲线系数，在控制中可以等效为各单元变换器的串联虚拟阻抗。当直流母线电压高于期望值U0时，说明母线电压高，系统功率过剩，需要单元充电来储存能量；当直流母线电压低于期望值U0时，说明母线电压低，系统需要更多功率，单元就需要释放能量来稳定母线电压。如图3所示。
Ulow、Uhigh分别表示直流母线电压运行的下限和上限；U0在数学概念上为下垂曲线的纵截距；I充电极限值、I放电极限值分别表示直流微电网中对应单元的最大充电电流和放电电流。
一旦母线电压越限，该单元只能以最大状态工作，即最大电流充电或者最大电流放电。如果这样还不能满足系统运行要求，就需要采用其他操作来限制功率输出或者投切可控负载。
多微源(两个及以上)的下垂控制，负载功率的不断变化，各微源变换器控制模式的切换以及大量分布式电源产生的电能随外界环境的变化而改变，都会使直流母线电压产生波动，给系统的稳定性带来较大的影响。为了实现不同容量大小的微源并联接入母线时输出功率按比例进行分配，采用下垂控制方法对各微源进行控制。如图4所示，下垂公式为：
Figure BDA0002187102550000041
Figure BDA0002187102550000042
Figure BDA0002187102550000043
为空载电压，Uref为母线电压的给定输出值，Im1、In1分别为母线电压稳定在U2处时两个微源的电流，Rm、Rn为虚拟电阻或下垂系数。
通过下垂公式得出的U2作为直流母线电压的给定值，将实际的母线电压与给定值作比较，输出的误差信号再通过PI调节器调节，让实际电压跟随给定电压。通常状况下空载电压
Figure BDA0002187102550000044
都会设计为相等。
Figure BDA0002187102550000045
并联时不同容量大小的微源之间为了实现输出功率按比例进行分配，条件为各自的下垂系数与其输出电流呈现反比例关系。
通过改变下垂系数去提高直流母线电压的稳定性，因此提出了变下垂控制。以母线电压为控制信号，通过采集实际的直流母线电压Udc并作为反馈信号，再将其与变下垂控制求得的给定电压值Uref作比较，经过电压外环电流内环的双环控制最终来稳定母线电压。
故在并联条件下对两个电压型变换器进行分析，等效电路如图5所示。其中Rf1、Rf2表示两变换器到公共点的线缆电阻，Re1、Re2表示两个变换器的输出电阻，I1、I2为两变换器的输出电流，
Figure BDA0002187102550000051
为两个变换器各自的初始给定电压值，Iload为负载电流。
当各单元处于恒压控制模式下，由于两个并联电压型变换器线缆电阻、输出电压等存在差异，会导致输出功率不均匀或不按比例大小输出。
在线缆后端变换器1、2的电压、电流关系表达为：
Figure BDA0002187102550000052
Figure BDA0002187102550000053
通常，
Figure BDA0002187102550000054
则两变器输出电流的比例关系为：
Figure BDA0002187102550000055
可知线缆电阻和输出电阻与输出电流成反比例，两变换器到公共点的线缆电阻通常大小不同且比输出电阻大很多，输出电阻忽略不计，所以导致两并联变换器输出功率不按比例分配或不均分。
直流微网中U-P下垂控制表达为：
Figure BDA0002187102550000056
Udci、Pi分别是第i个分布式电源的直流输出电压，Udci、Pi分别是第i和变流器经过低通滤波器滤波的输出有功功率pi>0为放电过程，pi<0为充电过程，
Figure BDA0002187102550000057
为空载电压；n为U-P的下垂系数。
Figure BDA0002187102550000058
式中：Pmaxi为第i台储能单位的最大充放电功率；Udc为直流母线电压；UH为直流母线电压最大偏移电压。
由于传统的下垂控制，不能根据各储能单元的输出能力有效实现负荷功率在不同变流器之间的合理分配。通过改进下垂控制实现其合理分配。如图6所示。
所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制，具体为：
Figure BDA0002187102550000061
式中，Udc为直流母线电压，
Figure BDA0002187102550000062
为空载电压，Ii为U-I下垂控制中母线电压稳定在期望值时的第i个变换器的输出电流，Ri为U-I下垂控制中的第i个变换器下垂系数，pi为第i台变换器经过低通滤波器滤波后的输出有功功率；Rti为第i个变换器阻值，k1为U-I下垂控制的电流下垂系数，k2为U-P下垂控制的功率下垂系数。
直流微网的母线电压Udc受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制，综合考虑两种下垂控制方式的优缺点，保持直流母线电压的相对稳定和协调控制，始终跟踪给定值
Figure BDA0002187102550000063
复合下垂控制的模式：
(一)k1＝0，k2＝0，恒压模式；
(二)当k1＝0，采取U-P下垂控制；
(三)当k2＝0，采取U-I下垂控制；
(四)k1和k2都不等于0，复合下垂控制模式。
由图7和8对比可知，直流微网中采用复合下垂控制，可以在微源及负荷(本地及公共)波动情况下，母线电压保持相对稳定，进行无偏差控制，保持在600V左右；而采用传统下垂控制，母线电压不能保持在给定值附近，影响直流微网的稳定杆控制。直流微网的各参数设计如表1。
表1
Figure BDA0002187102550000064
通过对所提控制策略进行对比分析，这里使用Matlab/Simulink验证了控制策略的稳定性，本发明使用的复合下垂控制方法相对于传统下垂控制更稳定实施例2
本实施例提供一种适用于直流微电网的复合下垂控制系统，如图9，包括：
直流单元，所述直流单元为直流微电网中的供电单元和储能单元；
变换器，所述直流单元通过变换器连接到直流母线上，所述变换器中使用实施例1所述的控制方法控制输出电压；变换器为DC/DC变换器。
直流母线，所述直流母线提供电能于负载上。
直流微电网复合下垂控制的实现方式是：将下垂曲线控制加在变换器的电压电流双闭环控制之外，作为控制外环，得到变换器输出直流电压参考值，再进行电压电流双闭环控制。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于直流微电网的复合下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定直流母线电压的期望值，即变换器输出直流电压的期望值，获取变换器实际的输出电流和输出电压；
S2：根据直流母线电压的期望值和变换器实际的输出电流，通过复合下垂曲线控制计算后得到变换器的给定输出电压，所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制；
S3：进行变换器的电压电流的双闭环控制，得到变换器的控制信号；
所述复合下垂曲线控制为目标电压U受到输出电流I和输出功率P的复合控制，控制策略采用下垂控制，具体为：
Figure FDA0002816130230000011
式中，Udc为直流母线电压，
Figure FDA0002816130230000012
为空载电压，Ii为U-I下垂控制中第i个变换器的输出电流，pi为第i台变换器经过低通滤波器滤波后的输出有功功率；Ri为第i台变换器的阻值，k1为复合下垂控制的电流下垂系数，k2为复合下垂控制的功率下垂系数。
2.根据权利要求1所述的适用于直流微电网的复合下垂控制方法，其特征在于，每一变换器对应的空载电压相等。
3.一种适用于直流微电网的复合下垂控制系统，其特征在于，包括：
直流单元，所述直流单元为直流微电网中的供电单元和储能单元；
变换器，所述直流单元通过变换器连接到直流母线上，所述变换器中使用权利要求1或2所述的控制方法控制输出电压；
直流母线，所述直流母线提供电能于负载上。
4.根据权利要求3所述的适用于直流微电网的复合下垂控制系统，其特征在于，所述变换器为DC/DC变换器。
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