CN110601167A - 无通信的母线电压无偏差控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无通信的母线电压无偏差控制方法，以母线电压稳定和负荷电流准确分配为控制目标，首先，利用主动测量方法获取精确的线路阻抗信息，并将其引入下垂系数中用以弥补线路阻抗不一致对电流分配造成的影响，在稳态和动态过程中均能准确分配负荷电流。其次，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压稳定运行在额定值，且不影响电流分配。所提控制方法克服了传统下垂控制的弊端，无需互联通信，满足了即插即用的要求，方便系统的扩容；极大提高了系统可靠性。

Description

无通信的母线电压无偏差控制方法

技术领域

本发明涉及一种微电网控制技术，特别涉及一种无通信的母线电压无偏差控制方法。

背景技术

微电网是一种整合了分布式电源(Distributed Generation,DG)、储能系统(Energy Storage System,ESS)和多类型负荷，利用电力电子变换器进行能量控制和分配的小型发配电系统，具有并网和独立自治两种运行模式。与传统交流微电网相比较，直流微电网不存在无功、频率、相位同步等问题，系统的可靠性和可控性大大提高。此外能量变换环节较少，效率高，成本降低，且更有利于分布式电源和直流负荷的接入。因此，直流微电网的研究和发展受到了国内外学术界和工业界的广泛关注(朱珊珊,汪飞,郭慧,王奇丰,高艳霞.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].中国电机工程学报,2018,38(01):72-84+344)。

独立直流微电网中各单元通过电力电子变换器以并联形式接入公共母线，合理分配负荷电流和稳定母线电压成为了直流微电网系统稳定运行的重要目标。现有负荷分配方法主要包括集中式和分散自治式两类，前者需要集中控制器与高速通信线为基础，对通信依赖程度极高，可靠性因此降低。相比之下，后者无需依靠集中控制器即可实现负荷合理分配，具备即插即用功能，可靠性高且易于系统扩展。因此基于下垂特性的分散式控制成为了国内外学者的研究热点。

传统I-V下垂控制模式下，各DG变换器出口线路参数不一致，会影响负荷分配精度,难以最大程度的利用分布式电源的效率，并且线路电阻的压降会进一步降低直流母线电压的质量(刘子文,苗世洪,范志华,晁凯云,康祎龙.基于自适应下垂特性的孤立直流微电网功率精确分配与电压无偏差控制策略[J].电工技术学报,2019,34(04):795-806)。针对上述问题，国内外学者提出的解决办法主要分为以下3类：第1类方法是引入低速通信的分层控制；第2类方法是在传统下垂控制基础上引入虚拟阻抗；第3类方法是采用新型的下垂控制策略。

直流微电网中，传统下垂控制无法很好地处理电流准确分配与母线电压稳定之间的固有矛盾。在传统下垂控制当中加入通信，例如高速通信，低速通信，相邻通信等等，可以较好处理传统下垂控制中的固有矛盾，但是增加了通信压力，降低了系统可靠性、经济性、可扩展性。

发明内容

本发明是针对直流微电网中传统下垂控制的局限性问题，提出了一种无通信的母线电压无偏差控制方法，首先，利用主动测量方法获取精确的线路阻抗信息(刘琛,赵晋斌,王闪闪,屈克庆,李芬.基于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测[J].电工技术学报,2018,33(11):2584-2591)，并将其引入下垂系数中用以弥补线路阻抗不一致对电流分配造成的影响，在稳态和动态过程中均能准确分配负荷电流。其次，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压稳定运行在额定值，且不影响电流分配。所提控制策略无需互联通信，满足了即插即用的要求，极大提高了系统可靠性。最后，搭建Matlab/Simulink仿真和RT-LAB硬件在环实验对所提控制策略进行验证。

本发明的技术方案为：一种无通信的母线电压无偏差控制方法，各个分布式电源通过变换器给母线负载供电，

首先，利用主动测量方法获取精确的线路阻抗信息，并将其引入下垂系数中，对下垂系数进行修正，保证稳态和动态过程中均能准确分配负荷电流，其次，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压稳定运行在额定值，且不影响电流分配；

得到最终改进下垂控制表示为：

其中u_pcc为各个分布式电源公共耦合点PCC电压，即实际运行母线电压；u_ref为分布式电源变换器电压给定值；r_di为第i个分布式电源变换器下垂电阻系数；r_linei为第i个变换器至PCC点线路电阻；i_dci为第i个变换器输出电流；r_ci为第i个变换器至PCC点线路电阻测量值；δu_dci为母线电压补偿量，用于实现母线电压无偏差控制；σ为收敛因子且σ>0。

所述收敛因子σ求解式为：

Δu_dci(t)＝Δu_dc0·e^-σt

式中Δu_dci为实际运行母线电压u_pcc和母线电压额定值之差；Δu_dc0为偏差初始值。

本发明的有益效果在于：本发明无通信的母线电压无偏差控制方法，充分利用直流微电网运行特点，利用主动测量的电阻，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压的无偏差控制，克服了传统下垂控制的弊端；无通信要求，提高了系统可靠性，方便系统的扩容；能够同时实现直流微电网电流准确分配和母线电压稳定的目标，可实现分布式系统的即插即用。

附图说明

图1为直流微电网典型系统架构；

图2为直流微电网简化电路模型图；

图3为传统I-V下垂控制特性示意图；

图4为本发明母线电压无偏差控制工作原理图；

图5a为本发明电流分配控制仿真DG输出电流图；

图5b为本发明电流分配控制仿真直流母线电压图；

图6a为本发明母线电压恢复控制仿真DG输出电流图；

图6b为本发明母线电压恢复控制仿真直流母线电压图。

具体实施方式

直流微电网典型系统架构如图1所示，主要包括网、源、荷、储四方面，分别对应传统大电网、分布式电源、负荷及储能系统。本发明针对独立直流微电网的情况，详细分析了当直流微电网规模变大线路电阻值大小不容忽略时，线路电阻对直流微电网电流分配造成的影响，并对传统下垂控制进行了改进，引入电压恢复单元维持母线电压的稳定，下面进行详细论述。

如图2所示直流微电网简化电路模型图，u_ref1为分布式电源变换器1电压给定值；u_ref2为分布式电源变换器2电压给定值；u_dc1为变换器1输出电压；u_dc2为变换器2输出电压；u_pcc为公共耦合点(PCC)电压；i_dc1为变换器1输出电流；i_dc2为变换器2输出电流；i_load为负载电流；r_d1为分布式电源变换器1下垂电阻系数；r_d2为分布式电源变换器2下垂电阻系数；r_line1为变换器1至PCC点线路电阻；r_line2为变换器2至PCC点线路电阻。

基于分布式电源的分散性特性，直流微电网电流分配策略通常采用下垂控制方法，其可由下式表达：

u_dci＝u_refi-r_dii_dci (1)

其中u_refi为第i个分布式电源变换器电压给定值；u_dci为第i个变换器输出电压；i_dci为第i个变换器输出电流；r_di为第i个分布式电源变换器下垂电阻系数。

根据图2电路模型及基尔霍夫定律可得出各变换器输出电流表达式：

r_linei为第i个变换器至PCC点线路电阻。

联立式(1)和(2)可得到两台DG变换器输出电流之间的关系：

在传统的下垂控制方法中，选择合适的下垂系数能够实现变换器输出电流与下垂系数成反比的关系，即

而上式只在r_di>>r_linei的情形下成立，即当微电网规模较小时，通常假设线路电阻可以被忽略。然而，随着直流微电网的规模逐渐增大，线路电阻数值较大，由于下垂系数的选取受最大电压偏移所限制，无法通过任意增加下垂系数的大小来获得较好的负荷电流分配效果。为保证母线电压在允许范围之内波动，下垂系数应限制为：

r_di≤Δu_max/i_dcimax (5)

其中Δu_max为能保证微电网稳定运行的直流母线电压最大波动范围；i_dcmax为蓄电池输出的电流极限值。

图3阐述了两台同容量变换器在传统下垂控制中因线路电阻差异引起的电流分配不均及母线电压进一步下降的原理，其中实线为下垂特性曲线，虚线为各输电线路伏安关系。其中Δi_dc为线路电阻差异引起的电流分配偏差，Δu_dci为线路电阻差异引起的电压偏差。综上，传统下垂控制无法很好地解决由于变换器出口线路电阻不同引起的电流分配偏差与电压偏差问题，且电流准确分配与直流母线电压稳定存在相应的矛盾。

为解决电力分配误差问题将传统下垂控制改进为下式

u_dci＝u_ref-(r_di-r_ci)i_dci (6)

其中r_ci为第i个变换器至PCC点线路电阻测量值，为分析方便，同一容量规格的分布式电源其给定值通常默认为相等，故用u_ref代替u_refi。

通过对下垂系数进行修正，能够实现电流准确分配，并且由式(6)可以看出，由于补偿了线路电阻产生的电压降，改进下垂控制还提高了母线电压水平。

虽补偿了线路电阻产生的电压降，但是下垂控制中下垂系数本身也会产生电压降，故母线电压仍存在偏差，为此提出了母线电压无偏差控制，工作原理分析如图4所示。

联立式(1)和(2)，可以得到母线电压与输出电流的关系：

u_pcc＝u_ref-(r_di+r_linei)i_dci (7)

当对下垂系数进行修正以后，同理联立式(2)和式(6)可得

u_pcc＝u_ref-(r_di+r_linei)i_dci+r_cii_dci (8)

图4中，横坐标为输出电流，纵坐标为母线电压，为母线电压额定值，通常设定实线M₁，M₂为式(7)所表达的下垂特性，A₁和B₁分别为传统下垂控制变换器2和变换器1的稳态工作点，此时直流母线电压为u'_pcc，与前述分析一致，此时存在电流分配误差与母线电压偏差。加入电流准确分配控制后，由虚线表示的下垂特性曲线M'₁、M'₂重合，其对应方程式为(8)，此时稳态工作点为A₂(B₂)，母线电压由u'_pcc变为u”_pcc，由于补偿了线路阻抗的影响，从图4中可以看出，此时不仅实现电流准确分配，母线电压水平也有了相应提升。为实现母线电压的无偏差控制，需在保证电流分配不受影响的基础之上，将母线电压维持在额定电压处。因此，通过将下垂特性曲线M'₁(M'₂)向上平移(平移量为δu_pcc)到点划线M₁”(M”₂)时，此时母线电压由u”_pcc调节为由于平移过程只涉及电压变化，不影响电流准确分配，下面将分析平移量补偿的具体取值。

将平移量补偿加入改进的下垂控制式(8)中得到

u_pcc＝u_ref-(r_di+r_linei)i_dci+r_cii_dci+δu_dci (9)

式中δu_dci为母线电压补偿量，用于实现母线电压无偏差控制。定义电压偏差Δu_dci为实际运行母线电压u_pcc和母线电压额定值之差，即

联立式(9)和(10)，并将式子两边同时对时间求导，考虑到电压平移时不应影响电流分配，故使得电流对时间的导数均为零，有

同时为了实现无偏差电压控制，电压补偿量需满足

δu_dci＝∫-σΔu_dcidt (12)

式中：σ为收敛因子且σ>0，将电压补偿量代入式(11)有

求解式(13)所示的微分方程有

Δu_dci(t)＝Δu_dc0·e^-σt (14)

式中，Δu_dc0为偏差初始值。

因此，由于收敛因子σ>0，从式(14)得到母线电压偏差在有限时间内能够收敛至0，具体收敛时间与收敛因子的设定有关。并且由于补偿量的设置过程中考虑了电流对时间的导数均为零，故在进行母线电压无偏差控制时不影响电流准确分配，两者相对独立。

由于获得了线路阻抗信息，进一步定义虚拟母线电压：

u_vir＝u_dci-r_cii_dci (15)

式中u_vir为虚拟母线电压，将其替换实际母线电压后可仅靠本地信息即可实现母线电压控制，无需采集母线电压信息。

故改进下垂控制策略最终可以表示为：

由式(16)可看出，所提控制策略仅需本地信息，无需互联通信即可实现电流准确分配和电压无偏差控制，满足了即插即用的需求，极大地提高了直流微电网系统的可靠性和可扩展性。

为了验证如图4所示控制方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了两台同容量DG变换器的仿真模型，对母线电压无偏差控制进行了验证。主动测量方法中采取的脉冲扰动幅值为5V，持续时间为0.1s，测量时间间隔为0.4ms，为保证直流微电网系统稳定性能，系统等效电容取2000μF，其他参数如表1所示：

表1

仿真算法例1：

用以验证所提准确电流分配控制的准确性，为获得线路阻抗信息，在1s和2s处分别对#1变换器和#2变换器注入了幅值为5V，持续时间为0.1s的脉冲信号，在3s时将主动策略的阻抗信息用于补偿传统下垂控制的下垂系数，仿真结果如图5a、5b所示。

注入脉冲信号后检测变换器输出电压、电流变化，测得#1线路阻抗为1.506Ω，#2线路阻抗为2.516Ω。在图5a中，3s以前由于线路阻抗的差异，电流分配存在较大误差，3s后由于将获得的阻抗信息用于补偿下垂系数，电流分配差异逐渐减小，补偿后1s内能够实现电流的准确分配。从图5b中可看出，3s后由于补偿了线路阻抗，抵消了线路阻抗产生的电压降，母线电压从386V提升至395V，极大的改善了电压质量，同时可以看到注入的脉冲信号对母线电压影响几乎可以忽略不计。

仿真算法例2：

用以验证所提准确电压无偏差控制的准确性，在算例1的基础之上5s时加入母线电压控制，根据电压恢复时间要求设置收敛因子σ为10，仿真结果如图6a、6b所示。

仿真结果前5s与仿真算例1相同，在图6a中，5s时加入电压无偏差控制后可以看出，其不影响电流动态及稳态分配情况，此结果与第2.4小节分析相一致。在图6b中，5s时母线电压由395V提升至母线额定电压400V，在无需任何互联通信情况下实现了母线电压维持在额定值，进一步提升了电压质量。

因此，提出的基于平移补偿的原理，通过设置适合的收敛因子，引入虚拟母线电压信息，在不影响电流分配的同时实现母线电压的无偏差控制，同时无需互联通信，极大提高了系统可靠性和可扩展性。

母线电压稳定和负荷电流准确分配是独立直流微电网的主要控制目标，无通信的母线电压无偏差控制方法。首先，利用主动测量方法获取精确的线路阻抗信息，并将其引入下垂系数中用以弥补线路阻抗不一致对电流分配造成的影响，在稳态和动态过程中均能准确分配负荷电流。其次，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压稳定运行在额定值，且不影响电流分配。所提控制策略无需互联通信，满足了即插即用的要求，极大提高了系统可靠性。最后，搭建Matlab/Simulink仿真对所提控制策略进行验证。在此提出的改进下垂控制方法，充分利用独立直流微电网各单元运行特点，除包括下垂控制器单元、内环电压电流控制器单元、电流准确分配单元、母线电压无偏差控制单元和补偿单元，其中，母线电压恢复控制单元用于稳定母线电压，平抑母线电压波动及消除稳态误差，补偿单元利用线路阻抗计算单元所计算得到的线路阻抗，既可以负向补偿到下垂电阻中，从而消除线路阻抗对系统的影响，也可以要纳入虚拟母线电压当中，用以消除直流母线电压稳态误差。

Claims (2)

1.一种无通信的母线电压无偏差控制方法，各个分布式电源通过变换器给母线负载供电，其特征在于，

首先，利用主动测量方法获取精确的线路阻抗信息，并将其引入下垂系数中，对下垂系数进行修正，保证稳态和动态过程中均能准确分配负荷电流，其次，引入虚拟母线电压信息，利用平移补偿原理实现母线电压稳定运行在额定值，且不影响电流分配；

得到最终改进下垂控制表示为：

其中u_pcc为各个分布式电源公共耦合点PCC电压，即实际运行母线电压；u_ref为分布式电源变换器电压给定值；r_di为第i个分布式电源变换器下垂电阻系数；r_linei为第i个变换器至PCC点线路电阻；i_dci为第i个变换器输出电流；r_ci为第i个变换器至PCC点线路电阻测量值；δu_dci为母线电压补偿量，用于实现母线电压无偏差控制；σ为收敛因子且σ>0。

2.根据权利要求1所示无通信的母线电压无偏差控制方法，其特征在于，所述收敛因子σ求解式为：

Δu_dci(t)＝Δu_dc0·e^-σt

式中Δu_dci为实际运行母线电压u_pcc和母线电压额定值之差；Δu_dc0为偏差初始值。