CN110661248B - 多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，属于直流微电网功率控制领域。该方法首先建立连续光滑非线性等效电阻调节律，然后计算母线电压的稳定调节控制量，再计算接入变换器的功率协调控制量，最后将控制量进行综合，以实现对接入变换器的有效控制。本发明是针对直流微电网存在分布线路阻抗，及其阻值不可测、不精确和易变等实际情况，易导致多分布式电源之间的功率分配无序、线路不均流和母线电压失稳等问题，发明一种新的方法，以缓解母线电压压降过大与负载功率分配不协调等不足，提高直流微电网的供电稳定可靠性。

Description

多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法

技术领域

本发明属于多源直流微电网功率分配技术领域，尤其涉及一种多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法。

背景技术

随着化石燃料的逐渐枯竭以及环境问题的日益严重，以清洁能源为主的分布式发电技术得到了广泛的应用。微电网将分布式发电系统和负荷一起组织成微电网形式运行，可有效提高分布式电源的利用效率，减轻分布式电源及负荷变化对电网的影响。与交流微网相比，直流微电网具有以下几个优点：1)减少能量转换装置，提高系统效率和可靠性；2)易于控制，只需要控制直流母线电压的稳定就可以实现微电源与负荷功率的平衡；3)不存在频率和功角稳定、无功环流等问题。

在直流微电网中，每个分布式电源通过接入变换器并联在直流母线上，直流微电网控制的基本目标是保证直流母线电压在允许的范围内波动，为负载提可靠的电能供应，同时各分布式电源按照自身额定功率能力分摊负荷总功率。

在传统的功率控制方法中，随着每个分布式电源输出电流的增大，其参考电压按照一个固定的等效电阻系数减小，间接地实现了各分布式电源功率的自动分配。这种方法的缺点在于等效电阻系数固定，不利于系统的扩容，也不利于直流微电网的能量优化管理，并且由于存在线路阻抗，会导致各分布式电源的均流误差。选择较小的等效电阻系数，则电压偏差不大，但是在重载情况下均流效果差；选择较大的等效电阻系数，则均流效果好，但是在轻载情况下母线电压偏差大。这些负荷电流分配无序、不均和电压偏差等问题，会导致母线电压不稳定、局部接入变换器过载、供电可靠性降低甚至故障等问题。

发明内容

本发明是针对直流微电网存在分布线路阻抗，及其阻值不可测、不精确和易变等实际情况，易导致多分布式电源之间的功率分配无序、线路不均流和母线电压失稳等问题，发明一种新的方法，以缓解母线电压压降过大与负载功率分配不协调等不足，提高直流微电网的供电稳定可靠性。

本发明的技术解决方案是：一种多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)建立连续光滑非线性等效电阻调节律，其步骤如下：

S11：获取直流微电网内第i个接入变换器的最大允许电压偏差ΔU_oi,max，最大输出电流I_oi,max。

S12：以第i个接入变换器的输出电流i_oi为自变量，备选等效电阻R_di为输出量，取正奇数α，α＝1,3,5,…，分别计算出第α阶次的备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)，所述备选等效电阻曲线R_di(α,I_oi)方程式定义为：

式中，R_ap为常数。

S13：在输出电流i_oi的全工作区间范围内，选择各条备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)中，幅值最大的曲线段，形成分段函数R_dbi(i_oi)＝max{R_di(1,i_oi),R_di(3,i_oi),R_di(5,i_oi),…}。

S14：对分段函数R_dbi(i_oi)曲线进行数据拟合和连续平滑处理，滤除R_dbi(i_oi)曲线中的不连续和拐点，构造出连续光滑的非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)，所述非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)方程式定义为：

K_sti(i_oi)＝a₀+a₂i_oi ²+a₄i_oi ⁴+a₆i_oi ⁶

式中，a₀，a₂，a₄，a₆为实数。

(S2)计算母线电压的稳定调节控制量，其步骤如下：

S21：获取直流微电网内第i个接入变换器支路母线接入端的电压额定值U_bi ^N，根据一阶微分函数方程

求取接入变换器对额定定压U_bi ^N的一阶跟踪信号u_ri(t)，所述一阶微分函数

的表达式定义为：

式中，β₁₁、n₁和δ为正实数，fal()表达式的通用一般形式为：

式中，ε和n为正实数，sgn()为符号函数。

S22：获取母线接入端的实时平均电压U_b，根据自适应鲁棒估计器，求取母线接入端电压的标称估计值u_bg和广义扰动量w_d，所述自适应鲁棒估计器定义为：

式中，β₂₁、β₂₂、n₂和b为正实数；u_bi ^c为母线电压的稳定调节控制量。

S23：获取母线电压的状态估计跟踪误差u_e＝u_ri-u_bg，求取其积分量u_ei＝∫u_eidt。

S24：根据母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律，求取母线电压偏差控制量u_bi ⁰，所述母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律定义为：

u_bi ⁰＝β₀fal(u_e,n₃,δ)+β₁fal(u_ei,n₃,δ)

式中，β₀、β₁和n₃为正实数。

S25：根据鲁棒扰动抑制控制律，求取母线电压稳定调控量u_bi ^c，所述鲁棒扰动抑制控制律定义为：

式中，U_ap为实数。

(S3)计算接入变换器的功率协调控制量，其步骤如下：

S31：获取第i个接入变换器的输出电流实时值i_oi，根据连续光滑非线性等效电阻调节律K_sti(i_oi)，求取接入变换器电压调整补偿量u_oi ^c，所述电压调整补偿量定义为：

u_oi ^c＝K_sti(i_oi)i_oi

S32：根据接入变换器电压调整补偿量和母线电压稳定调控量，求取第i个接入变换器的功率协调控制输入量u_oi ^ref，所述功率协调控制输入量定义为：

u_oi ^ref＝U_oi ^N+u_bi ^c-u_oi ^c

式中，U_oi ^N分别为第i个变换器的输出电压额定值参考电压。

S33：求取功率协调控制输入量的积分量u_oi ^ref_I＝∫u_oi ^refdt。

S34：根据S32和S33步骤计算结果，求取接入变换器控制量u_pei，所述控制量定义为：

u_pei＝β₂fal(u_oi ^ref，n₄，δ)+β₃fal(u_oi ^ref_I，n₄，δ)

式中，β₂、β₃和n₄为正实数。

S35：将控制量u_pei引入接入变换器的控制输入端，用于驱动控制其电路内部的电力电子器件工作。

所述自适应鲁棒估计器中的β₂₁和β₂₂数值关系满足：

所述数据拟合和连续平滑处理可采用多项式模型拟合方法、神经网络模型曲线拟合方法、样条插值曲线拟合法等，以使得构造出的曲线K_sti(i_oi)连续光滑无拐点。

所述鲁棒扰动抑制控制律的U_ap值，用以补偿由于直流微电网内传感器检测误差，系统建模参数误差，或是系统恒值扰动导致的母线电压稳态偏差。

本发明多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，具有以下优点：

(1)恒压控制和功率分配分层控制，功能结构明晰，受被控模型参数影响弱，自适应和鲁棒性强。

(2)连续光滑非线性等效电阻调节律建立步骤，等效电阻系数连续平滑大范围非线性变化，系数的数值与负载电流的大小同向增减，体现出了与线路参数无关的自适应均流特性。

(3)非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)表达式，通用性强，仅需提供分布式电源的额定参数，即可换算至各个不同的直流的微电网实际应用中。

(4)母线电压的稳定调节控制步骤的计算过程，公式本身与模型参数无关、自适应抗扰，通用性强，可以高鲁棒性地抑制直流微电网系统模型的参数的摄动和负载的干扰，工程易用性良好。

(5)母线电压的稳定调节控制和接入变换器的功率协调控制步骤，可以确保母线电压的闭环稳定、功率的协调分配和系统高精度供电。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为含有2个分布式电源的直流微电网及协调分配模块简化示意图。

图1中，接入变换器个数i＝2；u_o1、u_o2、i_o1、i_o2、R_l1、R_l2、L_l1和L_l2分别为2个变换器的输出电压、输出电流、线路电阻和电感，U_b、R_L和i_L分别为直流母线接入点的平均电压、负载和负载电流。

图2为含有3条备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)的示意图。

图2中，α＝1,3,5，变换器额定电压U_oi ^N＝48V,最大允许电压偏差ΔU_oi,max＝2.4V，最大输出电流I_oi,max＝10A，横坐标为电流标幺值，纵坐标为等效电阻。

图3为根据3条备选等效电阻曲线，拟合出的连续光滑的非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)示意图。

图4为本发明方法的总步骤集成运行框图。

图4中，i＝1,2，S1、S2和S3分别表示建立的连续光滑非线性等效电阻调节律K_sti(i_oi)、计算母线电压的稳定调节控制量、计算接入变换器的功率协调控制量。

图5为本发明方法的步骤流程示意图。

图6为具体案例的输出电流仿真波形。

图7为具体案例的母线电压仿真波形。

具体实施方式

参见附图1，本发明以含有2个分布式电源(即i＝2)的直流微电网为例，进行实施说明。每个分布式电源经由一个接入变换器作为功率变换单元，接入直流微电网中。每个接入变换器又由一个功率协调分配器控制运行，其功率协调分配器中，运行有本发明所述的多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法；功率协调分配器运行中所需要的实时电压、电流等物理量，由传感器检测获得。

选择一款接入变换器，其参数为：额定电压U_oi ^N＝48V，最大电压偏差ΔU_oi,max＝2.4V，最大输出电流I_oi,max＝10A。以该接入变换器的输出电流i_oi为自变量，备选等效电阻R_di为输出量，取正奇数α，α＝1,3,5,…，分别计算出第α阶次的备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)，所述备选等效电阻曲线R_di(α,I_oi)方程式定义为：

本实施例中，取R_ap＝0.1。实际工程设计应用中，该R_ap值需要根据直流微电网的输电线路电阻，以各线路之间均流和母线电压偏差幅度为约束条件进行优选，并通过现场试验实测进行微调。根据上述参数，3条备选等效电阻曲线如附图2所示。

在输出电流i_oi的全工作区间范围内，选择图2中，α＝1,3,5三条备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)幅值最大的曲线段，形成分段函数R_dbi(i_oi)＝max{R_di(1,i_oi),R_di(3,i_oi),R_di(5,i_oi),…}，如图2所示的虚线段。该虚线段，在负载电流为I_oi＝±5.77A以及I_oi＝±7.75A时，具有不连续的切换拐点。

对分段函数R_dbi(i_oi)曲线进行数据拟合和连续平滑处理，滤除R_dbi(i_oi)曲线中的不连续和拐点，构造出连续光滑的非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)，所述非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)方程式定义为：

K_sti(i_oi)＝a₀+a₂i_oi ²+a₄i_oi ⁴+a₆i_oi ⁶

式中，a₀，a₂，a₄，a₆为实数。

所述数据拟合和连续平滑处理可采用多项式模型拟合方法、神经网络模型曲线拟合方法、样条插值曲线的拟合法等，以使得构造出曲线K_sti(i_oi)，连续光滑。

本实施例中，采用多项式模型拟合，得到多项式系数为：a₀＝0.347，a₂＝﹣0.203，a₄＝0.5071，a₆＝0.6729。由此形成的非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)如附图3所示。

参见附图4和附图5，分别为本发明多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法的总步骤集成运行框图和本发明方法的步骤流程示意图。

附图4中的S1_i模块为针对第i个接入变换器建立的连续光滑非线性等效电阻调节律K_sti(i_oi)。

附图4中的S2_i模块为第i个接入变换器的母线电压的稳定调节控制量计算步骤，具体步骤流程参见附图5的相关部分，包括：

S21：获取直流微电网内第i个接入变换器支路母线接入端的电压额定值U_bi ^N，根据一阶微分函数方程

求取接入变换器对额定定压U_bi ^N的一阶跟踪信号u_ri(t)，所述一阶微分函数

的表达式定义为：

式中，β₁₁、n₁和δ为正实数，fal()表达式的通用一般形式为：

式中，ε和n为正实数，sgn()为符号函数。

S22：获取母线接入端的实时平均电压U_b，根据自适应鲁棒估计器，求取母线接入端电压的标称估计值u_bg和广义扰动量w_d，所述自适应鲁棒估计器定义为：

式中，β₂₁、β₂₂、n₂和b为正实数；u_bi ^c为母线电压的稳定调节控制量。

其中，自适应鲁棒估计器中的β₂₁和β₂₂数值关系满足：

此外，母线接入端的实时平均电压U_b，可通过实时采集各支路接入端的电压，再取平均值进行计算获得。如图1所示，两条支路接入端的电压分别为u_b1和u_b2，则U_b＝(u_b1+u_b2)/2。

S23：获取母线电压的状态估计跟踪误差u_e＝u_ri-u_bg，求取其积分量u_ei＝∫u_eidt。

S24：根据母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律，求取母线电压偏差控制量u_bi ⁰，所述母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律定义为：

u_bi ⁰＝β₀fal(u_e,n₃,δ)+β₁fal(u_ei,n₃,δ)

式中，β₀、β₁和n₃为正实数。

S25：根据鲁棒扰动抑制控制律，求取母线电压稳定调控量u_bi ^c，所述鲁棒扰动抑制控制律定义为：

式中，U_ap为实数，以补偿由于直流微电网内传感器检测误差、系统建模参数误差，或是系统恒值扰动导致的母线电压稳态偏差。本实施例中，假设上述误差和扰动为0，故可取U_ap为0。在实际工程设计应用中，可通过实验方法来检测母线电压稳态偏差，通过相关校正和调试，以获取精确的U_ap具体数值。

附图4中的S3_i模块为第i个接入变换器的接入变换器的功率协调控制量计算步骤，具体步骤流程参见附图5的相关部分，包括：

S31：获取第i个接入变换器的输出电流实时值i_oi，根据连续光滑非线性等效电阻调节律K_sti(i_oi)，求取接入变换器电压调整补偿量u_oi ^c，所述电压调整补偿量定义为：

u_oi ^c＝K_sti(i_oi)i_oi

S32：根据接入变换器电压调整补偿量和母线电压稳定调控量，求取第i个接入变换器的功率协调控制输入量u_oi ^ref，所述功率协调控制输入量定义为：

u_oi ^ref＝U_oi ^N+u_bi ^c-u_oi ^c

式中，U_oi ^N分别为第i个变换器的输出电压额定值参考电压。

S33：求取功率协调控制输入量的积分量u_oi ^ref_^I＝∫u_oi ^refdt。

S34：根据S32和S33步骤计算结果，求取接入变换器控制量u_pei，所述控制量定义为：

u_pei＝β₂fal(u_oi ^ref，n₄，δ)+β₃fal(u_oi ^ref_I，n₄，δ)

式中，β₂、β₃和n₄为正实数。

S35：将控制量u_pei引入接入变换器的控制输入端，用于驱动控制其电路内部的电力电子器件工作。

设支路一的线路电阻值R_l1＝80mΩ，电感值L_l1＝120μH；设支路二的线路电阻值R_l2＝200mΩ，电感值L_l2＝330μH；设负载电阻R_L在200s内，在5Ω至35Ω之间随机变化。选择多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法中，β₁₁＝1200，β₂₁＝10000，β₂₂＝120000，β₀＝600，β₁＝1800，β₂＝400，β₃＝1200，n₁＝n₂＝n₃＝0.5，δ＝0.1，b＝0.6，仿真得到的输出电流如附图6所示，母线电压波形如附图7所示。附图6和附图7分别验证了本发明方法各接入变换器输出电流的比例分配作用，和对直流微电网母线电压的稳定作用，表明了本发明所述多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法的正确有效性。

Claims (4)

1.一种多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)建立连续光滑非线性等效电阻调节律，其步骤如下：

S11：获取直流微电网内第i个接入变换器的最大允许电压偏差ΔU_oi,max，最大输出电流I_oi,max；

S12：以第i个接入变换器的输出电流i_oi为自变量，备选等效电阻R_di为输出量，取正奇数α，α＝1,3,5,…，分别计算出第α阶次的备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)，所述备选等效电阻曲线R_di(α,I_oi)方程式定义为：

式中，R_ap为常数；

S13：在输出电流i_oi的全工作区间范围内，选择各条备选等效电阻曲线R_di(α,i_oi)中，幅值最大的曲线段，形成分段函数R_dbi(i_oi)＝max{R_di(1,i_oi),R_di(3,i_oi),R_di(5,i_oi),…}；

S14：对分段函数R_dbi(i_oi)曲线进行数据拟合和连续平滑处理，滤除R_dbi(i_oi)曲线中的不连续和拐点，构造出连续光滑的非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)，所述非线性等效电阻曲线K_sti(i_oi)方程式定义为：

K_sti(i_oi)＝a₀+a₂i_oi ²+a₄i_oi ⁴+a₆i_oi ⁶

式中，a₀，a₂，a₄，a₆为实数；

(S2)计算母线电压的稳定调节控制量，其步骤如下：

S21：获取直流微电网内第i个接入变换器支路母线接入端的电压额定值U_bi ^N，根据一阶微分函数

求取接入变换器对额定电压U_bi ^N的一阶跟踪信号u_ri(t)，所述一阶微分函数

的表达式定义为：

式中，β₁₁、n₁和δ为正实数，fal()表达式的通用一般形式为：

式中，ε和n为正实数，sgn()为符号函数；

S22：获取母线接入端的实时平均电压U_b，根据自适应鲁棒估计器，求取母线接入端电压的标称估计值u_bg和广义扰动量w_d，所述自适应鲁棒估计器定义为：

式中，β₂₁、β₂₂、n₂和b为正实数；u_bi ^c为母线电压的稳定调节控制量；

S23：获取母线电压的状态估计跟踪误差u_e＝u_ri-u_bg，求取其积分量u_ei＝∫u_eidt；

S24：根据母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律，求取母线电压偏差控制量u_bi ⁰，所述母线电压的状态估计跟踪误差闭环控制律定义为：

u_bi ⁰＝β₀fal(u_e,n₃,δ)+β₁fal(u_ei,n₃,δ)

式中，β₀、β₁和n₃为正实数；

S25：根据鲁棒扰动抑制控制律，求取母线电压稳定调控量u_bi ^c，所述鲁棒扰动抑制控制律定义为：

式中，U_ap为实数；

(S3)计算接入变换器的功率协调控制量，其步骤如下：

S31：获取第i个接入变换器的输出电流实时值i_oi，根据连续光滑非线性等效电阻调节律K_sti(i_oi)，求取接入变换器电压调整补偿量u_oi ^c，所述电压调整补偿量定义为：

u_oi ^c＝K_sti(i_oi)i_oi

S32：根据接入变换器电压调整补偿量和母线电压稳定调控量，求取第i个接入变换器的功率协调控制输入量u_oi ^ref，所述功率协调控制输入量定义为：

u_oi ^ref＝U_oi ^N+u_bi ^c-u_oi ^c

式中，U_oi ^N分别为第i个变换器的输出电压额定值参考电压；

S33：求取功率协调控制输入量的积分量u_oi ^ref_I＝∫u_oi ^refdt；

S34：根据S32和S33步骤计算结果，求取接入变换器控制量u_pei，所述控制量定义为：

u_pei＝β₂fal(u_oi ^ref,n₄,δ)+β₃fal(u_oi ^ref_I,n₄,δ)

式中，β₂、β₃和n₄为正实数；

S35：将控制量u_pei引入接入变换器的控制输入端，用于驱动控制其电路内部的电力电子器件工作。

2.根据权利要求1所述的多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，其特征在于，所述自适应鲁棒估计器中的β₂₁和β₂₂数值关系满足：

3.根据权利要求1所述的多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，其特征在于，所述数据拟合和连续平滑处理采用多项式模型拟合方法、神经网络模型曲线拟合方法、样条插值曲线拟合法，以使得构造出的曲线K_sti(i_oi)连续光滑无拐点。

4.根据权利要求1所述的多源直流微电网自适应鲁棒功率协调分配方法，其特征在于，所述鲁棒扰动抑制控制律的U_ap值，用以补偿由于直流微电网内传感器检测误差，系统建模参数误差，或是系统恒值扰动导致的母线电压稳态偏差。

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