CN110676834B - 考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，结合动态一致性算法构造虚拟电压代替传统电压‑功率下垂控制中的实际输出电压，为分布式电源的下垂控制提供同一实际输出电压参考，同时利用PI控制器对直流母线进行二次电压补偿，实现对直流母线电压稳定控制。与现有技术相比，本发明具有输出功率分配更精确、提高直流母线电压稳定性、适应直流微电网变化频繁、对通信总线的依赖减少等优点。

Description

考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法

技术领域

本发明涉及一种直流微电网协调策略，尤其是涉及一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法。

背景技术

作为智能电网的基本组成部分，微电网能够有效集成分布式电源(Distributedgeneration，DG)、储能、负荷，在实现自身内部协调优化运行的同时能够为主网提供各类辅助服务，目前微电网按结构主要分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网，以往的研究主要集中于交流微电网，但近年来，电源和负载的组成发生了明显的变化。从负载角度来看，随着电力电子技术的发展，大量用电设备都经过整流装置将交流电变换成直流电供给负载使用，如电脑、液晶电视、电子镇流器荧光灯、打印机等办公设备、变频调速空调、洗衣机、冰箱等家电，这种电能变换方式导致大量谐波电流注入系统，严重影响电能质量。从电源角度来看，风力、光伏、燃料电池等分布式发电单元产生的电能大部分为直流电或非工频交流电；事实上，直流供电方式已经在通信系统、电动汽车、混合动力汽车、船用供电系统、列车牵引系统和高压直流输电系统中得到成功应用。综上所述，和交流微电网相比，直流微电网显示出了诸多优势；现今，随着直流负荷需求的不断增加，直流微电网的容量需要进一步扩大，如何协调微电网内部多分布式电源间的控制问题逐渐成为当前研究的热点。

作为一个独立的整体，微电网既可以并网运行也可以脱离主网进入孤岛运行模式。并网运行时，微电网内的电压和频率参考由主网提供，且通过与主网进行功率交换实现微电网内的功率平衡；孤岛运行时，微电网需要依靠自身内部DGs的协调控制实现合理的功率分配及电压控制。通常情况下，假设系统尺度较小，因此近似忽略线路阻抗，利用传统下垂控制可以实现负荷功率按各自容量合理分配。然而，考虑到线路阻抗、本地负荷等因素影响的复杂网络端口特性的实际直流微电网中，传统下垂控制难以实现良好的功率分配效果，保证分布式电源按照其容量精确分配负荷功率，降低了分布式电源的效率，同时线路阻抗带来的电压损耗会进一步降低直流母线电压的质量，对于低压直流微电网，这一问题尤为突出。

近年来，国内外很多学者就以上问题展开了相关研究，比如利用V的导数代替下垂控制中的V，减少了电压和电流间的耦合影响，改善电流负荷分配精度的同时提高了输出电压质量，但该方法并没有完全消除线路电阻参数不一致对电流负荷分配的影响；或者通过主动注入单脉冲扰动检测出变流器输出电压、电流变化以获得线路电阻信息，进而将其补偿到下垂系数中消除不匹配线路电阻的影响，改善系统功率分配和电压电能质量，但是此策略精度在线路电阻和等效电容较小的情况下误差较大；也可以针对交流微电网中，分布式电源由于线路阻抗不一致、本地负荷不匹配等因素影响，导致分布式电源难以按下垂系数合理分配负荷功率产生功率偏差问题，提出一种改进下垂控制策略，实现有功功率的精准分配；目前大多数研究集中于交流微电网的功率分配问题，关于直流微电网，却缺乏综合考虑线路阻抗和本地负荷对负荷功率分配精度影响方面的研究。

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考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，结合动态一致性算法构造虚拟电压代替传统电压-功率下垂控制中的实际输出电压，为分布式电源的下垂控制提供同一实际输出电压参考，同时利用PI控制器对直流母线进行二次电压补偿，实现对直流母线电压稳定控制。

所述孤立直流微电网包括多个分布式电源单元，所述分布式电源单元的总输出功率具体为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率，P_pub为公共直流母线上的公共负荷，P_Li为第i个分布式电源单元的本地负荷，ΔP_i为第i个分布式电源单元出口线路阻抗上的损耗功率。

所述虚拟电压的改进“电压-功率”下垂控制表达式为：

其中，u_ref为直流输出电压参考值，u_vir为虚拟电压，n_i为第i个分布式电源单元的下垂系数，k_i为第i个分布式电源单元的负荷输出功率比例；

所述虚拟电压下，各分布式电源单元输出功率可以按不同的下垂系数精确分配，进而通过调节各DG单元的下垂系数可以随时改变各DG单元的输出功率比例，具体比例为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率。

所述动态一致性算法具体指将每个分布式电源单元视为一个信息节点，状态变量X_i(k)为节点i第k次迭代的值，各节点仅与相邻节点对所述分布式电源单元的实际直流输出电压u_dci进行信息交互，经过多次信息交互后，每个单元均可以获得全局分布式电源单元实际直流输出电压u_dci的平均值。

所述动态一致性算法的表达式具体为：

X(k+1)＝Δx+W·X(k)

W＝I-εL

其中，X(k)为各节点第k次迭代值的集合，W为通信网络的权重矩阵，I为N 阶单位矩阵，L为通信网络的拉普拉斯矩阵，λ_i(L)为对称矩阵L第i大特征值，ε为通信网络的收敛系数，当ε为

时收敛最快。

所述信息节点第k次迭代采样值的表达式为：

S(k)-S(k-τ)＝X(k)-X(k-τ)+ΔS-ΔS(k-τ)

其中，S(k)为第k次迭代的采样值，τ为时延长度。

所述二次电压补偿控制的表达式为：

u_vir＝u_ref-n_iP_dci+Δu

其中，Δu为下垂控制补偿截距，

为额定直流母线参考电压，u_pcc为额定直流母线实际电压，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子。

所述协调策略包括在孤立直流微电网的稳定工作点进行小信号扰动，记录根轨迹随下垂系数和本地负荷的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过虚拟电压代替传统下垂控制中的实际输出电压，使得各分布式电源的下垂控制具有同一输出电压参考，从而使得各分布式电源的输出功率按下垂系数精确分配。

2.本发明为进一步保持直流母线电压稳定，利用PI控制器进行二次电压补偿，实现直流母线电压稳定控制。

3.本发明中使用的动态一致性算法具有极高的鲁棒性、可扩展性、稳定性以及适应性，可以应对直流微电网状态经常变化的情况，结合虚拟电压减少直流微电网对于通信总线的依赖。

附图说明

图1为本发明包含N组分布式电源的直流微电网等效电路图；

图2为本发明孤立直流微电网改进负荷功率分配控制结构图；

图3为本发明考虑本地负荷的分布式电源单元下垂特性图；

图4为本发明直流微电网的结构示意图；

图5为本发明通信网络拓扑结构示意图；

图6(a)为本发明直流微电网的下垂系数变化对应的根轨迹图；

图6(b)为本发明直流微电网的本地负荷变化对应的根轨迹图；

图7(a)为本发明传统下垂控制仿真时各分布式电源单元的输出功率分配情况示意图；

图7(b)为本发明传统下垂控制仿真时直流母线电压随时间变化示意图；

图7(c)为本发明传统下垂控制仿真时各分布式电源单元的输出电压随时间变化示意图；

图8(a)为本发明不考虑本地负荷改进功率分配情况下各分布式电源单元的输出功率分配情况示意图；

图8(b)为本发明不考虑本地负荷改进功率分配情况下直流母线电压随时间变化示意图；

图8(c)为本发明不考虑本地负荷改进功率分配情况下各分布式电源单元的输出电压随时间变化示意图；

图9(a)为本发明考虑本地负荷改进功率分配情况下各分布式电源单元的输出功率分配情况示意图；

图9(b)为本发明考虑本地负荷改进功率分配情况下直流母线电压随时间变化示意图；

图9(c)为本发明考虑本地负荷改进功率分配情况下各分布式电源单元的输出电压随时间变化示意图；

图10(a)为本发明运用协调策略进行公共与本地负荷仿真分析时各分布式电源单元的输出功率分配情况示意图；

图10(b)为本发明运用协调策略进行公共与本地负荷仿真分析时直流母线电压随时间变化示意图。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，结合动态一致性算法构造虚拟电压代替传统电压-功率下垂控制中的实际输出电压，为分布式电源的下垂控制提供同一实际输出电压参考，同时利用PI控制器对直流母线进行二次电压补偿，实现对直流母线电压稳定控制。

如图1所示，在含N组DG的直流微电网并联系统中，孤立运行时，直流微电网内的功率平衡和直流母线电压稳定由网内各分布式电源协调共同维持，总输出功率具体为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率，P_pub为公共直流母线上的公共负荷，P_Li为第i个分布式电源单元的本地负荷，ΔP_i为第i个分布式电源单元出口线路阻抗上的损耗功率。

传统“电压-功率”下垂控制表达式为：

u_dci＝u_ref-n_iP_dci

其中，u_dci为第i个分布式电源单元的输出电压，u_ref为直流输出电压参考值， n_i为第i个分布式电源单元的下垂系数。

当直流微电网并联系统稳定时，若不考虑线路阻抗的影响，各分布式电源单元实际直流输出电压满足：

u_dc1＝···＝u_dci＝···＝u_dcN＝u_pcc

其中，u_pcc为额定直流母线实际电压。

各分布式电源单元可以根据其额定容量设置相应的下垂系数，使其按各自容量的比例精确分配负荷功率，即：

n₁P_dc1＝···＝n_iP_dci＝···＝n_NP_dcN

但在实际微电网中，线路阻抗无法忽略时，输电线路往往无法保证各分布式电源单元线路阻抗完全相同，导致各分布式电源单元实际输出电压不一致，从而影响各分布式电源单元负荷功率的分配精度。

通过使用虚拟电压代替实际输出电压，改进“电压-功率”下垂控制表达式为：

其中，u_vir为虚拟电压，k_i为第i个分布式电源单元的负荷输出功率比例。

在虚拟电压下，各分布式电源单元输出功率可以按不同的下垂系数精确分配，进而通过调节各DG单元的下垂系数可以随时改变各DG单元的输出功率比例，具体比例为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率。

实际直流微电网中，线路阻抗并非影响负荷功率分配的唯一因素，分布式电源的间歇性及负荷的随机波动都会进一步加深微电网内负荷功率分配的误差，导致各分布式电源单元承担的负荷功率与其额定值不匹配甚至超过其最大额定容量，从而造成变流器损坏。以含有两个相同额定容量分布式电源单元的孤立直流微电网为例进行分析，两个分布式电源单元采用相同的下垂特性曲线，当存在本地负荷时，其负荷功率分配特性如图3所示，具体表达式为：

ΔP＝P_dc1-P_dc2＝(u_dc1-u_dc2)×n

其中，ΔP为相邻分布式电源单元的输出功率理论差值，ΔP^*为相邻分布式电源单元考虑本地负荷的输出功率实际差值，

为第i个分布式电源单元的实际输出功率。

动态一致性算法具体指将每个分布式电源单元视为一个信息节点，状态变量 X_i(k)为节点i第k次迭代的值，各节点仅与相邻节点对分布式电源单元的实际直流输出电压u_dci进行信息交互，经过多次信息交互后，每个单元均可以获得全局分布式电源单元实际直流输出电压u_dci的平均值。

动态一致性算法的表达式具体为：

X(k+1)＝Δx+W·X(k)

W＝I-εL

其中，X(k)为各节点第k次迭代值的集合，W为通信网络的权重矩阵，I为N 阶单位矩阵，L为通信网络的拉普拉斯矩阵，λ_i(L)为对称矩阵L第i大特征值，ε为通信网络的收敛系数，当ε为

时收敛最快。

信息节点第k次迭代采样值的表达式为：

S(k)-S(k-τ)＝X(k)-X(k-τ)+ΔS-ΔS(k-τ)

其中，S(k)为第k次迭代的采样值，不考虑采样误差的情况下，即为控制系统对X(k)的响应，τ为时延长度，对于含PI的控制系统，其具有较快的响应速度，极短时间内可认为ΔS≈ΔS(k-τ)，所以表达式可简化为：

S(k)-S(k-τ)＝X(k)-X(k-τ)

直流微电网并联系统已迭代收敛时有X(k)-X(k-τ)，故S(k)-S(k-τ)＝0，此时系统稳定，故其状态不受通信网络拓扑结构变化的影响，若系统未迭代收敛，由于S(k)-S(k-τ)的存在，系统状态将不断变化，最后仍收敛至系统平均值。

下垂控制是以牺牲电压精度来实现负荷功率自主分配的。为了克服这一缺点，一般需要引入二次调节手段以实现电压及功率的优化控制；虚拟电压反映了系统由于下垂控制造成的直流母线电压跌落水平；此外，由于线路阻抗的存在，电流流过线路阻抗时也会进一步造成直流母线电压的跌落，因此可以通过二次电压补偿进行控制，采用PI控制器对直流母线电压和额定母线参考电压的差值进行调节，将调节后的补偿量动态叠加到下垂控制的参考电压上，二次电压补偿控制的表达式为：

u_vir＝u_ref-n_iP_dci+Δu

其中，Δu为下垂控制补偿截距，

为额定直流母线参考电压，u_pcc为额定直流母线实际电压，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数。

协调策略包括在孤立直流微电网的稳定工作点进行小信号扰动，记录根轨迹随下垂系数和本地负荷的变化，以含有相同容量两并联分布式电源的孤岛直流微电网为例，建立在平衡点附近的小信号模型并对其进行稳定性分析，具体分析参数如表 1所示：

表1小信号扰动分析参数表

两并联分布式电源输出功率为：

其中，n为分布式电源的下垂系数，P为单个分布式电源单元的输出功率。

在使用下垂控制的过程中，需先对输出功率进行低通滤波，再将其代入下垂控制表达式，滤波前后的输出功率关系为：

L(P_LPF1)＝G_LPFL(P)

其中，L为拉普拉斯变换，P_LPF1为低通滤波器的输出功率，G_LPF为低通滤波器的二阶形式，其表达式为：

其中，w₀为截止频率，ζ为滤波器衰减系数。

因此，两个分布式电源的实际输出电压可以表示为：

其中，P_L1为第一分布式电源单元的低通滤波器输出功率，P_L2为第二分布式电源单元的低通滤波器输出功率，R_line1为位于第一分布式电源单元并联线路的电阻阻值，R_line2为位于第二分布式电源单元并联线路的电阻阻值。

联立上式，并在直流微电网并联系统稳定工作点附近给一个很小的扰动，得到在工作点附近的小信号模型为：

其中，

为分布式电源输出功率的线性回归值，

为额定直流母线电压的线性回归值。

在公共点处，直流母线上的公共负荷由第一分布式电源单元和第二分布式电源单元共同承担，具体表达式为：

对上式进行小信号扰动，并联立上式，得到直流微电网并联系统的特征方程为：

As²Δu_pcc+BsΔu_pcc+C＝0

其中，Δu_pcc为相连分布式电源单元的额定直流母线电压差值，系数A、B、C 的具体表达式为：

A＝u_pcc(2nu_pcc+R_line1+R_line2)²

C＝u_pccw²(2nu_pcc+R_line1+R_line2)²-4R_loadw²n(u_ref-u_pcc)-2R_loadw²(u_ref-2u_pcc)(R_line1+R_line2)+ 2R_loadnw²(2u_refu_pcc+P_L1R_line1+P_L2R_line2)

根据上式，得出直流微电网并联系统的根轨迹图如图6(a)、6(b)所示，图6(a)表示下垂系数从0.0001增加到0.001时的根轨迹图，随着下垂系数增加，主导极点λ₁远离虚轴，主导极点λ₂靠近虚轴，但变化极小，且始终位于左半平面，故选择合适的下垂系数n使得系统的稳定性得以保证；图6(b)表示第一分布式电源单元和第二分布式电源单元在本地负荷变化时的根轨迹图，在分布式电源可发出功率的合理范围内，不论本地负荷P_LI、P_L2如何变化，主导极点λ₁和λ₂始终位于左半平面，保证了系统的稳定性。

如图4所示，在MATLAB/SIMULINK仿真平台中搭建直流微电网的仿真模型，对应并联系统参的数如表2所示：

表2系统仿真参数

如图5所示，孤立直流微电网包含四台并联的DG单元，采用改进动态一致算法的通信拓扑结构。通过四个算例来验证本发明提出的协调策略的可行性，算例1 验证采用传统下垂控制时线路阻抗参数不一致对负荷功率分配的影响；算例2研究各分布式电源单元出口不含本地负荷时的改进负荷功率分配控制；算例3研究各分布式电源单元出口含本地负荷时的改进负荷功率分配控制；算例4研究公共负荷和本地负荷变化时本文所提出的协调策略的有效性。

如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示，系统工作在传统下垂控制，1s时直流母线上的公共负荷增加，由于各分布式电源单元线路阻抗不匹配，各分布式电源单元出口输出电压不一致，此时各分布式电源单元无法按各自容量成比例地分配负荷功率，出现明显的负荷功率分配误差；同时，由于下垂控制属于有差调节，且电流流过线路阻抗会产生电压损耗，直流母线电压u_pcc偏离额定值。

如图8(a)所示，在0～1s内，系统工作在传统下垂控制，此时各分布式电源单元输出功率不能按各自容量成比例分配，出现负荷功率分配偏差。在1s后，系统采用改进负荷功率分配控制，系统各分布式电源单元输出功率很快收敛到一致，即按各自容量成比例地分担负荷功率；由图8(b)可知，本文所提出的电压二次补偿控制使得公共直流母线电压维持在额定值，消除了传统下垂控制由于线路阻抗的存在带来的电压跌落。由于直流母线电压提升到额定值400V，从而各分布式电源单元输出电压相应的有所升高以满足需要，如图8(c)所示；验证了本文提出的改进负荷功率分配控制策略对消除线路阻抗对功率分配精度产生影响的有效性。

如图9(a)、图9(b)和图9(c)所示，在0～1s内，系统工作在传统下垂控制，由于本地负荷的存在，各分布式电源单元负荷功率分配仍然存在误差，说明分布式电源单元负荷功率分配不仅与线路阻抗有关，还与分布式电源单元出口处的本地负荷有关，在1s后，系统采用改进的负荷功率分配控制，系统各DG输出功率很快收敛到一致，即按各自容量成比例地分担负荷功率，实现了功率的精确分配；且在电压二次补偿控制下，直流母线电压维持在额定值。

如图10(a)和图10(b)所示，在1s时，公共负荷由10kW增加到20kW，在2s时，第一分布式电源单元出口的本地负荷减少5kW，3s时，第三分布式电源单元出口的本地负荷增加4kW，根据仿真结果可知，无论公共负荷还是本地负荷变化，本发明提出的改进负荷功率分配的协调策略都能有效的实现各分布式电源单元按各自容量成比例的输出负荷功率，消除线路阻抗及本地负荷对负荷功率分配精度的影响。

Claims (4)

1.一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，结合动态一致性算法构造虚拟电压代替传统电压-功率下垂控制中的实际输出电压，为分布式电源的下垂控制提供同一实际输出电压参考，同时利用PI控制器对直流母线进行二次电压补偿，实现对直流母线电压稳定控制；

所述虚拟电压的改进电压-功率下垂控制表达式为：

其中，u_ref为直流输出电压参考值，u_vir为虚拟电压，n_i为第i个分布式电源单元的下垂系数，k_i为第i个分布式电源单元的负荷输出功率比例，

所述虚拟电压下，各分布式电源单元输出功率可以按不同的下垂系数精确分配，进而通过调节各DG单元的下垂系数可以随时改变各DG单元的输出功率比例，具体比例为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，所述孤立直流微电网包括多个分布式电源单元，所述分布式电源单元的总输出功率具体为：

其中，P_dci为第i个分布式电源单元的输出功率，P_pub为公共直流母线上的公共负荷，P_Li为第i个分布式电源单元的本地负荷，ΔP_i为第i个分布式电源单元出口线路阻抗上的损耗功率。

3.根据权利要求1所述的一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，所述动态一致性算法具体指将每个分布式电源单元视为一个信息节点，状态变量X_i(k)为节点i第k次迭代的值，各节点仅与相邻节点对所述分布式电源单元的实际直流输出电压u_dci进行信息交互，经过多次信息交互后，每个单元均可以获得全局分布式电源单元实际直流输出电压u_dci的平均值。

4.根据权利要求1所述的一种考虑不匹配线阻及本地负荷的孤立直流微电网协调方法，其特征在于，所述二次电压补偿控制的表达式为：

u_vir＝u_ref-n_iP_dci+Δu

其中，Δu为下垂控制补偿截距，

为额定直流母线参考电压，u_pcc为额定直流母线实际电压，k_p和k_i为PI控制器的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子。

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