CN110707680B - 直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，传统下垂控制引入虚拟阻抗调节母线电压来改变变换器输出功率；“电压‑功率”自适应下垂控制是引入自适应虚拟电阻，解决了线路阻抗参数不一致带来的DG单元的不能够按容量比例输出负载功率；“电流‑电压”自适应下垂功率精确分配控制策略可在负载突增的情况下保证成比例输出功率的情况下快速的达到平衡，经过电压电流双闭环控制有效跟踪电压参考值；母线电压优化控制是对母线电压进行补偿，降低偏差。本发明基于自适应下垂控制技术，解决了直流微电网运行时由于线路电阻参数不一致导致的功率分配不精问题和母线电压偏差问题，有效的提高DG的使用效率。

Description

直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网领域，尤其涉及一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法。

背景技术

微电网主要是由分布式的电源如太阳能、风能和热能等、电能转换装置、储能单元组成，可实现自我协调控制。比较传统的交流微电网，直流微电网具有消耗少、结构简单、效率高等优点。在传统的“电流-电压”下垂控制方式下，合理的调整下垂系数可以实现分布式电源按容量成比例出力，但是由于在微电网中各分布式电源在运行时线路电阻参数不一致的原因，导致功率分配的精度降低，严重时可导致分布式单元过载运行等问题，同时由于线路电阻的电压降会导致直流母线电压的降落，从而降低供电质量。

目前，直流微电网的控制模式一般可分为集中式和分散自治式。集中式是依靠中央控制器对全网的信息进行集中处理，但是这种控制方式对于通信要求高，一旦发生通信故障，整个系统可能瘫痪。分散自治式无需依靠中央控制器，每个单元可以根据独立的本地控制器独立运行。因此，相较于集中式控制模式，基于自适应下垂特性的分散自治式控制模式已经成为国内外研究热点。针对线路出口参数大多采用了“功率-电压”的自适应下垂控制，能够实现DG按容量比出力，但需要采集量较多，人为设定值较多；而采用一种串入虚拟阻抗的直流微电网的下垂控制方式，以补偿由线路电阻引起的负荷分配偏差，虽然可以提高功率分配的精度，但是无法使母线电压维持在额定值。

在未来的微电网中，将采用自适应下垂控制方法代替传统下垂控制方法。但是对于功率分配和电压恢复问题，并没有研究电流控制那么多，因此，需要充分考虑实现功率精确分配和电压恢复的两个问题：线路虚拟电阻设置和实现母线电压精准降落的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中对直流微电网设置线路虚拟电阻实现功率精确分配和对母线电压精准降落实现的问题，本发明公开了一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，根据各DG单元根据容量成比例的提供负载功率，提高其稳定时间和减小母线电压偏差，从而提高电能传输效率，提高用户用电质量。

技术方案：本发明公开了一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，直流微电网包括若干并联分布式电源DG、若干DC/DC变换器和直流母线，分布式电源DG通过DC/DC变换器输出直流电压值，为直流母线供电；控制方法包括以下步骤：

步骤A、对直流微电网使用传统下垂控制：在电路中引入虚拟电阻，对DC/DC变换器输出功率进行调整；

步骤B、引入“功率-电压”下垂控制：在步骤A的控制方法的基础上，引入自适应虚拟电阻，按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差，设置功率偏差为零时得出分布式电源DG输出电压的控制方程；

步骤C、进一步引入“电流-电压”下垂控制：在步骤B中根据分布式电源DG输出功率偏差，在分布式电源DG输出电压的控制方程中引入自适应增补项，进一步减少控制量并提高了稳定时间；

步骤D、根据步骤C中的控制方程建立分布式电源DG输出电压的控制信号：采用电压电流双闭环控制，再经PWM调制得到电压控制信号；

步骤E、对母线电压偏差进行优化：对步骤D中电压控制信号进行跟踪，母线电压增加上移量，对母线电压曲线进行平移，减小母线电压偏差。

优选地，所述步骤B还包括：

步骤B1、根据直流母线电压、分布式电源DG出口电压、分布式电源DG输出功率和微电网线路阻抗之间关系，求出分布式电源DG实际输出功率；

步骤B2、按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差；

步骤B3、为实现功率精确分配，令步骤B2中输出功率偏差为零，计算出自适应虚拟电阻；

步骤B4、根据步骤B3所得的自适应虚拟电阻，求出分布式电源DG输出电压的控制方程。

优选地，所述步骤B1中分布式电源DG实际输出功率P_DGi为：

其中U_pcc为直流母线电压，

为分布式电源DG额定输出电压，R_linei为线路电阻，k_i为下垂系数，m_i为自适应虚拟电阻，x_i为分布式电源DG实际输出电压与直流母线电压的比值。

优选地，所述步骤B4中分布式电源DG输出电压的控制方程为：

其中

为分布式电源DG参考输出功率；P_DGi为分布式电源DG实际输出功率，

为分布式电源DG输出的电压参考值，U_DGi为分布式电源DG输出的实际电压，

为分布式电源DG额定输出电压，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压。

优选地，所述步骤C中引入的自适应增补项为m_ii_DGi，通过计算分布式电源DG实际输出功率偏差为零计算出m_i的值，其中，m_i为自适应虚拟电阻，i_DGi为分布式电源DG输出电流。

优选地，所述步骤C中分布式电源DG输出电压的控制方程为：

其中i_DGi为分布式电源DG输出电流，

为分布式电源DG输出的电压参考值，U_DGi为分布式电源DG输出的实际电压，

为分布式电源DG额定输出电压，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压。

优选地，所述步骤D还包括：

步骤D1、将步骤C中求出的分布式电源DG输出电压参考值与实际输出电压值作为电压外环的输入值；

步骤D2、将电压外环的输出值作为电流内环的输入参考值，与分布式电源DG的输出电流作为电流内环的输入值；

步骤D3、将电流内环的输出值经PWM调制得到分布式电源DG的电压控制信号。

优选地，所述步骤D中电压环和电流环中采用PI控制器。

优选地，所述步骤E中母线电压增加上移量的公式及上移量控制方法为：

εU_PCC＝∫(-τΔU_PCC)dt

其中，τ为收敛系数，选取合适的τ值可使得母线电压偏差减小，提高供电的质量，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压，

为额定负载电压，i_DGi为分布式电源DG输出电流。

有益效果：

(1)、本发明引入“功率-电压”下垂控制后，使得变换器输出功率按容量成比例提供负荷功率，不受线路电阻的影响；

(2)、本发明引入“电流-电压”下垂控制后，使得变换器输出功率按容量成比例提供负荷功率同时提高了反应速度；

(3)、本发明对“电流-电压”下垂曲线进行追踪后得到母线电压表达式，对母线电压表达式平移修改，引入上移量后，可在负荷突增的情况下，保证母线电压偏移减小；

(4)、本发明采用电压电流双闭环控制，控制器均采用PI控制器，滤除了变换器输出电压电流的谐波分量，保证了供电电能质量。

附图说明

图1为本发明的DC-DC并联电路结构图；

图2为本发明的“电流-电压”自适应下垂控制原理图；

图3为本发明的电压电流双闭环控制结构框图；

图4为本发明的母线电压优化控制原理图；

图5为本发明的仿真应用拓扑结构图；

图6为图5拓扑结构下采用传统下垂控制方法的DG输出功率仿真图；

图7为图5拓扑结构下采用自适应下垂控制方法的DG输出功率仿真图；

图8为图5拓扑结构下采用自适应下垂控制方法的变换器输出电流仿真图；

图9为图5拓扑结构下母线电压仿真图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，本发明公开了一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，直流微电网包括若干并联分布式电源DG、若干DC/DC变换器和直流母线，分布式电源DG通过DC/DC变换器输出直流电压值，为直流母线供电；

控制方法包括以下步骤：

步骤A、对直流微电网使用传统下垂控制：在电路中引入虚拟电阻，对DC/DC变换器输出功率进行调整；根据附图1可得到各分布式电源DG输出电压、电流与线路阻抗和母线电压的关系为：

U_DGi＝i_DGiR_linei+U_PCC (1)

整理可得到分布式电源DG出口功率为

其中，U_DGi为分布式电源DG输出电压，i_DGi为分布式电源DG输出电流，R_linei为线路阻抗，U_PCC为母线电压，

为分布式电源DG额定输出电压，k_i为下垂系数，P_DGi为分布式电源DG输出功率。

因此，定义并联分布式电源DG功率的相对偏差为

在实际运行过程中，下垂系数k_ik_j≈0可忽略不计，但线路电阻并不能忽略不计，要实现功率精确分配，式应恒为0。

步骤B、引入“功率-电压”下垂控制：在步骤A的控制方法的基础上，引入自适应虚拟电阻m_i，按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差，设置功率偏差为零时得出分布式电源DG输出电压的控制方程；首先，根据直流母线电压、分布式电源DG出口电压、分布式电源DG输出功率和微电网线路阻抗之间关系，求出分布式电源DG实际输出功率P_DGi为：

其中m_i为自适应虚拟电阻，x_i为分布式电源DG实际输出电压与直流母线电压的比值；其次，按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差；再次，为实现功率精确分配，令步骤B2中输出功率偏差为零，计算出自适应虚拟电阻；最后，根据步骤B3所得的自适应虚拟电阻，求出分布式电源DG输出电压的控制方程为：

其中

为分布式电源DG参考输出功率；P_DGi为分布式电源DG实际输出功率。

步骤C、进一步引入“电流-电压”下垂控制：在步骤B中根据分布式电源DG输出功率偏差，在分布式电源DG输出电压的控制方程中引入自适应增补项m_ii_DGi，其中m_i为自适应虚拟电阻，通过计算分布式电源DG实际输出功率偏差为零计算出m_i的值进一步减少控制量并提高了稳定时间；如附图2所示，横向表示变换器输出电流，纵向表示分布式电源DG的出口电压。由图2可知，假设某分布式电源DG初始运行在A点，当不能够按照成比例的运行时，可自适应的调整下垂曲线，减小下垂控制系数，则变换器的输出电流增大，其变换器最终运行在C点，其输出功率增大；同理，调整下垂曲线使得分布式电源DG运行在B点，其输出功率减小。将传统下垂控制方式修改为

根据修改方程式，结合电压、电流和直流母线电压关系得出实际发出功率P_DGi为：

定义的功率偏差ΔP＝0,即

计算得出m_i,引入直流母线电压共享信息，得出分布式电源DG的输出电压控制方程式为:

其中i_DGi为分布式电源DG输出电流。

步骤D、根据步骤C中的控制方程建立分布式电源DG输出电压的控制信号：采用电压电流双闭环控制，再经PWM调制得到电压控制信号；如附图3所示，根据“电流-电压”下垂控制求出的

与实际的电压U_DGi作差经PI控制得到电流内环参考值，再同i_DGi作差经过PI控制得到占空比，经过PWM调制得到控制信号。具体而言，首先，将步骤C中求出的分布式电源DG输出电压参考值与实际输出电压值作为电压外环的输入值，其中

即为步骤C中得出的分布式电源DG的输出电压控制方程；其次，将电压外环的输出值作为电流内环的输入参考值，与分布式电源DG的输出电流作为电流内环的输入值；最后，将电流内环的输出值经PWM调制得到分布式电源DG的电压控制信号。

步骤E、对母线电压偏差进行优化：对步骤D中电压控制信号进行跟踪，母线电压增加上移量，对母线电压曲线进行平移，减小母线电压偏差。如附图4所示，图中横坐标表示线路电流，纵坐标表示直流母线电压。在电压外环的控制下，可以实现各分布式电源DG的直流参考电压的准确追踪，因此负载电压U_PCC的控制曲线S1：

由附图4可知，在不影响传输功率的情况下，平移曲线S₁至S₂处，由于平移过程中不改变线路电流和下垂系数，因此平移过程中传输功率不变。上移量εu_pcc不会影响分布式电源DG发出的功率，因此为减小电压偏差，在式中增加上移量，公式可改为

在理想情况下负载电压实际值U_PCC与额定负载电压

的偏差定义为△U_PCC为：

由上分析可知，在平移过程中电流和下垂系数不变，因此求导恒为0，得：

整理得

εU_PCC＝∫(-τΔU_PCC)dt (14)

ε是平移上升的过程量，τ值是收敛的系数，选取是仿真时做的工作，让电压可在有限时间内收敛值最优值。因此，选取合适的τ值可使得母线电压偏差减小，提高供电的质量。

以下提供一个具体的实施例来进一步说明本方案的控制方法。

如附图5所示，DG为分布式直流电源，DG1和DG2的额定功率为50kW,DG3和DG4的额定功率为25kW；R_line1和R_line2为线路阻抗分别为1Ω和0.9Ω，R_line3和R_line4为线路阻抗分别为0.8Ω和0.95Ω。额定直流母线电压为500V,逆变器开关频率为10kHz,DG1和DG2的下垂系数为0.0005，DG3和DG4的下垂系数为0.001。仿真初始负载为60kW,1s后增到100kW。

如附图6所示，在1s前，DG1和DG2提供16.5kW、18kW负荷功率，DG3和DG4提供14kW、11.5kW负荷功率；1s后，DG1和DG2提供26kW、31kW负荷功率，DG3和DG4提供24.5kW、22kW负荷功率。在1s前功率偏差最大为4kW,1.4s稳定后最大偏差为7.83Kw。由上分析在传统的下垂控制方法下，由于线路电阻不匹配，导致DG单元不能按照容量成比例的提供负荷功率，无法实现功率精确分配，从而影响电能传送效率。

在“功率-电压”自适应下垂控制和“电压-电流”自适应下垂控制中，根据附图7中可知，在1s前DG1和DG2提供20kW负荷功率，DG3和DG4提供10kW负荷功率；1s后，DG1和DG2提供33.33kW负荷功率，DG3和DG4提供16.67kW负荷功率，负荷功率的分配偏差为0，解决由于线路电阻原因带来的功率偏差，实现功率精确分配。从附图7可以看出，当负载增加时，本方案所提出的控制方法在1.1秒时，功率和电流都达到了平衡，表明了本文提出控制策略稳定的快速性。如附图8所示，在负载增加时，线路电流随之增大满足负载要求。

如附图9所示，在未加入电压补偿时，1s前母电压为489V,在1.1s后稳定在460V,电压偏差为29V；而加入本方案所提出的电压增补量后，1s前母线电压为500V,在1.1s后稳定在490V,电压偏差为10V。因此，可知本文所提出的电压控制策略降低了母线电压的偏差，提高了用户的供电质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述直流微电网包括若干并联分布式电源DG、若干DC/DC变换器和直流母线，分布式电源DG通过DC/DC变换器输出直流电压值，为直流母线供电；所述控制方法包括以下步骤：

步骤A、对直流微电网使用传统下垂控制：在电路中引入虚拟电阻，对DC/DC变换器输出功率进行调整；

步骤B、引入“功率-电压”自适应下垂控制：在步骤A的控制方法的基础上，引入自适应虚拟电阻，按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差，设置功率偏差为零时得出分布式电源DG输出电压的控制方程；分布式电源DG输出电压的控制方程为：

其中

为分布式电源DG参考输出功率；P_DGi为分布式电源DG实际输出功率，

为分布式电源DG输出的电压参考值，U_DGi为分布式电源DG输出的实际电压，

为分布式电源DG额定输出电压，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压；

步骤C、进一步引入“电流-电压”自适应下垂控制：在步骤B中根据分布式电源DG输出功率偏差，在分布式电源DG输出电压的控制方程中引入自适应增补项，进一步减少控制量并提高了稳定时间；步骤C中分布式电源DG输出电压的控制方程分别为：

其中i_DGi为分布式电源DG输出电流，

为分布式电源DG输出的电压参考值，U_DGi为分布式电源DG输出的实际电压，

为分布式电源DG额定输出电压，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压；

步骤D、根据步骤C中的控制方程建立分布式电源DG输出电压的控制信号：采用电压电流双闭环控制，再经PWM调制得到电压控制信号；

步骤E、对母线电压偏差进行优化：对步骤D中电压控制信号进行跟踪，母线电压增加上移量，对母线电压曲线进行平移，减小母线电压偏差。

2.根据权利要求1所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤B还包括：

步骤B1、根据直流母线电压、分布式电源DG出口电压、分布式电源DG输出功率和微电网线路阻抗之间关系，求出分布式电源DG实际输出功率；

步骤B2、按分布式电源DG容量成比例分配功率，定义其输出功率偏差；

步骤B3、为实现功率精确分配，令步骤B2中输出功率偏差为零，计算出自适应虚拟电阻；

步骤B4、根据步骤B3所得的自适应虚拟电阻，求出分布式电源DG输出电压的控制方程。

3.根据权利要求2所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤B1中分布式电源DG实际输出功率P_DGi为：

其中U_pcc为直流母线电压，

为分布式电源DG额定输出电压，R_linei为线路电阻，k_i为下垂系数，m_i为自适应虚拟电阻，x_i为分布式电源DG实际输出电压与直流母线电压的比值。

4.根据权利要求1所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤C中引入的自适应增补项为m_ii_DGi，通过计算分布式电源DG实际输出功率偏差为零计算出m_i的值，其中，m_i为自适应虚拟电阻，i_DGi为分布式电源DG输出电流。

5.根据权利要求1所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤D还包括：

步骤D1、将步骤C中求出的分布式电源DG输出电压参考值与实际输出电压值作为电压外环的输入值；

步骤D2、将电压外环的输出值作为电流内环的输入参考值，与分布式电源DG的输出电流作为电流内环的输入值；

步骤D3、将电流内环的输出值经PWM调制得到分布式电源DG的电压控制信号。

6.根据权利要求5所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤D中电压环和电流环中采用PI控制器。

7.根据权利要求1所述的一种直流微电网功率精确分配和母线电压偏差优化控制方法，其特征在于：所述步骤E中母线电压增加上移量εUpcc的公式及上移量控制方法为：

εU_PCC＝∫(-τΔU_PCC)dt

其中τ为收敛系数，k_i为下垂系数，U_pcc为直流母线电压，

为额定负压电压，i_DGi为分布式电源DG输出电流，△U_PCC为U_PCC与

的偏差。

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