CN110912110B - 一种用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法，涉及直流配电网控制运行技术，属于发电、变电或配电的技术领域。针对传统下垂控制在多个分布式电源模块并联运行时负载分配精度与母线电压调整率难以同时优化的问题，首先通过计算电流偏差的迭代计算得到变换器的下垂系数，计算电流偏差收敛于最大允许负载电流偏差，不同变换器的外特性曲线趋于一致；然后结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等外界因素带来的计算误差，在母线压降较小时实现负载均衡。本发明迭代过程和原理简单，具有母线电压下降较小、均流精度大大提高且不受线路阻抗变化影响的优点。

Description

一种用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法

技术领域

本发明公开了一种用于直流配电网的动态自适应下垂控制方法，涉及直流配电网控制运行技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

随着分布式可再生能源的大规模并网以及工业负荷、直流数据中心、直流充电桩和LED照明系统的增多，传统的电网结构、电力设备和协调运行策略难以满足稳定性的要求。对于直流微电网，由于不需考虑无功和集肤效应等电能质量问题，母线电压稳定以及各分布式电源的负载分配均衡是其主要的关注问题。

由于直流微电网中各分布式电源与直流母线之间线路阻抗不同，系统中各分布式电源模块之间存在负载电流分配不均现象，母线电压存在一定偏差。传统下垂控制难以同时满足负载分配精度和母线电压调整率的要求，通常通过增大下垂系数降低母线电压的方法来提高系统的均流性能。已有的非线性下垂控制方法，例如分段多斜率下垂方式，重点改善额定负荷区和重载区的系统均流性能及母线电压偏差。或者通过自适应动态规划的方法实现母线电压管理和负载均衡之间的协调，但仍然存在均流问题。针对母线电压管理效果有限和受线路阻抗变化影响的问题，离散式一致性迭代控制策略只需要两相邻节点间的通信可以实现负载均衡，但是迭代计算复杂，响应较慢。本申请旨在提出一种简单可靠且同时能够快速提高多微源直流单元均流精度和母线电压调整率的动态自适应下垂控制方法。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出了一种用于直流配电系统的动态自适应下垂控制方法，通过计算电流偏差的迭代计算得到变换器的下垂系数，计算电流偏差逐渐收敛于预设的最大允许负载电流偏差，不同变换器的外特性曲线将趋于一致，再结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等外界因素带来的计算误差。通过计算简单且响应较快的正负迭代大大提高负载分配精度和母线电压调整率及系统稳定性，解决了传统下垂控制负载难以同时调整均流精度和母线电压调整率的技术问题。

本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法，针对多个变换器并联的DC-DC变换器系统拓扑，下垂控制等效于在各变换器输出端串入阻值可变的电阻，通过调节该可变电阻的阻值实现下垂系数的调整，下垂系数的正负取决于该变换器线路阻抗相对于全局变换器线路阻抗的大小，当单个变换器线路阻抗大于线路阻抗平均值时，该变换器的下垂系数呈现为负，当单个变换器线路阻抗小于线路阻抗平均值时，该变换器的下垂系数呈现为正，通过计算各变换器输出电流相对于平均输出电流偏差迭代计算得到各变换器的下垂系数，计算电流偏差将逐渐收敛于预设的允许负载电流偏差，不同变换器的外特性曲线将趋于一致；然后，结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等外界因素带来的计算误差。在母线压降较小时大大提高了均流精度，较好地解决了母线电压管理和负载分配精度间的矛盾。

该方法具体包括以下三个步骤。

步骤一：针对传统下垂控制存在的负载分配精度与母线电压调整率互相矛盾的问题，提出了一种动态下垂控制方案，首先通过计算电流偏差迭代得到变换器间极性相反的下垂系数，然后结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等因素带来的误差，变换器的输出电流偏差和输出电压偏差分别为：

eU_i＝U_N-U_L＝(R_droopi+R_i)I_i

式(1)中，I_i为运用虚拟阻抗法串入虚拟下垂电阻时第i个变换器的输出电流，n是变换器的个数，R_droopi是第i个变换器的下垂虚拟电阻，U_N是额定母线电压，U_L是母线电压。

步骤二：下垂系数的初始值设为0，即R_droopi＝0，判断此时的电流偏差是否小于预设的允许电流偏差，若大于，则根据此时的电流偏差更新下垂系数，重复此判断迭代过程，电流偏差将收敛于预设的最大允许电流偏差，从而得到最终的R_droopi，公式可以表示为：

R_i为第i个变换器的线路阻抗，I_oi.max是第i个变换器的最大允许输出电流，k是迭代的序列，k＝0,1,…。当线路阻抗相同时，下垂系数为0；当线路阻抗较小，则输出电流较大，下垂系数为正，变换器的输出电压减小，减小输出电流；当输出线路阻抗较大，则输出电流较小，下垂系数为负，输出电压增加，增大输出电流。

步骤三：传感器精度等外界因素会造成计算误差，步骤二得到的R_droopi仍需根据实际采样得到的电流偏差进一步调整，同时提高计算稳定性，调整后的下垂系数可以表示为：

i_i是实际采样的第i个变换器输出电流。

有益效果

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明分别根据计算电流偏差和实际电流偏差动态计算实时的下垂系数，负载不同和线路阻抗变化时自动调整下垂电阻值以自动均衡负载并且改善母线电压调整率，首先通过计算电流偏差的迭代计算得到变换器间极性相反的下垂系数，计算电流偏差逐渐收敛于预定的允许负载电流偏差，不同变换器的外特性曲线将趋于一致；然后结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等因素带来的误差，在母线压降较小时保证均流精度。相较于非线性下垂控制，不管是在重载还是轻载时，母线压降和均流偏差均较小，且不受线路阻抗变化的影响；相较于离散一致性算法，迭代过程和原理较简单，响应也较快。

附图说明

图1(a)是动态自适应下垂控制所应用的双DC-DC变换器并联系统拓扑结构，图1(b)是两个双DC-DC变换器并联系统拓扑结构的等效电路。

图2是迭代前后变换器1和变换器2输出电压与输出电流外特性曲线。

图3是线路阻抗变化时迭代后变换器1和变换器2输出电压与输出电流外特性曲线。

图4(a)是变换器输出电压U_o1、U_o2和母线电压U_L的波形，图4(b)是变换器输出电流I_o1、I_o2和负载电流I_L的波形。

图中标号说明：L₁、L₂为Boost变换器的储能电感，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分为第一、第二、第三、第四功率管，C₁、C₂为Boost变换器的滤波电容，R₁、R₂为线路阻抗等效值。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明的用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法，基于计算电流偏差和输出电压偏差动态自适应下垂控制，解决了传统下垂控制存在的电流均流精度和母线电压调整率互相矛盾的问题，在提高负载均流精度的同时改善母线电压调整率。先通过计算电流偏差的迭代计算得到变换器间极性相反的下垂系数，计算电流偏差逐渐收敛于预定的允许负载电流偏差，不同变换器的外特性曲线将趋于一致；然后结合实际电流偏差调整下垂系数以减小传感器精度等外界因素带来的误差，在母线压降较小时保证均流精度。

本发明进行直流微电网的动态自适应下垂控制的具体过程为：

传统下垂控制即等效于稳态时在变换器的输出端串入等效电阻R_droopi，当变换器数量为2时的双DC-DC变换器并联系统如图1(a)所示，其等效电路如图1(b)所示，可以解得变换器的输出电流为：

I_i为运用虚拟阻抗法串入下垂电阻时第i个变换器的输出电流，R_droopi是第i个变换器的虚拟下垂电阻，U_N是额定母线电压，U_oi是第i个变换器的输出电压，R_i为第i个变换器的线路阻抗，R_L为负载，I_oi.max是第i个变换器的最大允许输出电流，取4A。

然后，设下垂系数的初值为0，可以得到变换器的负载电流偏差

若

大于预设的最大允许电流偏差，取0.1A，则更新下垂系数为：

将(5)中新的下垂系数代入式(4)，可以得到新的电流偏差

若新的电流偏差仍大于0.1A，重复上述迭代过程，

将会逐渐收敛到0，同时得到对应的下垂系数。根据式(4)可以看到，当线路阻抗较小，则输出电流较大，下垂系数为正，变换器的输出电压减小，减小输出电流；当输出线路阻抗较大，则输出电流较小，下垂系数为负，输出电压增加，增大输出电流；当负载增大时，负载电流偏差也增大，下垂系数绝对值也随之增大，电压的调节程度也增大，从而匹配负载分配偏差的增大。迭代前后的变换器外特性曲线如图2、图3所示，外特性将逐渐收敛并接近，同时当线路阻抗变化时，仍能在母线压降较小的情况下保证均流精度。

考虑到传感器精度等外界因素的干扰，上述下垂系数的计算可能会有误差，仍需结合实际电流偏差进一步调整，表示为：

i_i是实际采样的变换器输出电流，当计算准确时，(i₁-i₂)部分趋近于0，不产生影响；当计算不准确时，若(i₁-i₂)部分为正，则R_droop1new减小，R_droop2new增大，即U_o1减小，U_o2增大，从而i₁减小，i₂增大，促进负载分配均衡。反之同理。

本发明提出的基于迭代的动态自适应下垂控制计算简单，能有效解决传统下垂控制负载均流精度和母线电压调整率的矛盾，迭代计算简单，同时负载电流分配精度、电压调整率和系统稳定性均较高。仿真效果如图4所示，主电路参数如表1所示。

图4(a)是下垂系数迭代后变换器输出电压U_o1、U_o2和母线电压U_L的波形，图4(b)是下垂系数迭代后变换器输出电流I_o1、I_o2和负载电流I_L的波形。0-1.5秒时，负载是128W,1.5秒后负载跳变到256W。负荷为128W时，直流母线电压偏差为0.35％，电流偏差为0.63％；负荷功率在256W时，直流母线电压偏差为0.85％，均流偏差为0.235％。不管是在负载较大和负载较小时，母线电压偏差和电流偏差均有较大幅度的减小，均流精度大大提高，在保证母线电压波动要求的前提下能较好地提高均流性能。

表1仿真参数

参数	值
		开关频率f<sub>s</sub>/kHz	50
线路阻抗R<sub>1</sub>、R<sub>2</sub>/Ω	0.1、0.15
		最大输出电流I<sub>o.max</sub>/A	4
输入侧电压U<sub>1</sub>、U<sub>2</sub>/V	40
		额定输出电压U<sub>N</sub>/V	48
最大允许电流偏差/A	0.1

Claims (1)

1.一种用于直流微电网的动态自适应下垂控制方法，其特征在于，

首先，通过计算各变换器输出电流与输出电流平均值的偏差迭代更新各变换器的下垂系数，各变换器输出电流与输出电流平均值的偏差收敛于预设的最大允许负载电流偏差，下垂系数等效为串入变换器输出端的可变电阻的阻值，第i个变换器的输出电流偏差和输出电压偏差分别为：

|U_N-U_L＝(R_droopi+R_i)I_i|，I_i为第i个变换器串入可变电阻后的输出电流，R_droopi为串入第i个变换器输出端的可变电阻的阻值，n为变换器的个数，R_i为第i个变换器的线路阻抗，U_N为额定母线电压，U_L为母线电压，迭代更新各变换器的下垂系数的过程中，首先初始化下垂系数为0，更新下垂系数的表达式为：

然后代入新的下垂系数计算各变换器输出电流与输出电流平均值的偏差，重复上述迭代过程，直至电流偏差小于最大允许负载电流偏差，

为第k-1次、第k次迭代得到的串入第i个变换器输出端的可变电阻的阻值，

为第k-1次迭代得到的第1个、第2个、第i个、第n-1个、第n个变换器的输出电流，I_oi.max是第i个变换器的最大允许输出电流，k为迭代的序列，k＝0,1…K，K为正整数；

然后，结合实际电流偏差调整下垂系数，结合实际电流偏差调整下垂系数的表达式为：

其中，R_droopi.new为调整后的下垂系数，i₁、i₂、i_i 、i_n-1、i_n为实际采样的第1个、第2个、第i个、第n-1个、第n个变换器输出电流。

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