CN111327044B - 一种多直流电力弹簧的分布式协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流电力弹簧的分布式协调控制方法，包括基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线直流电力弹簧有功功率和母线1线路电流；基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线直流电力弹簧输出电压、电感电流、储能电池电压；建立以电感电流为控制变量的目标函数；目标函数在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参考值之间的误差；选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧；本发明基于一致性理论设计多直流电力弹簧的分布式协调控制方法，仅使用直流电力弹簧的本地信息和邻居信息实现多直流电力弹簧协调的运行和母线电压稳定控制。

Description

一种多直流电力弹簧的分布式协调控制方法

技术领域

本发明涉及直流电力弹簧控制技术领域，尤其是一种多直流电力弹簧的分 布式协调控制方法。

背景技术

直流微电网中分布式电源的间歇性、波动性，导致电源和负荷瞬时功率不 平衡，影响直流母线电压电能质量。直流电力弹簧作为一种新的智能电网技术， 能够有效克服可再生能源的间歇性，实现直流母线电压平稳。单个直流电力弹 簧因其储能容量有限难以实现对整个直流微电网母线电压的有效支撑，因此布 置多个直流电力弹簧是直流微电网实现母线电压平稳、提升电压质量的可行方案之一。

针对多直流电力弹簧的协调控制，目前工程中广泛采用分散式控制方法， 无需依靠通信网络，只需本地直流母线电压信号就能实现多直流电力弹簧的协 调控制，但线路阻抗的存在使得控制精度受到影响。集中式控制方法能够实现 精确控制，但需要严格通信网络，导致通讯成本增加。因此，提出一种算法简 单、控制精度高、所需通信网络较少的分布式协调控制方法，是实现多直流电力弹簧广泛推广应用的关键所在。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是现有集中式控制方法对多直流电力弹 簧的协调控制能够实现精确控制，但需要严格通信网络，导致通讯成本增加的 问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多直流电力弹簧的 分布式协调控制方法，其特征在于：包括，

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线 直流电力弹簧有功功率和母线中的线路电流；

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线 直流电力弹簧输出电压、电感电流、储能电池电压；

建立以电感电流为控制变量的目标函数；

目标函数在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参考 值之间的误差；

选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧，实现电感电流 实测值快速跟踪电感电流参考值。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述目标函数的建立包括：

利用本地直流母线电压参考值和系统电流方程得到各个母线电感电流参 考值；

利用直流电力弹簧开关状态求取电感电流预测值；

利用母线电感电流参考值和电感电流预测值建立目标函数。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述电感电流参考值的获取过程具体包括

基于牵制控制，通过使用直流电力弹簧的本地和邻居有功功率获取本地直 流母线电压参考值；

将所述本地直流母线电压参考值代入系统KCL方程，得到电感电流参考 值。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述本地直流母线电压参考值代数形式具体为：

式中：Vbusi表示位于母线i的电压参考值；Vref表示关键负载最优运行电 压值；x表示有功功率与电压的耦合系数；aij表示位于母线i和母线j电力弹 簧间的通信程度系数；pesi和pesj分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功 功率；

和/>

分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功功率最大值； di表示牵制控制系数，此处选择母线1为牵制控制节点，则d1>0，di(i＝2,3,4) ＝0；i1ref和i1分别表示母线1的线路电流参考值和实际值。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述将所述本地直流母线电压参考值代入系统KCL方程，得到电感电 流参考值过程具体为：

联立系统KCL方程：

式中：iLiref表示母线i流过LC滤波器电感的电流参考值；Viref表示母线 i的电压参考值；Vi-1ref表示母线i-1的电压参考值；Vi+1ref表示母线i+1的电 压参考值；Ri表示母线i的线路阻抗；Ri+1表示母线i+1的线路阻抗；Rci表 示位于母线i的关键负载。

可得直流母线1、2、3和4的电感电流参考值为：

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述求取电感电流预测值过程包括

定义S＝1代表开关管导通，S＝0代表开关管关断，S1、S2、S3和S4分别 表示单相DC/DC变换器的四个开关管；

利用直流电力弹簧开关状态求取电感电流预测值：

开关状态1(S1＝1,S4＝1)：

开关状态2(S1＝1,S2＝1)和开关状态4(S3＝1,S4＝1)：

开关状态3(S2＝1,S3＝1)：

式中：iLi(k)、iLi(k+1)分别表示位于母线i在k和k+1时刻LC滤波器的电 感电流；Ts表示采样时间；L表示LC滤波器的电感值；Vesi(k)、Vdci(k)分别 表示位于母线i在k时刻直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述得到各个母线直流电力弹簧有功功率和母线中的线路电流的过程包 括

定义直流母线电流y＝i1为输出变量，状态变量x＝Ves1，控制变量u＝iL1re， 用输出变量y及其微分量表示状态变量x和控制变量u；

定义跟踪误差为e＝yref–y，设计微分平滑反馈控制律得到跟踪误差值。

将跟踪误差值带入所述本地直流母线电压参考值代数形式得到本地直流 母线电压参考值。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述输出变量y及其微分量表示状态变量x和控制变量u的形式为：

式中：VG表示电网电压；R1、L1分别表示电源到母线1线路的电阻和电 感；Vn1和in1分别表示母线1的非关键负载的电压和电流；

分别表示 平滑输出变量的一阶导和二阶导；/>

表示微分算子；t表示时间。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述微分平滑反馈控制律形式为

式中：K1、K2、K3为控制器参数；

y_ref分别表示平滑输出变 量的参考值二阶导、参考值一阶导和参考值，将跟踪误差e＝(i_iref-i_i)代入二次 控制器各直流电力弹簧本地母线电压参考值的计算。

作为本发明所述多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的一种优选方案， 其中：所述目标函数Ji形式为

J_i＝|i_Li(k+1)-i_Liref|

式中：iLiref表示位于母线i电感电流参考值；Ji表示位于母线i的目标函 数。

本发明的有益效果：针对传统分散式控制的控制精度存在缺陷以及集中式 控制过度依赖通信网络，本发明基于一致性理论设计多直流电力弹簧的分布式 协调控制方法，仅使用直流电力弹簧的本地信息和邻居信息实现多直流电力弹 簧协调的运行和母线电压稳定控制。该方法的提出为多直流电力弹簧的协调控 制提供了简单可行的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的多直流电力弹簧的分布式协调控制 方法中含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的多直流电力弹簧的分布式协调控制 方法中直流电力弹簧开关状态简化模型图；

图3为本发明提供的一种实施例所述的多直流电力弹簧的分布式协调控制 方法中多直流电力弹簧的分布式协调控制流程图；

图4为本发明提供的一种实施例所述的多直流电力弹簧的分布式协调控制 方法中多直流电力弹簧系统直流母线电压波形图，图4(a)为系统未安装直流电 力弹簧时的直流母线电压波形图，图4(b)为系统安装直流电力弹簧并采用本发 明控制方法后的直流母线电压波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于 说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只 是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、 宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至 少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的 “在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他 实施例互相排斥的实施例。

实施例1

本实施例提供了一种多直流电力弹簧的分布式协调控制方法，包括下列步 骤，

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线 直流电力弹簧有功功率pesi和母线1线路电流i1；

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线 直流电力弹簧输出电压Vesi、电感电流iLi、储能电池电压Vd；

建立以电感电流为控制变量的目标函数Ji；

目标函数Ji在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参 考值之间的误差；

选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧，实现电感电流 实测值快速跟踪电感电流参考值。

含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路图如图1所示，由4段直流母 线通过线路阻抗连接构成，每段母线均由直流电力弹簧、非关键负载和关键负 载组成，直流电力弹簧主要由储能蓄电池、单相DC/DC变换器和LC滤波器构成。图1中，每段直流母线节点处，非关键负载电流由KCL定律可得：

式中：i_ni表示位于母线i的非关键负载电流；V_i表示母线i的电压；R_i表示 位于母线i的线路阻抗；R_ci表示位于母线i的关键负载。位于每段直流母线的 直流电力弹簧，由KCL定律可得：

i_ni＝i_Li+i_esi (2)

式中：i_Li、i_esi分别表示流过LC滤波器电感和电容的电流。

系统进入稳态时，电容电流i_esi＝0，联立式(1)和式(2)，可得LC滤波器电感 电流为：

一次控制器采用基于直流电力弹簧开关状态的模型预测控制方法，定义 S＝1代表开关管导通，S＝0代表开关管关断，S1、S2、S3和S4分别表示单相 DC/DC变换器的四个开关管。直流电力弹簧开关状态简化模型如图2所示， 利用直流电力弹簧开关状态求取电感电流预测值：

开关状态1(S1＝1,S4＝1)：

开关状态2(S1＝1,S2＝1)和开关状态4(S3＝1,S4＝1)：

开关状态3(S2＝1,S3＝1)：

式中：i_Li(k)、i_Li(k+1)分别表示位于母线i在k和k+1时刻LC滤波器的电感 电流；T_s表示采样时间；L表示LC滤波器的电感值；V_esi(k)、V_dci(k)分别表示 位于母线i在k时刻直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压。

欲使电感电流实测值快速跟踪电感电流参考值，建立电感电流为控制变量 的目标函数：

J_i＝|i_Li(k+1)-i_Liref|

式中：i_Liref表示位于母线i电感电流参考值；J_i表示位于母线i的目标函数。

目标函数J_i在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参考 值之间的误差，选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧，实 现电感电流实测值快速跟踪电感电流参考值。

二次控制器设计基于牵制控制的多直流电力弹簧一致性控制方法。基于牵 制控制，通过使用直流电力弹簧的本地信息和相邻信息获取多直流电力弹簧的 本地母线电压参考值：

式中：V_busi表示位于母线i的电压参考值；V_ref表示关键负载最优运行电压 值；x表示有功功率与电压的耦合系数；a_ij表示位于母线i和母线j电力弹簧间 的通信程度系数；p_esi和p_esj分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功功率；

和/>

分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功功率最大值；d_i表示牵 制控制系数，此处选择母线1为牵制控制节点，则d₁>0，d_i(i＝2,3,4)＝0；i_1ref和 i₁分别表示母线1的线路电流参考值和实际值。

定义直流母线1电流为输出变量y＝i₁，位于母线1的直流电力弹簧输出电 压为状态变量x＝V_es1，控制变量u＝i_L1ref，由图1得到状态变量x和控制变量u 可由输出变量及其微分量表示为：

式中：V_G表示电网电压；R₁、L₁分别表示电源到母线1线路的电阻和电感； V_n1和i_n1分别表示母线1的非关键负载的电压和电流；

分别表示平滑输 出变量的一阶导和二阶导；/>

表示微分算子；t表示时间。

定义跟踪误差为e＝y-y_ref，设计微分平滑反馈控制律为：

式中：K₁、K₂、K₃为控制器参数；

y_ref分别表示平滑输出变量 的参考值二阶导、参考值一阶导和参考值。将跟踪误差e＝(i_iref-i_i)代入二次控 制器各直流电力弹簧本地母线电压参考值的计算。其中，输出变量参考值为：

式中：V_bus1表示母线1的电压参考值。

多直流电力弹簧的分布式协调控流程图如图3所示，二次控制器通过使用 直流电力弹簧的本地和邻居有功功率信息获取本地直流母线电压参考值V_busi， 并将其代入系统电流方程得到电感电流参考值i_Liref，再送入目标函数，目标函 数J_i在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参考值之间的误 差，选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧，实现电感电流 实测值快速跟踪电感电流期望值。实现含多直流电力弹簧的直流微电网系统电 压平稳，供电可靠。

实施例2

为了验证多直流电力弹簧的分布式协调控制方法的正确性和有效性，考虑 应用于配电网的直流微电网系统，存在可再生能源出力波动使系统直流母线电 压不稳定时，通过Matlab/Simulink进行仿真验证。仿真系统电路参数如表1所 示。

表1

参数	数值
		电源至母线1线路电阻R1/Ω	0.4
电源至母线1线路电感L1/mH	1.07
		线路电阻R2-R4/Ω	0.1
母线1-2关键负载Rc1-Rc2/Ω	100
		母线3-4关键负载Rc3-Rc4/Ω	120
母线1-2非关键负载Rn1-Rn2/Ω	40
		母线3-4非关键负载Rn3-Rn4/Ω	50
LC滤波器电感值L/mH	6.6
		LC滤波器电容值C/uF	21
直流电力弹簧蓄电池电压Vdc/V	60

各段直流母线电压波形图如图4所示，图4(a)为直流微电网未安装直流电 力弹簧时的直流母线电压波形图。由图4(a)可以看出，未使用直流电力弹簧时， 直流母线电压偏离48V，且母线1电压在t＝0.05-0.1s之间超出关键负载工作电 压范围(45.6-50.4V)，母线电压波动较大。图4(b)为直流微电网安装直流电力弹簧时的直流母线电压波形图。由图4(b)可以看出，安装直流电力弹簧并采用 本发明的分布式协调控制方法后，各段直流母线电压在t＝1ms快速稳定在48 ±1V内，满足关键负载的工作电压范围，且母线电压波动较小。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和 布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅 此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖 教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结 构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使 用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或 元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围 内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的 执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明 的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他 替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展 至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的 所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于 实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项 目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时 的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所 述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种多直流电力弹簧的分布式协调控制方法，其特征在于：包括，

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线直流电力弹簧有功功率和母线中的线路电流；

基于含多直流电力弹簧的直流微电网系统主电路拓扑结构，得到各个母线直流电力弹簧输出电压、电感电流、储能电池电压；

建立以电感电流为控制变量的目标函数；

目标函数在下一个采样周期比较不同开关状态下电感电流预测值和参考值之间的误差；

选择误差最小化的开关组合，并将其应用于直流电力弹簧，实现电感电流实测值快速跟踪电感电流参考值；

所述目标函数的建立包括：

利用本地直流母线电压参考值和系统电流方程得到各个母线电感电流参考值；

利用直流电力弹簧开关状态求取电感电流预测值；

利用母线电感电流参考值和电感电流预测值建立目标函数；

所述电感电流参考值的获取过程具体包括

基于牵制控制，通过使用直流电力弹簧的本地和邻居有功功率获取本地直流母线电压参考值；

将所述本地直流母线电压参考值代入系统KCL方程，得到电感电流参考值所述本地直流母线电压参考值代数形式具体为：

式中：Vbusi表示位于母线i的电压参考值；Vref表示关键负载最优运行电压值；x表示有功功率与电压的耦合系数；aij表示位于母线i和母线j电力弹簧间的通信程度系数；pesi和pesj分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功功率；

和/>

分别表示位于母线i和母线j电力弹簧的有功功率最大值；di表示牵制控制系数，此处选择母线1为牵制控制节点，则d1>0，di(i＝2,3,4)＝0；i1ref和i1分别表示母线1的线路电流参考值和实际值；

所述将所述本地直流母线电压参考值代入系统KCL方程，得到电感电流参考值过程具体为：

联立系统KCL方程：

式中：iLiref表示母线i流过LC滤波器电感的电流参考值；Viref表示母线i的电压参考值；Vi-1ref表示母线i-1的电压参考值；Vi+1ref表示母线i+1的电压参考值；Ri表示母线i的线路阻抗；Ri+1表示母线i+1的线路阻抗；Rci表示位于母线i的关键负载；

可得直流母线1、2、3和4的电感电流参考值为：

所述求取电感电流预测值过程包括

定义S＝1代表开关管导通，S＝0代表开关管关断，S1、S2、S3和S4分别表示单相DC/DC变换器的四个开关管；

利用直流电力弹簧开关状态求取电感电流预测值：

开关状态1(S1＝1,S4＝1)：

开关状态2(S1＝1,S2＝1)和开关状态4(S3＝1,S4＝1)：

开关状态3(S2＝1,S3＝1)：

式中：iLi(k)、iLi(k+1)分别表示位于母线i在k和k+1时刻LC滤波器的电感电流；Ts表示采样时间；L表示LC滤波器的电感值；Vesi(k)、Vdci(k)分别表示位于母线i在k时刻直流电力弹簧的输出电压和储能电池电压；

所述得到各个母线直流电力弹簧有功功率和母线中的线路电流的过程包括

定义直流母线电流y＝i1为输出变量，状态变量x＝Ves1，控制变量u＝iL1re，用输出变量y及其微分量表示状态变量x和控制变量u；

定义跟踪误差为e＝yref–y，设计微分平滑反馈控制律得到跟踪误差值；

将跟踪误差值带入所述本地直流母线电压参考值代数形式得到本地直流母线电压参考值；

所述输出变量y及其微分量表示状态变量x和控制变量u的形式为：

式中：VG表示电网电压；R1、L1分别表示电源到母线1线路的电阻和电感；Vn1和in1分别表示母线1的非关键负载的电压和电流；

分别表示平滑输出变量的一阶导和二阶导；

表示微分算子；t表示时间；

所述微分平滑反馈控制律形式为

式中：K1、K2、K3为控制器参数；

y_ref分别表示平滑输出变量的参考值二阶导、参考值一阶导和参考值，将跟踪误差e＝(i_iref-i_i)代入二次控制器各直流电力弹簧本地母线电压参考值的计算；

所述目标函数Ji形式为

J_i＝|i_Li(k+1)-i_Liref|

式中：iLiref表示位于母线i电感电流参考值；Ji表示位于母线i的目标函数。

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