CN111525702A - 一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流微电网集群技术领域，具体提出了一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制技术，针对传统三次控制在复杂工作环境下动态性能较差的问题，对三次控制的动态性能进行了优化，并通过分布式控制框架、利用PFC算法大大减少了其计算量，解决了动态性能的优化与计算量大的矛盾问题，各直流微电网只需要与临近的单元通信，通过在一定范围内改变母线电压为代价，即可获得对电压、电流以及功率流动的完全控制，本发明主要用于降低直流微电网之间的电流偏差，使其最终趋于一致，实现各直流微电网的负载均衡，从而使可再生能源、电力电子器件寿命得到最大程度的利用。

Description

一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网集群技术领域，具体涉及一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法。

背景技术

近年来，微电网作为整合可再生能源、储能单元、功率变换器与负载的供电系统得到学术界与工业界的广泛关注。直流微电网内不存在类似交流系统中频率稳定、无功功率等问题，有效提高了电能质量与能量转化效率，由于直流母线电压是反映系统稳定的最主要指标，其控制难度也相对减小，具有较大的发展潜力。

直流微电网作为一种小惯性弱支撑系统，通常容量不大，而且不具备较好的抗干扰能力。随着单个直流微电网研究逐渐深入、其关键技术日渐完善，有学者提出多个直流微电网互联组成集群来提高系统可靠性与稳定性。

如已公开的文献《Distributed Tertiary Control of DC Microgrid Clusters》IEEE Transaction on Power Electronics(Volume:31，Issue:2，Feb.2016)，将多个直流微电网通过Π型传输线并联，通过三次控制策略，以改变母线电压参考值为代价实现了功率均衡。但文中三次控制采用线性PI算法调节，控制效果欠佳，导致调节时间长，母线电压跟踪速度慢，严重影响直流微电网间的功率流动，对系统的供电可靠性也极为不利。

本方案从算法方面对现有的三次控制方法提出改进，以期实现对直流微电网群落间的功率流动与能量管理的优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，以分布式控制为基本结构，在权衡母线电压的前提下，实现了整个直流微电网集群的功率均衡，并且改善了系统的动态性能，从而使可再生能源、电力电子器件寿命得到最大程度的利用，提高了微网互联的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，包括以下步骤：

步骤一：确定一个直流微电网集群，直流微电网集群由多个直流微电网单元互联组成；所述直流微电网集群还包括各个直流微电网单元构成的通信网络以及与通信网络连接的三次控制系统，所述三次控制系统由PFC控制器进行计算调节；

步骤二：所述通信网络用于采集对应直流微电网单元的电流信号并与三次控制系统进行通信；

步骤三：三次控制系统对电流信号进行处理，通过PFC算法得出电压偏差项，通过低带宽通信将电压偏差项送入底层控制，作为母线的电压的参考值以实现控制目标。

其中，本方案采用分布式控制结构，多个直流微电网单元通过π型联络线互联，各直流微电网单元只与相邻的单元通信，每个直流微电网单元由电压源、buck变换器及对应负载等组成，各直流微电网单元之间通过传输线连接。

关于PFC算法，其在实现过程中包括以下五个关键步骤：

1、设置基函数，具体如下：

PFC算法产生的电压偏差量是由已选定的基函数线性叠加而成，由于采用分布式控制结构，分别对每个直流微电网建立基函数即可，即：

从上式可以看出PFC算法中的控制输入量为三次控制产生的电压偏差，此参数与基函数的选择密切相关，基函数通常依据相邻被控模型的特性、控制精度以及控制过程的复杂度来进行折中选择；本发明选择阶跃函数作为基函数，对于每个已经选定的基函数g_kj(i)，可离线计算出该基函数对应的输出值，通过对不同的基函数输出值线性叠加，得到三次控制产生的电压偏差量，使各直流微电网母线电压值产生偏差，实现功率均衡；

2、设计参考轨迹，具体如下：

在PFC控制过程中，为了能够避免电压偏差量发生剧烈变化以及超调或者振荡现象，通常让被控系统跟随一条设定好的渐趋于设定值的参考轨迹，参考轨迹可用下式表示：

i_r(k+i|k)＝f(i(k),i_sp(k+i))

式中，i_r(k+i|k)为k时刻预测的k+i时刻的各直流微电网参考输出电流值；

f(i(k),i_sp(k+i))为与i(k)和i_sp(k+i)相关的函数；

i(k)为k时刻的实际输出电流值；

i_sp(k+i)为k+i时刻的设定输出电流值；

将参考轨迹设定为一阶指数的形式，即：

i_r(k+i|k)＝i_sp(k+i)-βⁱ(i_sp(k)-i(k))

式中，N_c为多项式的阶数；

c_j(k)为多项式的系数；

c₀(k)为一数值，由于输出电流设定值不变，c₀(k)的值即为该定值；

由上式可得PFC算法的参考轨迹表达式为：

3、设计预测模型，具体如下：

预测模型可根据当前母线电压状态量和电压偏差控制量来预测将来的母线电压值，考虑单个微电网的拓扑及内环控制器结构，采用状态空间平均法建立其小信号模型，并将得到的传递函数作为PFC算法的内部预测模型，其传递函数表达式如下：

式中，δv^t为预测模型的控制变量，即三次控制产生的电压偏差量；

i为预测模型的输出变量，即变换器的输出电流；

v_in为变换器的输入电压；

K_pv，K_pi分别为电压环与电流环的PI比例系；

L为网内变换器的电感；

C为网内变换器的输出电容；

R为直流微电网的负载电阻；

4、反馈校正，具体如下：

由于分层控制的控制层级较多，并且建立模型时存在误差、干扰、参数变化、以及模型失配等因素，导致其预测模型无法实际系统完全匹配，因此引入反馈校正，将误差量补偿到相邻直流微电网产生的母线电压之中，以校正模型预测值。

通常把误差量定义为：

e(k)＝i(k)-i_m(k|k-1)

对于k+i时刻的误差量可选为：

e(k+i)＝a_i·e(k)，i＝0,1,…P-1

其中：a_i为第i个时刻的误差补偿系数，为了后续计算方便，此处a_i取常数1；通过将该误差量反馈补偿到预测的相邻直流微电网的输出电流中，纠正了模型的输出值，使得反馈更加精确。校正后的模型输出值如下：

i_c(k+i|k)＝i_m(k+i|k)+e(k+i)；

5、滚动优化，具体如下：利用PFC算法在有限时域求解控制变量的最优解，即对三次控制产生的电压偏差量进行求解，并且在求解过程中对每一时刻通过滚动的方式实时更新下去，对于三次控制的运行提供了控制条件；

建立三次控制的目标函数为：

为i_c(k+h_i|k)为校正后的k+h_i时刻的母线电压值；

v_r(k+h_i|k)为k时刻预测的k+h_i时刻的参考轨迹值；

s为拟合点的个数；

h_i为拟合点的具体时刻值；

为求解最优控制量，对J(k)进行求偏导数，使得

则有：

μ(k)＝(G_k ^TG_k)^-1G_k ^TL(k)

令(G_k ^TG_k)^-1G_k ^T＝M，则

μ(k)＝M·L(k)

为了保证三次控制的电压偏差的准确性，通常只取当前时刻控制量作用于两个相邻直流微电网，则有：

其中：g_k(0)＝[g_k1(0) g_k2(0) … g_kN(0)]^T；

由以上计算可知，k₀，k₁，k₂的值均可通过离线求解得到，且c₀(k)、i(k)的值是已知的，因此，只需在线求解出直流微电网群的状态变量[i(k) v(k)]的值，即可推导出三次控制的控制输入量u(k)的具体表达式。

此外，拟合点的个数对闭环稳定性与鲁棒性产生影响，可经过多次调试，得出最优拟合点个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明对MPC采用分布式控制结构，各直流微电网只与相邻的单元通信，通过不断更新本地状态来完成其控制目标，且利用分布于微电网中的子控制器进行相应数据计算，将结果传送到底层，实现分层控制。提高了系统可靠性、可扩展性及灵活性，同时在通信网络出现单点故障或某个变换器出现故障时，系统仍然能正常运行，减少了集群的通信压力；

(2)与现有三次控制不同，本发明使用PFC算法对集群的三次控制进行调节，它对于线性系统和非线性系统都具有良好的适用性，将其与直流微电网内的DC/DC变换器相结合，往往比线性PI控制更具优势；

(3)本发明采用分布式预测三次控制方法，可显著改善系统的动态响应，有效避免变换器在高频运行时，大信号干扰带来的负面影响；

(4)PFC算法相比于其他预测控制算法具有算法简单、计算量小等优点，并采用分布式控制框架，降低了PFC的在线计算时间，解决了提高动态性能与预测控制计算量较大的矛盾问题。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中直流微电网集群结构示意图；

图2为本发明中所提分布式预测三次控制框图；

图3为本发明中分布式预测三次控制流程图；

图4(a),(b)分别为本发明中集群进行负载投切时母线电压与输出电流波形；

图5(a),(b)分别为本发明中集群中直流微电网3进行投切时母线电压与输出电流波形；

图6(a),(b)分别为本发明中集群中直流微电网1和3通信链路故障时母线电压与输出电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明可用于多个直流微电网集群间的控制，在此搭建了3个直流微电网互联的仿真平台，验证所提策略的可行性。每个直流微电网由电压源、buck变换器及对应负载等组成，各单元之间通过传输线连接，母线电压额定值选定为48V；如图1所示，其中，1为集群中的各个直流微电网，2为直流微电网互联时存在的线路阻抗，3为集群各个单元构成的通信网络；

图2为分布式预测三次控制框图，其中三次控制系统用来调节各个微电网单元流进或流出的功率，实现各直流微电网的功率均衡，图2中，1为通信网络，用于采集相邻单元的电流信号进行通信，2为电流偏差项e_k，其中b_nm为该级控制的邻接加权矩阵，i_n、i_m分别为直流微电网n、m的输出电流，3为本发明所提PFC控制器，具体设计过程见图3所示，

为该级控制产生的电压偏差项，最终通过低带宽通信送入底层控制作为母线的电压的参考值以实现控制目标；

图3为直流微电网集群完整的控制策略流程，先对参数进行初始化，然后根据时序采集相应时间的状态变量与输出变量，实现在有限时域内不断在线滚动下去，最终将得到是输入量传入初级控制，以改变母线电压为代价实现集群的功率均衡；

图4为负载跳变时，本发明所提控制下的母线电压及输出电流波形，可以看出启动时，仅有二次控制作用，集群内各微网单独运行在标称电压下，分别给负载提供额定功率，为三次控制提供稳定的环境，使各直流微电网能够实现互联；当t>0.005s时，分布式预测三次控制被激活，集群内快速产生电压偏差，导致三个直流微电网母线电压有所变化，最终使负载趋于一致，实现了整个集群功率均衡分配。稳态时，各直流微电网输出电流均衡，均为4A，当微电网1的负载从8Ω突变至5.3Ω，各直流微电网的母线电压及输出电流保持动态一致，同时传输线上的电流变化使各直流微电网输出电流重新均衡，均为5A。当微电网1的负载从5.3Ω突变至8Ω时，再次调节集群中的功率流动使各直流微电网功率均衡，输出电流均为4A；

图5给出了微电网3切出集群后母线电压与输出电流的运行情况，可以看出t<0.01s时，直流微电网集群在所提三次控制下稳定运行；t>0.01s时，将直流微电网3切出集群单独运行，其母线电压与输出电流恢复额定等级运行，剩余两个直流微电网进行重组，自适应调节三次控制实现功率分配，保证了集群内的各母线电压及输出电流保持动态一致，验证了本发明的即插即用功能；

图6给出了直流微电网1、3出现通信故障时的母线电压与输出电流波形，如图6所示，本发明采用了环形通信拓扑，该拓扑能够最大程度上减小通信冗余，同时保证任一通讯线路失效时不会导致系统失去连通性。t＝0.01s之前，系统稳定运行在环形通讯拓扑下，t＝0.01s时，1、3出现通讯故障，但通讯拓扑仍然连通，其波形在进行小幅震荡后恢复了稳定，可以看出本发明所提控制具有较高的运行可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定一个直流微电网集群，直流微电网集群由多个直流微电网单元互联组成；所述直流微电网集群还包括各个直流微电网单元构成的通信网络以及与通信网络连接的三次控制系统，所述三次控制系统由PFC控制器进行计算调节；

步骤二：所述通信网络用于采集对应直流微电网单元的电流信号并与三次控制系统进行通信；

步骤三：三次控制系统对电流信号进行处理，通过PFC算法得出电压偏差项，通过低带宽通信将电压偏差项送入底层控制，作为母线的电压的参考值以实现控制目标。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于：本方案采用分布式控制结构，多个直流微电网单元通过π型联络线互联，各直流微电网单元只与相邻的单元通信，每个直流微电网单元由电压源、buck变换器及对应负载等组成，各直流微电网单元之间通过传输线连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于，关于PFC算法，其在实现过程中包括以下步骤：

S1、设置基函数；

S2、设计参考轨迹；

S3、设计预测模型；

S4、反馈校正；

S5、滚动优化。

4.根据权利要求3所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于，S1中，PFC算法产生的电压偏差量是由已选定的基函数线性叠加而成，由于采用分布式控制结构，分别对每个直流微电网建立基函数即可，即：

从上式可以看出PFC算法中的控制输入量为三次控制产生的电压偏差，此参数与基函数的选择密切相关，基函数通常依据相邻被控模型的特性、控制精度以及控制过程的复杂度来进行折中选择；本发明选择阶跃函数作为基函数，对于每个已经选定的基函数g_kj(i)，可离线计算出该基函数对应的输出值，通过对不同的基函数输出值线性叠加，得到三次控制产生的电压偏差量，使各直流微电网母线电压值产生偏差，实现功率均衡。

5.根据权利要求4所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于，S2中，在PFC控制过程中，为了能够避免电压偏差量发生剧烈变化以及超调或者振荡现象，通常让被控系统跟随一条设定好的渐趋于设定值的参考轨迹，参考轨迹可用下式表示：

i_r(k+i|k)＝f(i(k),i_sp(k+i))

式中，i_r(k+i|k)为k时刻预测的k+i时刻的各直流微电网参考输出电流值；

f(i(k),i_sp(k+i))为与i(k)和i_sp(k+i)相关的函数；

i(k)为k时刻的实际输出电流值；

i_sp(k+i)为k+i时刻的设定输出电流值；

将参考轨迹设定为一阶指数的形式，即：

i_r(k+i|k)＝i_sp(k+i)-βⁱ(i_sp(k)-i(k))

式中，N_c为多项式的阶数；

c_j(k)为多项式的系数；

c₀(k)为一数值，由于输出电流设定值不变，c₀(k)的值即为该定值；

由上式可得PFC算法的参考轨迹表达式为：

6.根据权利要求5所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于：S3中，预测模型可根据当前母线电压状态量和电压偏差控制量来预测将来的母线电压值，考虑单个微电网的拓扑及内环控制器结构，采用状态空间平均法建立其小信号模型，并将得到的传递函数作为PFC算法的内部预测模型，其传递函数表达式如下：

式中，δv^t为预测模型的控制变量，即三次控制产生的电压偏差量；

i为预测模型的输出变量，即变换器的输出电流；

v_in为变换器的输入电压；

K_pv，K_pi分别为电压环与电流环的PI比例系；

L为网内变换器的电感；

C为网内变换器的输出电容；

R为直流微电网的负载电阻。

7.根据权利要求6所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于：S4中，由于分层控制的控制层级较多，并且建立模型时存在误差、干扰、参数变化、以及模型失配等因素，导致其预测模型无法实际系统完全匹配，因此引入反馈校正，将误差量补偿到相邻直流微电网产生的母线电压之中，以校正模型预测值。

通常把误差量定义为：

e(k)＝i(k)-i_m(k|k-1)

对于k+i时刻的误差量可选为：

e(k+i)＝a_i·e(k)，i＝0,1,…P-1

其中：a_i为第i个时刻的误差补偿系数，为了后续计算方便，此处a_i取常数1；通过将该误差量反馈补偿到预测的相邻直流微电网的输出电流中，纠正了模型的输出值，使得反馈更加精确。校正后的模型输出值如下：

i_c(k+i|k)＝i_m(k+i|k)+e(k+i)。

8.根据权利要求7所述的一种用于直流微电网集群的分布式预测三次控制方法，其特征在于：S5中，利用PFC算法在有限时域求解控制变量的最优解，即对三次控制产生的电压偏差量进行求解，并且在求解过程中对每一时刻通过滚动的方式实时更新下去，对于三次控制的运行提供了控制条件；建立三次控制的目标函数为：

为i_c(k+h_i|k)为校正后的k+h_i时刻的母线电压值；

v_r(k+h_i|k)为k时刻预测的k+h_i时刻的参考轨迹值；

s为拟合点的个数；

h_i为拟合点的具体时刻值；

为求解最优控制量，对J(k)进行求偏导数，使得

则有：

μ(k)＝(G_k ^TG_k)^-1G_k ^TL(k)

令(G_k ^TG_k)^-1G_kT＝M，则

μ(k)＝M·L(k)

为了保证三次控制的电压偏差的准确性，通常只取当前时刻控制量作用于两个相邻直流微电网，则有：

其中：g_k(0)＝[g_k1(0) g_k2(0) … g_kN(0)]^T；

由以上计算可知，k₀，k₁，k₂的值均可通过离线求解得到，且c₀(k)、i(k)的值是已知的，因此，只需在线求解出直流微电网群的状态变量[i(k) v(k)]的值，即可推导出三次控制的控制输入量u(k)的具体表达式。

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