CN111884201A - 一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法及系统，包含电压补偿和功率分配两个部分。本发明所述的电压补偿方法基于模糊控制，首先通过将各单元的输出电流与输出电压偏差进行模糊化后作为第一模糊控制器的输入量，经过模糊推理，得到电压补偿值，解决传统下垂控制母线电压跌落的问题。本发明所述功率分配方法基于模糊控制，首先将各单元的归一化输出电流与系统平均输出电流的偏差进行模糊化作为第二模糊控制器的输入量，经过模糊推理，得到可变的下垂系数调整值，最后经过积分器，作为下垂系数的补偿量，解决传统下垂控制功率分配不均问题。

Description

一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法及 系统

技术领域

本发明涉及直流微电网技术领域，特别是一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法及系统。

背景技术

随着光伏发电、储能系统等分布式能源的发展，直流微电网作为一种能够解决分布式发电系统不稳定的有效方案，受到广泛研究。直流微电网能够减小分布式发电系统直接并网对交流大电网造成的冲击，并且没有交流微电网中频率或者相位控制等问题，更加符合分布式发电系统的特性。分布式发电系统通过电力电子变换器连接在直流母线上，并且不同的分布式单元的额定功率不同，因此合理的功率分配和直流母线电压稳定是保证微电网稳定运行的关键。

通常的直流微电网控制方法是下垂控制，随着输出电流的增加，线性地减小输出电压的给定值，通过对下垂系数的设置来实现功率分配。传统的下垂控制其优点在于无需通信，实施简单，且具有即插即用，但是由于变换器间线路阻抗的存在，难以实现高精度的功率分配，且存在母线电压跌落问题。

为了解决传统下垂控制的缺点，研究人员提出许多基于次级控制的改进下垂控制。基于稀疏网络通信的分布式次级控制仅通过与邻近节点的有限通信实现分布式单元功率均分及系统平均电压调整，但是存在控制器设计复杂，受通信延时和测量误差影响大等缺点。而依赖于本地电压电流信息的分散式控制方法则存在功率分配精度低，母线电压波动大等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法及系统，能够解决传统下垂控制功率分配不均的问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对各变换器进行采样，得到每个变换器自身的输出电压U_oi和输出电流I_oi，并计算出每个变换器与给定电压U_ref的电压偏差Δv；其中，U_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电压，I_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电流；

步骤S2：针对每个变换器，将其输出电流I_oi以及电压偏差Δv送入作为电压补偿控制器的第一模糊控制器，输出模糊控制器输出量电压偏差δV，令新的电压给定值为V＝V_ref+δV；其中，V_ref为直流母线电压的给定值；

步骤S3：获取所有分布式单元的归一化输出电流值I_oi/k_i，计算系统的平均值电流

进而获取每个变换器与平均值电流的偏差ΔI；其中，k_i为第i个分布式单元所对应的变换器的功率容量比，n为系统内分布式单元的数量；

步骤S4：针对每个变换器，将变量ΔI送入作为功率分配控制器的第二模糊控制器，得到下垂系数的修正量δR，再经过积分器，得到新的下垂系数R'＝R+∫δR；其中，R表示初始下垂系数；

步骤S5：将新的电压给定值与新的下垂系数作用到传统下垂控制中，得到第i个分布单元所对应的变换器经过电压补偿和功率分配环节后的改进下垂控制的表达式：V_{ref_i}＝V-I_oiR'＝V_ref+δV-I_oi*(R+∫δR)。

进一步地，所述第一模糊控制器为二维模糊控制器。所述第一模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SA1：确定第一模糊控制器的输入量I_oi、Δv和输出量δV，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SA2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中，I_oi和δV采用梯形函数和三角形函数作为隶属度函数，Δv采用三角形函数作为隶属度函数；其中模糊推理规则按照两点要求建立：其一，输出电流越大，说明电压跌落越大，因此需要的电压补偿量越大；其二，电压偏差越大，说明电压跌落越大，需要的电压补偿量越大；

步骤SA3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法完成第一模糊控制器的设计。

进一步地，所述第二模糊控制器为一维模糊控制器。所述第二模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SB1：确定第二模糊控制器的输入量ΔI和输出量δR，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SB2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中采用三角形函数作为输入量ΔI和输出量δR的隶属度函数；其中模糊推理规则按照以下要求建立：电流偏差越大，输出下垂系数调整量越大；

步骤SB3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器的设计。

进一步地，还包括步骤S6：针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。

本发明还提供了一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配系统，包括n个分布式单元，每个分布式单元中均包括直流电源与移相全桥控制DC-DC变换器，直流电源通过移相全桥控制DC-DC变换器与直流母线相连，直流母线上并联有阻性负载；系统采用分布式控制，每个移相全桥控制DC-DC变换器中均设有基于传统下垂控制的初级控制器以及包含有电压补偿和功率分配环节组成的次级控制器；

其中，所述次级控制器运行如上文所述的方法步骤。

进一步地，所述初级控制器运行如下方法步骤：

针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明采用二次控制对传统下垂控制改进改进，保证了直流微电网的母线电压稳定，并且满足直流微电网内各单元变换器按照额定功率分配。

2、相比于基于一致性算法的控制器，本发明所提出的基于模糊控制的直流微电网次级控制可以在仅有电流信息作为通讯信息的情况下，实现各单元之间的高精度功率分配，且本发明采用的基于模糊控制的电压补偿方法，无需通信既可实现对母线电压的补偿，不仅减少了通信流量，同时减小了直流母线电压的波动，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的直流微电网系统电路结构图。

图2为本发明实施例的次级控制器的控制框图。

图3为本发明实施例的第一模糊控制器的输入输出隶属度函数示意图。

图4为本发明实施例的第二模糊控制器的输入输出隶属度函数示意图。

图5为本发明实施例的3台移相全桥DC-DC变换器并联在功率容量比为1:1:1下输出电流波形。

图6为本发明实施例的3台变换器并联组成的微电网系统的直流母线电压波形。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对各变换器进行采样，得到每个变换器自身的输出电压U_oi和输出电流I_oi，并计算出每个变换器与给定电压U_ref的电压偏差Δv；其中，U_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电压，I_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电流；

步骤S2：针对每个变换器，将其输出电流I_oi以及电压偏差Δv送入作为电压补偿控制器的第一模糊控制器，输出模糊控制器输出量电压偏差δV，令新的电压给定值为V＝V_ref+δV；其中，V_ref为直流母线电压的给定值；

步骤S3：每个变换器与直流微网系统内其余变换器单元进行通信，获取所有分布式单元的归一化输出电流值I_oi/k_i，计算系统的平均值电流

进而获取每个变换器与平均值电流的偏差ΔI；其中，k_i为第i个分布式单元所对应的变换器的功率容量比，n为系统内分布式单元的数量；

步骤S4：针对每个变换器，将变量ΔI送入作为功率分配控制器的第二模糊控制器，得到下垂系数的修正量δR，再经过积分器，得到新的下垂系数R'＝R+∫δR；其中，R表示初始下垂系数；

步骤S5：将新的电压给定值与新的下垂系数作用到传统下垂控制中，得到第i个分布单元所对应的变换器经过电压补偿和功率分配环节后的改进下垂控制的表达式：V_{ref_i}＝V-I_oiR'＝V_ref+δV-I_oi*(R+∫δR)。

在本实施例中，所述第一模糊控制器为二维模糊控制器，仅依赖本地单元信息即可实现直流微电网的电压补偿。所述第一模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SA1：确定第一模糊控制器的输入量I_oi、Δv和输出量δV，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SA2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中，I_oi和δV采用梯形函数和三角形函数作为隶属度函数，Δv采用三角形函数作为隶属度函数；其中模糊推理规则按照两点要求建立：其一，输出电流越大，说明电压跌落越大，因此需要的电压补偿量越大；其二，电压偏差越大，说明电压跌落越大，需要的电压补偿量越大；

步骤SA3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法完成第一模糊控制器的设计。

在本实施例中，所述第二模糊控制器为一维模糊控制器，不同单元之间的通讯信息仅需要归一化的输出电流信息，即可实现直流微电网的功率分配。所述第二模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SB1：确定第二模糊控制器的输入量ΔI和输出量δR，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SB2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中采用三角形函数作为输入量ΔI和输出量δR的隶属度函数；其中模糊推理规则按照以下要求建立：电流偏差越大，输出下垂系数调整量越大；

步骤SB3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器的设计。

在本实施例中，还包括步骤S6：针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。

本实施例还提供了一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配系统，包括n个分布式单元，每个分布式单元中均包括直流电源与移相全桥控制DC-DC变换器，直流电源通过移相全桥控制DC-DC变换器与直流母线相连，直流母线上并联有阻性负载；系统采用分布式控制，每个移相全桥控制DC-DC变换器中均设有基于传统下垂控制的初级控制器以及包含有电压补偿和功率分配环节组成的次级控制器；所述不同变换器采取全局通信方式，与系统内其余单元进行电流信息的交换；

其中，所述次级控制器运行如上文所述的方法步骤。其中次级控制器的电压补偿环节，采用模糊控制进行调节，模糊控制的输入量是各单元的自身输出电流I_oi和电压偏差Δv，输出量是母线补偿量δV。其中次级控制器的功率补偿环节，采用模糊控制进行调节，模糊控制的输入量是各单元的归一化输出电流I_oi/k_oi与系统平均电流I_avg的偏差ΔI，输出量是下垂系数的调整量δR，模糊控制器的输出再经过积分器，作为下垂系数的补偿量。

在本实施例中，所述初级控制器运行如下方法步骤：

针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。所述初级控制器的外环电压环和内环电流环都采用PI控制。

其中，传统下垂控制的控制方程为：V_{ref_i}＝V_ref-I_oi*R_di，其中R_di为第i个变换器的下垂电阻，V_{ref_i}为第i个变换器初级控制中外环电压环的给定值。本实施例即在传统下垂控制上增加了下垂系数补偿量和电压补偿量，从而实现提高系统的功率分配精度和保证直流母线电压的稳定。

接下来，本实施例以包括三个分布式单元的直流微电网为例进行说明。图1为直流微电网的电路拓扑图，3个移相全桥DC-DC变换器通过连接线连接至直流母线，共同为阻性负载供电。第i个移相全桥变换器的输出电压为V_oi，输出电流为I_oi，负载为R，线路阻抗为R_linei，i＝1,2,…,n，直流母线电压的给定值为V_ref。

传统下垂控制的控制方程为：V_{ref_i}＝V_ref-I_oi*R_di，其中R_di为第i个变换器的下垂电阻，V_{ref_i}为第i个变换器电压环的给定值。本实施例中直流母线电压额定值V_ref为220V，线路阻抗R_line1＝0.1Ω，R_line2＝0.3Ω，R_line3＝0.2Ω，初始下垂电阻R_di＝2Ω，功率容量比为k₁:k₂:k₃＝1:1:1。

本实施例所提出的次级控制如图2所示，包括基于模糊逻辑控制的功率分配环节和基于模糊控制的母线补偿环节。以第1个变换器为例，对于基于模糊控制的电压补偿环节，首先采样得到变换器的输出电压V_o1和输出电流I_o1，然后与给定值Vref求差，计算出电压偏差Δv，进入第一模糊控制器，得到电压补偿量δV，最后加上原来直流母线给定电压作为新的电压给定。而对于基于模糊控制的功率分配环节，首先通过通讯的方式，获取其他两个单元的归一化电流信息I_o2/k₂，I_o3/k₃，以及通过采样获取自身单元的归一化输出电流I_o1/k₁，从而计算出平均值

然后与自身单元的归一化输出电流I_o1/k₁求差，得出偏差量ΔI，进入第二模糊控制器，得到下垂系数调整量δR，最后进入积分器，得到新的下垂系数。

即改进后下垂控制的表达式为：V_{ref_i}＝V_ref+δV-I_oi*(R+∫δR)。

进一步地，第一模糊控制器按照如下步骤设计：

步骤一，确定第一模糊控制器的输入量I_oi、Δv和输出量δU，将其进行模糊化，定义模糊子集为:{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，即负大，负中，负小，零，正小，正中，正大；本实施例中，输入量I_oi的论域为：[0,5]，输入量Δv的论域为：[-10,10]，输出量δU的论域为：[-15,15]。

步骤二，定义输入输出隶属度函数关系，如图3所示，图3中，(a)为输入量1的隶属度函数，(b)为输入量2的隶属度函数，(c)为输出量的隶属度函数。

步骤三，建立模糊规则表，1.输出电流越大，说明电压跌落越大，因此需要的电压补偿量越大；2.电压偏差越大，说明电压跌落越大，需要的电压补偿量越大。下表为第一模糊控制器模糊规则表。

步骤四，采用重心法进行反模糊化。

进一步地，第二模糊控制器按照如下步骤设计：

步骤一，确定第二模糊控制器的输入量ΔI和输出量δR，将其进行模糊化，定义模糊子集为:{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，即负大，负中，负小，零，正小，正中，正大；本实施例中，输入量ΔI的论域为：[-0.5,0.5]，输出量δR的论域为[-0.5,0.5]。

步骤二，定义输入输出隶属度函数关系，如图4所示，图4中，(a)为输入量的隶属度函数，(b)为输出量的隶属度函数。

步骤三，建立模糊规则表，模糊推理规则按照以下要求建立：电流偏差越大，输出下垂系数调整量越大。第二模糊控制器的模糊规则表如下：

ΔI

NB

NM

NS

Z

PS

PM

PB

δR

NB

NM

NS

Z

PS

PM

PB

步骤四，采用重心法进行反模糊化。

进一步，改进下垂控制输出作为初级控制中变换器的电压控制环的给定，电压环采用PI控制，电压环的输出作为电流环的给定，电流环采用PI环，电流环的输出是移相角，进行PWM调制，生成移相全桥DC-DC变换器四个开关管的驱动波形，实现将系统母线电压恢复至给定值，并且高精度实现变换器的功率分配。

本实施例的仿真波形如图5和图6所示，仿真时在前0.15秒采用传统的下垂控制，给定电压为220V，三台变换器的初始下垂系数都设置为2，在后0.15秒采用本发明所提出的基于模糊控制的电压补偿和功率分配方法。可以发现在传统下垂控制下，由于线路阻抗的存在，三台变换器的输出电流存在偏差，且直流母线电压存在电压跌落。当在0.15秒时投入本发明所提的控制器时，三台变换器的输出电流趋于一致，且直流母线电压为219.3V。

综上，本实施例包含电压补偿和功率分配两个部分。所述的电压补偿方法基于模糊控制，首先通过将各单元的输出电流与输出电压偏差进行模糊化后作为第一模糊控制器的输入量，经过模糊推理，得到电压补偿值，解决传统下垂控制母线电压跌落的问题。所述的功率分配方法基于模糊控制，首先将各单元的归一化输出电流与系统平均输出电流的偏差进行模糊化作为第二模糊控制器的输入量，经过模糊推理，得到可变的下垂系数调整值，最后经过积分器，作为下垂系数的补偿量，解决传统下垂控制功率分配不均问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对各变换器进行采样，得到每个变换器自身的输出电压U_oi和输出电流I_oi，并计算出每个变换器与给定电压U_ref的电压偏差Δv；其中，U_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电压，I_oi为第i个分布式单元所对应的变换器的输出电流；

步骤S2：针对每个变换器，将其输出电流I_oi以及电压偏差Δv送入作为电压补偿控制器的第一模糊控制器，输出模糊控制器输出量电压偏差δV，令新的电压给定值为V＝V_ref+δV；其中，V_ref为直流母线电压的给定值；

步骤S3：获取所有分布式单元的归一化输出电流值I_oi/k_i，计算系统的平均值电流

进而获取每个变换器与平均值电流的偏差ΔI；其中，k_i为第i个分布式单元所对应的变换器的功率容量比，n为系统内分布式单元的数量；

步骤S4：针对每个变换器，将变量ΔI送入作为功率分配控制器的第二模糊控制器，得到下垂系数的修正量δR，再经过积分器，得到新的下垂系数R'＝R+∫δR；其中，R表示初始下垂系数；

步骤S5：将新的电压给定值与新的下垂系数作用到传统下垂控制中，得到第i个分布单元所对应的变换器经过电压补偿和功率分配环节后的改进下垂控制的表达式：V_{ref_i}＝V-I_oiR'＝V_ref+δV-I_oi*(R+∫δR)。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，所述第一模糊控制器为二维模糊控制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，所述第一模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SA1：确定第一模糊控制器的输入量I_oi、Δv和输出量δV，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SA2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中，I_oi和δV采用梯形函数和三角形函数作为隶属度函数，Δv采用三角形函数作为隶属度函数；其中模糊推理规则按照两点要求建立：其一，输出电流越大，说明电压跌落越大，因此需要的电压补偿量越大；其二，电压偏差越大，说明电压跌落越大，需要的电压补偿量越大；

步骤SA3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法完成第一模糊控制器的设计。

4.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，所述第二模糊控制器为一维模糊控制器。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，所述第二模糊控制器按如下步骤进行设计：

步骤SB1：确定第二模糊控制器的输入量ΔI和输出量δR，将其进行模糊化，定义模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

步骤SB2：定义输入输出隶属度函数，并建立模糊推理规则；其中采用三角形函数作为输入量ΔI和输出量δR的隶属度函数；其中模糊推理规则按照以下要求建立：电流偏差越大，输出下垂系数调整量越大；

步骤SB3：确定反模糊化方法，为了得到平滑的输出量，采用重心法，完成模糊控制器的设计。

6.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配方法，其特征在于，还包括步骤S6：针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。

7.一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配系统，其特征在于，包括n个分布式单元，每个分布式单元中均包括直流电源与移相全桥控制DC-DC变换器，直流电源通过移相全桥控制DC-DC变换器与直流母线相连，直流母线上并联有阻性负载；系统采用分布式控制，每个移相全桥控制DC-DC变换器中均设有基于传统下垂控制的初级控制器以及包含有电压补偿和功率分配环节组成的次级控制器；

其中，所述次级控制器运行如权利要求1-5任一项所述的方法步骤。

8.根据权利要求7所述的一种基于模糊控制的直流微电网电压补偿和功率分配系统，其特征在于，所述初级控制器运行如下方法步骤：

针对第i个分布式单元，将改进下垂控制的表达式V_{ref_i}送入初级控制器中电压控制环的给定，并将电压环的输出作为电流环的给定，将电流环的输出移相角进行PWM调制，生成本分布式单元中变换器四个开关管的驱动波形。

Images