CN112039047A - 一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法，一次控制环节与二次控制环节相结合形成分布式协调控制；二次控制环节：以一致性算法为基础，以电网中各节点的母线电压作为输入，输出一次控制参考电压；一次控制参考电压是以母线额定参考电压为基础，并增加用于使母线电压满足期望母线电压的修正项；期望母线电压是指节点的电压不平衡度满足期望电压不平衡度时的母线电压；期望电压不平衡度是节点与其相邻节点在电压不平衡度上趋于一致时节点的电压不平衡度；一次控制环节：采用下垂控制，根据一次控制参考电压调节直流变换器的输出电压，从而调节各节点的电压不平衡度。本发明考虑了电网的可靠性和稳定性要求，能够有效调节电网中正、负极间多节点的不平衡电压。

Description

一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法

技术领域

本发明涉及双极直流微电网技术领域，尤其是不平衡电压控制方法。

背景技术

直流微电网具有结构简单、控制容易、供电容量大、电能质量高等优点，其中相比于单极直流微电网，双极直流微电网提供更多电压等级接口，电压等级可灵活变换，同时其对AC/DC变换器的利用率高。此外，当某一极发生故障时，另一极可继续保持运行，系统具有更高的可靠性和安全性。但正、负极的电源、负荷和线路参数等不平衡会在中线产生不平衡电流，进而增加线路损耗，同时使正、负极母线电压偏离额定值。当某一节点的负荷严重不平衡时，不平衡度可能超标，甚至触发中线的不平衡电压保护。为灵活调节双极直流微网的电压不平衡度，同时使母线电压运行在合理范围内，须设计一种不平衡电压控制系统，保证直流负荷的正常运行

现阶段双极直流微电网的不平衡电压的抑制可从源侧和网侧出发，通过增加不平衡补偿控制环节减小不平衡电流引起的线路损耗和电压偏差，主要采用可抑制不平衡电压的AC/DC变换器、在AC/DC变换器的出口安装电压平衡器等方法，但均只考虑单个变换器的不平衡电压抑制，而未考虑不同节点变换器间分布式电源参与不平衡度调节的协调能力，针对双极直流微电网中多节点间的不平衡电压协调控制，现阶段还没有较为成熟的设计方案，阻碍着双极直流微电网的发展。

因此，为了促进双极直流微电网的发展。现提出一种双极直流微电网不平衡电压控制系统设计方法，充分考虑了双极直流微电网的可靠性和稳定性要求，能够有效调节双极直流微电网中正、负极间多节点的不平衡电压，为双极直流微电网的设计及不平衡电压控制提供了基础。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种双极直流微电网的不平衡电压控制系统，解决如何调节双极直流微电网中正、负极间多节点的不平衡电压的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法，包括以下步骤：

获取双极直流微电网中正极直流母线与负极直流母线上各节点的电气量数据，包括各节点的母线电压，所述母线电压包括正极直流母线电压与负极直流母线电压；

二次控制环节：以一致性算法为基础，以双极直流微电网中各节点的母线电压作为输入，以一次控制参考电压作为输出；所述一次控制参考电压包括正极一次控制参考电压与负极一次控制参考电压；一次控制参考电压是以母线额定参考电压为基础，并增加用于使母线电压满足期望母线电压的修正项；所述期望母线电压是指节点的电压不平衡度满足期望电压不平衡度时的母线电压；所述期望电压不平衡度是节点与其相邻节点在电压不平衡度上趋于一致时节点的电压不平衡度；

一次控制环节：采用电压下垂控制作为一次控制环节，根据二次控制环节输出的一次控制参考电压计算直流变换器的开关占空比，从而通过开关占空比控制各分布式直流电源的正、负极输出电压来调节各节点的电压不平衡度。

进一步的，电压不平衡度的计算公式如下：

其中v_hbi为双极直流微电网中第i个节点的电压不平衡度，v_pi、v_ni表示第i个节点的正、负极母线电压，下标p、n分别表示正、负极。

进一步的，期望电压不平衡度按如下公式计算：

其中，v′_hbi为双极直流微电网中第i个节点的期望电压不平衡度；j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点；a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，j∈{1,...,N}，N表示第i个节点的相邻节点总数；v_hbi和v_hbj分别为第i和第j个节点的电压不平衡度。

进一步的，期望母线电压按如下公式计算：

其中，v′_pi和v′_ni分别为第i个节点的正极期望母线电压、负极期望母线电压。

进一步的，还包括对母线平均电压进行控制以保证母线电压能够稳定运行：在二次控制环节中，以母线额定参考电压为基础，增加用于使母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项。

进一步的，母线平均电压按如下方式计算：

其中，v_pi、v_ni分别表示第i个节点的正、负极母线电压，j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点，a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，v_avgpi表示第i个节点的正极母线平均电压，v_avgni表示第i个节点的负极母线平均电压，v_avgpj表示第j个相邻节点的正极母线平均电压，v_avgnj表示第j个相邻节点的负极母线平均电压。

进一步的，一次控制参考电压计算公式如下：

其中，

和

分别作为一次控制环节的正极一次控制参考电压、负极一次控制参考电压，v_ref为母线额定参考电压，Δv′_pi表示用于使正极母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项，Δv′_ni表示用于使负极母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项，Δv″_pi为用于使正极母线电压满足期望正极母线电压的修正项，Δv″_ni为用于使负极母线电压满足期望负极母线电压的修正项。

与现有技术相比，本发明具有的优点包括：

1、本发明通过期望电压不平衡度将多个相邻节点间的电压不平衡度关联起来，克服了现有技术中孤立调节单个节点的不平衡性的缺陷。同时本发明通过二次控制环节与一次控制环节的配合，实现了分布式电源参与不平衡度调节：二次控制环节产生一次控制参考电压作为一次控制环节输出占空比的基准。

2、本发明不仅能够通过调节电压不平衡度使正、负极间多节点的不平衡电压趋于平衡，同时通过母线平均电压的修正，使母线电压能够稳定运行。母线平均电压也以一致性算法为基础进行计算，进一步促使正、负极间多节点的不平衡电压趋于平衡。

3、本发明提供的双极直流微电网不平衡电压控制系统设计方法，充分考虑了双极直流微电网的可靠性和稳定性要求，能够有效调节双极直流微电网中正、负极间多节点的不平衡电压。

附图说明

图1为本具体实施方式中双极直流微电网的简化模型；

图2为一次控制环节的原理框图；

图3为二次控制环节的原理框图；

图4为相邻节点间的通信原理示意图。

具体实施方式

一、理论研究

在电压不平衡度定义式的基础上，利用双极直流微电网简化模型(参考图1所示)，计算得到电压不平衡度与负载、中线电阻及正、负极电源电压的函数关系。

不平衡度是评估双极直流微电网电压不平衡的一项指标，定义电网中第i个节点的电压不平衡度为：

其中，v_hbi为双极直流微电网中第i个节点的电压不平衡度，v_pi、v_ni分别表示第i个节点的正、负极母线电压，下标p、n分别表示正、负极。

双极直流微电网简化模型参见图1，其中节点电压和电流满足：

其中，R_p、R_n分别为正、负极负载，R_Lp、R_Ln、R_m分别为正极、负极、中线线路电阻，i_p、i_n、i_m分别为正极、负极、中线电流，v_sp、v_sn分别为正、负极输出电压，在本发明中正、负极线路阻抗相等，即R_Lp＝R_Ln＝R_L。

求解可得不平衡度与负载、中线电阻及正、负极电源电压的关系为：

由上式可知，在负载、中线电阻固定的情况下，双极直流微电网中节点的电压不平衡度会随正、负极输出电压的变化而变化。

二、双极直流微电网不平衡电压控制方法

一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法，包括以下步骤：

获取双极直流微电网中正极直流母线与负极直流母线上各节点的电气量数据，包括各节点的母线电压，所述母线电压包括正极直流母线电压与负极直流母线电压；

二次控制环节：以一致性算法为基础，以双极直流微电网中各节点的母线电压作为输入，以一次控制参考电压作为输出；所述一次控制参考电压包括正极一次控制参考电压与负极一次控制参考电压；一次控制参考电压是以母线额定参考电压为基础，并增加用于使母线电压满足期望母线电压的修正项；所述期望母线电压是指节点的电压不平衡度满足期望电压不平衡度时的母线电压；所述期望电压不平衡度是节点与其相邻节点在电压不平衡度上趋于一致时节点的电压不平衡度；

一次控制环节：采用电压下垂控制作为一次控制环节，根据二次控制环节输出的一次控制参考电压计算直流变换器的开关占空比，从而通过开关占空比控制各分布式直流电源的正、负极输出电压来调节各节点的电压不平衡度。

基于一次控制环节与二次控制环节的原理，分别设计相应的控制器(一次环节控制器、二次环节控制器)，参见图2与图3所示。

1)一次控制环节：采用电压下垂控制作为一次控制环节，参见图2，其输入为二次控制环节输出的一次控制参考电压及正、负极负载电流，输出为控制变换器开关的占空比d。一次环节控制器包含电压下垂控制器和虚拟阻抗环，其中电压下垂控制器采用PI控制器，虚拟阻抗环按下式设计：

其中，v_dpi表示正极虚拟阻抗输出电压，v_dni表示负极虚拟阻抗输出电压，R_dpi表示正极虚拟阻抗，R_dni表示负极虚拟阻抗，i_pi表示正极负载电流，i_ni表示负极负载电流，下标i表示第i个节点。

将一次控制参考电压、母线电压与虚拟阻抗输出电压输入给PI控制器计算出电源输出电压控制量，并对电源输出电压控制量进行脉宽调制，从而得到直流变换器的开关占空比。

2)二次控制环节：以一致性算法为基础，其输入为双极直流微电网中各节点的母线电压，输出为一次控制环节的一次控制参考电压。参见图3，二次环节控制器包含不平衡电压观测器和电压不平衡度控制器。一致性算法的基本原理如下：

其中，ξ_i和ξ_j分别是节点i和节点j的状态变量，j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点；a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，j∈{1,...,N}，N表示第i个节点的相邻节点总数。

参考图4所示，各节点间通过稀疏的通信网络连接，并与相邻节点交换控制变量的信息，更新自身控制信息，达到控制变量的全局一致性。

基于一致性算法，构建二次控制环节中的不平衡电压观测器，参见图3，其输入为各节点的母线电压，输出为一次控制参考电压的第一个修正项。不平衡电压观测器可结合自身和相邻单元的信息实时更新下一时刻的平均电压输出量，进而有效估计双极直流微电网的母线平均电压，不平衡电压观测器如下：

其中，v_pi、v_ni分别表示第i个节点的正、负极母线电压，j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点，a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，v_avgpi表示第i个节点的正极母线平均电压，v_avgni表示第i个节点的负极母线平均电压，v_avgpj表示第j个相邻节点的正极母线平均电压，v_avgnj表示第j个相邻节点的负极母线平均电压。

经过PI控制，生成母线电压的第一个修正项：

其中，v_refp表示正极母线额定参考电压，v_refn表示负极母线额定参考电压，Δv′_pi表示用于使正极母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项，Δv′_ni表示用于使负极母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项，k_PVpi、k_PVni分别表示正、负极不平衡电压观测器的PI控制比例系数，k_IVpi、k_IVni分别表示正、负极不平衡电压观测器的PI控制积分系数。第一个修正项即为用于使母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项。

对于建立的双极直流微电网，如果从上到下是正负正负，正、负极母线额定参考电压就是一样的，v_refp＝v_refn＝v_ref。如果是正负负正，正、负极母线额定参考电压就有符号区别，在本具体实施方式中因为双极直流微电网的结构是第一种，所以正极和负极母线额定参考电压相同。

基于一致性算法，构建二次控制环节中的电压不平衡度控制器，参见图3，其输入为各节点正、负极的母线电压，输出为一次控制参考电压的第二个修正项。电压不平衡度控制器为：

其中，v′_hbi为双极直流微电网中第i个节点的期望电压不平衡度；j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点；a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，j∈{1,...,N}，N表示第i个节点的相邻节点总数；v_hbi和v_hbj分别为第i和第j个节点的电压不平衡度。

根据电压不平衡度定义式求解得电压不平衡度满足期望的不平衡度v′_hbi时的正、负极母线电压为：

其中，v′_pi和v′_ni分别为第i个节点的正极期望母线电压、负极期望母线电压。

经过PI控制，得到不平衡度控制器对正、负极母线电压的第二个修正项为：

其中，Δv″_pi为用于使正极母线电压满足期望正极母线电压的修正项，Δv″_ni为用于使负极母线电压满足期望负极母线电压的修正项，k_Phbpi、k_Phbni分别表示不平衡度控制器正、负极PI控制的比例系数，k_Ihbpi、k_Ihbni分别表示不平衡度控制器正、负极PI控制的积分系数。第二个修正项即为用于使母线电压满足期望母线电压的修正项。

将不平衡电压观测器和不平衡度控制器得到的两个修正项加到母线额定参考电压v_ref，可得双极直流微电网电压下垂控制的一次控制参考电压为：

其中，

和

分别作为一次控制环节的正极一次控制参考电压、负极一次控制参考电压，

本发明提供的双极直流微电网不平衡电压控制系统设计方法，充分考虑了双极直流微电网的可靠性和稳定性要求，能够有效调节双极直流微电网中正、负极间多节点的不平衡电压。

最后说明的是，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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取双极直流微电网中正极直流母线与负极直流母线上各节点的电气量数据，包括各节点的母线电压，所述母线电压包括正极直流母线电压与负极直流母线电压；

二次控制环节：以一致性算法为基础，以双极直流微电网中各节点的母线电压作为输入，以一次控制参考电压作为输出；所述一次控制参考电压包括正极一次控制参考电压与负极一次控制参考电压；一次控制参考电压是以母线额定参考电压为基础，并增加用于使母线电压满足期望母线电压的修正项；所述期望母线电压是指节点的电压不平衡度满足期望电压不平衡度时的母线电压；所述期望电压不平衡度是节点与其相邻节点在电压不平衡度上趋于一致时节点的电压不平衡度；

一次控制环节：采用电压下垂控制作为一次控制环节，根据二次控制环节输出的一次控制参考电压计算直流变换器的开关占空比，从而通过开关占空比控制各分布式直流电源的正、负极输出电压来调节各节点的电压不平衡度。

2.根据权利要求1所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，电压不平衡度的计算公式如下：

其中，v_hbi为双极直流微电网中第i个节点的电压不平衡度，v_pi、v_ni分别表示第i个节点的正、负极母线电压，下标p、n分别表示正、负极。

3.根据权利要求2所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，构建不平衡度控制器，期望电压不平衡度按如下公式计算：

其中，v′_hbi为双极直流微电网中第i个节点的期望电压不平衡度；j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点；a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，j∈{1,...,N}，N表示第i个节点的相邻节点总数；v_hbi和v_hbj分别为第i和第j个节点的电压不平衡度。

4.根据权利要求3所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，期望母线电压按如下公式计算：

其中，v′_pi和v′_ni分别为第i个节点的正极期望母线电压、负极期望母线电压。

5.根据权利要求1所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，用于使母线电压满足期望母线电压的修正项，按如下方式计算：

其中，Δv″_pi为用于使正极母线电压满足期望正极母线电压的修正项，Δv″_ni为用于使负极母线电压满足期望负极母线电压的修正项，k_Phbpi、k_Phbni分别表示不平衡度控制器正、负极PI控制的比例系数，k_Ihbpi、k_Ihbni分别表示不平衡度控制器正、负极PI控制的积分系数。

6.根据权利要求1所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，还包括对母线平均电压进行控制以保证母线电压能够稳定运行：在二次控制环节中，以母线额定参考电压为基础，增加用于使母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项。

7.根据权利要求6所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，构建不平衡电压观测器，不平衡电压观测器包括正极不平衡电压观测器与负极不平衡电压观测器，分别用于观测正、负极母线平均电压，母线平均电压按如下方式计算：

其中，v_pi、v_ni分别表示第i个节点的正、负极母线电压，j表示第i个节点的相邻节点中的第j个相邻节点，a_ij表示第i个节点与其第j个相邻节点之间的通信权重，v_avgpi表示第i个节点的正极母线平均电压，v_avgni表示第i个节点的负极母线平均电压，v_avgpj表示第j个相邻节点的正极母线平均电压，v_avgnj表示第j个相邻节点的负极母线平均电压。

8.根据权利要求7所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，用于使母线平均电压满足母线额定参考电压的修正项，按如下方式计算：

其中，v_refp表示正极母线额定参考电压，v_refn表示负极母线额定参考电压，Δv′_pi表示用于使正极母线平均电压满足正极母线额定参考电压的修正项，Δv′_ni表示用于使负极母线平均电压满足负极母线额定参考电压的修正项，k_PVpi、k_PVni分别表示正、负极不平衡电压观测器的PI控制比例系数，k_IVpi、k_IVni分别表示正、负极不平衡电压观测器的PI控制积分系数。

9.根据权利要求6所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，一次控制考电压计算公式如下：

其中，

和

分别作为一次控制环节的正极一次控制参考电压、负极一次控制参考电压，v_refp表示正极母线额定参考电压，v_refn表示负极母线额定参考电压，Δv′_pi表示用于使正极母线平均电压满足正极母线额定参考电压的修正项，Δv′_ni表示用于使负极母线平均电压满足负极母线额定参考电压的修正项，Δv″_pi为用于使正极母线电压满足期望正极母线电压的修正项，Δv″_ni为用于使负极母线电压满足期望负极母线电压的修正项。

10.根据权利要求1所述的双极直流微电网的不平衡电压控制方法，其特征在于，按如下方式输出占空比：将一次控制参考电压、母线电压与虚拟阻抗输出电压输入给PI控制器计算出电源输出电压控制量，并对电源输出电压控制量进行脉宽调制，从而得到直流变换器的开关占空比；所述虚拟阻抗输出电压包括正极虚拟阻抗输出电压与负极虚拟阻抗输出电压，计算公式如下：

其中，v_dpi表示正极虚拟阻抗输出电压，v_dni表示负极虚拟阻抗输出电压，R_dpi表示正极虚拟阻抗，R_dni表示负极虚拟阻抗，i_pi表示正极负载电流，i_ni表示负极负载电流。

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