CN112713581B - 一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统 - Google Patents

一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统，属于直流微电网技术领域，通过建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器与邻居转换器的二级控制信号的交互，得到中间状态；基于所述中间状态的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入；对所述状态估计输入进行积分，得到内部状态；基于本地转换器与邻居转换器的内部状态的交互，得到更新的二级控制信号；将所述更新的二级控制信号加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流，无需总线电压信息，系统可以在与系统初始状态无关的固定时间内实现稳定。

Description

一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统
技术领域
本发明属于直流微电网技术领域，具体涉及一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统。
背景技术
在直流微电网投入使用之前，需要采取一定的控制策略，以实现总线电压的额定调控和转换器的均流输出，确保每个分布式发电单元的稳定运行。下垂控制由于其本地实施、操作简单等优点被广泛使用，但存在线路阻抗带来的电压偏差和均流精度下降的缺陷。
于是，在下垂控制的基础上引入分布式二级控制，发电单元能够在稀疏的通信网络进行信息交互，补偿电压偏差的同时保证均流精度。基于多智能体分布式协同理论在直流微电网中的应用是当下的一个研究热门，但如何在控制器易于实施的情况下提高系统快速稳定的能力是一大难题。因此，设计一类分布式二级控制器，为方便操作无需采样传输总线电压信号，仅需本地采样信息和邻居传输信息，在与系统初始状态无关的固定时间内实现电压调节和均流，这对于直流微电网的简单快速稳定运行尤为重要。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法及系统，其目的在于针对直流转换器并联连接到总线的孤岛直流微电网，提出一种基于动态平均一致性算法的分布式固定时间二级控制器，无需采样传输总线电压信号，仅需采样本地信息和传输邻居信息，即可保证系统在固定时间上界内实现总线电压调节和转换器输出按比例均流。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法，包括：
(1)对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
(2)建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；
(3)基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；
(4)对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；
(5)基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；
(6)将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
(7)基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复步骤(2)-(6)，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
进一步地，所述内部控制基于电压电流双环PI控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值。
进一步地，所述稀疏通信网络中各转换器地位对等，仅相邻的转换器间进行通信。
进一步地，所述中间状态
Figure BDA0002843670480000021
其中，N为转换器个数，j∈Ni表示转换器j为本地转换器i的邻居，aij为二者的通信权重。
进一步地，所述状态估计输入hi(t)＝-αisign{pi(t)}-βisigμ{pi(t)}，其中，αi>0、βi>0为控制增益，μ>1为控制参数。
进一步地，所述更新的二级控制信号
Figure BDA0002843670480000031
Figure BDA0002843670480000032
其中，
Figure BDA0002843670480000033
Ii为第i个转换器的输出电流，Ri为第i个转换器到直流总线的线路阻抗，mi为第i个转换器的下垂控制增益。
另一方面，本发明提供了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的系统，包括：
控制模型建立模块，用于对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
分布式二级控制模块，用于建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；以及基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；以及对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；以及基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；
更新模块，用于将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
输出模块，用于基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复所述分布式二级控制模块以及更新模块的操作，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
相比现有的分布式二级控制方法，本方法不仅能够在固定时间上界内实现孤岛直流微电网的总线电压调控和转换器输出按比例均流，使得系统快速稳定；而且控制器不需要采集传输总线电压信号，仅需本地采样信号和邻居传输信号，使得控制器的投入使用更为简易方便，且对恒功率负载变化、即插即用能力以及通信链路故障具有弹性。
附图说明
图1为本发明提供的连接在直流总线上的第i个直流转换器及其多级控制结构图；
图2为本发明所提出的分布式二级控制器设计图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参阅图1，结合图2，本发明提供了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法，包括：
(1)对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
具体的，如图1所示，考虑多个直流转换器并联连接到单直流总线的微电网，其物理特性为：直流源的供电电压为Vs，Vi和Ii分别为第i个直流转换器的输出电压和电流，转换器到直流总线的线路阻抗为Ri，直流总线电压定义为Vbus。对于第i个直流转换器，其控制框架包含多级控制和内部转换器控制，其中多级控制包含下垂控制和分布式二级控制，内部转换器控制包括电压闭环PI控制和电流闭环PI控制，具体控制流程如下：首先，通过多级控制产生电压参考值：
Figure BDA0002843670480000051
其中V*为总线电压额定值，mi为下垂控制增益，ui(t)为待设计以改善微电网性能的二级控制信号；接着，通过内部转换器的电压电流双环PI控制生成PWM信号，作用于转换器的开启与关断。
由于电压电流双环PI控制可以驱使转换器的输出电压快速跟踪到其参考值，即：
Figure BDA0002843670480000052
考虑线路阻抗Ri带来的压降，总线电压为：Vbus(t)＝Vi(t)-RiIi(t)，那么，直流微电网的总线电压表达式如下：
Vbus(t)＝V*-(Ri+mi)Ii(t)+ui(t)
针对此类单总线直流微电网，其控制目标包括两部分，第一是调控总线电压维持在额定值；第二是保证N个转换器的输出电流按比例分配，即：
Vbus(t)＝V*,
Figure BDA0002843670480000053
其中，di和dj分别是第i个和第j个转换器期望的输出电流比例参数。
针对第i个直流转换器，定义一类动态“虚拟电压降”信号：
Figure BDA0002843670480000054
那么总线电压为：
Figure BDA0002843670480000055
定义总线电压误差为：
Figure BDA0002843670480000056
N个转换器的总线电压误差之和为：
Figure BDA0002843670480000057
其中，定义
Figure BDA0002843670480000061
为第i个转换器的控制误差，
Figure BDA0002843670480000062
为N个转换器动态“虚拟电压降”信号的平均值。
由此，可以将总线电压误差分析转变为单个转换器的控制误差分析，无需传输总线电压Vbus的全局信息，仅需在稀疏的通信网络中采集本地信息和传输邻居信息。
(2)建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；
具体的，如图2所示，建立N个直流转换器的稀疏通信网络，对于本地转换器i，若转换器j是其邻居即j∈Ni，那么它可以收到来自转换器j的通信信息；本地转换器的控制误差
Figure BDA0002843670480000063
与邻居转换器的控制误差
Figure BDA0002843670480000064
进行通信交互，实则也是它们的分布式二级控制ui(t)与uj(t)的通信交互，得到中间状态
Figure BDA0002843670480000065
(3)基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；
具体的，状态估计输入hi(t)＝-αisign{pi(t)}-βisigμ{pi(t)}，其中，sign{·}为符号函数，sigμ{·}＝|·|μsign{·}，αi>0、βi>0为控制增益，μ>1为控制参数。
(4)对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；
(5)基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；
具体的，更新的二级控制信号
Figure BDA0002843670480000066
Figure BDA0002843670480000067
其中，
Figure BDA0002843670480000068
Ii为第i个转换器的输出电流，Ri为第i个转换器到直流总线的线路阻抗，mi为第i个转换器的下垂控制增益。
(6)将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
(7)基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复步骤(2)-(6)，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
本发明另一方面提供了一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的系统，包括：
控制模型建立模块，用于对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
分布式二级控制模块，用于建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；以及基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；以及对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；以及基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；
更新模块，用于将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
输出模块，用于基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复所述分布式二级控制模块以及更新模块的操作，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
上述直流微电网分布式固定时间调压和均流的系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将直流微电网分布式固定时间调压和均流的系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述系统的全部或部分功能。
下面分析直流微电网的固定时间内总线电压调节和转换器输出均流。
所设计的分布式二级控制器可以在固定时间t*内实现转换器控制误差的收敛，即
Figure BDA0002843670480000081
由
Figure BDA0002843670480000082
可知，总线电压误差同样在固定时间t*内收敛，即
Figure BDA0002843670480000083
由于
Figure BDA0002843670480000084
可以实现固定时间调压目标：
Figure BDA0002843670480000085
由于
Figure BDA0002843670480000086
那么
Figure BDA0002843670480000087
Figure BDA0002843670480000088
由于
Figure BDA0002843670480000089
那么
Figure BDA00028436704800000810
Figure BDA00028436704800000811
在忽略线路阻抗的情况下实现固定时间均流目标：
Figure BDA00028436704800000812
具体的收敛时间上界t*如下式所示：
Figure BDA00028436704800000813
其中，αmin＝min{α1,…,αN},βmin＝min{β1,…,βN}，
Figure BDA00028436704800000814
为通信网络连通度，τ是和“虚拟电压降”信号的导数上界以及转换器个数N成正比，和系统通信网络连通度成反比的系统参量。
由此可以看到，针对第i个转换器设计分布式二级控制，可以通过增大参数αi和βi来减小收敛时间上界t*，但过大的参数会使得系统易受扰动的影响。因此，在一定范围内增大这两个参数，可以较好地提升系统的控制性能。
本发明通过动态平均一致性算法，使得二级控制信号在固定时间上界内达到一致稳态。相比现有的控制方法而言，所提出的方法实现了直流微电网在与系统初值无关固定时间内的总线电压调控和转换器按比例均流输出，系统快速稳定的同时无需反馈总线电压信号，控制器仅需采集本地信号和传输邻居信号，使得其投入使用操作简单，能够更好地保障直流微电网的稳定运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的方法，其特征在于，包括：
(1)对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
(2)建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；所述中间状态
Figure FDA0003703782770000011
其中，N为转换器个数，j∈Ni表示转换器j为本地转换器i的邻居，aij为二者的通信权重；
(3)基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；所述状态估计输入hi(t)＝-αisign{pi(t)}-βisigμ{pi(t)}，其中，sign{·}为符号函数，sigμ{·}＝|·|μsign{·}，αi>0、βi>0为控制增益，μ>1为控制参数；
(4)对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；
(5)基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；所述更新的二级控制信号
Figure FDA0003703782770000012
Figure FDA0003703782770000013
其中，
Figure FDA0003703782770000014
Ii为第i个转换器的输出电流，Ri为第i个转换器到直流总线的线路阻抗，mi为第i个转换器的下垂控制增益；
(6)将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
(7)基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复步骤(2)-(6)，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内部控制基于电压电流双环PI控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀疏通信网络中各转换器地位对等，仅相邻的转换器间进行通信。
4.一种直流微电网分布式固定时间调压和均流的系统，其特征在于，包括：
控制模型建立模块，用于对每个转换器建立控制模型，所述控制模型包括下垂控制、分布式二级控制和内部控制；通过所述下垂控制、分布式二级控制产生电压参考值；通过所述内部控制生成PWM信号，作用于转换器，使得每个转换器的输出电压跟踪其电压参考值；
分布式二级控制模块，用于建立转换器之间的稀疏通信网络，基于本地转换器i的二级控制信号ui(t)与邻居转换器j的二级控制信号uj(t)的交互，得到中间状态pi(t)；所述中间状态
Figure FDA0003703782770000021
其中，N为转换器个数，j∈Ni表示转换器j为本地转换器i的邻居，aij为二者的通信权重；以及基于所述中间状态pi(t)的符号函数及其分数指数幂，设计状态估计输入hi(t)；所述状态估计输入hi(t)＝-αisign{pi(t)}-βisigμ{pi(t)}，其中，sign{·}为符号函数，sigμ{·}＝|·|μsign{·}，αi>0、βi>0为控制增益，μ>1为控制参数；以及对所述状态估计输入hi(t)进行积分，得到内部状态ki(t)；以及基于本地转换器i的内部状态ki(t)与邻居转换器j的内部状态kj(t)的交互，得到更新的二级控制信号ui(t)；所述更新的二级控制信号
Figure FDA0003703782770000022
其中，
Figure FDA0003703782770000023
Ii为第i个转换器的输出电流，Ri为第i个转换器到直流总线的线路阻抗，mi为第i个转换器的下垂控制增益；
更新模块，用于将所述更新的二级控制信号ui(t)加到所述下垂控制中，得到更新的电压参考值；通过所述内部控制得到更新的输出电压，从而得到更新的总线电压；
输出模块，用于基于所述更新的二级控制信号ui(t)，重复所述分布式二级控制模块以及更新模块的操作，直至总线电压稳定，同时每个转换器输出均流。
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