CN112928746A - 一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，本发明通过在不同负载范围内，设计不同的下垂特性曲线，在系统负载切换后，自适应的对下垂特性曲线进行平滑准确的切换，实现更好的控制效果，为工程应用提供了很好的参考价值。对变流器输出特性曲线进行自适应平滑切换，为工程应用提供了很好的参考价值。本发明控制策略无需通讯，具有控制器复杂度低，可靠性高等优势；并且具有很强的灵活性以及自适应性，可在允许的母线电压偏差范围内，有效提升分布式单元间功率均分效果；本发明能够有效改善现有基于滞环的分段下垂控制策略的不足，从而大大提升了分段下垂工程应用的可能性。

Description

一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法
技术领域
本发明属于分布式直流微网协调控制研究领域，具体涉及一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法。
背景技术
电是现代人类文明不可或缺的一部分，传统发电主要依赖于煤、石油、天然气等化石燃料，与之相伴的是环境污染，能源枯竭，温室效应等一系列的问题。为此，基于光能、风能等可再生能源的微电网技术应运而生。现阶段，微电网主要可分为直流微网和交流微电网两大类，其中，直流微网以其更简单的拓扑结构，更强的系统可控性，以及更大的电能传输容量等优势得到了越来越多学者的青睐。
为了提高系统效率，延长分布式单元使用寿命，直流微网协调控制的一个重要目标之一就是能够实现各个分布式单元输出功率按其额定容量合理分配。各类方法中，下垂控制以其结构简单，无需通讯，可靠性高等优势，应用最为广泛。但是传统下垂控制采用固定下垂系数，因此存在功率均分效果与母线电压跌落之间相互制约的不足。为解决这一问题，诸多学者致力于改进下垂控制策略的研究，现阶段改进下垂控制策略主要可分为两大类：基于通讯的控制策略以及无通讯控制策略。
针对基于通讯的控制策略，其控制目标的实现有赖于通讯线路，因此存在可靠性低，成本以及系统复杂度高等缺点，难以应用于实际。
针对无通讯控制策略，现阶段主要分为3类：非线性下垂控制策略、基于线路电阻补偿的改进下垂控制策略以及分段下垂控制策略。非线性下垂控制策略通过将传统下垂控制中固定下垂系数用与变流器输出电流有关的多项式替代，有效改善了重载情况下的控制效果，但在轻载段甚至中载段，功率均分效果相比于传统下垂控制明显变差。基于线路电阻补偿的改进下垂控制策略通过对线路电阻测量估计之后进行反向补偿，有效减小了线路电阻对于功率均分效果的影响。但在实际应用中，受测量误差以及实际工况的影响，控制效果很难达到预期；此外，线路电阻的测量往往对直流微网的工作模式以及系统参数存在要求，例如系统需工作于并网模式或者直流母线电容需足够大。分段下垂控制策略通过在不同的负载范围内，灵活的设置不同的下垂特性曲线，实现更好的控制效果。相比于其他两种控制策略，分段下垂控制具有更强的灵活性以及自适应性，但是，如何实现负载切换后，下垂特性曲线之间平滑准确地切换，成为了限制分段下垂实际工程应用的重要问题。现阶段，不同下垂特性曲线之间的切换主要基于滞环特性，但是，该方法存在以下三方面不足：
1)滞环控制本质上属于单点瞬态切换，对于结构复杂的直流微网系统，输出特性曲线瞬间的跳变极易导致系统发生震荡；
2)滞环宽度设计受限于输出电流纹波峰峰值的影响，实际工况下，变流器元件参数受温度等影响因素常会发生变化，当主电路参数变化时，输出电流纹波峰峰值可能会超出了预设滞环宽度。此时，若变流器输出电流恰好落在切换点附近，便会引起输出特性曲线在两条不同的特性曲线之间来回跳变，从而导致整个系统不稳定；
3)加入滞环控制后，为了保证由于下垂控制引起的母线电压波动仍然在允许的范围之内，在实际下垂曲线设计中需要将滞环宽度考虑在内，由此导致各段下垂特性曲线的等效下垂系数小于理想下垂系数值，从而削弱了各分布式单元间的功率均分效果。
以上不足，导致基于滞环的分段下垂控制策略难以应用于工程实际。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，该控制策略能够实现负载变换后下垂特性曲线平滑准确的切换，从而实现更好的负载功率均分以及母线电压调节效果，提高直流微网整体协调控制性能。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
S1，计算变流器输出电流与分段下垂切换点电流的偏差值；
S2，将S1中得到的数值进行误差累积，之后送入限幅器中；
S3，限幅器输出的数值分两路处理；
第一路数值与参考电压叠加后，得到变流器实际空载输出电压参考；
第二路数值经比例调节器后与固定下垂系数叠加，得到变流器实际下垂系数；
S4，变流器实际空载输出电压参考减去变流器实际下垂系数与变流器输出电流的乘积，作为电容电压环参考电压；
S5，计算变流器输出电容电压与电容电压环参考电压的偏差，经比例积分调节器后，输出作为电感电流环参考电流；
S6，计算变流器电感电流与电感电流环参考电流的偏差，经比例积分调节器后，输出作为调节信号，调节信号经过PWM调制，产生驱动信号，用于驱动变流器。
S2中，当
Figure BDA0002900606520000031
稳态时，限幅器输出vs等于限幅器下限幅值Vs min；
当
Figure BDA0002900606520000032
稳态时，限幅器输出vs等于限幅器上限幅值Vs max；
其中，io为变流器输出电流，
Figure BDA0002900606520000033
为分段下垂切换点电流。
S2中，误差累积在积分调节器中进行，积分调节器的积分系数为
Figure BDA0002900606520000034
S3的计算方法如下：
Figure BDA0002900606520000035
其中，
Figure BDA0002900606520000036
为变流器实际空载输出电压参考，
Figure BDA0002900606520000037
为参考电压，vs为限幅器输出，rd_upd为变流器实际下垂系数，rd为固定下垂系数，n为比例系数。
S3中，当限幅器输出vs在稳态时等于限幅器下限幅值Vs min时，变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000041
及其实际下垂系数值rd_upd为：
Figure BDA0002900606520000042
当限幅器输出vs在稳态时等于上限幅值Vs max时，变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000043
及其实际下垂系数rd_upd为：
Figure BDA0002900606520000044
其中，
Figure BDA0002900606520000045
为参考电压，rd为固定下垂系数，n为比例系数。
S4的计算方法如下：
Figure BDA0002900606520000046
其中，
Figure BDA0002900606520000047
为电容电压环参考电压，
Figure BDA0002900606520000048
为变流器实际空载输出电压参考，rd_upd为变流器实际下垂系数，io为变流器输出电流。
与现有技术相比，本发明通过在不同负载范围内，设计不同的下垂特性曲线，在系统负载切换后，自适应的对下垂特性曲线进行平滑准确的切换，实现更好的控制效果，为工程应用提供了很好的参考价值。本发明控制策略无需通讯，具有控制器复杂度低，可靠性高等优势；并且具有很强的灵活性以及自适应性，可在允许的母线电压偏差范围内，有效提升分布式单元间功率均分效果；此外，本发明能够有效改善现有基于滞环的分段下垂控制策略的不足，从而大大提升了分段下垂控制工程应用的可能性。
附图说明
图1为本发明用于实现两分段下垂控制器结构图；
图2为本发明所实现的两分段下垂特性曲线示意图；
图3为本发明用于实现N分段下垂控制器结构图；
图4为本发明所实现的N分段下垂特性曲线示意图；
图5为仿真模型所需实现的两分段下垂特性曲线；
图6为基于滞环控制的两分段下垂控制器结构图；
图7为基于滞环控制的两分段下垂特性曲线示意图；
图8为仿真模型中基于滞环控制的两分段下垂特性曲线；
图9为负载切换前后所提控制策略的仿真波形图；其中(a)为切换前后两变换器限幅器输出仿真波形图；(b)为切换前后两变换器输出电流仿真波形图；
图10为负载电阻RL＝10Ω时两控制策略均流效果比较仿真波形图；
图11为负载电阻RL＝50Ω时两控制策略均流效果比较仿真波形图；
图12为基于滞环控制的N分段下垂控制下垂特性曲线示意图；
图13为基于滞环控制的两分段下垂控制策略在电流切换点附近控制效果仿真波形图；
图14为本发明两分段下垂控制策略在电流切换点附近控制效果仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明采用独特的控制结构，包括电感电流内环，电容电压环，下垂控制环以及下垂曲线调节环，控制器结构图如图1所示。图1所示控制器可用于实现两分段下垂控制，等效的分段下垂特性曲线如图2所示。当变流器输出电流io小于等于分界点电流
Figure BDA0002900606520000051
时，变流器下垂特性曲线为Seg I，当变流器输出电流io大于分界点电流
Figure BDA0002900606520000052
时，变流器下垂特性曲线为Seg II，其中
Figure BDA0002900606520000053
为变流器允许的最大输出电流。
本发明具体步骤如下：
1)计算变流器输出电流io与分段下垂切换点电流
Figure BDA0002900606520000054
的偏差Δio。
2)将变流器输出电流io与分段下垂切换点电流
Figure BDA0002900606520000055
的偏差值Δio经过积分调节器进行误差累积，积分器积分系数为
Figure BDA0002900606520000056
后通入后级限幅器；当
Figure BDA0002900606520000057
积分器输出vs为负，稳态时，vs等于限幅器下限值Vs min；当
Figure BDA0002900606520000061
积分器输出vs为正，稳态时，vs等于限幅器上限值Vs max。
3)限幅器输出的数值vs分为两路处理，其一，限幅器输出vs与参考电压
Figure BDA0002900606520000062
叠加后，得到变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000063
其二，限幅器输出vs经比例调节器1/n后与固定下垂系数rd叠加，得到变流器实际下垂系数rd_upd，如下式：
Figure BDA0002900606520000064
当限幅器输出vs稳态时等于限幅器下限幅值Vs min时，变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000065
及其实际下垂系数值rd_upd如式(2)，相应的下垂特性曲线如图2 Seg I。
Figure BDA0002900606520000066
当限幅器输出vs稳态时等于限幅器上限幅值Vs max时，变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000067
及其实际下垂系数rd_upd如式(3)，相应的下垂特性曲线如图2 Seg II。
Figure BDA0002900606520000068
4)变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000069
减去变流器实际下垂系数rd_upd与变流器输出电流io的乘积，作为电容电压环参考电压
Figure BDA00029006065200000610
如下式：
Figure BDA00029006065200000611
5)计算变流器输出电容电压voC与电容电压环参考电压
Figure BDA00029006065200000612
的偏差Δvo，Δvo经比例积分调节器Gv后，输出作为电感电流环参考电流
Figure BDA00029006065200000613
6)计算变流器电感电流iL与电感电流环的参考电流
Figure BDA00029006065200000614
的偏差ΔiL，ΔiL经比例积分调节器Gi后，输出作为调节信号，调节信号经过PWM调制，产生驱动信号d，用于驱动变流器；
通过并联多条下垂曲线调节回路，同时设置多个不同切换点电流值，所提控制策略可扩展用于实现N分段下垂控制。N分段下垂控制器结构图如图3所示，图中
Figure BDA00029006065200000615
为不同负载段分段下垂曲线的电流切换点，等效的N分段下垂特性曲线如图4所示。
本发明用于实现自适应多分段下垂控制的具体步骤如下：
1)变流器输出电流io分别与各个下垂曲线调节回路的电流切换点
Figure BDA0002900606520000071
进行比较，生成误差Δiok。
2)将变换器输出电流io与各个下垂曲线调节回路的电流切换点
Figure BDA0002900606520000072
的偏差值Δiok经过积分器进行误差累计，后通入后级限幅器；当
Figure BDA0002900606520000073
稳态时，vsk等于限幅器下限值
Figure BDA0002900606520000074
当
Figure BDA0002900606520000075
时，稳态时，vsk等于限幅器下限值
Figure BDA0002900606520000076
3)计算n分段下垂中，变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA0002900606520000077
及其实际下垂系数rd_upd如式(5)所示。
Figure BDA0002900606520000078
根据设计要求，通过选取不同的限幅器上限值
Figure BDA0002900606520000079
限幅器下限值
Figure BDA00029006065200000710
以及比例系数nk，可实现不同的分段下垂控制效果，从而有效增加了控制策略的灵活性与自适应性。
4)变流器实际空载输出电压参考
Figure BDA00029006065200000711
减去变流器实际下垂系数rd_upd与变流器输出电流io的乘积，作为电容电压环参考电压
Figure BDA00029006065200000712
如下式：
Figure BDA00029006065200000713
5)计算变流器输出电容电压voC与电容电压环参考电压
Figure BDA00029006065200000714
的偏差Δvo，Δvo经比例积分调节器Gv后，输出作为电感电流环参考电流
Figure BDA00029006065200000715
6)计算变流器电感电流iL与电感电流环的参考电流
Figure BDA00029006065200000716
的偏差ΔiL，ΔiL经比例积分调节器Gi后，输出作为调节信号，调节信号经过PWM调制，产生驱动信号d，用于驱动变流器；
具体的，以两分段下垂控制为例，对所提控制策略的有效性进行验证，同时将其控制效果与现有的基于滞环的分段下垂控制策略进行比较，证明其优势。
基于Matlab/Simulink仿真平台，搭建了孤岛状态下的直流微网仿真模型，模型包括两个并联的buck变换器，负载为电阻型负载。并联buck变换器主电路参数如表1所示。两变换器各控制环的控制器参数完全相同，其中电感电流环调节器Gi选用PI调节器，其比例系数
Figure BDA0002900606520000081
积分系数
Figure BDA0002900606520000082
电容电压环调节器Gv同样选用PI调节器，其比例系数
Figure BDA0002900606520000083
积分系数
Figure BDA0002900606520000084
表1仿真模型中两并联buck变换器的电路参数；
Figure BDA0002900606520000085
根据控制目标，电路参数以及传统下垂控制参数设计方法，设计如图5所示的分段下垂特性曲线。
针对本发明所提控制策略，为实现如图5所示分段下垂控制目标，需设计电压参考
Figure BDA0002900606520000086
分界点电流
Figure BDA0002900606520000087
限幅器上限值Vs max＝10，限幅器下限幅值Vs min＝0，比例系数n＝10。
针对基于滞环的分段下垂控制策略，控制器结构图如图6所示。令滞环宽度w＝1.6A，此时，滞环比较器左切换点
Figure BDA0002900606520000088
右切换点
Figure BDA0002900606520000089
根据滞环控制原理，为了保证母线电压偏差仍然在允许的范围内，如图5所示的预设分段下垂特性曲线无法被完全实现，考虑滞环控制在内的分段下垂特性曲线示意图如图7所示。针对已有仿真模型，最终确定的基于滞环控制的两分段下垂特性曲线如图8所示。相应的控制器参数为电压参考
Figure BDA00029006065200000810
下垂系数rd1＝10/5.8，下垂系数rd2＝20/5.8，电压补偿Vs min＝0，电压补偿Vs max＝142/5.8。
基于所搭建仿真模型，本发明仿真实验包括：本发明可行性验证实验、本发明与基于滞环的分段下垂控制策略稳态负载功率均分效果比较实验、本发明与基于滞环的分段下垂控制策略电流切换点附近控制效果比较实验。
1)实验1:本发明可行性验证实验
基于所搭建仿真模型，t＝0.35s时将负载电阻RL从50Ω切换至10Ω，此时，由于负载增加，两变换器的下垂特性曲线发生从Seg I到Seg II的切换，切换过程中两变换器的限幅器输出vs以及输出电流io分别如图9的(a)和(b)所示。从结果可以看出，本发明可实现负载切换后，变换器下垂特性曲线准确平滑的切换，具备可行性及有效性。
2)实验2:负载功率均分效果比较实验
基于所搭建仿真模型，分别对两种控制策略在Seg I和Seg II两段上的负载电流均分效果进行比较。
首先，令负载电阻RL＝10Ω时，两并联buck变换器输出电流的稳态工作点均位于Seg II，稳态时，两种控制策略下两变换器输出电流仿真波形如图10所示。
针对本发明所提控制策略，稳态时，变换器1的输出电流io1＝9.637A，变换器2的输出电流io2＝9.412A，单台变换器输出电流相对于平均电流的偏差为：
Figure BDA0002900606520000091
式中，iavr为所提控制策略下，两变换器输出电流的平均值，如下式：
Figure BDA0002900606520000092
针对基于滞环的分段下垂控制策略，稳态时，变换器1的输出电流i'o1＝9.647A，变换器2的输出电流i'o1＝9.378A，单台变换器输出电流相对于平均电流的偏差为：
Figure BDA0002900606520000093
式中，i'avr为基于滞环的分段下垂控制策略下，两变换器输出电流的平均值，如下式：
Figure BDA0002900606520000094
通过分析，可以看出，当变换器输出电流的稳态工作点位于Seg II时，cpro<chys，即所提控制策略具有更好的电流均分效果。
之后，令负载电阻RL＝50Ω，两变换器的稳态工作点均位于Seg I，稳态时，两种控制策略下两变换器输出电流仿真波形如图11所示。按照前述分析思路，可以看出，当变换器输出电流的稳态工作点位于Seg I时，所提控制策略具有更好的电流均分效果。
综上，当滞环宽度设计为1.6A时，无论在轻载段还是重载段，本发明所提控制策略下两变换器输出电流差值都要小于基于滞环控制的两分段下垂控制策略，即在全负载段本发明具有更好的功率均分效果；此外，通过分析可以看出，随着滞环宽度的增加，所提控制方法在电流均分效果方面的优势也更加明显。
基于滞环控制的分段下垂控制策略同样可以扩展至多分段下垂控制，基于滞环控制的N分段下垂控制等效的变换器输出特性曲线如图12所示。可以看出，随着分段数的增加，各段下垂系数在设计时受滞环宽度的影响也相应增加，所提控制方法在功率均分效果方面的优势也相应的更加明显。
3)实验3：电流切换点附近控制效果比较实验
基于所搭建仿真模型，首先，将两变换器线路电阻同时修改为0.1欧姆，负载电阻设置为20欧姆。之后，改变基于滞环的分段下垂控制策略中的两变换器的滞环宽度至0.4A，使得滞环宽度小于电流纹波峰峰值1.2A，用于模拟受实际工况影响下，变换器输出电流纹波峰峰值超过预设滞环宽度的情况。仿真得到的两并联变换器输出电流波形如图13所示，可以看出，由于输出电流在切换点附近来回变化，导致系统处于工作状态不断切换的不稳定的状态。
相比，本发明所提控制策略下两并联变换器输出电流仿真波形如图14所示。可以看出，由于控制器设计不受电流纹波的影响，实际工况引起的参数变化并不会对系统稳定性造成影响，即本发明所提控制策略对于简化控制器设计，保证系统稳定性方面具有更强的优势。
综上，本发明为了验证控制策略可行性及其相较于现有基于滞环的分段下垂控制策略的优势，作者基于Matlab/Simulink仿真平台，搭建了直流微网仿真模型，包括两台并联的buck变换器，负载为纯电阻负载。仿真结果表明，本发明所提控制策略可有效实现负载变化时，下垂特性曲线之间的平滑准确的切换，从而有效改善传统下垂控制所存在的功率均分效果与母线电压偏差之间相互制约的问题。此外，相比于现有的基于滞环的分段下垂控制策略，本发明所提控制策略控制器设计更加简单，可以更好的保证系统的稳定性，同时，在相同的电压偏差范围内，可实现更好的功率均分效果。该控制策略正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (6)

1.一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算变流器输出电流与分段下垂切换点电流的偏差值；
S2，将S1中得到的数值进行误差累积，之后送入限幅器中；
S3，限幅器输出的数值分两路处理；
第一路数值与参考电压叠加后，得到变流器实际空载输出电压参考；
第二路数值经比例调节器后与固定下垂系数叠加，得到变流器实际下垂系数；
S4，变流器实际空载输出电压参考减去变流器实际下垂系数与变流器输出电流的乘积，作为电容电压环参考电压；
S5，计算变流器输出电容电压与电容电压环参考电压的偏差，经比例积分调节器后，输出作为电感电流环参考电流；
S6，计算变流器电感电流与电感电流环参考电流的偏差，经比例积分调节器后，输出作为调节信号，调节信号经过PWM调制，产生驱动信号，用于驱动变流器。
2.根据权利要求1所述的一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，S2中，当
Figure FDA0002900606510000011
稳态时，限幅器输出vs等于限幅器下限幅值Vs min；
当
Figure FDA0002900606510000012
稳态时，限幅器输出vs等于限幅器上限幅值Vs max；
其中，io为变流器输出电流，
Figure FDA0002900606510000013
为分段下垂切换点电流。
3.根据权利要求1所述的一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，S2中，误差累积在积分调节器中进行，积分调节器的积分系数为
Figure FDA0002900606510000014
4.根据权利要求1所述的一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，S3的计算方法如下：
Figure FDA0002900606510000015
其中，
Figure FDA0002900606510000016
为变流器实际空载输出电压参考，
Figure FDA0002900606510000017
为参考电压，vs为限幅器输出，rd_upd为变流器实际下垂系数，rd为固定下垂系数，n为比例系数。
5.根据权利要求1所述的一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，S3中，当限幅器输出vs在稳态时等于限幅器下限幅值Vs min时，变流器实际空载输出电压参考
Figure FDA0002900606510000021
及其实际下垂系数值rd_upd为：
Figure FDA0002900606510000022
当限幅器输出vs在稳态时等于上限幅值Vs max时，变流器实际空载输出电压参考
Figure FDA0002900606510000023
及其实际下垂系数值rd_upd为：
Figure FDA0002900606510000024
其中，
Figure FDA0002900606510000025
为参考电压，rd为固定下垂系数，n为比例系数。
6.根据权利要求1所述的一种直流微网变流器的自适应分段下垂控制方法，其特征在于，S4的计算方法如下：
Figure FDA0002900606510000026
其中，
Figure FDA0002900606510000027
为电容电压环参考电压，
Figure FDA0002900606510000028
为变流器实际空载输出电压参考，rd_upd为变流器实际下垂系数，io为变流器输出电流。
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