CN113193545A - 一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，应用于虚拟直流发电机结构，所述虚拟直流发电机结构包括若干并联设置的电源，任意所述电源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上，所述DC/DC变换器与直流母线之间设置有线路阻抗；该方法包括：将虚拟直流发电机结构控制中的电枢电动势前馈至电压控制环节使所述电枢电动势在稳态时保持定值，从而恢复虚拟阻抗的下垂作用，实现电流调节。本发明方法可在提高系统运行稳定性的同时，实现负载电流的精确分配，该方法中虚拟阻抗在自适应调节时，无需变换器之间进行通信。

Description

一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法
技术领域
本发明涉及直流微电网运行控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法。
背景技术
与交流微电网相比，直流微电网更适合于各种分布式能源的灵活接入，可以减少损耗和成本，提高发电和配电效率，没有频率和相位问题，其发展受到了广泛关注。在直流微电网中，大多数分布式发电单元通过电力电子变换器连接到公共总线。如何在变换器之间实现准确的电流共享，同时又确保母线电压的稳定性，这是直流微电网中的关键问题。
下垂控制是当前研究最广泛的均流控制策略，它通过引入虚拟阻抗来调节电流分布。作为分布式控制的典型代表，下垂控制不需要依靠设备之间的通信，只需要本地信息即可实现自我管理和控制，从而提高了系统的可靠性和可扩展性。
然而，它在追求更高的均流精度和较小的电压偏差之间存在固有的矛盾。为了解决这一问题，文献《Adaptive Droop Control Strategy for Load Sharing andCirculating Current Minimization in Low-Voltage Standalone DC Microgrid》使用其自身和相邻转换器的数据来调整下垂系数，均流和压降之间的矛盾可以消除，但控制策略相对复杂。文献《An improved droop control method for dc microgrids based onlow bandwidth communication with dc bus voltage restoration and enhancedcurrent sharing accuracy》提出了一种改进的基于低带宽通信的下垂控制方法。每个转换器中使用平均电压和电流控制器，以同时提高均流精度并恢复直流母线电压。但是，这些方法需要转换器之间大量交互信息。因此，文献《Investigation of Nonlinear DroopControl in DC Power Distribution Systems:Load Sharing,Voltage Regulation,Efficiency and Stability》采用非线性控制方法来调节下垂系数，令下垂电阻为负载电流的函数，其值随输出电流的增加而增加。然而，以上文献未考虑传统电力电子设备缺乏惯性和阻尼的问题，当负载功率突然变化时，直流母线电压仍然会受到较大影响。对此，虚拟直流电机(virtual DC motor,VDCM)控制通过模拟直流电机外特性，可以为系统提供额外的惯性和阻尼支撑，受到了越来越多的研究。文献《Virtual DC machine:an inertiaemulation and control technique for a bidirectional DC–DC converter in a DCmicrogrid》以及文献《A virtual DC machine control strategy for dual activebridge DC-DC converter》将虚拟直流电机控制应用于储能和负载侧的转换器，以抑制母线电压波动。但只考虑了级联系统的稳定性，并未研究并联系统的稳定控制以及电流分配问题。
因此为了能够有效提高直流微电网运行的稳定性以及并联系统的电流分配精度，令虚拟直流电机控制具备惯性特性和下垂特性，并在降低系统通信压力的同时，使其避免传统下垂控制存在的固有矛盾成为研究的关键。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本申请提供一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法。本发明可在提高系统运行稳定性的同时，实现负载电流的精确分配，该方法中虚拟阻抗在自适应调节时，无需变换器之间进行通信。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，应用于虚拟直流发电机结构，所述虚拟直流发电机结构包括若干并联设置的电源，任意所述电源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上，所述DC/DC变换器与直流母线之间设置有线路阻抗；
该方法包括：
将虚拟直流发电机结构控制中的电枢电动势前馈至电压控制环节使所述电枢电动势在稳态时保持定值，从而恢复虚拟阻抗的下垂作用，实现电流调节。
进一步地，将虚拟直流发电机结构控制中的电枢电动势前馈至电压控制环节使所述电枢电动势在稳态时保持定值，包括：
对所述双向DC/DC变换器在VDCG控制中的电枢电阻进行自适应调节，从而调节电流分配。
进一步地，对所述双向DC/DC变换器在VDCG控制中的电枢电阻进行自适应调节，包括根据以下公式对虚拟阻抗进行自适应调节：
Figure BDA0003083048560000031
其中，Ra0为虚拟阻抗初始参考值，A为调节系数，kn为第n台变换器输出电流的比例分配系数，
Figure BDA0003083048560000032
为设置的平均参考电流值，定义其表达式如下：
Figure BDA0003083048560000033
其中，Iref表示负载电流的参考值，通过下式计算得到：
Figure BDA0003083048560000034
其中，UN表示母线电压额定值，Rload表示设置的初始负载值。
进一步地，该方法还包括当电流实现精确分配后，自动切除虚拟阻抗的自适应控制。
进一步地，所述双向DC/DC变换器工作在升压模式。
进一步地，所述虚拟直流发电机结构的负载侧可接入阻性负载或者恒功率负载。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出的基于虚拟直流发电机的无通信均流方法可在提高系统运行稳定性的同时，实现负载电流的精确分配，该方法中虚拟阻抗在自适应调节时，无需变换器之间进行通信；该装置考虑了各变换器单元的线路阻抗，可应用于多源并联的直流微电网，并且该装置结构简单，经济性高，均流速度快。
基于上述理由本发明可在直流微电网运行控制领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明采用的直流微电网结构图。
图2是本发明改进的虚拟直流发电机原理图。
图3是虚拟阻抗Ra变化时系统的奈奎斯特图。
图4是母线电压在负载突变时的仿真图。
图5是三台变换器均流时的仿真图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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发明的示例性实施方式。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。
图1是本发明直流微电网无通信均流方法实现采用的直流微电网结构图，电源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上，主要包括第一变换器1、第二变换器2、第n变换器3、第一线路阻抗4、第二线路阻抗5和第n线路阻抗6，所述变换器工作在升压模式，负载侧可接入阻性负载和恒功率负载。
以变换器1为例进行建模，得到变换器控制-输出的传递函数Gud(s)、控制-电感电流的传递函数Gid(s)、开环输出阻抗Zoo(s)：
Figure BDA0003083048560000051
Figure BDA0003083048560000052
Figure BDA0003083048560000053
图2是本发明改进的虚拟直流发电机控制原理图，图中J为转动惯量，D为阻尼系数，Tm为机械转矩，Te为电磁转矩，ω为实际机械角速度，ω0为额定机械角速度，CT为转矩系数，Φ为磁通，E为电枢电动势，Ra为电枢电阻即虚拟阻抗，Iref为变换器输出电流参考值，可得Iref与Tm之间的传递函数为：
Figure BDA0003083048560000054
式(4)可等效为一阶惯性环节，因此虚拟直流发电机环节可为系统提供额外的惯性和阻尼支撑。
进一步地，结合图2，可得闭环控制下单台变换器输出阻抗Zout(s)：
Figure BDA0003083048560000055
Figure BDA0003083048560000056
Figure BDA0003083048560000057
Figure BDA0003083048560000058
其中Gm＝1/Vm为PWM传递函数,G1(s)为电枢电动势偏差ΔE对母线电压偏差ΔU的传递函数，GPIi为电流PI控制器的传递函数。
进一步地，将VDCG控制中的电枢电动势E前馈至电压控制环节，另其在稳态时保持定值，从而恢复虚拟阻抗Ra的下垂作用：
Ubus＝Uon-RlinenIon (9)
式中Ubus表示直流母线电压，Uon表示第n台变换器的输出电压，Ion表示第n台变换器的输出电流，Rlinen表示第n台变换器侧的线路阻抗；
Uon＝E-IanRan (10)
式中Ian和Ran分别表示第n台变换器VDCG控制中的电枢电流和电枢电阻；
进一步地，由于采用VDCG模型对变换器进行控制时，有Ion＝Ian，且所有变换器稳态时Ubus和E一致，故结合式(9)、式(10)可得：
Figure BDA0003083048560000061
根据式(11)，负载电流与虚拟阻抗和线路阻抗之和成反比，通过调节虚拟阻抗Ran即可调节电流分配。
进一步地，对虚拟阻抗进行如下自适应调节：
Figure BDA0003083048560000062
式中Ra0为虚拟阻抗初始参考值，A为调节系数，kn为第n台变换器输出电流的比例分配系数，
Figure BDA0003083048560000063
为设置的平均参考电流值，定义其表达式如下：
Figure BDA0003083048560000064
其中Iref表示负载电流的参考值，通过下式计算得到：
Figure BDA0003083048560000065
式中UN表示母线电压额定值，Rload表示设置的初始负载值。
利用式(12)，通过比较
Figure BDA0003083048560000066
与Ian/kn的大小，另Ran相应的增大或减小，来促使
Figure BDA0003083048560000067
与Ian/kn的差值趋于0，由于电流比例分配信息已经包含在Ian/kn中，从而实现精确的负载电流分配，同时由于
Figure BDA0003083048560000068
通过计算得到，均流过程中无需变换器之间进行通信。
图3为虚拟阻抗Ra变化时，三台变换器并联时系统的奈奎斯特图，可以看出Ra从0.1Ω增大到2Ω时，奈奎斯特曲线逐渐接近(-1,0)点，系统稳定性逐渐降低，但总体距离(-1,0)点较远，系统任然具有较好的稳定性，据此虚拟阻抗初始值Ra0选为0.3Ω，并在此基础上进行自适应调整，较小的虚拟阻抗不会引起母线电压的明显跌落，进而避免了传统下垂控制中的固有矛盾。
进一步地，当电流实现精确分配时，自动切除虚拟阻抗的自适应控制，此时线路阻抗的差值已经被虚拟阻抗补偿掉，之后无论负载如何突变，系统均能保持良好的均流效果。
为了验证本发明的有效性，通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证，图4为母线电压动态特性仿真图，显示了负载突增突减时，传统下垂控制和改进后虚拟直流发电机控制下母线电压的波动情况，可以看出虚拟直流发电机控制有效地抑制了母线电压波动的幅值；图5为三台变换器在线路阻抗存在差异时的均流仿真图，可以看出在应用虚拟阻抗自适应控制后，经过较短的时间便实现了精确的负载电流分配，然后自动切除自适应控制，之后无论负载突增突减，均能保持良好的均流效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，应用于虚拟直流发电机结构，所述虚拟直流发电机结构包括若干并联设置的电源，任意所述电源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上，所述DC/DC变换器与直流母线之间设置有线路阻抗；
该方法包括：
将虚拟直流发电机结构控制中的电枢电动势前馈至电压控制环节使所述电枢电动势在稳态时保持定值，从而恢复虚拟阻抗的下垂作用，实现电流调节。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，将虚拟直流发电机结构控制中的电枢电动势前馈至电压控制环节使所述电枢电动势在稳态时保持定值，包括：
对所述双向DC/DC变换器在VDCG控制中的电枢电阻进行自适应调节，从而调节电流分配。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，对所述双向DC/DC变换器在VDCG控制中的电枢电阻进行自适应调节，包括根据以下公式对虚拟阻抗进行自适应调节：
Figure FDA0003083048550000011
其中，Ra0为虚拟阻抗初始参考值，A为调节系数，kn为第n台变换器输出电流的比例分配系数，
Figure FDA0003083048550000012
为设置的平均参考电流值，定义其表达式如下：
Figure FDA0003083048550000013
其中，Iref表示负载电流的参考值，通过下式计算得到：
Figure FDA0003083048550000014
其中，UN表示母线电压额定值，Rload表示设置的初始负载值。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，该方法还包括当电流实现精确分配后，自动切除虚拟阻抗的自适应控制。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，所述双向DC/DC变换器工作在升压模式。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟发电机的直流微电网无通信均流方法，其特征在于，所述虚拟直流发电机结构的负载侧可接入阻性负载或者恒功率负载。
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