CN113224767A - 直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法 - Google Patents

直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法 Download PDF

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CN113224767A CN202110593110.3A CN202110593110A CN113224767A CN 113224767 A CN113224767 A CN 113224767A CN 202110593110 A CN202110593110 A CN 202110593110A CN 113224767 A CN113224767 A CN 113224767A
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Abstract

本发明提供了一种用于改善直流微电网分布式次级控制中存在的通信延迟的改进方法，主要用于抬升因下垂控制造成的母线电压跌落，同时进一步提高多个并联单元输出电流的均流精度，从而降低地理上毗邻的直流微电网单元的通信压力，并提高了直流微电网系统的整体性能；本文所提出的通信延迟改进算法主要针对于一致性算法通信链路中存在的时间延迟，解决了因通信延迟而造成的一致性算法不能收敛以及直流微电网输出不稳定的问题。

Description

直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法
技术领域
本发明涉及直流微电网控制技术领域，具体涉及一种直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法。
背景技术
直流微电网的分布式次级控制因其对母线电压降落的补偿效果较好，所需通信量较少，可靠性高，且便于即插即用等优势而备受关注。为了实现分布式次级控制，文献《AnImproved Droop Control Method for DC Microgrids Based on Low BandwidthCommunication With DC Bus Voltage Restoration and Enhanced Current SharingAccuracy》IEEE Transactions on Power Electronics(vol.29，no.4，pp.1800-1812)，提出了一种分布式次级控制方案，通过低带宽通信网络采集其他单元的电压和电流信息，以实现次级控制电压补偿，然而该方法不是稀疏通信仍承受着较大的通信压力；文献《Distributed Secondary Control in DC Microgrid with Low-BandwidthCommunication Link》Power Electronics and Drive Systems TechnologiesConference(2016，pp.641-645)，文中将一致性算法引入到分布式次级控制中，其只需与邻居单元进行通信，就可以取得了良好的控制效果；文献《Effect of Communication Delayon Consensus-Based Secondary Controllers in DC Microgrid》IEEE Transactions onIndustrial Electronics(vol.68，no.4，pp.3202-3212)，文中论证了通信延迟对分布式次级控制的影响并给出了延迟裕度，但是其未给出改善通信延迟影响的改进方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善直流微电网分布式次级控制中存在的通信延迟的改进方法，以动态一致性算法为基础，在保证母线电压稳定的前提下，对一致性算法数据传输链路中存在的通信延迟，设计了相应的改进算法，以实现对通信延迟具有较强的鲁棒性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，包括以下步骤：
S1、在直流微电网并联单元的各个变换器单元中加入固定系数的下垂控制，此提高各单元输出电流的均流精度；
S2、在下垂控制的基础上，引入分布式次级控制并经PI控制器为每个单元产生一个次级电压补偿项以及电流补偿项；
S3、在分布式次级控制中引入一致性算法，通过将算法中的积分环节改为惯性环节并另外引入了一个反馈环路来增强系统的抗通信延迟能力。
S1中，加入固定系数的下垂控制后，此时各变换器单元的本地电压和直流母线电压可分别表示如下：
vdci＝vref-Rdi·idci (1)
vbus＝vref-(Rdi+Rli)·idci (2)
其中，vdci、idci分别为每个变换器的本地输出电压以及输出电流，vref为直流微电网系统的全局参考电压，Rdi和Rli分别为虚拟电阻和线路电阻。
在S2中，产生一个次级电压补偿项以及电流补偿项后，此时新的控制环路参考电压以及电压补偿项和电流补偿项可以分别表示为：
Figure BDA0003090285330000021
Figure BDA0003090285330000022
Figure BDA0003090285330000023
其中，kpv、kpi分别表示电压修正项和电流修正项PI控制器的传递函数，ci表示电压观测器和电流观测器间的耦合系数，
Figure BDA0003090285330000024
分别表示节点i和节点j输出电流的单位值。
在S3中，在次级控制中引入了一致性算法，连续的一致性算法及其及其闭环矩阵形式可以被分别表示为：
Figure BDA0003090285330000031
Figure BDA0003090285330000032
其中，i＝1，2，3…Ni代表节点的数量，Ni表示与节点i相邻的节点集合，ui是输入变量，aij是节点i与其邻居j的连接状态，且当为无向网络中时则存在aij＝aji；xi和xj分别是本地节点和邻居节点的状态变量；x＝{x1，x2，…xn}表示状态变量的向量形式，L是图G的拉普拉斯矩阵，其中的元素lij可以被定义为：
Figure BDA0003090285330000033
其中，图G的拉普拉斯矩阵可定义为L＝D-A，且D＝diag(d1，d2，…dn)是图G的度矩阵，并且在度矩阵中，所有的非对角线元素为0，对角线元素为与本地节点相邻节点的个数，当图G为由三个节点构成的环形通信网络时，拉普拉斯矩阵L可以被表示如下：
Figure BDA0003090285330000034
进一步的，将一致性算法运用于分布式次级控制中，则在一个迭代周期内，每个变换器单元接收其邻居单元的初始电压信息并分别与自身的初始电压做差值，并将该差值进行加权平均，从而产生下一时刻本节点的电压预测值，各节点反复执行上述迭代过程直至各节点的电压趋于平均一致，此时S2中的平均电压可以被表示为：
Figure BDA0003090285330000041
其中，vdci(t)、
Figure BDA0003090285330000042
分别为变换器节点i当前时刻的实时电压和一致性迭代产生的平均电压。
当存在通信延迟时，考虑各节点的通信延迟时间均为τij，由于各个节点的信息传输需要一定的时间，因而难以实时进行信息交换，此时的平均电压表示如下：
Figure BDA0003090285330000043
在一致性算法中，要实现平均一致性，其延迟上界必须满足：
Figure BDA0003090285330000044
针对可能存在的通信延迟以及根据仿真验证结果，在一致性算法的环路中添加一个中间变量z和反馈系数k来减缓通信延迟造成的不利影响，为简化公式，令yi＝xi-ui，其中ui为输入变量，则给出的具体形式如下：
Figure BDA0003090285330000045
Figure BDA0003090285330000046
其中，k为反馈系数，通过改变k值可以实现将原来一致性算法中的积分环节变为一阶惯性环节，为了进一步保护积分器以及增强抗噪声干扰能力，通过设置中间变量z相当于在原先的一致性算法中又加入了一个拉普拉斯矩阵L和积分器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过线路阻抗并联在同一公共直流母线上的各变换器单元采用无需通信的分散式下垂控制，不断地更新本地状态来实时控制目标，并将各自控制器计算产生的控制量作用于底层控制器。其有效提高了并联单元的均流精度，同时避免了单点故障的影响，实现即插即用的效果；
2、针对于下垂控制造成母线电压跌落的不利影响，采用了分布式次级控制，分布式次级控制器利用通信网络交换各变换器单元的信息，并产生一个电压补偿项送入到各单元的底层控制器中，从而有效抬升了直流母线电压，并进一步提高了均流精度；
3、在分布式次级控制中引入了动态一致性算法，每个变换器单元只需与相邻的单元进行通信，在经历较少次数的迭代即可实现各变换器单元的平均一致，从而有效降低了通信链路的复杂度，减缓了通信压力，同时可随时插入和拔出某一单元而不影响平均一致的实现，更便于即插即用；
4、在基于一致性算法的分布式次级控制中，各个变换器单元的数据传输需要一定的时间，因而信息在交换过程中会产生通信延迟。本发明采用了一种改进的一致性算法，通过将积分环节改为惯性环节。并另外引入了一个反馈环路来增强系统的抗通信延迟能力，从而提高了直流微电网系统的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中直流微电网下垂控制和次级控制结构框图；
图2为本发明中基于一致性算法的电压观测器的结构框图；
图3为本发明中对通信延迟改进的一致性算法结构框图；
图4中(a)，(b)，(c)分别为本发明中采用一致性算法进行次级控制各个微电网单元本地单元输出电压、电流波形以及直流母线上的电压和电流波形；
图5中(a)，(b)，(c)，(d)分别为本发明中通信延迟为0.2s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形以及通信延迟为0.6s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形；
图6中(a)，(b)，(c)，(d)分别为本发明中进行算法改进后通信延迟为0.6s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形以及通信延迟为1.0s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设定三个互联的直流微电网并联单元，各个单元通过线路电阻并接在直流母线上，且直流母线电压额定值为48V。采用分布式次级控制中对通信延迟的改进一致性算法，该方法的实现需完成以下几个步骤：
S1，首先在并联的各个变换器单元中加入固定系数的下垂控制，以此提高各单元输出电流的均流精度，此时各变换器单元的本地电压和直流母线电压可分别表示如下：
vdci＝vref-Rdi·idci (1)
vbus＝vref-(Rdi+Rli)·idci (2)
其中，vdci、idci分别为每个变换器的本地输出电压以及输出电流，vref为直流微电网系统的全局参考电压，Rdi和Rli分别为虚拟电阻和线路电阻。
S2，在下垂控制的基础上，引入分布式次级控制并经PI控制器为每个单元产生一个次级电压补偿项以及电流补偿项，此时新的控制环路参考电压以及电压补偿项和电流补偿项可以分别表示为：
Figure BDA0003090285330000071
Figure BDA0003090285330000072
Figure BDA0003090285330000073
其中，kpv、kpi分别表示电压修正项和电流修正项PI控制器的传递函数，ci表示电压观测器和电流观测器间的耦合系数，
Figure BDA0003090285330000074
分别表示节点i和节点j输出电流的单位值。
S3，为了使S2中的次级控制实现分布式控制的目标，在次级控制中引入了一致性算法，连续的一致性算法及其及其闭环矩阵形式可以被分别表示为：
Figure BDA0003090285330000075
Figure BDA0003090285330000076
其中，i＝1，2，3…Ni代表节点的数量，Ni表示与节点i相邻的节点集合，ui是输入变量，aij是节点i与其邻居j的连接状态，且当为无向网络中时则存在aij＝aji；xi和xj分别是本地节点和邻居节点的状态变量；x＝{x1，x2，…xn}表示状态变量的向量形式，L是图G的拉普拉斯矩阵，其中的元素lij可以被定义为：
Figure BDA0003090285330000077
其中，图G的拉普拉斯矩阵可定义为L＝D-A，且D＝diag(d1，d2，…dn)是图G的度矩阵，并且在度矩阵中，所有的非对角线元素为0，对角线元素为与本地节点相邻节点的个数，当图G为由三个节点构成的环形通信网络时，拉普拉斯矩阵L可以被表示如下：
Figure BDA0003090285330000081
进一步的，将一致性算法运用于分布式次级控制中，则在一个迭代周期内，每个变换器单元接收其邻居单元的初始电压信息并分别与自身的初始电压做差值，并将该差值进行加权平均，从而产生下一时刻本节点的电压预测值，各节点反复执行上述迭代过程直至各节点的电压趋于平均一致，此时S2中的平均电压可以被表示为：
Figure BDA0003090285330000082
其中，vdci(t)、
Figure BDA0003090285330000083
分别为变换器节点i当前时刻的实时电压和一致性迭代产生的平均电压。
进一步的，当存在通信延迟时，考虑各节点的通信延迟时间均为τij，由于各个节点的信息传输需要一定的时间，因而难以实时进行信息交换，此时的平均电压表示如下：
Figure BDA0003090285330000084
在一致性算法中，要实现平均一致性，其延迟上界必须满足：
Figure BDA0003090285330000085
因而当图G为三个节点的环形通信网络时，由上式可得其延迟上界τij约为0.52s。
更进一步的，针对上述可能存在的通信延迟以及根据仿真验证结果，在一致性算法的环路中添加一个中间变量z和反馈系数k来减缓通信延迟造成的不利影响，为简化公式，令yi＝xi-ui，其中ui为输入变量，则给出的具体形式如下：
Figure BDA0003090285330000091
Figure BDA0003090285330000092
其中，k为反馈系数，通过改变k值可以实现将原来一致性算法中的积分环节变为一阶惯性环节，为了进一步保护积分器以及增强抗噪声干扰能力，通过设置中间变量z相当于在原先的一致性算法中又加入了一个拉普拉斯矩阵L和积分器。
现结合附图，对本发明进行进一步解释：
参见图1，本发明可用于对多个直流微电网并联单元进行下垂控制和次级控制，在此搭建了3个并联在同一个直流母线上的直流微电网单元，每个直流微电网单元均由直流电压源、Boost变换器和对应的线路电阻组成，并分别设定三个单元的线路电阻为0.1、0.2和0.3Ω，母线电压额定值为48V，公共负载为10Ω，以此来验证控制策略的可行性。图中次级控制采用的时环形通信拓扑，通过将本地的数据信息与邻居单元单元数据信息进行交互，从而实现均流和抬升母线电压的控制目标。
图2为基于一致性算法的电压观测器的结构框图，该图清晰的反映了电压观测器内部运算过程，在一个迭代周期内，首先将本地电压信息初始化为
Figure BDA0003090285330000101
同时与邻居单元进行数据交换，另一方面将接收的信息送入控制器中进行数据更新，数据交换与数据更新反复交替直至实现平均一致，再将得到的平均电压
Figure BDA0003090285330000102
与参考电压vref做差值运算后送入到PI控制器中，并产生一个电压次级补偿项Δvdci反馈到底层的控制环路中，从而实现实时的无静差母线电压补偿。
图3为本发明中对通信延迟改进的一致性算法结构框图，首先输入电压信息与实时反馈信息做差，并将产生的状态信息经一阶惯性环节后分两路反馈回输入端。一路通过拉普拉斯矩阵L以及通信延迟
Figure BDA0003090285330000103
另一路则经积分环节和双重拉普拉斯矩阵L进行校正。上述过程在经反复迭代后最终将实现平均一致并消除通信延迟造成的不利影响。
图4(a)，(b)，(c)分别为本发明中采用一致性算法进行次级控制各个微电网单元本地单元输出电压、电流波形以及直流母线上的电压和电流波形，本发明采用动态一致性算法并通过通信网络采集相邻直流微电网单元的输出电压。由图可知，在0～2s时，仅加入内部双闭环控制，此时各单元输出电压为48V，但输出电流差别较大；在2s时加入下垂控制后，此时各单元输出电压开始跌落至46V以下，但输出电流开始趋于均衡，由于给定的下垂系数较小，此时未完全实现均流；在4s时加入了电压次级控制以及电流次级控制，此时各单元的平均电压逐渐恢复至48V，并且各单元输出电流实现了完全均流，并且当发生负载跳变后依然可以实现上述控制目标。
图5(a)，(b)，(c)，(d)分别为本发明中通信延迟为0.2s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形以及通信延迟为0.6s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形。由图可知，当存在通信延迟时，且当延迟时间为0.2s时，各单元的输出电压和输出电流均出现了小幅波动，而当通信延迟超过了延迟裕度为0.6s时，此时各单元的输出电压和输出电流出现了较大幅度振荡且无法保持稳定，这表明通信延迟对次级控制造成了较大的影响。
图6(a)，(b)，(c)，(d)分别为本发明中进行算法改进后通信延迟为0.6s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形以及通信延迟为1.0s时的各单元的输出电压波形和输出电流波形。由图可知，当对算法进行改进后，即使通信延迟为0.6s甚至为1s时，此时各单元的输出电压和输出电流均未出现大幅度振荡和不稳定的情况，因而可知改进后的次级控制具有较强的抗通信延迟能力和鲁棒性。
通过上述仿真波形，可以得到本发明采用的分布式次级控制对直流微电网并联单元实现均流和保持母线电压稳定具有良好的效果。且当存在通信延迟时，在改进算法的次级控制中，通信延迟所造成的影响将变小，并且能够很快的达到稳定状态，其具有较强的通信延迟能力和鲁棒性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在直流微电网并联单元的各个变换器单元中加入固定系数的下垂控制，此提高各单元输出电流的均流精度；
S2、在下垂控制的基础上，引入分布式次级控制并经PI控制器为每个单元产生一个次级电压补偿项以及电流补偿项；
S3、在分布式次级控制中引入一致性算法，通过将算法中的积分环节改为惯性环节并另外引入了一个反馈环路来增强系统的抗通信延迟能力。
2.根据权利要求1所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，S1中，加入固定系数的下垂控制后，此时各变换器单元的本地电压和直流母线电压可分别表示如下：
vdci＝vref-Rdi·idci (1)
vbus＝vref-(Rdi+Rli)·idci (2)
其中，vdci、idci分别为每个变换器的本地输出电压以及输出电流，vref为直流微电网系统的全局参考电压，Rdi和Rli分别为虚拟电阻和线路电阻。
3.根据权利要求2所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，S2中，产生一个次级电压补偿项以及电流补偿项后，此时新的控制环路参考电压以及电压补偿项和电流补偿项可以分别表示为：
Figure FDA0003090285320000011
Figure FDA0003090285320000012
Figure FDA0003090285320000013
其中，kpv、kpi分别表示电压修正项和电流修正项PI控制器的传递函数，ci表示电压观测器和电流观测器间的耦合系数，
Figure FDA0003090285320000014
分别表示节点i和节点j输出电流的单位值。
4.根据权利要求3所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，S3中，在次级控制中引入了一致性算法，连续的一致性算法及其及其闭环矩阵形式可以被分别表示为：
Figure FDA0003090285320000021
Figure FDA0003090285320000022
其中，i＝1，2，3…Ni代表节点的数量，Ni表示与节点i相邻的节点集合，ui是输入变量，aij是节点i与其邻居j的连接状态，且当为无向网络中时则存在aij＝aji；xi和xj分别是本地节点和邻居节点的状态变量；x＝{x1，x2，…xn}表示状态变量的向量形式，L是图G的拉普拉斯矩阵，其中的元素lij可以被定义为：
Figure FDA0003090285320000023
其中，图G的拉普拉斯矩阵可定义为L＝D-A，且D＝diag(d1，d2，…dn)是图G的度矩阵，并且在度矩阵中，所有的非对角线元素为0，对角线元素为与本地节点相邻节点的个数，当图G为由三个节点构成的环形通信网络时，拉普拉斯矩阵L可以被表示如下：
Figure FDA0003090285320000024
5.根据权利要求4所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，将一致性算法运用于分布式次级控制中，则在一个迭代周期内，每个变换器单元接收其邻居单元的初始电压信息并分别与自身的初始电压做差值，并将该差值进行加权平均，从而产生下一时刻本节点的电压预测值，各节点反复执行上述迭代过程直至各节点的电压趋于平均一致，此时S2中的平均电压可以被表示为：
Figure FDA0003090285320000031
其中，vdci(t)、
Figure FDA0003090285320000032
分别为变换器节点i当前时刻的实时电压和一致性迭代产生的平均电压。
6.根据权利要求5所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，当存在通信延迟时，考虑各节点的通信延迟时间均为τij，由于各个节点的信息传输需要一定的时间，因而难以实时进行信息交换，此时的平均电压表示如下：
Figure FDA0003090285320000033
在一致性算法中，要实现平均一致性，其延迟上界必须满足：
Figure FDA0003090285320000034
7.根据权利要求6所述的直流微电网分布式次级控制中通信延迟的改进方法，其特征在于，针对通信延迟问题，在一致性算法的环路中添加一个中间变量z和反馈系数k来减缓通信延迟造成的不利影响，为简化公式，令yi＝xi-ui，其中ui为输入变量，则给出的具体形式如下：
Figure FDA0003090285320000035
Figure FDA0003090285320000036
其中，k为反馈系数，通过改变k值可以实现将原来一致性算法中的积分环节变为一阶惯性环节，为了进一步保护积分器以及增强抗噪声干扰能力，通过设置中间变量z相当于在原先的一致性算法中又加入了一个拉普拉斯矩阵L和积分器。
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