CN113922354B - 一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力信息技术领域，公开了一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法，直流微网系统包括DG单元、直流线路、公共直流母线以及直流负荷；DG单元由直流电源及Boost型变换器组成，每个DG单元只接入一个DG母线并通过直流线路接入公共直流母线；直流负荷接入公共直流母线。直流微网孤岛运行，采用对等控制模式；对等控制中的DG单元采用下垂控制策略。本发明采用优化控制确定DG单元下垂控制器的电压参考值，并通过调节下垂控制器的电压参考值同时进行DG直流母线与公共直流母线电压的控制以及负荷电流的分配。本发明可在全局实现母线电压的高精度控制及负荷电流的准确分配，满足微网系统运行的经济性与稳定性要求。

Description

一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法

技术领域

本发明属于电力信息技术领域，尤其涉及一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法。

背景技术

随着常规能源的短缺和环境问题的日益严峻，可再生能源逐步引起人们的关注。微网以其高效、清洁、扩展性强等优点成为可再生能源利用的有效途径之一。交流微网便于接入现有配电网络；而直流微网更方便为各种直流负载供电，且由于不存在无功功率、频率同步以及谐波等问题，直流微网可提供更高的电能质量和运行效率。

为保证直流微网的稳定运行，需对其进行有效的能量管理。但电流控制的集中属性与母线电压控制的分散属性之间的固有矛盾，使得直流微网在能量管理尤其是实时能量控制方面存在困难。主从模式与对等模式均适用于直流微网的实时能量控制。主从控制可应用于复杂的微网系统，但采用主从控制的系统中需要容量足够大的主导单元，且系统的稳定运行依赖于主导单元及通讯网络的可靠性。这在一定程度上成为主从控制应用的瓶颈。采用对等控制时，单个电源或通讯线路的故障不会对系统造成大的影响，微网系统运行的可靠性较高。因此，对等控制模式具有较为广泛的应用空间。

下垂控制技术具有良好的自适应特性，适用于对等模式中的DG单元控制。然而，单一的下垂控制会产生电压偏差及电流分配误差，从而导致母线电压的不稳定及换流器输出电流不均。因此，需要进一步的修正环节。二次电压调节是对下垂控制的改进方案。从实施方法来看，二次调节通过对下垂控制器的参数，即电压参考值或下垂系数的修正来消除或减小一次调节遗留的母线电压偏差或电流分配误差。现有的直流微网二次电压调节方法可以实现直流母线电压的精准控制或负荷电流的准确分配，但难以同时兼顾两者，即：现有的二次电压调节方法不能同时获得母线电压的精准控制与负荷电流的准确分配。U_n

发明内容

本发明目的在于提供一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法,以解决现有的二次电压调节方法不能同时获得母线电压的精准控制与负荷电流的准确分配的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法的具体技术方案如下：

一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法，所述直流微网系统包括多个DG单元、直流线路、公共直流母线以及直流负荷；所述DG单元由直流电源及Boost变换器组成，每个DG单元只接入一个DG母线并通过直流线路接入公共直流母线；直流负荷接入公共直流母线；直流微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制策略；所述直流微网二次电压调节方法通过控制DG单元下垂控制器的电压参考值进行各母线电压的控制与负荷电流的分配，具体步骤如下：

步骤1：检测各DG母线电压及公共直流母线电压，计算各母线电压偏差：

步骤2：检测DG单元输出电流，计算电流分配误差：

步骤3：进行运行状态甄别；

步骤4：构建二次电压调节优化问题的数学模型；

步骤5：求解上述非线性优化问题，获得各DG单元下垂控制器电压参考值的最优值。

进一步地，步骤1包括如下具体步骤：

检测各DG母线电压及公共直流母线电压，计算各DG母线电压偏差：

ΔU_dc＝U_dc-U_dc,nom (2)

上两式中，N为DG母线数量，U₁,U₂,…,U_N为DG母线电压实际值；U_1,nom,U_2,nom,…,U_N,nom为DG母线电压额定值；为DG母线电压偏差组成的集合；U_dc、U_dc,nom为公共直流母线电压实际值及额定值；ΔU_dc公共直流母线电压偏差。

进一步地，步骤2包括如下具体步骤：

检测DG单元输出电流，计算电流分配误差：

式中，n＝1,…,N；I_n、I_j分别为DG单元n、j的输出电流；μ_n为DG单元n的电流分配系数。

进一步地，步骤3包括如下具体步骤：

当最大母线电压偏差绝对值大于电压阈值或最大电流分配误差绝对值大于电流阈值时，进行二次电压调节，电压偏差与电流误差判断条件分别为：

max{|ΔI₁|,|ΔI₂|,…,|ΔI_N}＞γ_I (5)

其中，γ_U、γ_I分别为电压阈值、电流阈值。

进一步地，步骤4包括如下具体步骤：

以各DG单元下垂控制器的电压参考值为优化变量，以下垂特性方程、公共直流母线电流平衡方程、线路电压降落方程作为等式约束条件，将线路容量及母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立优化问题的数学模型如下：

st：U_n,ref-k_nI_n＝U_n (7)

U_dc+(k_n+r_n)I_n＝U_n,ref (9)

U_dc,low≤U_dc≤U_dc,up (10)

U_n,low≤U_n≤U_n,up (11)

式(6)～(12)中，n＝1,…,N；E_total为系统总计算偏差；ω_I为电流权重系数；R_load为公共直流母线负荷的等值电阻；U_dc,up及U_dc,low分别为公共直流母线电压的上、下限；U_n,up及U_n,low为DG母线n的电压上、下限；为线路n的容量。

进一步地，步骤5包括如下具体步骤：

求解上述非线性优化问题，获得各DG单元下垂控制器电压参考值的最优值

本发明的一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法具有以下优点：本发明所述的直流微网二次电压调节方法通过建立并求解一个优化问题确定下垂控制器的电压参考值，计算结果是全局最优的调压方案。与其它的二次电压调节方法相比，本发明的技术方案有益效果如下：

(1)本发明的方法能够实现DG母线以及公共直流母线总体电压控制精度最高，不会出现各别母线电压精准控制而其它母线电压偏差较大的情况。

(2)本发明的方法能够根据运行状态及系统需求进行负荷分配，DG单元输出电流与设定的电流分配系数保持一致。

附图说明

图1为本发明的直流微网系统的结构图；

图2为本发明的电压参考值优化控制的流程图；

图3为本发明的采用二次电压调节方法的DG单元控制策略框图；

图4(a)为采用本发明二次电压调节方法所得的母线电压波形图；

图4(b)为采用本发明二次电压调节方法所得的DG单元输出电流波形图。

图5(a)为采传统的电压偏差积分控制方法所得的母线电压波形图；

图5(b)为采用传统的电压偏差积分控制方法所得的DG单元输出电流波形图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法做进一步详细的描述。

如图1所示，所述的直流微网系统包括DG单元、直流线路、公共直流母线以及直流负荷；DG单元由直流电源及Boost变换器组成，每个DG单元只接入一个DG母线并通过一条直流线路接入公共直流母线；直流负荷接入公共直流母线。直流微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制策略。

所述的直流微网二次电压调节方法通过控制DG单元下垂控制器的电压参考值进行各母线电压的控制与负荷电流的分配，具体按照以下步骤实施：

①检测各DG母线电压及公共直流母线电压，计算各母线电压偏差：

ΔU_dc＝U_dc-U_dc,nom (2)

上两式中，N为DG母线数量。U₁,U₂,…,U_N为DG母线电压实际值；U_1,nom,U_2,nom,…,U_N,nom为DG母线电压额定值；为DG母线电压偏差组成的集合；U_dc、U_dc,nom为公共直流母线电压实际值及额定值；ΔU_dc公共直流母线电压偏差。

②检测DG单元输出电流，计算电流分配误差：

式中，n＝1,…,N；I_n、I_j分别为DG单元n、j的输出电流；μ_n为DG单元n的电流分配系数。

③进行运行状态甄别。当最大母线电压偏差绝对值大于电压阈值或最大电流分配误差绝对值大于电流阈值时，进行二次电压调节。电压偏差与电流误差判断条件分别为：

max{|ΔI₁|,|ΔI₂|,…,|ΔI_N}＞γ_I (5)

其中，γ_U、γ_I分别为电压阈值、电流阈值。

④构建二次电压调节优化问题的数学模型。以各DG单元下垂控制器的电压参考值为优化变量，以下垂特性方程、公共直流母线电流平衡方程、线路电压降落方程作为等式约束条件，将线路容量及母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立优化问题的数学模型如下：

st：U_n,ref-k_nI_n＝U_n (7)

U_dc+(k_n+r_n)I_n＝U_n,ref (9)

U_dc,low≤U_dc≤U_dc,up (10)

U_n,low≤U_n≤U_n,up (11)

式(6)～(12)中，n＝1,…,N；E_total为系统总计算偏差；ω_I为电流权重系数；R_load为公共直流母线负荷的等值电阻；U_dc,up及U_dc,low分别为公共直流母线电压的上、下限；U_n,up及U_n,low为DG母线n的电压上、下限；为线路n的容量。

⑤求解上述非线性优化问题，获得各DG单元下垂控制器电压参考值的最优值

上述优化问题的流程如图2所示；采用所述的直流微网二次电压调节方法的DG单元控制策略如图3所示。图3中，表示除DG母线n之外的其它DG母线电压组成的集合， 表示除DG单元n之外的其它DG单元输出电流组成的集合，DG单元下垂控制器的电压参考值更新后，DG母线电压及DG单元输出电流在新的电压参考值下发生变化，完成二次电压调节。

实施例

如图1所示，所述直流微网系统包括4个DG单元，各DG单元由直流电压源及Boost变换器构成，经直流线路接入公共直流母线。各DG单元均采用下垂控制，参与一次及二次电压调节，下垂系数分别为1V/A、2V/A、0.6V/A、1.6V/A；各DG单元额定容量分别为2kW、1kW、1.5kW、1.25kW；DG母线及公共直流母线额定电压均为200V，电压阈值为5V；电流分配系数按DG单元容量设置，分别为0.348、0.174、0.261、0.217；电流阈值为0.025；电流权重系数设置为15；公共直流母线负荷R₁＝18Ω、R₂＝90Ω；R₁在初始运行时投入，R₂在2.5秒时投入。

采用所述的二次电压调节方法进行仿真，各母线电压及DG单元输出电流波形如图4(a)-图4(b)所示。采用传统的电压偏差积分控制方法进行仿真，各母线电压及DG单元电流波形如图5(a)-图5(b)所示。采用所述方法与传统方法进行二次电压调节的稳态电压及稳态DG输出电流如表1及表2所示。其中，母线电压相对误差及电流分配相对误差计算式为：

上两式中，δ_U,x为母线电压相对误差，包括各DG母线及直流公共直流母线；δ_I,n为DG单元电流分配相对误差。

表1所述方法与传统方法的稳态母线电压(V)

表2所述方法与传统方法的DG单元输出电流(A)

由图4(a)、图4(b)及图5(a)、图5(b)可知，采用所述的基于优化控制的二次调节方法与采用电压偏差积分控制的二次调节方法均可实现母线电压控制及负荷电流分配，且暂态过程较短。

进一步分析表1及表2可知，完成二次电压调节时，采用电压偏差积分控制的二次调节方法最大电压相对偏差为2.60％，采用所述的基于优化控制的二次调节方法时最大电压相对偏差为2.35％，后者电压控制精度略高。采用电压偏差积分控制的二次调节方法时，最大电流分配误差为1.33％，而所述的方法最大电流分配相对误差仅为0.08％，后者电流分配比例与设定的电流分配系数更为接近。

可见，所述的基于优化控制的二次调节方法能够实现全局最优的控制效果，各母线电压控制精度较高，且电流分配误差小。而采用电压偏差积分控制的二次调节方法仅能实现较好的电压控制，电流分配效果较差。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于优化控制的直流微网二次电压调节方法，所述直流微网包括多个DG单元、直流线路、公共直流母线以及直流负荷；所述DG单元由直流电源及Boost变换器组成，每个DG单元只接入一个DG母线并通过直流线路接入公共直流母线；直流负荷接入公共直流母线；直流微网运行于孤岛模式，采用对等控制；对等控制中的DG单元采用下垂控制策略；其特征在于，所述直流微网二次电压调节方法通过控制DG单元下垂控制器的电压参考值进行各母线电压的控制与负荷电流的分配，具体步骤如下：

步骤1：检测各DG母线电压及公共直流母线电压，计算各母线电压偏差：

检测各DG母线电压及公共直流母线电压，计算各DG母线电压偏差：

ΔU_dc＝U_dc-U_dc,nom (2)

上两式中，N为DG母线数量，U₁,U₂,…,U_N为DG母线电压实际值；U_1,nom,U_2,nom,…,U_N,nom为DG母线电压额定值；为DG母线电压偏差组成的集合；U_dc、U_dc,nom为公共直流母线电压实际值及额定值；ΔU_dc公共直流母线电压偏差；

步骤2：检测DG单元输出电流，计算电流分配误差：

检测DG单元输出电流，计算电流分配误差：

式中，n＝1,…,N；I_n、I_j分别为DG单元n、j的输出电流；μ_n为DG单元n的电流分配系数；

步骤3：进行运行状态甄别；

当最大母线电压偏差绝对值大于电压阈值或最大电流分配误差绝对值大于电流阈值时，进行二次电压调节，电压偏差与电流误差判断条件分别为：

max{|ΔI₁|,|ΔI₂|,…,|ΔI_N|}＞γ_I (5)

其中，γ_U、γ_I分别为电压阈值、电流阈值；

步骤4：构建二次电压调节优化问题的数学模型；

以各DG单元下垂控制器的电压参考值为优化变量，以下垂特性方程、公共直流母线电流平衡方程、线路电压降落方程作为等式约束条件，将线路容量及母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立优化问题的数学模型如下：

st：U_n,ref-k_nI_n＝U_n (7)

U_dc+(k_n+r_n)I_n＝U_n,ref (9)

U_dc,low≤U_dc≤U_dc,up (10)

U_n,low≤U_n≤U_n,up (11)

式(6)～(12)中，n＝1,…,N；E_total为系统总计算偏差；ω_I为电流权重系数；R_load为公共直流母线负荷的等值电阻；U_dc,up及U_dc,low分别为公共直流母线电压的上、下限；U_n,up及U_n,low为DG母线n的电压上、下限；为线路n的容量；

步骤5：求解优化问题，获得各DG单元下垂控制器电压参考值的最优值；求解优化问题，获得各DG单元下垂控制器电压参考值的最优值