CN114204537A - 一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备，该控制主要由分布式控制的三次控制器、零通信线二次控制、下垂控制及电压电流双闭环控制组成。该方法不但实现了对电压跌落的补偿和对电流不均的校正，使系统实现功率均衡可靠运行。通过将零通信线控制应用于系统中的单个直流微电网，而在直流微电网间采用了分布式控制，结合了两种控制算法的特点，保证系统的快速高精度收敛的同时，减轻了系统的控制复杂度，提高了系统的灵活性，降低了通信网络对系统的影响，增强了系统鲁棒性。

Description

一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备
技术领域
本发明属于分布式发电技术领域，特别是涉及一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备。
背景技术
随着分布式发电技术的发展，新能源发电装机容量上升，直流微电网作为有效利用波动性大、随机性强的可再生能源的重要途径得到了广泛的关注。但是随着用电设备的增加，单个微电网面临着消纳能力有限的问题，将多个直流微电网互联构成的多微网系统成为研究的一大趋势。
目前面向为多微网系统的研究大都将内部每个单元理想化考虑，侧重于能量管理和经济调度，对如何实现系统内部各微电网输出电流均衡的研究较少。实际上，多微网系统因为线缆阻抗的影响而面临着电压跌落和输出电流不均的问题。若系统长时间存在输出功率不均的问题，长时间处于超额运行的微电网的寿命降低，进而影响整个系统的整体寿命，降低系统的稳定性。因此，将多微网系统输出电流均衡分为两个控制目标，一是微电网内部功率均衡，二是在此基础上，实现各微电网输出功率均衡。在直流微电网内部，由于普遍采用下垂控制来实现电流均衡控制，但简单的下垂控制会带来母线电压下降和均流精度受线缆阻抗影响大的问题。为了解决上述问题，需要进行二次控制进行补偿，实现微电网在恢复电压至参考值的同时达到高精度的均流。
二次控制根据对通信网络的依赖程度分为集中式控制、分布式控制和零通信线控制。其中集中式控制存在单点故障，现今不在直流微电网控制中采用，而分布式控制由于其仅需要相邻变换器之间的信息交互实现系统的动态一致，和一般控制相比降低了PI控制器的使用，具有更快的收敛速度成为目前研究的热点。但是分布式控制的计算量大，适用于小规模的微电网。在含有大量的变换器多微网系统中，若仅采用分布式控制，则系统的计算复杂程度加剧，系统的收敛时间会随着系统规模增加而增加。此外，分布式控制虽然相比集中式控制，避免了单点故障且满足“即插即用”要求，但系统的灵活性依然受到通信网络的制约，对变换器实现投入切出的位置有要求，并且还涉及到通信链路的增减，不利于系统扩展。
发明内容
本发明为了实现微电网内部功率均衡，且保证系统的灵活性和可靠性，提出了一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备。该方法不需要信息获取别的变换器的信息，能够实现“即插即用”。从控制复杂度上来说，该方法比分布式控制所需计算量小。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法，所述微电网群系统运行控制策略采用并行双层架构控制，上层控制为直流微电网间的控制，视为三次控制；下层控制为单个直流微电网内部的控制，即二次控制；下层控制中采用零通信线二次控制，零通信线控制策略将渐进一致性控制中相邻变换器的输出电流用仅含有自身信息的式子表示，在实现均流的基础上，增设电压恢复项实现母线电压的恢复。
进一步地，一致性算法的电流均衡控制器如下：
Figure BDA0003375799510000021
其中，uIi表示电流均衡控制器，aij表示相邻两变换器之间的通讯权重，i表示当前变换器，j表示与当前变换器之间存在通讯链路的相邻变换器，Ni表示第i个变换器的邻点数目，ci表示电流均衡系数，Ij表示相邻变换器的电流，Ii表示当前变换器的电流；
为了摆脱对通信网络的依赖，将Ij替换成
Figure BDA0003375799510000022
零通信线二次控制器udec,i为
Figure BDA0003375799510000023
其中，Vref,i表示第i个变换器的电压参考值，Vbus表示直流母线电压，ki表示第i个变换器的下垂控制系数；
由于通讯网络不存在，可将ciaij直接用比例系数pi代替：
Figure BDA0003375799510000024
将上式整理可得：
udec,i＝∫pi(Vref,i-Vbus-kiIi)dt (4)
为了实现电压恢复，增设电压恢复项：
udec,i＝∫pi(αi(Vref,i-Vbus)-kiIi)dt (5)
其中αi为电压恢复控制权重，自此零通信线二次控制设计完成；
稳态时存在
Figure BDA0003375799510000031
则有
αi(Vref,i-Vbus)ss＝kiIi ss (7)
其中，上角标ss表示稳态时；
令α1＝α2＝α3＝...＝αi＝...＝αn，n为变换器个数，由于各个变换器电压参考值相等，母线电压相同，则有α1(Vref,1-Vbus)ss＝α2(Vref,2-Vbus)ss＝...＝αi(Vref,i-Vbus)ss，即
k1I1 ss＝k2I2 ss＝...＝kiIi ss (8)
可通过改变ki，来实现对电流的控制，若设置k1＝k2＝...＝ki，则电流可实现均流，且由于(Vref,i-Vbus)存在，可实现电压恢复。
进一步地，在所述控制方法中，所需测量的参数为直流母线电压值、输出电流值和输出电压值，在微电网群系统中加入三次控制信号，经过三次和二次控制后得到新的下垂控制电压参考值，采用新的电压参考值的下垂控制再根据变换器输出电流进行自动调节，获得新的电压工作点，该工作点作为电压外环的电压参考指令，其与变换器实际输出电压比较后一次控制中的电压电流双闭环控制，最终输出PWM控制变换器中的开关管工作，最终实现整个微电网群系统的功率均衡。
本发明提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法的步骤。
多微网系统往往为多母线结构的系统，零通信线控制仅适用于单母线结构，所以将其和分布式控制结合，由此本发明提出了一种在直流微电网内采用零通信线控制，直流微电网间采用分布式控制的多微网功率均衡控制方法。该方法不但能够补偿电压跌落和电流不均，和单采用分布式控制相比在保证快速收敛的同时，还具有通讯压力小、控制简单的优点，并且收敛速度受通信网络影响小。和单采用零通信线控制相比，适用于多母线的微电网，更贴近实际应用。
附图说明
图1为本发明所述的低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法对应的产品结构图。
图2为实施例中多微网系统运行控制框图。
图3为多微网系统功率协调控制输出电压电流波形图。
图4为多微网系统分布式控制输出电压电流波形图。
图5为单个变换器和单个微电网切出情况的系统响应波形图。
图6为单个微电网切出后负载增加系统的响应波形图。
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。
本发明的产品结构示意图如图1所示。点阵框中是以MGb中的DG2中采用的多微网系统的功率均衡控制的控制框图。该控制主要由分布式控制的三次控制器、零通信线二次控制、下垂控制及电压电流双闭环控制组成。该方法可在实现系统快速恢复母线电压和输出电流高精度均衡，此外零通信线控制和分布式控制相结合，降低了通信压力和控制复杂度，使系统的适用范围更广、鲁棒性和灵活性更强，实现了变换器“即插即用”。
结合图1-6，本发明提出一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法，所述微电网群系统运行控制策略采用并行双层架构控制，上层控制为直流微电网间的控制，视为三次控制；下层控制为单个直流微电网内部的控制，即二次控制；下层控制中采用零通信线二次控制，零通信线控制策略将渐进一致性控制中相邻变换器的输出电流用仅含有自身信息的式子表示，在实现均流的基础上，增设电压恢复项实现母线电压的恢复。
一致性算法的电流均衡控制器如下：
Figure BDA0003375799510000041
其中，uIi表示电流均衡控制器，aij表示相邻两变换器之间的通讯权重，i表示当前变换器，j表示与当前变换器之间存在通讯链路的相邻变换器，Ni表示第i个变换器的邻点数目，ci表示电流均衡系数，Ij表示相邻变换器的电流，Ii表示当前变换器的电流；
为了摆脱对通信网络的依赖，将Ij替换成
Figure BDA0003375799510000042
零通信线二次控制器udec,i为
Figure BDA0003375799510000043
其中，Vref,i表示第i个变换器的电压参考值，Vbus表示直流母线电压，ki表示第i个变换器的下垂控制系数；
由于通讯网络不存在，可将ciaij直接用比例系数pi代替：
Figure BDA0003375799510000051
将上式整理可得：
udec,i＝∫pi(Vref,i-Vbus-kiIi)dt (4)
为了实现电压恢复，增设电压恢复项：
udec,i＝∫pi(αi(Vref,i-Vbus)-kiIi)dt (5)
其中αi为电压恢复控制权重，自此零通信线二次控制设计完成；
稳态时存在
Figure BDA0003375799510000052
则有
αi(Vref,i-Vbus)ss＝kiIi ss (7)
其中，上角标ss表示稳态时；
令α1＝α2＝α3＝...＝αi＝...＝αn，n为变换器个数，由于各个变换器电压参考值相等，母线电压相同，则有α1(Vref,1-Vbus)ss＝α2(Vref,2-Vbus)ss＝...＝αi(Vref,i-Vbus)ss，即
k1I1 ss＝k2I2 ss＝...＝kiIi ss (8)
可通过改变ki，来实现对电流的控制，若设置k1＝k2＝...＝ki，则电流可实现均流，且由于(Vref,i-Vbus)存在，可实现电压恢复。
以直流微网MGa为例，针对MGa中的第i个变换器，控制器设计如下：
直流微网内采用零通信线控制，对式(3)改写得式(9)
Figure BDA0003375799510000053
其中
Figure BDA0003375799510000054
表示MGa中第i个变换器的电压参考值；
Figure BDA0003375799510000055
为MGa中第i个变换器零通信二次控制的增益系数；
Figure BDA0003375799510000056
为MGa中第i个变换器的电压恢复控制权重；
Figure BDA0003375799510000057
表示MGa的直流母线电压；
Figure BDA0003375799510000058
表示MGa中第i个变换器的下垂控制系数；
Figure BDA0003375799510000059
表示MGa中第i个变换器的输出电流。
在微电网间采用一致性的分布式控制，如式(10)所示
Figure BDA0003375799510000061
其中
Figure BDA0003375799510000062
表示和MGa中的第i个变换器存在通信链路的直流微网X中第j个变换器的输出电流；NX表示和MGa存在通信链路的邻直流微网集。
整个多微网系统运行控制器设计为：
Figure BDA0003375799510000063
Figure BDA0003375799510000064
在所述控制方法中，所需测量的参数为直流母线电压值、输出电流值和输出电压值，在微电网群系统中加入三次控制信号，经过三次和二次控制后得到新的下垂控制电压参考值
Figure BDA0003375799510000065
采用新的电压参考值的下垂控制再根据变换器输出电流进行自动调节，获得新的电压工作点Vi MG,a*，该工作点作为电压外环的电压参考指令，其与变换器实际输出电压比较后一次控制中的电压电流双闭环控制，最终输出PWM控制变换器中的开关管工作，最终实现整个微电网群系统的功率均衡。
本发明提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法的步骤。
本发明提出一种低通信压力的多微网(微电网群)系统功率均衡控制方法。该方法不但实现了对电压跌落的补偿和对电流不均的校正，使系统实现功率均衡可靠运行。通过将零通信线控制应用于系统中的单个直流微电网，而在直流微电网间采用了分布式控制，结合了两种控制算法的特点，保证系统的快速高精度收敛的同时，减轻了系统的控制复杂度，提高了系统的灵活性，降低了通信网络对系统的影响，增强了系统鲁棒性。
为了验证本发明方法的有效性，利用两台RTBOX进行在线仿真，一台RTBOX运行主功率模型，另一台运行控制模型，两台RTBOX通过SFP连接，通过转接板中的Analog Out部分采集输出电流电压波形。所研究的多微网系统中含有三个微电网MGa、MGb、MGc，各微电网分别含有2、3、4个BOOST变换器，在此系统上验证所提出的多微网系统功率协调控制有效性，以及多种案例下的响应波形。
设定变换器输入电压为100V，直流母线电压额定值为200V，变换器额定输出功率为200W。
图3和图4分别为多微网系统采用所提出的功率协调控制策略和仅采用分布式控制时，系统的输出电压电流波形。设定在刚开始时系统内所有变换器都只采用下垂控制，此时整个多微网系统的电压跌落到196V，由图3可看到，由于线缆阻抗的存在，各个变换器的输出电流之间存在差异。在使能二次控制后，即此时每个微电网内部采用了零通信二次控制，系统的电压得到了提升，并且每个微电网内部达到了输出电流一致。受微电网之间的线缆阻抗的影响，微电网的输出电流分别稳定在了1.425A、1.402A和1.347A。进一步使能三次控制实现了各微电网输出电流收敛到一致，达到了多微网系统内部所有变换器输出功率均衡。
和图4的仿真结果可看出，相比将分布式控制应用于整个系统，所提出的控制策略在0.24s内完成三个微电网的功率均衡，而分布式控制需要0.4s。
为了验证所提出控制策略的可靠性，设定每隔一段时间100Ω、100Ω和200Ω的负载接入系统，为了简化分析，分布式控制中仅出现一次负载波动。可看出在负载波动情况下，分布式控制的调节时间为0.6s，所提控制的调节时间最大也只要0.25s。证明所提出的控制方法的惯性更小，分布式控制的暂态性能略逊于零通信线控制，并存在随着规模增加而增加的风险。
为了提高系统的可扩展能力，要求系统具备“即插即用”要求。图5中给出了验证所提出的控制策略能否满足多微网系统“即插即用”要求的实验结果。分别验证了所提出的系统在面对单个变换器切出、单个微电网切出的情况的响应情况。设定MGb中的DG2切出，波形图中采用DGb2简化标记；在单个微电网切出的情况设定Mga切出。可以看到无论是单个变换器的切出还是单个微电网的切出都不对系统的功率均衡和电压恢复产生影响，系统内剩余的变换器都能够快速实现了调整，使得系统依然能够稳定正常运行。
并且在单个微电网切出后系统依然具备优越的跟随特性，剩余两个微电网在面对负载增加情况下依然能够保持系统功率均衡，具体波形如图6所示。由前述分析可知，采用分布式控制的系统虽然可以满足“即插即用”要求，但是受通信网络代数连通度的影响，分布式控制所实现的“即插即用”涉及到通信链路的切除，对切出系统的变换器的选取和变换器接入系统的位置有要求，不是完全意义上的“即插即用”。
由于所提出的多微网系统控制算法在直流微网层采用的是零通信线控制，未涉及到通信链路，所以变换器切出和投入没有限制，实现了真正意义上的“即插即用”，大大提高了系统的灵活性。
以上对本发明所提出的一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法、设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种低通信压力的微电网群系统功率均衡控制方法，其特征在于，所述微电网群系统运行控制策略采用并行双层架构控制，上层控制为直流微电网间的控制，视为三次控制；下层控制为单个直流微电网内部的控制，即二次控制；下层控制中采用零通信线二次控制，零通信线控制策略将渐进一致性控制中相邻变换器的输出电流用仅含有自身信息的式子表示，在实现均流的基础上，增设电压恢复项实现母线电压的恢复。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一致性算法的电流均衡控制器如下：
Figure FDA0003375799500000011
其中，uIi表示电流均衡控制器，aij表示相邻两变换器之间的通讯权重，i表示当前变换器，j表示与当前变换器之间存在通讯链路的相邻变换器，Ni表示第i个变换器的邻点数目，ci表示电流均衡系数，Ij表示相邻变换器的电流，Ii表示当前变换器的电流；
为了摆脱对通信网络的依赖，将Ij替换成
Figure FDA0003375799500000012
零通信线二次控制器udec,i为
Figure FDA0003375799500000013
其中，Vref,i表示第i个变换器的电压参考值，Vbus表示直流母线电压，ki表示第i个变换器的下垂控制系数；
由于通讯网络不存在，可将ciaij直接用比例系数pi代替：
Figure FDA0003375799500000014
将上式整理可得：
udec,i＝∫pi(Vref,i-Vbus-kiIi)dt (4)
为了实现电压恢复，增设电压恢复项：
udec,i＝∫pi(αi(Vref,i-Vbus)-kiIi)dt (5)
其中αi为电压恢复控制权重，自此零通信线二次控制设计完成；
稳态时存在
Figure FDA0003375799500000015
则有
αi(Vref,i-Vbus)ss＝kiIi ss (7)
其中，上角标ss表示稳态时；
令α1＝α2＝α3＝...＝αi＝...＝αn，n为变换器个数，由于各个变换器电压参考值相等，母线电压相同，则有α1(Vref,1-Vbus)ss＝α2(Vref,2-Vbus)ss＝...＝αi(Vref,i-Vbus)ss，即
k1I1 ss＝k2I2 ss＝...＝kiIi ss (8)
可通过改变ki，来实现对电流的控制，若设置k1＝k2＝...＝ki，则电流可实现均流，且由于(Vref,i-Vbus)存在，可实现电压恢复。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制方法中，所需测量的参数为直流母线电压值、输出电流值和输出电压值，在微电网群系统中加入三次控制信号，经过三次和二次控制后得到新的下垂控制电压参考值，采用新的电压参考值的下垂控制再根据变换器输出电流进行自动调节，获得新的电压工作点，该工作点作为电压外环的电压参考指令，其与变换器实际输出电压比较后一次控制中的电压电流双闭环控制，最终输出PWM控制变换器中的开关管工作，最终实现整个微电网群系统的功率均衡。
4.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一项所述方法的步骤。
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