CN114336573B - 一种直流微电网多储能单元下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在一种基于LADRC的直流微电网多储能单元下垂控制方法，用以实现微网中直流母线的电压稳定和蓄电池储能单元的SOC均衡。本发明的控制方法相比于传统的下垂控制，母线电压的补偿和下垂系数的修正均采用了LADRC控制器，并且以各蓄电池的实时荷电状态参数构造了动态的电流分配系数，将其引入下垂控制环路中。与现有的技术相比，本发明考虑了不匹配阻抗，避免了过充过放，同时当系统负载发生变化时，具有调节速度快、振荡幅度小、能够很快达到稳定状态的优点。

Description

一种直流微电网多储能单元下垂控制方法

技术领域

本发明属于电力电子及其控制技术领域，更具体地说，涉及一种直流微电网多储能单元下垂控制方法。

背景技术

随着全球范围内的能源问题和环境问题的日益加剧，微电网受到了各国学者广泛的关注。直流微电网因其具有不考虑无功功率与相位、结构简单、体积小等优势，所以关于直流微电网的研究与日俱增。然而在直流微电网中各种分布式电发电(DistributedGeneration,DG)设备的输出功率稳定性较差，容易出现功率波动。因此，需增加蓄电池储能单元(battery energy storage unit,BESU)来保障直流微电网的功率平衡。然而当多个储能单元并联使用时，如果各个蓄电池的荷电状态不同，将会导致部分储能单元过度放电或深度充电，缩短BESU使用寿命，情况严重时甚至会使蓄电池产生过热现象，发生火灾。通常情况下，对于直流母线上并联的两个或多个储能单元的直流/直流变流器，采用U-I下垂控制可以使得负荷电流在各储能之间进行分配。而传统的下垂控制策略采用固定不变的虚拟阻抗，虽然可使得各变流器输出的负荷电流均衡或按比例分配，但难以使得各储能单元之间达到荷电状态均衡。

为此，很多文章都提出了各自解决SOC均衡问题的方法。在文献《直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法》和《State-of-ChargeBalance Using Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systemsin DC Microgrid Applications》直流微电网中，采用自适应下垂控制，利用下垂系数反比于SOC的n次方，实时改变下垂系数，实现储能单元在放电过程中SOC均衡。在文献《基于多组储能动态调节的独立直流微电网协调控制》和《Intelligent Distributed Generationand Storage Units for DC Microgrids-A New Concept on Cooperative ControlWithout Communications Beyond Droop Control》中的改进下垂控制利用模糊控制器将SOC偏差和输出电压偏差作为模糊控制器的输入量实时修改下垂参数，实现储能单元在充放电过程中SOC均衡。文献《多储能独立直流微电网自适应分级协调控制》提出一种自适应分级协调控制，先利用功率分配级确定储能系统的主导储能单元，进而通过功率平衡级控制，实现SOC均衡。

上述文献中提出的SOC均衡控制策略很少考虑线路阻抗的影响，然而在直流微电网中，不匹配的线路阻抗将导致传统下垂控制无法按照下垂增益精确分配电流负荷，同时由于下垂增益的存在，会造成母线电压降落过大。因此，为了稳定母线电压，有效补偿线路阻抗压降的影响，并抑制负载的扰动影响，一般会使用PI控制器对电压进行补偿。但是由于目前采用的PI控制器工作在有扰动的情况下主要是利用积分来消除扰动对输出电压带来的影响，是一种被动且速度较慢的控制方式，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动时很难快速地跟踪给定电压，这些扰动主要包括负载变化、电压输入波动等。如果控制器不对这些扰动快速主动进行处理，则闭环系统很难实现快速且高精度电压输出性能，也会给系统带来不利影响。

基于此，本发明设计了直流微电网下一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，以解决上述问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于现有的SOC均衡控制策略很少考虑线路阻抗的影响，且利用PI控制器来消除扰动对输出电压带来的影响控制速度较慢，不能快速处理扰动给系统带来不利影响的问题，本发明提供了一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，采用LADRC控制器对系统进行调节，能够快速消除扰动，避免出现系统振荡。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其步骤为：

步骤一、构建直流微电网改进下垂控制电路；

步骤二、构建基于LADRC的多储能单元改进下垂控制模型；

步骤三、将设定的参考电压V_ref输入LADRC模型中，获得变换器的参考电压补偿量V_i，并将设定的参考电压V_ref与参考电压补偿量V_i求和，获得新的参考电压值V_refi；同时求得变换器的输出电压平均值V_ɑv；

步骤四、根据各蓄电池荷电状态构造动态电流分配系数k_i；

步骤五、计算变换器的输出电流总值I_su，并获得下垂系数的修正量K_i，将变换器的输出电流I_oi与修正后的下垂系数相乘，获得变换器的下垂值droop_i；

步骤六、计算变换器最终电压参考值*u_i；

步骤七、利用PI控制器形成电压外环控制和电流内环控制，同时获得控制量d_i；将控制量d_i进行PWM调制后，得到变换器开关管的放电控制信号PWM_i和充电控制信号PWM_ii；

步骤八、根据输出电压V_oi产生充放电标志位，输出电压通过滞环比较器，设置阈值上限和下限，当输出电压V_oi超出上限或低于下限时改变输出标志位，切换该单元充放电状态。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，与传统下垂控制相比，每个本地控制系统中都增加了电压补偿控制和电流分配控制，其中V_i为电压补偿量，作用是为了补偿由于虚拟下垂系数存在而产生的母线电压跌落问题。K_i为下垂系数修正量，其作用是为了实现电流的精确分配。k_i为电流分配系数，用于分配各个变换器输出电流所占比例。对于电压补偿控制而言V_ref作为LADRC控制器的给定值，V_oi作为LADRC控制器的反馈值，其控制效果是维持母线电压达到给定电压。对于电流分配控制而言，K_iI_su作为LADRC控制器的给定值，I_oi作为LADRC控制器的反馈值，其控制效果是实现变换器的输出电流按比例分配。由此消除了传统控制方法中会对系统造成影响的扰动，保证系统不发生振荡。

(2)本发明的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，母线电压的补偿和下垂系数的修正均采用了LADRC控制器，在系统达到稳态之后、负载发生变化时具有调节速度快，所需调节时间较短，能够很快达到稳定状态的优点，不会出现系统振荡。同时下垂控制，能够消除不匹配线路阻抗带来的电流分配不均，并且能够实现各个蓄电池的SOC均衡。

附图说明

图1为本发明的系统控制框图；

图2为本发明中线性自抗扰控制器的结构框图；

图3为本发明中两个并联储能系统下垂控制的等效电路图；

图4为本发明中两个并联储能系统的U-I输出特性曲线；

图5(a)为实施例中采用传统下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器输出电流图；

图5(b)为实施例中采用传统下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器SOC波形图；

图6(a)为实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器输出电流图；

图6(b)为实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器SOC波形图；

图7(a)为实施例中采用传统下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器输出电流图；

图7(b)为实施例中采用传统下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器SOC波形图；

图8(a)为实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器输出电流图；

图8(b)为实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器SOC波形图；

图9(a)为实施例中采用传统的PI控制器输出电流图；

图9(b)为实施例中采用LADRC控制器输出电流图；

图10(a)为实施例中使用传统的PI控制器直流母线电压图；

图10(b)为实施例中采用LADRC控制器的直流母线电压图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明目的是消除不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响，能够实现负荷电流在储能单元的合理分配，使得各储能单元SOC均衡，避免过充过放。同时将LADRC技术应用于下垂控制中，有效的增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性。下面结合实施例，从SOC不均衡分析，直流微电网下基于LADRC的多储能单元下垂控制策略设计，直流微电网下基于LADRC的多储能单元下垂控制策略分析等几个方面对本发明做进一步说明。

实施例

SOC不均衡分析

传统的U-I的下垂控制其表达式为：

u＝u_ref-ki (1)

式中，u为DC/DC变换器输出电压；i为输出电流；u_ref为参考电压；k为下垂系数。

图3为两台容量相等的储能蓄电池通过DC/DC变换器并联在直流母线上进行下垂控制的等效模型，R_line1、R_line2分别为相应储能单元到公共耦合点(point of commoncoupling,PCC)的等效线路阻抗，u_pcc为直流母线电压，u_dc1和u_dc2为对应变换器的输出电压，i_dc1和i_dc2为对应变换器的输出电流。

储能单元的SOC表征的是储能单元的当前输出能力，定义为：

其中SOC₀为蓄电池初始荷电状态；SOC为蓄电池的当前荷电状态；C_e是储能单元的容量；I_DC为蓄电池充放电电流。由于系统的C_e相同，所以蓄电池的SOC与SOC₀和I_DC密切相关。由式(2)可知当系统稳定后，变换器输出电流精确均分是SOC均衡的必要条件。

根据图3可得各变流器发出的电流表达式为：

结合(1)和(3)得：

因此两个并联的BESU的关系为：

根据式(5)可知，电流负荷分配不仅受下垂系数影响，而且受到线路阻抗的影响，传统下垂控制不能克服线路阻抗的影响，使得电流负荷无法精确均分，因此各储能单元的SOC无法均衡。

由上分析可知，直流微电网中储能单元通过充放电实现微电网中功率平衡。为了使得各储能单元克服不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响，实现SOC均衡，且保证电压在稳定范围(±5％)内，同时提高系统的抗干扰能力及稳定性，本实施例提供了一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其步骤为：

步骤一、构建直流微电网改进下垂控制电路：直流微电网改进下垂控制电路，包括并联在直流母线上的n个电路参数相同但输出端线路阻抗不同的双向DC-DC变换器和n个容量相等的储能蓄电池。

步骤二、构建基于LADRC的多储能单元改进下垂控制模型：，LADRC控制器包括线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈控制率两个部分，其中

线性扩张状态观测器，即LESO构造如下：

式中，y为系统反馈值，u为系统的输出控制信号，f为包含系统内部不确定性和系统外部干扰的总扰动，β₁,β₂,β₃为观测器增益参数，b₀为控制器增益的估计值；Z₁为输出电压/电流估计值，Z₂为估计值的导数，Z₃为总扰动的估计值；通过选取合适的参数值，使得LESO能够实时对各变量的实现追踪，即z₁→y,z₂→y,z₃→f。

线性状态误差反馈控制率，即LSEF构造如下：

令控制律u₀选择PD控制器，

u₀＝k_p(v-z₁)-k_dz₂ (7)

式中，v为系统输入给定信号，k_p,k_d为控制器增益，即得系统控制律，即系统的输出控制量为综上所述，系统的线性自抗扰控制器(LADRC)结构如图2所示。

步骤三、将设定的参考电压V_ref输入LADRC模型中，获得变换器的参考电压补偿量V_i，并将设定的参考电压V_ref与参考电压补偿量V_i求和，获得新的参考电压值V_refi；同时求得变换器的输出电压平均值V_ɑv：

将n个变换器的输出电压平均值V_ɑv作为LADRC的反馈值，所设定的参考电压V_ref作为LADRC的参考值输入到LADRC控制器中，再将LADRC的输出控制量作为变换器的参考电压补偿量V_i与原参考电压V_ref值求和得到变换器的一个新的参考电压值V_refi；其中电压平均值V_oi为各个变换器的输出电压。

步骤四、根据各蓄电池荷电状态构造动态电流分配系数k_i：电流的动态分配系数如式(8)

其中i表示控制对象，SOC_i表示各个变换器的实时荷电状态，m用于调节SOC_i的均衡速率，X表示各个蓄电池的总和，n表示系统中并联变换器的数量。

步骤五、计算变换器的输出电流总值I_su，并获得下垂系数的修正量K_i，将变换器的输出电流I_oi与修正后的下垂系数相乘，获得变换器的下垂值droop_i：

将n个变换器的输出电流总值I_su乘以各个变换器的电流分配系数k_i之后的值作为LADRC的给定值，将变换器的输出电流I_oi作为LADRC的给定值输入到LADRC控制器中，然后将LADRC的输出控制量作为变换器i的下垂系数的修正量K_i与原变换器固定的下垂系数K值相加，最后将变换器的输出电流I_oi乘以(K+K_i)得到变换器的下垂值droop_i；其中电流总值

步骤六、计算变换器最终电压参考值*u_i：将V_refi与droop_i做差得到变换器最终的电压参考值*u_i

*u_i＝V_refi-I_oi(K+K_i) (9)。

综合步骤三至步骤六，获得改进下垂控制模型的表达式为

步骤七、利用PI控制器形成电压外环控制和电流内环控制，同时获得控制量d_i；将控制量d_i进行PWM调制后，得到变换器开关管的放电控制信号PWM_i和充电控制信号PWM_ii：

将最终电压参考值*u_i与变换器的输出电压V_oi做比较，经过PI控制器形成电压外环控制，再将电压外环的输出与变换器的输入电流I_Li做比较，经过限幅之后进入PI控制器产生控制量d_i，形成电流内环控制；将d_i送入三角波比较器，进行PWM调制，从而得到变换器的开关管的放电控制信号PWM_i，充电控制信号PWM_ii；上述中限幅的范围为[0，I_max]，其中I_max为被控蓄电池的最大充放电电流。

步骤八、根据输出电压V_oi产生充放电标志位，输出电压通过滞环比较器，设置阈值上限U_max和下限U_min，上限输出为1，下限输出为0，初始输出为0；当输出电压超出上限U_max或低于下限U_min时改变输出信号，输出信号与开关管的充电控制信号PWM_ii求逻辑与，输出信号取逻辑反与开关管的放电控制信号PWM_i求逻辑与，该单元根据输出控制信号的变化自动切换充放电状态。

基于LADRC的多储能单元下垂控制策略分析

改进SOC下垂控制框图如图1所示。与传统下垂控制相比，每个本地控制系统中都增加了电压补偿控制和电流分配控制，其中V_i为电压补偿量，作用是为了补偿由于虚拟下垂系数存在而产生的母线电压跌落问题。K_i为下垂系数修正量，其作用是为了实现电流的精确分配。k_i为电流分配系数，用于分配各个变换器输出电流所占比例。对于电压补偿控制而言V_ref作为LADRC控制器的给定值，V_oi作为LADRC控制器的反馈值，其控制效果是维持母线电压达到给定电压。对于电流分配控制而言，K_iI_su作为LADRC控制器的给定值，I_oi作为LADRC控制器的反馈值，其控制效果是实现变换器的输出电流按比例分配，表达式为：

I_o1:I_o2:…:I_on＝k₁:k₂:…:k_n (11)

结合图1、图3和图4分析，电压补偿控制的实质是对储能模块的输出特性做平移，电流分配控制的实质就是对储能模块输出曲线的斜率进行修改。图4为两个储能模块的直流母线侧的U-I输出特性曲线。其中两条斜率不同的实线代表釆用传统下垂控制时的输出特性，虚线代表加入电压补偿控制后的输出特性。最后一条密集的虚线代表加入电流分配控制后两条重合的输出特性曲线。由图5可见，在未加入补偿量(实线)时，由于线路阻抗不同导致两个储能模块电流分配不相等，而加入补偿量后两个储能模块的输出电流实现均流。

结合公式(2)、公式(8)和公式(11)可得：

由上式可得，当系统处于放电状态，SOC占比较大的储能系统分配的输出电流更大，单位时间内放电也就越多，于是各储能系统的SOC状态最终会达到均衡。同理当系统处于充电状态时SOC占比较大储能系统分配的输出电流反而更小，单位时间内充电电也就越少，最终各储能系统的SOC状态会达到均衡。

结合图5、图6、图7和图8分析，图5、图6、图7和图8为在Matlab/Simulink仿真平台下搭建的如图1所示的仿真模型后得到的仿真波形。图5为本实施例中采用传统下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器输出电流和SOC波形图。图6为本实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下放电运行过程中的两并联变换器输出电流和SOC波形图。图7为本实施例中采用传统下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器输出电流和SOC波形图。图8为本实施例中采用基于LADRC的下垂控制策略下充电运行过程中的两并联变换器输出电流和SOC波形图。由图5和图7可知在传统下垂控制策略下由于各个变换器的线路阻抗不同，从而使得各变换器的电流分配不均，进而导致各个蓄电池SOC无法均衡。由图6和图8可知基于LADRC的下垂控制策略能够实现各个蓄电池SOC均衡，并且能够克服由于线路阻抗不同引起的电流分配不均，实现电流均分。

结合图9和图10分析，图9为本实施例中采用传统的PI控制器与采用LADRC控制器输出电流对比图，图10为本实施例中使用传统的PI控制器与采用LADRC控制器的直流母线电压对比图。分析图9和图10可知当系统达到稳态后负载发生跳变时使用LADRC控制器的控制策略得到的变换器的输出电流波形和直流母线电压波形收敛时间更短，动态响应更好，抗干扰性能更优。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、构建直流微电网改进下垂控制电路；

步骤二、构建基于LADRC的多储能单元改进下垂控制模型；

步骤三、将设定的参考电压V_ref输入LADRC模型中，获得变换器的参考电压补偿量V_i，并将设定的参考电压V_ref与参考电压补偿量V_i求和，获得新的参考电压值V_refi；同时求得变换器的输出电压平均值V_ɑv；

步骤四、根据各蓄电池荷电状态构造动态电流分配系数k_i；

步骤五、计算变换器的输出电流总值I_su，并获得下垂系数的修正量K_i，将变换器的输出电流I_ii与修正后的下垂系数相乘，获得变换器的下垂值droop_i；

步骤六、计算变换器最终电压参考值*_i；

步骤七、利用PI控制器形成电压外环控制和电流内环控制，同时获得控制量d_i；将控制量d_i进行PWM调制后，得到变换器开关管的放电控制信号PWM_i和充电控制信号PWM_ii；

步骤八、根据输出电压V_oi产生充放电标志位，输出电压通过滞环比较器，设置阈值上限和下限，当输出电压V_oi超出上限或低于下限时改变输出标志位，切换该单元充放电状态；

所述的步骤一中，直流微电网改进下垂控制电路，包括并联在直流母线上的n个电路参数相同但输出端线路阻抗不同的双向DC-DC变换器和n个容量相等的储能蓄电池；

所述的步骤二中，LADRC控制器包括线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈控制率两个部分，其中

线性扩张状态观测器，即LESO构造如下：

式中，y为系统反馈值，u为系统的输出控制信号，f为包含系统内部不确定性和系统外部干扰的总扰动，β₁,β₂,β₃为观测器增益参数，b₀为控制器增益的估计值；z₁为输出电压/电流估计值，z₂为估计值的导数，z₃为总扰动的估计值；

线性状态误差反馈控制率，即LSEF构造如下：

令控制律u₀选择PD控制器，

u₀＝k_p(v-z₁)-k_dz₂ (7)

式中，v为系统输入给定信号，k_p,k_d为控制器增益；即得

2.根据权利要求1所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，将n个变换器的输出电压平均值V_ɑv作为LADRC的反馈值，所设定的参考电压V_ref作为LADRC的参考值输入到LADRC控制器中，再将LADRC的输出控制量作为变换器的参考电压补偿量V_i与原参考电压V_ref值求和得到变换器的一个新的参考电压值V_refi；其中电压平均值V_oi为各个变换器的输出电压，n为数量代号，表示系统中并联变换器的数量。

3.根据权利要求2所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤四中，电流的动态分配系数如式(8)

其中i表示控制对象，SOC_i表示各个变换器的实时荷电状态，m用于调节SOC_i的均衡速率，X表示各个蓄电池的总和，n表示系统中并联变换器的数量。

4.根据权利要求3所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤五中，将n个变换器的输出电流总值I_su乘以各个变换器的电流分配系数k_i之后的值作为LADRC的给定值，将变换器的输出电流i_oi作为LADRC的给定值输入到LADRC控制器中，然后将LADRC的输出控制量作为变换器i的下垂系数的修正量K_i与原变换器固定的下垂系数K值相加，最后将变换器的输出电流I_oi乘以(K+K_i)得到变换器的下垂值droop_i；其中电流总值

5.根据权利要求4所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤六中，将V_refi与droop_i做差得到变换器最终的电压参考值*u_i

*u_i＝V_refi-I_oi(K+K_i) (9)。

6.根据权利要求5所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：综合步骤三至步骤六，获得改进下垂控制模型的表达式为

7.根据权利要求6所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤七中，将最终电压参考值*u_i与变换器的输出电压V_oi做比较，经过PI控制器形成电压外环控制，再将电压外环的输出与变换器的输入电流I_Li做比较，经过限幅之后进入PI控制器产生控制量d_i，形成电流内环控制；将d_i送入三角波比较器，进行PWM调制，从而得到变换器的开关管的放电控制信号PWM_i，充电控制信号PWM_ii；上述中限幅的范围为[0，I_max]，其中I_max为被控蓄电池的最大充放电电流。

8.根据权利要求7所述的一种直流微电网多储能单元下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤八中，根据输出电压V_oi产生充放电标志位，输出电压通过滞环比较器，设置阈值上限U_max和下限U_min，上限输出为1，下限输出为0，初始输出为0；当输出电压超出上限U_max或低于下限U_min时改变输出信号，输出信号与开关管的充电控制信号PWM_ii求逻辑与，输出信号取逻辑反与开关管的放电控制信号PWM_i求逻辑与，该单元根据输出控制信号的变化自动切换充放电状态。