CN115051338A - 一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，包括以下步骤：S1、测量储能系统中的参数；S2、根据所测量的参数搭建下垂控制系统小信号模型，配置下垂控制所需的基本控制器参数；S3、对电压外环和电流内环进行解耦设计；S4、推导电压外环和电流内环解耦后电流内环的闭环传递函数；S5、对解耦后的电流内环进行等效变换，构建扰动观测器可应用的下垂控制结构；S6、将扰动观测器应用于等效变换后的下垂控制结构，计算控制系统输出函数，将Q(s)设计为低通滤波器；S7、对低通滤波器参数进行设计；S8、根据控制策略正常运行。本发明可以快速平抑工况变化时的直流母线电压波动，改善直流母线电压的暂态恢复过程，保证良好的用电质量。

Description

一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法
技术领域
本发明涉及直流微电网技术领域，更具体涉及一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法。
背景技术
微电网是由光伏等分布式能源以及负载组成的、可控的分布式发用电系统，其中，电能以直流的形式传输、利用的微电网称之为直流微电网。光伏、储能及电力电子负荷均具有直流化特征，接入直流微电网可减少部分变换环节，提高能量利用效率，因此直流微电网被认为是新能源就地消纳的有效形式而得到推广。然而，由于光伏出力及负荷用电具有随机性，使得母线电压波动，可能引起网内设备不正常运行或绝缘损坏，不利于直流微网的安全运行。
现有针对直流微网直流母线电压暂态控制主要分为两类，一类针对单台储能换流器运行场景，采用多基于定电压方式，策略上一般采用比例积分参数的优化设计，可移植性较差。另一类是利用下垂控制构建多台换流器并联场景下的母线电压，但该类方法在工况发生变化时暂态响应较慢，固有电压偏差较大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，以解决孤网模式下储能换流器快速平抑直流母线电压波动的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，包括以下步骤：
S1、测量储能系统中的参数，配置电压电流互感器测量控制所需的参数；
S2、根据步骤S1所测量的参数搭建下垂控制系统小信号模型，配置下垂控制所需的基本控制器参数；
S3、对下垂控制系统小信号模型中的电压外环和电流内环进行解耦设计；
S4、推导电压外环和电流内环解耦后电流内环的闭环传递函数GcI；
S5、对解耦后的电流内环进行等效变换，构建扰动观测器可应用的下垂控制结构；
S6、将扰动观测器应用于步骤S5等效变换后的下垂控制结构，计算控制系统输出函数Uc(s)，将Q(s)设计为低通滤波器；
S7、对低通滤波器参数进行设计；
S8、系统根据控制策略正常运行。
进一步优化技术方案，所述步骤S3中，通过在电流内环添加补偿项来实现电压外环和电流内环的解耦控制，得到解耦后电流内环。
进一步优化技术方案，所述步骤S4中，通过以下公式计算闭环传递函数GcI：
Figure BDA0003661195000000021
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；E为电池电压。
进一步优化技术方案，所述步骤S5包括以下步骤：
将解耦后的电流内环代替下垂控制系统小信号模型的电流内环，将电流扰动iload经过等效变换移动到GcI(s)前面，构建适用扰动观测器的控制结构；
经变换后的扰动电流i'load表示为：
Figure BDA0003661195000000022
其中：iload为扰动电流。
进一步优化技术方案，所述步骤S6中，控制系统的输出函数Uc(s)为：
uC(s)＝Guu(s)Uref-Gdu(s)i'load(s)
其中：
Figure BDA0003661195000000023
Uref为电压参考值；Gdu(s)表示占空比d至输出电压u之间的传递函数；Gp(s)为被控对象的实际模型；Gn(s)为被控对象的标称模型。
进一步优化技术方案，所述步骤S7包括以下步骤：
确定闭环传递函数GcU(s)：
Figure BDA0003661195000000031
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；r为虚拟电阻；C为滤波电容；E为电池电压；
根据闭环传递函数GcU(s)，利用波特图获得该控制系统剪切频率ωc，并根据剪切频率确定低通滤波器关键参数τf的下边界。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明为一种可用于储能换流器改进下垂控制策略，通过对控制器的电流内环和电压外环解耦，并进行等效变换，进而将DOB应用于下垂控制系统，本发明可以快速平抑工况变化时的直流母线电压波动，改善直流母线电压的暂态恢复过程，保证良好的用电质量。孤网运行模式下，储能系统是平衡网内功率波动的唯一单元，本发明有效地解决了孤网模式下储能换流器快速平抑直流母线电压波动的问题。
附图说明
图1为实际储能系统的等效电路图；
图2为传统下垂控制的控制框图；
图3为本发明在电流内环添加补偿项的示意图；
图4为本发明解耦后电流内环示意图；
图5为本发明经过解耦等效变换后的控制框图；
图6为本发明应用DOB的等效控制框图
图7为本发明GcU(s)波特图；
图8为本发明直流母线电压的响应波形图；
图9为本发明减小观测器时间常数时直流母线电压的响应波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，包括以下步骤：
S1、测量储能系统中滤波电感、电容参数，配置电压电流互感器测量控制所需的参数。电压电流互感器测量控制所需的参数包括电池电压、母线电压、电感电流参数。
如图1所示为实际储能系统的等效电路，在实际储能物理系统的等效电路中，需要测量图1中的电感L、电容C参数，并配置传感器实时的获取储能电池电压E、母线电压uC、输出电流iL。
S2、根据步骤S1所测量的参数搭建控制框图，如图2所示为传统下垂控制的控制框图，图2中所需电气量由步骤S1中得到。根据控制所需的带宽要求，配置传统下垂控制的控制器参数。本实施例中构建的控制框图为下垂控制系统小信号模型。
S3、如图2(b)电压外环所示，抑制母线电压波动需要通过合理的控策略减少扰动电流的影响。此外，如图2中所示，电流内环受到电压外环uc的干扰，因此需要对下垂控制系统小信号模型中的电流内环和电压外环进行解耦设计。
如图3所示，通过在电流内环添加补偿项来实现电压外环和电流内环的解耦控制，该补偿项满足公式(1)：
e＝uC/(EKPI) (1)
其中：uc为电容电压；E为电池电压。
从而得到解耦后电流内环示意图，如图4所示。
S4、推导电压外环和电流内环解耦后电流内环的闭环传递函数GcI。
由图4所示，解耦后的闭环传递函数GcI通过公式(2)计算而得，公式(2)如下：
Figure BDA0003661195000000051
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；E为电池电压。
S5、对解耦后的电流内环进行等效变换，构建扰动观测器(DisturbanceObserver,DOB)可应用的典型下垂控制结构。
步骤S5包括以下步骤：
将图4所示解耦后的电流内环代替图2中的传统下垂控制系统小信号模型的电流内环，将电流扰动iload经过等效变换移动到GcI(s)前面，构建适用扰动观测器的典型控制结构。
如图5所示为经过解耦等效变换后的控制框图。经变换后的扰动电流i'load表示为：
Figure BDA0003661195000000052
其中：iload为扰动电流，iload(s)为扰动电流函数。
S6、将扰动观测器(DOB)应用于步骤S5等效变换后的下垂控制结构，计算控制系统输出函数Uc(s)，应用后的框图如图6所示。
由图6所示，可以得到控制系统的输出函数Uc(s)为：
uC(s)＝Guu(s)Uref-Gdu(s)i'load(s) (4)
其中：
Figure BDA0003661195000000053
Uref为电压参考值；Gdu(s)表示占空比d至输出电压u之间的传递函数；Gp(s)为被控对象的实际模型；Gn(s)为被控对象的标称模型；其中Gp(s)与Gn(s)存在因参数摄动而造成的微小偏差。
从而在当Q(s)设计为低通滤波器时，扰动电流iload(s)对母线电压的影响可以被抑制。
S7、对低通滤波器参数进行设计，计算低通滤波器参数τf。
DOB设计中关键点在于低通滤波器设计，为了使得DOB可以实现较好的性能，需要对DOB中的低通滤波器Q(s)进行合理化设计。
根据低通滤波器通用设计方程(5)，在保证控制系统可实现性的同时，尽量减少由于低通滤波器带来的时延。
在图4中，系统的闭环传递函数GcU(s)可以求得
Figure BDA0003661195000000061
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；r为虚拟电阻；C为滤波电容；E为电池电压。
可见，闭环传递函数GcU(s)的分母、分子的阶数差为2阶，因此Q(s)可设计为二阶滤波器，如公式(6)：
Figure BDA0003661195000000062
计算低通滤波器参数τf。根据本控制系统闭环传递函数GcU(s)，利用波特图获得该控制系统剪切频率ωc，并根据剪切频率确定低通滤波器关键参数τf的下边界。
确定τf值满足：
Figure BDA0003661195000000063
S8、确定τf参数后，整个控制框图设计完毕，系统可根据控制策略正常运行。相比传统下垂控制具有更好的暂态响应特性。
下面对本发明中的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法进行验证。
基于Matlab/simulink搭建了一个仿真算例，对所提出的控制策略进行验证，参数设置如表1所示。
表1仿真参数
Figure BDA0003661195000000064
本发明中的验证方法包括以下步骤：
第一步，由于仿真中开关频率设置为20kHz，为满足控制系统，带宽应小于12krad/s。因此，系统的传统下垂控制的控制器参数设置为:kp＝0.005，ki＝0.03，虚拟电阻设计为0.1。
第二步，根据第一步中的参数设计，作出系统波特图如图7所示。由图7可得ωc约为1000rad/s，满足设计要求。
第三步，由公式(7)可计算得τf需满足τf≥0.6ms，进而可根据不同的仿真算例要求设计不同的Q(s)。
第四步，将传统下垂控制与本发明所提控制策略进行对比分析。空载直流母线电压设置为100V，并在t＝2s时投入2kW负载，系统经过短暂的暂态过程后恢复稳态。
根据直流母线电压的响应波形，将τf＝2ms与τf＝5ms的波形对比可知，减小观测器的时间常数可提升母线电压的暂态恢复能力，减小恢复时间，对应的扰动电流也可更快速地进入稳态。
对比传统下垂控制策略与提出的基于扰动前馈的控制策略(如将τf＝2ms)可知，所提的控制策略可明显改善直流母线电压的响应能力，以此验证了本申请所提控制策略的有效性。

Claims (6)

1.一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量储能系统中的参数，配置电压电流互感器测量控制所需的参数；
S2、根据步骤S1所测量的参数搭建下垂控制系统小信号模型，配置下垂控制所需的基本控制器参数；
S3、对下垂控制系统小信号模型中的电压外环和电流内环进行解耦设计；
S4、推导电压外环和电流内环解耦后电流内环的闭环传递函数GcI；
S5、对解耦后的电流内环进行等效变换，构建扰动观测器可应用的下垂控制结构；
S6、将扰动观测器应用于步骤S5等效变换后的下垂控制结构，计算控制系统输出函数Uc(s)，将Q(s)设计为低通滤波器；
S7、对低通滤波器参数进行设计；
S8、系统根据控制策略正常运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过在电流内环添加补偿项来实现电压外环和电流内环的解耦控制，得到解耦后电流内环。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过以下公式计算闭环传递函数GcI：
Figure FDA0003661194990000011
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；E为电池电压。
4.根据权利要求3所述的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
将解耦后的电流内环代替下垂控制系统小信号模型的电流内环，将电流扰动iload经过等效变换移动到GcI(s)前面，构建适用扰动观测器的控制结构；
经变换后的扰动电流i′load表示为：
Figure FDA0003661194990000021
其中：iload为扰动电流。
5.根据权利要求4所述的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，所述步骤S6中，控制系统的输出函数Uc(s)为：
uC(s)＝Guu(s)Uref-Gdu(s)i′load(s)
其中：
Figure FDA0003661194990000022
Uref为电压参考值；Gdu(s)表示占空比d至输出电压u之间的传递函数；Gp(s)为被控对象的实际模型；Gn(s)为被控对象的标称模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于改进下垂控制的直流微电网暂态电压改善方法，其特征在于，所述步骤S7包括以下步骤：
确定闭环传递函数GcU(s)：
Figure FDA0003661194990000023
其中：kp为比例参数；ki为积分参数；L为滤波电感；r为虚拟电阻；C为滤波电容；E为电池电压；
根据闭环传递函数GcU(s)，利用波特图获得该控制系统剪切频率ωc，并根据剪切频率确定低通滤波器关键参数τf的下边界。
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CN116316535A (zh) * 2023-03-22 2023-06-23 广东工业大学 基于电容储能的直流母线电压补偿装置的控制方法
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