CN115663780A - 一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法 - Google Patents

一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法 Download PDF

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CN115663780A CN202211203528.XA CN202211203528A CN115663780A CN 115663780 A CN115663780 A CN 115663780A CN 202211203528 A CN202211203528 A CN 202211203528A CN 115663780 A CN115663780 A CN 115663780A
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Abstract

本发明公开了一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，属于直流配电网运行与控制技术领域。针对分段下垂控制因各光伏电源随机出力而无法发挥好的控制效果，并且自适应分段下垂控制在光伏出力连续变化时存在下垂系数突变的问题，采用非线性函数进行改进，使下垂特性曲线在额定工作点平稳过渡。其次设计了改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立了输出阻抗模型，分析了改进的控制方法可以有效抑制系统环流。最后，在MATLAB/Simulink中进行仿真分析，验证了本发明方法具有更好的控制效果，不仅可以改善轻载状态母线电压的偏移率，提高重载状态功率的分配精度，而且在光伏出力连续变化时，可以使系统的过渡过程更加平稳。

Description

一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法
技术领域
本发明属于直流配电网运行与控制技术领域，具体涉及一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法。
背景技术
随着新能源的广泛普及以及电力电子技术的不断突破，带动了直流微电网的发展，促使大规模的光伏电源高效接入电网。直流微电网中DC-DC变流器将光伏电源并入直流母线，直流母线给直流负载供电或经DC-AC逆变器将电能输送至交流电网，下垂控制凭借无需通信互联线及可靠性高等优点成为直流微电网电压调节的常用方法，但传统下垂控制方法难以确定其下垂系数。
对于下垂系数选取张国荣，毕康军，解润生，等.双极性直流微网多交错并联电压平衡器协调控制[J].太阳能学报，2021，42(07):44-50.基于并联型交错电压平衡器，采用间接均流法，提出了一种二次调节的改进下垂控制策略，实现了并联变流器的负载电流合理分配。彭乔，刘天琪，张英敏，等.考虑功率裕度与系统稳定性的直流电网自适应下垂控制[J].中国电机工程学报，2018，38(12)： 3498-3506.对于含风电的直流电网系统，提出了一种两段式下垂控制方法，使各变流器依据实时功率裕度进行电压及功率的调节。Prabhakaran P,Goyal Y, Agarwal V.Novel Nonlinear Droop Control Techniques toOvercome the Load Sharing and Voltage Regulation Issues in DC Microgrid[J].IEEE Transactions on PowerElectronics，2018，33(5):4477-4487.比较了线性及非线性下垂控制方法对电压调节、功率分配和稳定性等方面的影响，验证了采用适当的非线性下垂控制具有更好的调节效果。Wang Y Z,Wen W J,Wang C S,et al.Adaptivevoltagedroop method ofmultiterminal VSC-HVDC systems for DC voltage deviationand power sharing[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2019，34(1):169-176.为解决各变流器的直流电压和输出功率在暂态时达到极限值，提出了利用功率分配因子和电压偏差因子来调节下垂系数的控制策略。支娜，丁可，黄庆辉，等.基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略[J].电工技术学报，2021， 36(06):1238-1248.为解决直流微电网系统母线电压波动问题，将直流电机机电暂态过程与下垂控制特性进行等效，提出了一种基于P-U下垂特性的虚拟直流电机控制策略。下垂控制采用改变系统惯性的方法解决光伏出力变化造成的电压及功率波动的能力有限，并且光伏出力的不确定性也将引起系统环流增大等问题。
在同一系统负荷下，当光伏电源分配的输出功率未超过额定工作点时，系统负载表现为轻载；当光伏电源分配的输出功率超过额定工作点时，系统负载表现为重载。分段下垂控制的下垂系数在轻、重载条件下选取不同的值，随着各光伏电源出力的不断变化，将导致系统功率分配不合理且无法有效控制母线电压偏移率。
发明内容
针对自适应分段下垂控制在光伏出力连续变化时存在下垂系数突变的问题，本发明提供了一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，首先建立含多个光伏电源的直流微电网；其次在分段下垂控制策略的基础上，引入由环境温度和光照强度决定的光伏出力系数，再采用非线性函数对分段下垂特性曲线进行改进，改善额定工作点下垂系数突变的问题；设计改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立输出阻抗模型，分析改进的控制方法对系统环流的影响；最后通过搭建仿真模型，验证改进控制策略的有效性。
进一步，建立含多个光伏电源的直流微电网具体方法是：
直流微电网由光伏电源、DC-DC变流器、储能装置、直流负载、网侧逆变器和交流电网组成，其中每个光伏电源由参数相等的若干光伏阵列组成，且各个光伏电源的额定容量相等；光伏侧DC-DC变流器采用LLC谐振式双向全桥变换器，LLC谐振式双向全桥变换器除了可以提供电流隔离外，还具有输入电压范围广、功率转换效率高和能实现全负载零电压开通的优点；储能侧DC-DC 变流器采用Buck-Boost结构；直流微电网中DC-DC变流器将光伏电源产生的电能并入直流母线，直流母线给直流负载供电或经网侧逆变器将电能输送至交流电网；
当交流电网对直流微电网无功率调度要求时，网侧逆变器停止运行，直流微电网处于孤岛模式；当交流电网对直流微电网有功率调度要求时，网侧逆变器采取PQ控制，此时交流电网等效为直流微电网的恒功率负载，系统等效于一种孤岛模式，且此孤岛模式相较于交流电网对直流微电网无功率调度要求时的孤岛模式在运行上多了一个恒功率负载；
根据系统对光伏单元的不同需求，将光伏单元依据母线电压信号划分为三种工作模式，分别为：模式一：当母线电压Udc≥1.05Uoiref时，通过分段下垂控制光伏电源，储能装置为恒功率充电模式；模式二：当母线电压0.95Uoiref<Udc< 1.05Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为下垂控制；模式三：当母线电压Udc≤0.95Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为恒功率放电模式；其中，Udc表示直流母线电压，Uoiref表示直流母线电压参考值；当系统运行于模式一时，光伏单元(由所有光伏电源组成)输出功率大于系统所需功率，光伏电源减载运行维持母线电压稳定；当系统运行于其它模式时，为充分利用光伏能源，光伏电源不承担母线电压调节作用。
进一步，所述分段下垂控制策略具体是：
直流微电网光伏侧变流器下垂控制表示为：
Figure BDA0003872583740000041
下垂控制的下垂系数表示为：
Figure BDA0003872583740000042
其中：Uoi为输入直流母线电压；Uoiref为直流母线电压参考值；Ki为光伏侧变流器的下垂系数；Poi为光伏侧变流器的输出功率；
Figure BDA0003872583740000043
为标况下光伏侧变流器的输出功率参考值；
Figure BDA0003872583740000044
为标况下光伏电源的最大输出功率，Uoimax、Uoimin为输入直流母线电压的最大、最小值；Poimax、Poimin为光伏侧变流器输出功率的最大、最小值，其中Poimax等于标况下光伏电源的最大输出功率。
下垂控制光伏电源输出功率参考值为：
Figure BDA0003872583740000045
其中：α为减载运行比例常数，α<1，通常取值范围为0.6～0.8，取0.6；
在同一系统负荷下，当光伏电源分配的输出功率未超过额定工作点时，系统负载表现为轻载；当光伏电源分配的输出功率超过额定工作点时，系统负载表现为重载；在光伏电源发生减载后，系统在轻、重载条件下的调节性能不同，采用分段下垂控制来满足直流微电网在不同状态下的要求。
分段下垂控制的下垂系数表示为：
Figure BDA0003872583740000051
光伏电源输出功率与温度Ti和光照强度Si之间的关系为：
Figure BDA0003872583740000052
ΔSi＝Si/Sref-1
ΔTi＝Ti-Tref
其中：Pimppt为任意条件下光伏电源的最大输出功率；
Figure BDA0003872583740000053
为标况下光伏电源的最大输出功率；Sref为光照强度参考值；Tref为温度参考值；a、b、c为常数，其中：a＝0.002、b＝0.5、c＝0.002；Si为环境光照强度；Ti为环境温度；
光伏电源出力受环境因素影响，引入光伏出力系数，将其表示为：
Figure BDA0003872583740000054
其中：δi为光伏出力系数；
光伏出力系数δi与光照强度Si成正比，与温度Ti成反比，在不考虑温度及光照强度变化的情况下，当δ1>δ2时，出现P1mppt>Po1＝Po2>P2mppt，因此功率的不合理分配使光伏电源处于饱和状态，从而导致直流母线电压降落，所以系统分配功率需结合光伏出力系数设置分段下垂特性曲线。
进一步，所述自适应分段下垂控制策略的具体方法是：
根据Poi与
Figure BDA0003872583740000055
的大小关系判断直流微电网系统轻、重载状态，各光伏出力系数不同时，采用下垂系数与输出功率参考值结合光伏出力系数进行调整解决功率分配过程中光伏电源出现的饱和现象，使各光伏电源正确判定轻、重载情况；
根据温度和光照强度对光伏电源出力的影响，设置输出功率参考值随光伏出力系数的变化而变化，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000061
三个光伏电源额定容量及标况下输出功率参考值相等，为实现合理的功率分配，各光伏侧变流器输出功率参考值与下垂系数应满足如下关系：
K1Po1ref＝K2Po2ref＝K3Po3ref
光伏侧变流器的输出功率最大值、参考值都将随着光伏出力系数而改变，在电压控制范围不变的情况下，下垂系数也将发生变化。随光伏出力系数自适应变化的下垂系数表达式为：
Figure BDA0003872583740000062
进一步，所述采用非线性函数对自适应分段下垂特性曲线进行改进的具体方法是：
对自适应分段下垂控制策略进行改进，改进后的下垂特性曲线需满足以下要求：下垂特性曲线的电压及功率控制范围不变；当系统中一个或多个光伏侧变流器运行于额定工作点附近时，不因下垂系数的突变，引起电压偏移与功率偏移的比例波动和系统环流增大的问题；整条下垂特性曲线仍然需要呈现轻载情况下减小直流母线电压偏移率，重载情况下提高系统功率分配精度的控制效果；
采用非线性函数进行改进，轻载条件下采用二次函数，重载条件下采用一次函数，下垂特性曲线在轻、重载状态过渡点的斜率相等，即额定工作点处下垂系数不再发生突变，使系统在额定工作点实现平稳过渡，改进的自适应分段下垂控制表达式为：
Figure BDA0003872583740000071
其中：
Figure BDA0003872583740000072
其中，Kia为公式中的一个参数；Ki2为重载条件下的下垂系数。
进一步，所述设计改进的自适应分段下垂控制系统的具体方法是：
光伏侧DC-DC变流器采用输出电压电流的双闭环控制，实现对母线电压的调节作用；在改进的自适应分段下垂控制系统中，首先，给定电压参考值、标况下的功率参考值及功率最大值，将外界光照强度和环境温度结合光伏出力系数通过功率计算器计算出实时功率参考值及功率最大值；其次，利用下垂系数整定器确定下垂系数，使光伏侧变流器匹配相应的下垂特性曲线；最后，通过改进的自适应分段下垂控制方法输出一个电压补偿量，电压补偿量作用于电压外环，最终输出合理的电压值来实现对母线电压的控制。
进一步，所述改进的自适应分段下垂控制系统输出阻抗建模的具体方法是：
选取电感电流IL和输出电压Uo为控制系统的状态变量，忽略变流器的损耗，光伏侧变流器状态空间表达式为：
Figure BDA0003872583740000073
其中：X＝[IL(t)Uo(t)]T；Y＝[IL(t)]；U＝[Vn(t)]；Vn为控制系统的电源电压；t为时间；T表示矩阵的转置；A、B、C参数如下：
Figure BDA0003872583740000081
Figure BDA0003872583740000082
C＝[1 0]
其中：Ls为LLC谐振式双向全桥变换器的滤波电感；f为频率；D为占空比； Co为并网端电容；Ro为直流微电网的等效负载；Rc为光伏侧变流器的电阻，不计变流器的损耗，Rc＝0；sgn(t)为符号函数，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000083
其中：T为开关周期；
对状态变量IL(s)进行拉氏变换，其表达式为：
IL(s)＝C(sI-A)-1BU(s)
其中：s为复频率，s是复频域形式中的变量；I为单位矩阵；
控制系统的电流内环的闭环传递函数为：
GB(s)＝GPII(s)G1(s)/[1+GPII(s)G1(s)]
其中：GB(s)为控制系统的电流内环的闭环传递函数；GPII(s)为控制系统的电流内环传递函数；G1(s)为IL(s)到D的传递函数，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000084
依据戴维南等效定理，改进的自适应分段下垂控制系统可等效为：
Figure 100002_DEST_PATH_FDA0003994431770000073
其中：GPIV(s)为控制系统的电压外环传递函数；Zv(s)为Uoi与Ioi之间的传递函数；Gv(s)为Uoi与Uoit之间的传递函数；Cs为电流内环与电压外环间的传递函数；Ioi为控制系统的输入电流；Uoit为引入等效阻抗后的电压调制参数，其表达式为：
Uoit＝Uoiref-ZeqiIoi
其中：Zeqi为控制系统的等效阻抗；
对下垂控制表达式进行小信号处理：
Figure BDA0003872583740000091
Uoi＝Uoiref-Ki(Uoi-Uoiref)Ioi
则分段下垂控制及自适应分段下垂控制等效阻抗为：
Figure BDA0003872583740000092
对改进的自适应分段下垂控制表达式中二次函数特性曲线进行小信号处理：
Figure BDA0003872583740000093
因此改进的自适应分段下垂控制轻载条件下等效阻抗为：
Figure BDA0003872583740000094
综上所述，光伏侧变流器的等效输出阻抗为：
Zoi(s)＝Gv(s)Zeqi+Zv(s)
其中：Zoi为光伏侧变流器的等效输出阻抗。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本文采用非线性函数进行改进，提出了一种改进的自适应分段下垂控制方法，使下垂特性曲线在额定工作点平稳过渡。其次，利用小信号分析法对光伏侧变流器建立了输出阻抗模型，分析了改进的控制方法可以有效抑制系统环流。最后，在MATLAB/Simulink中进行仿真分析，验证了本文所采用的改进自适应分段下垂控制方法具有更好的控制效果，不仅可以改善轻载状态母线电压的偏移率，提高重载状态功率的分配精度，而且在光伏出力连续变化时，可以使系统的过渡过程更加平稳。
附图说明
图1为直流微电网拓扑结构示意图；
图2为LLC谐振式双向全桥变换器拓扑结构示意图；
图3为分段下垂控制特性曲线图；
图4为直流微电网简化电路模型示意图；
图5为随δi变化的自适应分段下垂控制特性曲线图；
图6为改进的自适应分段下垂控制特性曲线示意图；
图7为改进的自适应分段下垂控制框图；
图8为光照强度随时间变化情况示意图；
图9中(a)为三种控制方法的直流母线电压对比示意图；(b)为自适应分段下垂控制与改进的自适应分段下垂控制母线电压对比示意图；
图10为不同控制方法的三个光伏侧变流器输出功率波形示意图；
图11为光伏侧DC-DC2变流器输出功率波形示意图。
具体实施方式
实施例1
一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法
首先建立含多个光伏电源的直流微电网；其次在分段下垂控制策略的基础上，引入由环境温度和光照强度决定的光伏出力系数，再采用非线性函数对分段下垂特性曲线进行改进，改善额定工作点下垂系数突变的问题；设计改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立输出阻抗模型，分析改进的控制方法对系统环流的影响；最后通过搭建仿真模型，验证改进控制策略的有效性。
建立含多个光伏电源的直流微电网：
直流微电网拓扑结构如图1所示，直流微电网由光伏电源、DC-DC变流器、储能装置、直流负载、网侧逆变器和交流电网组成，其中每个光伏电源由参数相等的若干光伏阵列组成，且各个光伏电源的额定容量相等；光伏侧DC-DC变流器采用LLC谐振式双向全桥变换器，如图2LLC谐振式双向全桥变换器拓扑结构示意图所示，LLC谐振式双向全桥变换器除了可以提供电流隔离外，还具有输入电压范围广、功率转换效率高和能实现全负载零电压开通的优点；储能侧DC-DC变流器采用Buck-Boost结构；直流微电网中DC-DC变流器将光伏电源产生的电能并入直流母线，直流母线给直流负载供电或经网侧逆变器将电能输送至交流电网；
当交流电网对直流微电网无功率调度要求时，网侧逆变器停止运行，直流微电网处于孤岛模式；当交流电网对直流微电网有功率调度要求时，网侧逆变器采取PQ控制，此时交流电网等效为直流微电网的恒功率负载，系统等效于一种孤岛模式，且此孤岛模式相较于交流电网对直流微电网无功率调度要求时的孤岛模式在运行上多了一个恒功率负载；
根据系统对光伏单元的不同需求，将光伏单元依据母线电压信号划分为三种工作模式，如表1所示，分别为：模式一：当母线电压Udc≥1.05Uoiref时，通过分段下垂控制光伏电源，储能装置为恒功率充电模式；模式二：当母线电压 0.95Uoiref<Udc<1.05Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为下垂控制；模式三：当母线电压Udc≤0.95Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为恒功率放电模式；
表1系统运行模式
Figure BDA0003872583740000121
其中，Udc表示直流母线电压，Uoiref表示直流母线电压参考值；
当系统运行于模式一时，光伏单元输出功率大于系统所需功率，光伏电源减载运行维持母线电压稳定；当系统运行于其它模式时，为充分利用光伏能源，光伏电源不承担母线电压调节作用。
分段下垂控制策略：
直流微电网光伏侧变流器下垂控制表示为：
Figure BDA0003872583740000122
下垂控制的下垂系数表示为：
Figure BDA0003872583740000123
其中：Uoi为输入直流母线电压；Uoiref为直流母线电压参考值；Ki为光伏侧变流器的下垂系数；Poi为光伏侧变流器的输出功率；
Figure BDA0003872583740000124
为标况下光伏侧变流器的输出功率参考值；
Figure BDA0003872583740000125
为标况下光伏电源的最大输出功率，Uoimax、Uoimin为输入直流母线电压的最大、最小值；Poimax、Poimin为光伏侧变流器输出功率的最大、最小值，其中Poimax等于标况下光伏电源的最大输出功率。
下垂控制光伏电源输出功率参考值为：
Figure BDA0003872583740000131
其中：α为减载运行比例常数，α<1，通常取值范围为0.6～0.8，取0.6；
在同一系统负荷下，当光伏电源分配的输出功率未超过额定工作点时，系统负载表现为轻载；当光伏电源分配的输出功率超过额定工作点时，系统负载表现为重载；在光伏电源发生减载后，系统在轻、重载条件下的调节性能不同，采用分段下垂控制来满足直流微电网在不同状态下的要求。
分段下垂控制的下垂系数表示为：
Figure BDA0003872583740000132
分段下垂控制特性曲线如图3所示，其中，Ki1为轻载条件的下垂系数，Ki2为重载条件的下垂系数，Ai为额定工作点。ΔU为Uoi与Uoiref的差值；ΔP为Poi与
Figure BDA0003872583740000133
的差值，当ΔU不变时，|ΔP|随着下垂系数的增大而减小，当ΔP不变时， |ΔU|随着下垂系数的减小而减小，所以下垂系数越小，对电压的稳定控制越有利，下垂系数越大，对实现功率的精确分配越有利。由图3可知，轻载条件和重载条件设置不同的下垂系数，有利于满足系统在不同状态下的要求。
光伏侧变流器并联的直流微电网简化电路模型如图4所示，其中Uz为负载电压；Ri为变流器的输出阻抗。
根据图4可得光伏侧变流器输出功率比例关系为：
Figure BDA0003872583740000134
其中，Rline1、Rline2分别光伏侧变流器1、2所连线路上的阻抗；
变流器与负载电压关系满足Uo1≈Uo2≈Uo3，当线路阻抗相同时，下垂系数对变流器分配的输出功率起决定性作用，当环境因素和光伏电源额定容量一致时，设置相同的下垂系数，变流器输出的功率也相同。
光伏电源输出功率与温度Ti和光照强度Si之间的关系为：
Figure BDA0003872583740000141
ΔSi＝Si/Sref-1
ΔTi＝Ti-Tref
其中：Pimppt为任意条件下光伏电源的最大输出功率；
Figure BDA0003872583740000142
为标况下光伏电源的最大输出功率；Sref为光照强度参考值；Tref为温度参考值；a、b、c为常数，其中：a＝0.002、b＝0.5、c＝0.002；Si为环境光照强度；Ti为环境温度；
光伏电源出力受环境因素影响，引入光伏出力系数，将其表示为：
Figure BDA0003872583740000143
其中：δi为光伏出力系数；
光伏出力系数δi与光照强度Si成正比，与温度Ti成反比，在不考虑温度及光照强度变化的情况下，当δ1>δ2时，出现P1mppt>Po1＝Po2>P2mppt，因此功率的不合理分配使光伏电源处于饱和状态，从而导致直流母线电压降落，所以系统分配功率需结合光伏出力系数设置分段下垂特性曲线。
自适应分段下垂控制策略：
根据Poi与
Figure BDA0003872583740000144
的大小关系判断直流微电网系统轻、重载状态，各光伏出力系数不同时，采用下垂系数与输出功率参考值结合光伏出力系数进行调整解决功率分配过程中光伏电源出现的饱和现象，使各光伏电源正确判定轻、重载情况；
根据温度和光照强度对光伏电源出力的影响，设置输出功率参考值随光伏出力系数的变化而变化，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000151
三个光伏电源额定容量及标况下输出功率参考值相等，为实现合理的功率分配，各光伏侧变流器输出功率参考值与下垂系数应满足如下关系：
K1Po1ref＝K2Po2ref＝K3Po3ref
光伏侧变流器的输出功率最大值、参考值都将随着光伏出力系数而改变，在电压控制范围不变的情况下，下垂系数也将发生变化。随光伏出力系数自适应变化的下垂系数表达式为：
Figure BDA0003872583740000152
出力系数是衡量光伏电源发出功率的能力，光伏电源发出的功率随光伏出力系数的增大而增大。设置直流母线电压参考值为800V，根据随光伏出力系数自适应变化的下垂系数表达式绘制δi从0.4～1.5的自适应分段下垂控制特性曲线，如图5所示。
光伏出力系数影响系统中光伏电源分配的功率，光伏出力系数越大的电源将分配较多的功率，光伏出力系数越小的电源将分配较少的功率。下垂系数决定ΔU和ΔP之间的关系，系统的轻载和重载状态将随光伏出力变化来回切换，下垂系数的不断突变将引起电压偏移与功率偏移的比例波动，使系统的稳定性降低。
采用非线性函数对自适应分段下垂特性曲线进行改进：
对自适应分段下垂控制策略进行改进，改进后的下垂特性曲线需满足以下要求：下垂特性曲线的电压及功率控制范围不变；当系统中一个或多个光伏侧变流器运行于额定工作点附近时，不因下垂系数的突变，引起电压偏移与功率偏移的比例波动和系统环流增大的问题；整条下垂特性曲线仍然需要呈现轻载情况下减小直流母线电压偏移率，重载情况下提高系统功率分配精度的控制效果；
采用非线性函数进行改进，轻载条件下采用二次函数，重载条件下采用一次函数，下垂特性曲线在轻、重载状态过渡点的斜率相等，即额定工作点处下垂系数不再发生突变，使系统在额定工作点实现平稳过渡，改进的自适应分段下垂控制表达式为：
Figure BDA0003872583740000161
其中：
Figure BDA0003872583740000162
其中，Kia是公式中的一个参数，Ki2代表的是重载条件下的下垂系数。
根据上式绘制改进的自适应分段下垂控制特性曲线，如图6所示，其中Ai点的斜率等于第二段直线的斜率。由图6可知，改进的自适应分段下垂控制在不改变电压和功率控制范围的条件下解决了额定工作点下垂系数发生突变的问题，并且在轻载条件下，改进的自适应分段下垂控制的斜率最小值小于自适应分段下垂控制的斜率最小值，因此可以进一步改善母线电压偏移率。
设计改进的自适应分段下垂控制系统：
光伏侧DC-DC变流器采用输出电压电流的双闭环控制，实现对母线电压的调节作用；采用改进自适应分段下垂控制的光伏侧变流器控制框图如图7所示，在改进的自适应分段下垂控制系统中，首先，给定电压参考值、标况下的功率参考值及功率最大值，将外界光照强度和环境温度结合光伏出力系数通过功率计算器计算出实时功率参考值及功率最大值；其次，利用下垂系数整定器确定下垂系数，使光伏侧变流器匹配相应的下垂特性曲线；最后，通过改进的自适应分段下垂控制方法输出一个电压补偿量，电压补偿量作用于电压外环，最终输出合理的电压值来实现对母线电压的控制。
改进的自适应分段下垂控制系统输出阻抗建模：
选取电感电流IL和输出电压Uo为控制系统的状态变量，忽略变流器的损耗，光伏侧变流器状态空间表达式为：
Figure BDA0003872583740000171
其中：X＝[IL(t)Uo(t)]T；Y＝[IL(t)]；U＝[Vn(t)]；Vn为控制系统的电源电压； t为时间；A、B、C参数如下：
Figure BDA0003872583740000172
Figure BDA0003872583740000173
C＝[1 0]
其中：Ls为LLC谐振式双向全桥变换器的滤波电感；f为频率；D为占空比； Co为并网端电容；Ro为直流微电网的等效负载；Rc为光伏侧变流器的电阻，不计变流器的损耗，Rc＝0；sgn(t)为符号函数，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000181
其中：T为开关周期；
对状态变量IL(s)进行拉氏变换，其表达式为：
IL(s)＝C(sI-A)-1BU(s)
其中：s为复频率；I为单位矩阵；
控制系统的电流内环的闭环传递函数为：
GB(s)＝GPII(s)G1(s)/[1+GPII(s)G1(s)]
其中：GB(s)为控制系统的电流内环的闭环传递函数；GPII(s)为控制系统的电流内环传递函数；G1(s)为IL(s)到D的传递函数，其表达式为：
Figure BDA0003872583740000182
依据戴维南等效定理，改进的自适应分段下垂控制系统可等效为：
Figure 243984DEST_PATH_FDA0003994431770000073
其中：GPIV(s)为控制系统的电压外环传递函数；Zv(s)为Uoi与Ioi之间的传递函数；Gv(s)为Uoi与Uoit之间的传递函数；Cs为电流内环与电压外环间的传递函数；Ioi为控制系统的输入电流；Uoit为引入等效阻抗后的电压调制参数，其表达式为：
Uoit＝Uoiref-ZeqiIoi
其中：Zeqi为控制系统的等效阻抗；
对下垂控制表达式进行小信号处理：
Figure BDA0003872583740000184
Uoi＝Uoiref-Ki(Uoi-Uoiref)Ioi
则分段下垂控制及自适应分段下垂控制等效阻抗为：
Figure BDA0003872583740000191
对改进的自适应分段下垂控制表达式中二次函数特性曲线进行小信号处理：
Figure BDA0003872583740000192
因此改进的自适应分段下垂控制轻载条件下等效阻抗为：
Figure BDA0003872583740000193
综上所述，光伏侧变流器的等效输出阻抗为：
Zoi(s)＝Gv(s)Zeqi+Zv(s)
其中：Zoi为光伏侧变流器的等效输出阻抗。
实施例2改进的自适应分段下垂控制对系统环流的影响
根据直流微电网的简化电路模式，假设光伏电源PV1、PV2的光伏出力系数分别为δ1、δ2，则两个光伏侧变流器之间循环功率的表达式为：
Figure BDA0003872583740000194
当系统的输出电压相等，且阻抗关系满足式(20)时，循环功率Ph等于0，光伏侧变流器间可以完全消除环流。
Figure BDA0003872583740000195
直流微电网系统的主要参数如表2所示。设置等效下垂系数Keqi为等效阻抗与电压偏差项的比值，根据式(18)、(19)可得：
Figure BDA0003872583740000196
表2系统主要参数
Figure BDA0003872583740000201
现以两个光伏电源为例进行分析，设置PV1的温度为25℃，光照强度为 1400W/m2，PV2的温度为25℃，光照强度为1000W/m2，各种控制方法的等效下垂系数Keq取值如表3所示。
表3各种控制方法的等效下垂系数
Figure BDA0003872583740000202
由表3可知，分段下垂控制PV1与PV2的输出阻抗之比为：
Figure BDA0003872583740000203
改进的自适应分段下垂控制和自适应分段下垂控制PV1与PV2的输出阻抗之比为：
Figure BDA0003872583740000204
因此在各光伏电源出力不同的情况下，分段下垂控制将导致各光伏侧变流器间产生较大的环流，在忽略(Zv(s)+Rlinei)项的情况下，改进的自适应分段下垂控制和自适应分段下垂控制能够使各光伏侧变流器间完全消除环流，所以本发明提出的改进的自适应分段下垂控制方法可以有效抑制光伏单元间的环流。
实施例3仿真分析
分段下垂控制系统仿真模型
在MATLAB/Simulink中搭建直流微电网的仿真模型，系统的主要参数如表 4所示，光伏电源的温度均设为23℃，光照强度随时间变化情况如图8所示，各光伏电源的出力系数将随着外界环境的变化而变化。
表4系统主要参数表
Figure BDA0003872583740000211
对分段下垂控制、自适应分段下垂控制和改进的自适应分段下垂控制方法的仿真结果进行对比分析，不同控制方法的直流母线电压波形如图9所示。
仿真结果对比分析
为验证本发明所提出改进的自适应分段下垂控制方法对直流母线电压稳定控制及光伏电源功率精确分配有更好的作用效果，对分段下垂控制、自适应分段下垂控制和改进的自适应分段下垂控制方法的仿真结果进行对比分析。不同控制方法的直流母线电压波形如图9所示。
由图9(a)可知，对于母线电压变化范围，分段下垂控制为825～725V；自适应分段下垂控制为818～790V；改进的自适应分段下垂控制为814～790V。当各光伏电源的出力改变时，分段下垂控制无法维持母线电压的稳定，在1.5～ 2.5s时，系统因光伏出力较小被误判为轻载，造成母线电压偏移非常大。改进的自适应分段下垂控制和自适应分段下垂控制在光伏出力变化时，可以有效控制母线电压，电压变化均在760～840V范围内。
由图9(b)可知，由于改进的自适应分段下垂控制在轻载条件下下垂系数最小值小于自适应分段下垂控制下垂系数最小值，较小的下垂系数有利于母线电压的稳定控制，轻载状态母线电压偏移率由自适应分段下垂控制的2.25％减小为1.75％，所以改进的自适应分段下垂控制对改善母线电压偏移率有更好的控制效果。
不同控制方法的三个光伏侧变流器输出功率波形如图10所示。
由图10(a)可知，分段下垂控制无法满足功率的合理分配。由于分段下垂控制下垂系数不随光伏出力发生变化，各光伏电源不按光伏出力比例进行功率的分配，因此在光伏出力系数发生改变时，出力系数小的光伏电源发出更少的功率，出力系数大的光伏电源发出更多的功率，所以在1.5～4s，各光伏侧变流器输出功率差异较大，导致系统功率分配不合理。
由图10(b)、(c)可知，改进的自适应分段下垂控制和自适应分段下垂控制可以提高系统功率的分配精度。由于这两种控制方法可以使各光伏电源需发的功率根据光伏出力比例进行分配，所以在0～1s，当光伏电源总体出力较大，系统处于轻载状态时，光伏出力系数较大的电源将根据光伏出力比例减少输出功率；在1.5～2.5s，系统处于重载状态时，光伏出力系数较小的电源将根据光伏出力比例增加输出功率；在3～4s，PV1、PV2的光伏出力系数较大，PV3的光伏出力系数较小，光伏电源将根据相应比例增减输出功率。
自适应分段下垂控制及改进的自适应分段下垂控制光伏侧DC-DC2变流器输出功率波形如图11所示。
在图11(a)中，因自适应分段下垂控制在额定工作点存在下垂系数突变问题，所以在1～1.5s、2.5～3s，光伏出力系数不断变化会引起功率波动。在图11 (b)中，通过引入非线性函数改善下垂系数突变的问题，在1～1.5s、2.5～3s，随着光伏出力系数不断变化，改进的自适应分段下垂控制可以有效改善功率波动现象，使系统的过渡过程更加平稳，所以改进的自适应分段下垂控制对功率的精确分配有更好的控制效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：首先建立含多个光伏电源的直流微电网；其次在分段下垂控制策略的基础上，引入由环境温度和光照强度决定的光伏出力系数，再采用非线性函数对分段下垂特性曲线进行改进，改善额定工作点下垂系数突变的问题；设计改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立输出阻抗模型，分析改进的控制方法对系统环流的影响；最后通过搭建仿真模型，验证改进控制策略的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：建立含多个光伏电源的直流微电网具体方法是：
直流微电网由光伏电源、DC-DC变流器、储能装置、直流负载、网侧逆变器和交流电网组成，其中每个光伏电源由参数相等的若干光伏阵列组成，且各个光伏电源的额定容量相等；光伏侧DC-DC变流器采用LLC谐振式双向全桥变换器，LLC谐振式双向全桥变换器除了可以提供电流隔离外，还具有输入电压范围广、功率转换效率高和能实现全负载零电压开通的优点；储能侧DC-DC变流器采用Buck-Boost结构；直流微电网中DC-DC变流器将光伏电源产生的电能并入直流母线，直流母线给直流负载供电或经网侧逆变器将电能输送至交流电网；
当交流电网对直流微电网无功率调度要求时，网侧逆变器停止运行，直流微电网处于孤岛模式；当交流电网对直流微电网有功率调度要求时，网侧逆变器采取PQ控制，此时交流电网等效为直流微电网的恒功率负载，系统等效于一种孤岛模式，且此孤岛模式相较于交流电网对直流微电网无功率调度要求时的孤岛模式在运行上多了一个恒功率负载；
根据系统对光伏单元的不同需求，将光伏单元依据母线电压信号划分为三种工作模式，分别为：模式一：当母线电压Udc≥1.05Uoiref时，通过分段下垂控制光伏电源，储能装置为恒功率充电模式；模式二：当母线电压0.95Uoiref<Udc<1.05Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为下垂控制；模式三：当母线电压Udc≤0.95Uoiref时，通过MPPT控制光伏电源，储能装置为恒功率放电模式；其中，Udc表示直流母线电压，Uoiref表示直流母线电压参考值；当系统运行于模式一时，光伏单元输出功率大于系统所需功率，光伏电源减载运行维持母线电压稳定；当系统运行于其它模式时，为充分利用光伏能源，光伏电源不承担母线电压调节作用。
3.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述分段下垂控制策略具体是：
直流微电网光伏侧变流器下垂控制表示为：
Figure FDA0003872583730000021
下垂控制的下垂系数表示为：
Figure FDA0003872583730000022
其中：Uoi为输入直流母线电压；Uoiref为直流母线电压参考值；Ki为光伏侧变流器的下垂系数；Poi为光伏侧变流器的输出功率；
Figure FDA0003872583730000023
为标况下光伏侧变流器的输出功率参考值；
Figure FDA0003872583730000024
为标况下光伏电源的最大输出功率，Uoimax、Uoimin为输入直流母线电压的最大、最小值；Poimax、Poimin为光伏侧变流器输出功率的最大、最小值，其中Poimax等于标况下光伏电源的最大输出功率。
下垂控制光伏电源输出功率参考值为：
Figure FDA0003872583730000025
其中：α为减载运行比例常数，α<1，通常取值范围为0.6～0.8，取0.6；
在同一系统负荷下，当光伏电源分配的输出功率未超过额定工作点时，系统负载表现为轻载；当光伏电源分配的输出功率超过额定工作点时，系统负载表现为重载；在光伏电源发生减载后，系统在轻、重载条件下的调节性能不同，采用分段下垂控制来满足直流微电网在不同状态下的要求。
分段下垂控制的下垂系数表示为：
Figure FDA0003872583730000031
光伏电源输出功率与温度Ti和光照强度Si之间的关系为：
Figure FDA0003872583730000032
ΔSi＝Si/Sref-1
ΔTi＝Ti-Tref
其中：Pimppt为任意条件下光伏电源的最大输出功率；
Figure FDA0003872583730000033
为标况下光伏电源的最大输出功率；Sref为光照强度参考值；Tref为温度参考值；a、b、c为常数，其中：a＝0.002、b＝0.5、c＝0.002；Si为环境光照强度；Ti为环境温度；
光伏电源出力受环境因素影响，引入光伏出力系数，将其表示为：
Figure FDA0003872583730000034
其中：δi为光伏出力系数；
光伏出力系数δi与光照强度Si成正比，与温度Ti成反比，在不考虑温度及光照强度变化的情况下，当δ1>δ2时，出现P1mppt>Po1＝Po2>P2mppt，因此功率的不合理分配使光伏电源处于饱和状态，从而导致直流母线电压降落，所以系统分配功率需结合光伏出力系数设置分段下垂特性曲线。
4.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述自适应分段下垂控制策略的具体方法是：
根据Poi与
Figure FDA0003872583730000041
的大小关系判断直流微电网系统轻、重载状态，各光伏出力系数不同时，采用下垂系数与输出功率参考值结合光伏出力系数进行调整解决功率分配过程中光伏电源出现的饱和现象，使各光伏电源正确判定轻、重载情况；
根据温度和光照强度对光伏电源出力的影响，设置输出功率参考值随光伏出力系数的变化而变化，其表达式为：
Figure FDA0003872583730000042
三个光伏电源额定容量及标况下输出功率参考值相等，为实现合理的功率分配，各光伏侧变流器输出功率参考值与下垂系数应满足如下关系：
K1Po1ref＝K2Po2ref＝K3Po3ref
光伏侧变流器的输出功率最大值、参考值都将随着光伏出力系数而改变，在电压控制范围不变的情况下，下垂系数也将发生变化。随光伏出力系数自适应变化的下垂系数表达式为：
Figure FDA0003872583730000043
5.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述采用非线性函数对自适应分段下垂特性曲线进行改进的具体方法是：
对自适应分段下垂控制策略进行改进，改进后的下垂特性曲线需满足以下要求：下垂特性曲线的电压及功率控制范围不变；当系统中一个或多个光伏侧变流器运行于额定工作点附近时，不因下垂系数的突变，引起电压偏移与功率偏移的比例波动和系统环流增大的问题；整条下垂特性曲线仍然需要呈现轻载情况下减小直流母线电压偏移率，重载情况下提高系统功率分配精度的控制效果；
采用非线性函数进行改进，轻载条件下采用二次函数，重载条件下采用一次函数，下垂特性曲线在轻、重载状态过渡点的斜率相等，即额定工作点处下垂系数不再发生突变，使系统在额定工作点实现平稳过渡，改进的自适应分段下垂控制表达式为：
Figure FDA0003872583730000051
其中：
Figure FDA0003872583730000052
其中，Kia为公式中的一个参数；Ki2为重载条件下的下垂系数。
6.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述设计改进的自适应分段下垂控制系统的具体方法是：
光伏侧DC-DC变流器采用输出电压电流的双闭环控制，实现对母线电压的调节作用；在改进的自适应分段下垂控制系统中，首先，给定电压参考值、标况下的功率参考值及功率最大值，将外界光照强度和环境温度结合光伏出力系数通过功率计算器计算出实时功率参考值及功率最大值；其次，利用下垂系数整定器确定下垂系数，使光伏侧变流器匹配相应的下垂特性曲线；最后，通过改进的自适应分段下垂控制方法输出一个电压补偿量，电压补偿量作用于电压外环，最终输出合理的电压值来实现对母线电压的控制。
7.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述改进的自适应分段下垂控制系统输出阻抗建模的具体方法是：
选取电感电流IL和输出电压Uo为控制系统的状态变量，忽略变流器的损耗，光伏侧变流器状态空间表达式为：
Figure FDA0003872583730000061
其中：X＝[IL(t) Uo(t)]T；Y＝[IL(t)]；U＝[Vn(t)]；Vn为控制系统的电源电压；t为时间；T表示矩阵的转置；A、B、C参数如下：
Figure FDA0003872583730000062
Figure FDA0003872583730000063
C＝[1 0]
其中：Ls为LLC谐振式双向全桥变换器的滤波电感；f为频率；D为占空比；Co为并网端电容；Ro为直流微电网的等效负载；Rc为光伏侧变流器的电阻，不计变流器的损耗，Rc＝0；sgn(t)为符号函数，其表达式为：
Figure FDA0003872583730000064
其中：T为开关周期；
对状态变量IL(s)进行拉氏变换，其表达式为：
IL(s)＝C(sI-A)-1BU(s)
其中：s为复频率；I为单位矩阵；
控制系统的电流内环的闭环传递函数为：
GB(s)＝GPII(s)G1(s)/[1+GPII(s)G1(s)]
其中：GB(s)为控制系统的电流内环的闭环传递函数；GPII(s)为控制系统的电流内环传递函数；G1(s)为IL(s)到D的传递函数，其表达式为：
Figure FDA0003872583730000071
其中，
Figure FDA0003872583730000072
表示求函数的偏导数(数学表达形式)；
依据戴维南等效定理，改进的自适应分段下垂控制系统可等效为：
Figure DEST_PATH_FDA0003994431770000073
其中：GPIV(s)为控制系统的电压外环传递函数；Zv(s)为Uoi与Ioi之间的传递函数；Gv(s)为Uoi与Uoit之间的传递函数；Cs为电流内环与电压外环间的传递函数；Ioi为控制系统的输入电流；Uoit为引入等效阻抗后的电压调制参数，其表达式为：
Uoit＝Uoiref-ZeqiIoi
其中：Zeqi为控制系统的等效阻抗；
对下垂控制表达式进行小信号处理：
Figure FDA0003872583730000074
Uoi＝Uoiref-Ki(Uoi-Uoiref)Ioi
则分段下垂控制及自适应分段下垂控制等效阻抗为：
Figure FDA0003872583730000075
对改进的自适应分段下垂控制表达式中二次函数特性曲线进行小信号处理：
Figure FDA0003872583730000081
因此改进的自适应分段下垂控制轻载条件下等效阻抗为：
Figure FDA0003872583730000082
综上所述，光伏侧变流器的等效输出阻抗为：
Zoi(s)＝Gv(s)Zeqi+Zv(s)
其中：Zoi为光伏侧变流器的等效输出阻抗。
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CN115967076A (zh) * 2023-03-17 2023-04-14 国网经济技术研究院有限公司 一种新能源直流汇集与外送系统协调控制方法及系统

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