CN106026070A - 基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，包括：分别采集两台变流器的下垂控制输出电压、输出电流以及该变流器到母线的线路阻抗，根据上述采集参数确定母线电压；分别计算母线电压与母线电压额定值的差值以及输出电流与输出电流的平均值的差值；判断上述两差值的乘积是否大于等于零，如果是，采用PI控制器对电压给定值进行控制。本发明有益效果：通过调节下垂控制中电压给定值，可以实现DC‑DC变换器均流，从而使变流器输出与其额定容量成比例的功率，实现变换器的最优化利用。

Description

基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法

技术领域

本发明属于变流器均流和母线电压恢复技术领域，尤其涉及一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法。

背景技术

微电网(Microgrid)是包含小型分布式电源、储能装置、控制装置和可控负荷的发、输、配、用电一体化系统，其可以独立运行(孤岛模式)；也可以与电网并联运行(并网模式)，提高供电的可靠性与安全性，同时对提高分布式电源的利用率和减小间歇性电源对用户的电能质量的影响有极大帮助。

目前对交流微电网的研究已经很多，然而光伏电池、燃料电池等分布式发电系统发出的直流电必须通过逆变装置接入交流系统，最终又通过整流装置给电脑、LED灯等直流负荷供电，多次变流过程会增加能量损耗，同时加大了变流装置的经济投入。直流微电网可以节省逆变器等电力电子器件，建设成本低，而且不必考虑各分布式电源之间的同步问题，更容易实现功率平衡和环流抑制，因此受到国内外的广泛关注。

尽管相对于交流微电网，直流微电网控制策略更为简单，但是在对等控制中，各个DC-DC变换器的P-V下垂控制过程依然存在与交流微电网中Q-V下垂控制类似的控制特点，即：由于系统参数、线路阻抗的不同，各分布式电源输出的电压总存在一些差异，致使电源间功率分配不合理。为了改善这一情况，现有技术提出用直流母线电压额定值减去DC-DC变换器输出电压，然后经过PI控制器对下垂控制的额定电压进行调节，从而使变换器的输出电压稳定在直流母线额定值，其缺点是当线路阻抗不同时，变换器输出电流不同，因此不能实现功率均分。现有技术还提出以传统下垂控制方式实现负荷的近似分配，然后变流器输出电压和电流信息通过低带宽通信网络在各个变流器之间交换，实现变流器均流，并使变流器输出电压的平均值恢复到母线额定值。但是由于线路上存在压降，母线电压低于额定值。

以变流器输出电流和母线电压作为被控对象，利用叠加定理分析改变电压给定值对电流分配和母线电压产生的影响，得出变换器均流和提升母线电压存在耦合。因此，需要一种基于下垂控制的解耦控制方法来消除此耦合关系。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，该方法针对直流微电网中采用下垂控制的多个DC-DC变换器输出电流不均等，而且直流母线电压低于额定值的问题，可以在均流的同时维持母线电压恒定，而且消除了调节过程中的两两变换器之间的耦合关系，动态性能更好。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，包括：

(1)分别采集第i台变流器的下垂控制输出电压V_dci、输出电流I_i以及该变流器到母线的线路阻抗，测量母线电压；i＝1、2；

(2)设两台变换器输出电流的平均值为I，母线电压额定值为分别计算母线电压与母线电压额定值的差值δV以及输出电流I_i与输出电流的平均值的差值δI_i；

(3)判断上述差值δV和差值δI_i的乘积是否小于零，如果是，返回步骤(1)；否则，采用PI控制器对电压给定值进行控制。

进一步地，所述步骤(3)中，采用PI控制器对电压给定值进行控制具体为：

$V_i^{**}=V_i^{*}+\[(k_p+\frac{k_i}{s})h_i{\mathrm{\δI}}_i+(k_q+\frac{k_j}{s})h_i{\mathrm{\δV}}_i\];i=1,2$

其中，V_i ^*、V_i ^**分别为第i台变流器下垂控制中电压初始给定值和调整后的给定值，k_p、k_i、k_q、k_j分别为PI控制器的参数；h_i为逻辑系数；s为积分算子。

进一步地，逻辑系数h_i的确定方法为：当差值δV和差值δI_i的乘积小于零时，h_i的值为0，否则，h_i的值为1。

进一步地，所述步骤(3)中，通过分别对母线电压与母线电压额定值，以及输出电流I_i与输出电流的平均值进行比较，根据比较的大小关系将基于下垂控制的两台直流微电网变换器分成若干不同的工作状态，根据不同的工作状态，对两台直流微电网变换器的电压给定值进行控制。

进一步地，所述步骤(3)中，基于下垂控制的两台直流微电网变换器的工作状态以及对应的解耦控制策略具体为：

其中，V₁ ^*为第1台变流器下垂控制中的电压初始给定值，V₂ ^*为第2台变流器下垂控制中的电压初始给定值。

本发明的有益效果是：

1)通过调节下垂控制中电压给定值，可以实现DC-DC变换器均流，从而使变流器输出与其额定容量成比例的功率，实现变换器的最优化利用；

2)通过调节下垂控制中电压给定值，可以补偿线路阻抗上的压降，实现母线电压恒定；

3)基于下垂控制的解耦控制方法针对系统的不同工作状态会有相应的控制策略，消除了变换器均流和提升母线电压存在耦合关系，动态性能良好。

附图说明

图1为下垂控制结构图；

图2为电路分解示意图；

图3为本发明解耦控制方法流程图；

图4(a)为传统下垂控制的变流器输出电流仿真波形；

图4(b)为传统下垂控制的变流器输出电压仿真波形；

图4(c)为传统下垂控制的负载电压仿真波形；

图5(a)为采用现有的基于低带宽通信的分层控制策略的变流器输出电流仿真波形；

图5(b)为采用现有的基于低带宽通信的分层控制策略的变流器输出电压仿真波形；

图5(c)为采用现有的基于低带宽通信的分层控制策略的负载电压仿真波形；

图6(a)为本发明解耦控制方法的变流器输出电流仿真波形；

图6(b)为本发明解耦控制方法的变流器输出电压仿真波形；

图6(c)为本发明解耦控制方法的负载电压仿真波形；

图7(a)为本发明解耦控制方法负荷10Ω时实验波形；

图7(b)为本发明解耦控制方法负荷变化时实验波形。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一、直流微电网的对等控制研究

1.1下垂控制结构

复杂的直流微电网多采用对等控制策略，多个单元通过下垂控制来支撑直流母线电压。图1所示为下垂控制的结构图。

图1的方框内为采用下垂控制的DC-DC变流器等效电路，下垂控制可表示为

V_dci＝V_i ^*-I_i·r_i (1)

其中V_i ^*、V_dci、I_i、r_i分别为第i台变流器的下垂控制电压给定值、输出电压、输出电流、下垂系数等效虚拟阻抗，i＝1、2。母线电压V_d可表示为

V_d＝V₁ ^*-I₁·r₁-I₁·R₁ (2a)

V_d＝V₂ ^*-I₂·r₂-I₂·R₂ (2b)

其中R₁、R₂分别为第1、2台变流器到母线的线路阻抗。根据(2a)、(2b)式可得

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{R_2}{R_1}+\frac{r_2-R_2/{R_1}^{\·}{r}_1}{R_1+r_1}---\left(3\right)$

可见线路阻抗、下垂系数均会对变流器输出电流的比例产生影响。另一方面，母线电压为

V_d＝V_dc1-I₁·R₁＝V_dc2-I₂·R₂ (4)

由(4)式可得，变流器输出的电压在线路阻抗会产生一定压降，导致母线电压值低于各变流器的输出电压值。

通过以上分析，得出以下结论：两个主控制单元均采用下垂控制对直流母线进行控制，由于线路阻抗不同，两台DC-DC变换器输出的电压有一个差值，这一差值会导致变换器输出电流存在较大差异，致使主控制单元间功率不能按容量比例进行分配。与此同时，由于线路阻抗上产生了较大的压降，母线上的电压往往低于额定值。在负荷比较集中的区域，随着负荷电流的增大，线路上的压降也会增大，母线电压的下降会更为明显。

1.2系统的工作状态

以I表示两台DC-DC变换器输出电流的平均值(是一个实时变量)，以V_d ^*表示母线电压额定值，系统可能存在表1所示的9种工作状态。

表1系统的9种工作状态

状态9是希望达到的稳定工作状态，状态1～8是要对其进行控制的状态，例如当出现状态1时，母线电压V_d<V_d ^*，第一台变换器输出电流I₁>I，第二台变换器输出电流I₂<I，应该调高V_d和I₂，并且调低I₁，此时可以调整变换器下垂控制的电压给定值V^*来调节这些输出量。下面分析改变DC-DC变换器的V^*对系统产生的影响。

如果第一台DC-DC变换器的下垂控制电压给定值(V₁ ^*)上升△V，由电路的叠加定理可将系统分解为电压给定值上升之前的电路和△V单独作用时的电路，电路分解时△V单独作用的电路中电压源处替换为短路，电路的具体分解情况如图2所示。

由图2可以看出，△I₁>0A，△I₂<0A，△V_d>0，因此，第一台DC-DC变换器V₁ ^*上升△V，会使其输出电流增大，会使另一台变换器输出电流减小，同时会使母线电压升高。同理，第一台DC-DC变换器V₁ ^*下降△V，会使其输出电流减小，会使另一台变换器输出电流增大，同时会使母线电压减小。再同理，第二台DC-DC变换器V₂ ^*的变化也会产生相应的控制效果。

综合以上分析，当出现状态1时，控制策略要达到调高V_d和I₂，并且调低I₁的效果。增大V₂ ^*，显然可以同时满足以上三个控制效果；减小V₁ ^*满足调高I₂并且调低I₁的效果，但是同时会调低V_d，而这与期望的控制效果是相反的；增大V₁ ^*满足调高V_d的效果，但是同时会调低I₂和调高I₁，而这与期望的控制效果也是相反的。因此，此时可以提高V₂ ^*，而V₁ ^*无论如何调节总不能满足所有的期望效果。

1.3基于下垂控制的解耦控制方法

由1.2节的分析可得出：在两台变换器均流和提升母线电压时，其中一台变流器的控制效果会出现耦合。

本发明解耦控制流程如图3所示，包括：

(1)分别采集第i台变流器的下垂控制输出电压V_dci、输出电流I_i以及该变流器到母线的线路阻抗，根据上述采集参数确定母线电压；i＝1、2；

(2)设两台变换器输出电流的平均值为I，母线电压额定值为分别计算母线电压与母线电压额定值的差值δV以及输出电流I_i与输出电流的平均值的差值δI_i；

(3)判断上述差值δV和差值δI_i的乘积是否小于零，如果是，返回步骤(1)；否则，采用PI控制器对电压给定值进行控制。

具体控制策略为：

$I=\frac{I_1+I_2}{2}---\left(5\right)$

δV＝V_d ^*-V_d (6)

δI_i＝I-I_i (7)

逻辑判断环节可以等效为一个逻辑系数h_i，

$h_i=\left\{\begin{array}{cc}1& (\mathrm{\&delta;}V\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;I}}_i\&GreaterEqual;0)\\ 0& (\mathrm{\&delta;}V\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;I}}_i<0)\end{array}\right.---\left(8\right)$

基于下垂控制的解耦控制方法对电压给定值进行控制，控制策略为

$V_i^{**}=V_i^{*}+\&lsqb;(k_p+\frac{k_i}{s})h_i{\mathrm{\&delta;I}}_i+(k_q+\frac{k_j}{s})h_i{\mathrm{\&delta;V}}_i\&rsqb;---\left(9\right)$

其中：V_i ^*、V_i ^**分别为第i台变流器下垂控制中电压初始给定值和调整后的给定值，i＝1、2；k_p、k_i、k_q、k_j为PI控制器参数。

如表2所示，基于下垂控制的解耦控制方法针对系统的9种工作状态会有不同的控制策略，由此消除变换器均流和提升母线电压存在耦合关系。

表2对系统9种工作状态的控制策略

二、仿真分析及实验验证

表3仿真与实验参数

仿真分析：

在MATLAB/simulink 2014a中搭建传统下垂控制、现有的基于低带宽通信的分层控制策略、本发明所提解耦控制方法的仿真模型，给定母线额定值为40V，初始时刻负荷为10Ω，第2s并入一个20Ω的负荷。

由仿真波形图4(a)-(c)、图5(a)-(c)、图6(a)-(c)可见，传统下垂控制中变流器输出电流不均等；随着负荷增大，电流差别增大，母线电压下降。采用现有的基于低带宽通信的分层控制策略的变流器实现均流所用时间较长，而且电流均分后，调节电压会使电流分配变化；负荷增加后母线电压下降。本发明所提解耦控制方法实现了变流器的均流，在负载增大时，两台变流器均提高输出电压以抵消线路阻抗上的压降，从而保持了母线电压恒定。

实验验证：

搭建本发明所提控制策略的实验平台，给定母线额定值为40V，初始时刻负荷为10Ω，系统运行一段时间后再并入一个20Ω的负荷。由实验波形图7(a)-(b)可见，本发明所提控制策略可以在实现变流器的均流的同时保持母线电压恒定；在负载增大时，两台变流器均提高输出电压以此抵消线路阻抗上的压降，从而保持了母线电压恒定。

综上所述，所提解耦控制方法可以在变流器均流的同时维持母线电压恒定，具有理论上的可行性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，其特征是，包括：

(1)分别采集第i台变流器的下垂控制输出电压V_dci、输出电流I_i以及该变流器到母线的线路阻抗，测量母线电压；i＝1、2；

(2)设两台变换器输出电流的平均值为I，母线电压额定值为分别计算母线电压与母线电压额定值的差值δV以及输出电流I_i与输出电流的平均值的差值δI_i；

(3)判断上述差值δV和差值δI_i的乘积是否小于零，如果是，返回步骤(1)；否则，采用PI控制器对电压给定值进行控制。

2.如权利要求1所述的一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，其特征是，所述步骤(3)中，采用PI控制器对电压给定值进行控制具体为：

$V_i^{**}=V_i^{*}+\&lsqb;(k_p+\frac{k_i}{s})h_i{\mathrm{\&delta;I}}_i+(k_q+\frac{k_j}{s})h_i{\mathrm{\&delta;V}}_i\&rsqb;;i=1,2$

其中，V_i ^*、V_i ^**分别为第i台变流器下垂控制中电压初始给定值和调整后的给定值，k_p、k_i、k_q、k_j分别为PI控制器的参数；h_i为逻辑系数，s为积分算子。

3.如权利要求2所述的一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，其特征是，逻辑系数h_i的确定方法为：当差值δV和差值δI_i的乘积小于零时，h_i的值为0，否则，h_i的值为1。

4.如权利要求1所述的一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，其特征是，所述步骤(3)中，通过分别对母线电压与母线电压额定值，以及输出电流I_i与输出电流的平均值进行比较，根据比较的大小关系将基于下垂控制的两台直流微电网变换器分成若干不同的工作状态，根据不同的工作状态，对两台直流微电网变换器的电压给定值进行控制。

5.如权利要求1所述的一种基于下垂控制的直流微电网变换器解耦控制方法，其特征是，所述步骤(3)中，基于下垂控制的两台直流微电网变换器的工作状态以及对应的解耦控制策略具体为：

其中，V₁ ^*为第1台变流器下垂控制中的电压初始给定值，V₂ ^*为第2台变流器下垂控制中的电压初始给定值。