基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，包括：分別采集兩臺變流器的下垂控制輸出電壓、輸出電流以及該變流器到母線的線路阻抗，根據(jù)上述采集參數(shù)確定母線電壓；分別計(jì)算母線電壓與母線電壓額定值的差值以及輸出電流與輸出電流的平均值的差值；判斷上述兩差值的乘積是否大于等于零，如果是，采用PI控制器對電壓給定值進(jìn)行控制。本發(fā)明有益效果：通過調(diào)節(jié)下垂控制中電壓給定值，可以實(shí)現(xiàn)DC?DC變換器均流，從而使變流器輸出與其額定容量成比例的功率，實(shí)現(xiàn)變換器的最優(yōu)化利用。
【專利說明】
基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于變流器均流和母線電壓恢復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于下垂控制的 直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電網(wǎng)（Microgrid)是包含小型分布式電源、儲能裝置、控制裝置和可控負(fù)荷的 發(fā)、輸、配、用電一體化系統(tǒng)，其可以獨(dú)立運(yùn)行(孤島模式）；也可以與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行(并網(wǎng)模 式），提高供電的可靠性與安全性，同時(shí)對提高分布式電源的利用率和減小間歇性電源對用 戶的電能質(zhì)量的影響有極大幫助。
[0003] 目前對交流微電網(wǎng)的研究已經(jīng)很多，然而光伏電池、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng) 發(fā)出的直流電必須通過逆變裝置接入交流系統(tǒng)，最終又通過整流裝置給電腦、LED燈等直流 負(fù)荷供電，多次變流過程會增加能量損耗，同時(shí)加大了變流裝置的經(jīng)濟(jì)投入。直流微電網(wǎng)可 以節(jié)省逆變器等電力電子器件，建設(shè)成本低，而且不必考慮各分布式電源之間的同步問題， 更容易實(shí)現(xiàn)功率平衡和環(huán)流抑制，因此受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
[0004] 盡管相對于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)控制策略更為簡單，但是在對等控制中，各個 DC-DC變換器的P-V下垂控制過程依然存在與交流微電網(wǎng)中Q-V下垂控制類似的控制特點(diǎn)， 即：由于系統(tǒng)參數(shù)、線路阻抗的不同，各分布式電源輸出的電壓總存在一些差異，致使電源 間功率分配不合理。為了改善這一情況，現(xiàn)有技術(shù)提出用直流母線電壓額定值減去DC-DC變 換器輸出電壓，然后經(jīng)過PI控制器對下垂控制的額定電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使變換器的輸出 電壓穩(wěn)定在直流母線額定值，其缺點(diǎn)是當(dāng)線路阻抗不同時(shí)，變換器輸出電流不同，因此不能 實(shí)現(xiàn)功率均分?，F(xiàn)有技術(shù)還提出以傳統(tǒng)下垂控制方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的近似分配，然后變流器輸 出電壓和電流信息通過低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)在各個變流器之間交換，實(shí)現(xiàn)變流器均流，并使變 流器輸出電壓的平均值恢復(fù)到母線額定值。但是由于線路上存在壓降，母線電壓低于額定 值。
[0005] 以變流器輸出電流和母線電壓作為被控對象，利用疊加定理分析改變電壓給定值 對電流分配和母線電壓產(chǎn)生的影響，得出變換器均流和提升母線電壓存在耦合。因此，需要 一種基于下垂控制的解耦控制方法來消除此耦合關(guān)系。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控 制方法，該方法針對直流微電網(wǎng)中采用下垂控制的多個DC-DC變換器輸出電流不均等，而且 直流母線電壓低于額定值的問題，可以在均流的同時(shí)維持母線電壓恒定，而且消除了調(diào)節(jié) 過程中的兩兩變換器之間的耦合關(guān)系，動態(tài)性能更好。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，包括：
[0009] (1)分別采集第i臺變流器的下垂控制輸出電壓Vdcl、輸出電流1,以及該變流器到 母線的線路阻抗，測量母線電壓;i = l、2;
[0010] (2)設(shè)兩臺變換器輸出電流的平均值為I，母線電壓額定值為分別計(jì)算母線電壓 與母線電壓額定值的差值SV以及輸出電流與輸出電流的平均值的差值δΙ 1;
[0011] (3)判斷上述差值δν和差值δ?,的乘積是否小于零，如果是，返回步驟（1);否則，采 用ΡΙ控制器對電壓給定值進(jìn)行控制。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，采用ΡΙ控制器對電壓給定值進(jìn)行控制具體為：
[0014]其中，νΛν，分別為第i臺變流器下垂控制中電壓初始給定值和調(diào)整后的給定值， ^1^分別為?1控制器的參數(shù);111為邏輯系數(shù);8為積分算子。
[0015]進(jìn)一步地，邏輯系數(shù)lu的確定方法為：當(dāng)差值δν和差值δ?,的乘積小于零時(shí)，lu的值 為〇,否則，hi的值為1。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，通過分別對母線電壓與母線電壓額定值，以及輸出電 流1:與輸出電流的平均值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的大小關(guān)系將基于下垂控制的兩臺直流微電 網(wǎng)變換器分成若干不同的工作狀態(tài)，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，對兩臺直流微電網(wǎng)變換器的電 壓給定值進(jìn)行控制。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，基于下垂控制的兩臺直流微電網(wǎng)變換器的工作狀態(tài)以 及對應(yīng)的解耦控制策略具體為：
[0019] 其中，V，為第1臺變流器下垂控制中的電壓初始給定值，V/為第2臺變流器下垂控 制中的電壓初始給定值。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021 ] 1)通過調(diào)節(jié)下垂控制中電壓給定值，可以實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器均流，從而使變流器輸 出與其額定容量成比例的功率，實(shí)現(xiàn)變換器的最優(yōu)化利用；
[0022] 2)通過調(diào)節(jié)下垂控制中電壓給定值，可以補(bǔ)償線路阻抗上的壓降，實(shí)現(xiàn)母線電壓 恒定；
[0023] 3)基于下垂控制的解耦控制方法針對系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)會有相應(yīng)的控制策略， 消除了變換器均流和提升母線電壓存在耦合關(guān)系，動態(tài)性能良好。
【附圖說明】
[0024]圖1為下垂控制結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖2為電路分解示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明解耦控制方法流程圖；
[0027] 圖4(a)為傳統(tǒng)下垂控制的變流器輸出電流仿真波形；
[0028] 圖4(b)為傳統(tǒng)下垂控制的變流器輸出電壓仿真波形；
[0029] 圖4(c)為傳統(tǒng)下垂控制的負(fù)載電壓仿真波形；
[0030] 圖5(a)為采用現(xiàn)有的基于低帶寬通信的分層控制策略的變流器輸出電流仿真波 形；
[0031] 圖5(b)為采用現(xiàn)有的基于低帶寬通信的分層控制策略的變流器輸出電壓仿真波 形；
[0032] 圖5(c)為采用現(xiàn)有的基于低帶寬通信的分層控制策略的負(fù)載電壓仿真波形；
[0033] 圖6(a)為本發(fā)明解耦控制方法的變流器輸出電流仿真波形；
[0034] 圖6(b)為本發(fā)明解耦控制方法的變流器輸出電壓仿真波形；
[0035] 圖6(c)為本發(fā)明解耦控制方法的負(fù)載電壓仿真波形；
[0036] 圖7(a)為本發(fā)明解耦控制方法負(fù)荷10 Ω時(shí)實(shí)驗(yàn)波形；
[0037] 圖7(b)為本發(fā)明解耦控制方法負(fù)荷變化時(shí)實(shí)驗(yàn)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0039] 一、直流微電網(wǎng)的對等控制研究
[0040] 1.1下垂控制結(jié)構(gòu)
[0041] 復(fù)雜的直流微電網(wǎng)多采用對等控制策略，多個單元通過下垂控制來支撐直流母線 電壓。圖1所示為下垂控制的結(jié)構(gòu)圖。
[0042]圖1的方框內(nèi)為采用下垂控制的DC-DC變流器等效電路，下垂控制可表示為
[0043] Vdci = Vi*-Ii · π (1)
[0044] 其中Vi' Vdci、I i、ri分別為第i臺變流器的下垂控制電壓給定值、輸出電壓、輸出電 流、下垂系數(shù)等效虛擬阻抗，i = l、2。母線電壓Vd可表示為
[0045] Vd = Vi*-Ii · η-Ιι · Ri (2a)
[0046] Vd = V2*-I2 · r2-l2 · R2 (2b)
[0047] 其中辦、1?2分別為第1、2臺變流器到母線的線路阻抗。根據(jù)(2a)、（2b)式可得
[0049] 可見線路阻抗、下垂系數(shù)均會對變流器輸出電流的比例產(chǎn)生影響。另一方面，母線 電壓為
[0050] Vd = Vdd-Ii · Ri = Vdc2-l2 · R2 (4)
[0051] 由（4)式可得，變流器輸出的電壓在線路阻抗會產(chǎn)生一定壓降，導(dǎo)致母線電壓值低 于各變流器的輸出電壓值。
[0052] 通過以上分析，得出以下結(jié)論:兩個主控制單元均采用下垂控制對直流母線進(jìn)行 控制，由于線路阻抗不同，兩臺DC-DC變換器輸出的電壓有一個差值，這一差值會導(dǎo)致變換 器輸出電流存在較大差異，致使主控制單元間功率不能按容量比例進(jìn)行分配。與此同時(shí)，由 于線路阻抗上產(chǎn)生了較大的壓降，母線上的電壓往往低于額定值。在負(fù)荷比較集中的區(qū)域， 隨著負(fù)荷電流的增大，線路上的壓降也會增大，母線電壓的下降會更為明顯。
[0053] 1.2系統(tǒng)的工作狀態(tài)
[0054]以I表示兩臺DC-DC變換器輸出電流的平均值(是一個實(shí)時(shí)變量），以V/表示母線電 壓額定值，系統(tǒng)可能存在表1所示的9種工作狀態(tài)。
[0055]表1系統(tǒng)的9種工作狀態(tài)
[0057]狀態(tài)9是希望達(dá)到的穩(wěn)定工作狀態(tài)，狀態(tài)1~8是要對其進(jìn)行控制的狀態(tài)，例如當(dāng)出 現(xiàn)狀態(tài)1時(shí)，母線電壓Vd〈V/，第一臺變換器輸出電流^>1，第二臺變換器輸出電流12〈1，應(yīng)該 調(diào)高Vd和1 2,并且調(diào)低Ii，此時(shí)可以調(diào)整變換器下垂控制的電壓給定值f來調(diào)節(jié)這些輸出 量。下面分析改變DC-DC變換器的f對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
[0058] 如果第一臺DC-DC變換器的下垂控制電壓給定值(V，)上升AV，由電路的疊加定理 可將系統(tǒng)分解為電壓給定值上升之前的電路和AV單獨(dú)作用時(shí)的電路，電路分解時(shí)AV單獨(dú) 作用的電路中電壓源處替換為短路，電路的具體分解情況如圖2所示。
[0059] 由圖2可以看出，ΛI(xiàn) ι>0Α，Λ l2〈0A，AVd>0，因此，第一臺DC-DC變換器VZ上升AV， 會使其輸出電流增大，會使另一臺變換器輸出電流減小，同時(shí)會使母線電壓升高。同理，第 一臺DC-DC變換器V，下降Λ V，會使其輸出電流減小，會使另一臺變換器輸出電流增大，同時(shí) 會使母線電壓減小。再同理，第二臺DC-DC變換器V/的變化也會產(chǎn)生相應(yīng)的控制效果。
[0060] 綜合以上分析，當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)1時(shí)，控制策略要達(dá)到調(diào)高Vd和12,并且調(diào)低1:的效果。 增大V/，顯然可以同時(shí)滿足以上三個控制效果;減小V，滿足調(diào)高1 2并且調(diào)低h的效果，但是 同時(shí)會調(diào)低Vd，而這與期望的控制效果是相反的；增大V，滿足調(diào)高Vd的效果，但是同時(shí)會調(diào) 低1 2和調(diào)高h(yuǎn)，而這與期望的控制效果也是相反的。因此，此時(shí)可以提高V/，而V，無論如何 調(diào)節(jié)總不能滿足所有的期望效果。
[0061 ] 1.3基于下垂控制的解耦控制方法
[0062]由1.2節(jié)的分析可得出：在兩臺變換器均流和提升母線電壓時(shí)，其中一臺變流器的 控制效果會出現(xiàn)耦合。
[0063] 本發(fā)明解耦控制流程如圖3所示，包括：[0064] (1)分別采集第i臺變流器的下垂控制輸出電壓Vdcl、輸出電流^以及該變流器到 母線的線路阻抗，根據(jù)上述采集參數(shù)確定母線電壓;i = 1、2;[0065] (2)設(shè)兩臺變換器輸出電流的平均值為I，母線電壓額定值為分別計(jì)算母線電壓 與母線電壓額定值的差值SV以及輸出電流與輸出電流的平均值的差值δΙ 1;[0066] (3)判斷上述差值δν和差值δ?,的乘積是否小于零，如果是，返回步驟（1);否則，采 用ΡΙ控制器對電壓給定值進(jìn)行控制。[0067]具體控制策略為：
[0069] 5V = Vd*-Vd (6)[0070] 5li = I-Ii (7)[0071] 邏輯判斷環(huán)節(jié)可以等效為一個邏輯系數(shù)lu，
[0073]基于下垂控制的解耦控制方法對電壓給定值進(jìn)行控制，控制策略為
[0075] 其中:VAV，分別為第i臺變流器下垂控制中電壓初始給定值和調(diào)整后的給定值， i = l、2;kP、ki、kq、kj 為 PI 控制器參數(shù)。
[0076] 如表2所示，基于下垂控制的解耦控制方法針對系統(tǒng)的9種工作狀態(tài)會有不同的控 制策略，由此消除變換器均流和提升母線電壓存在耦合關(guān)系。
[0077]表2對系統(tǒng)9種工作狀態(tài)的控制策略
[0079]二、仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
[0080]表3仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)
[0082] 仿真分析：
[0083] 在MATLAB/simulink 2014a中搭建傳統(tǒng)下垂控制、現(xiàn)有的基于低帶寬通信的分層 控制策略、本發(fā)明所提解耦控制方法的仿真模型，給定母線額定值為40V，初始時(shí)刻負(fù)荷為 10 Ω，第2s并入一個20 Ω的負(fù)荷。
[0084] 由仿真波形圖4(a)_(c)、圖5(a)_(c)、圖6(a)_(c)可見，傳統(tǒng)下垂控制中變流器輸 出電流不均等；隨著負(fù)荷增大，電流差別增大，母線電壓下降。采用現(xiàn)有的基于低帶寬通信 的分層控制策略的變流器實(shí)現(xiàn)均流所用時(shí)間較長，而且電流均分后，調(diào)節(jié)電壓會使電流分 配變化;負(fù)荷增加后母線電壓下降。本發(fā)明所提解耦控制方法實(shí)現(xiàn)了變流器的均流，在負(fù)載 增大時(shí)，兩臺變流器均提高輸出電壓以抵消線路阻抗上的壓降，從而保持了母線電壓恒定。 [0085] 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：
[0086] 搭建本發(fā)明所提控制策略的實(shí)驗(yàn)平臺，給定母線額定值為40V，初始時(shí)刻負(fù)荷為10 Ω，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后再并入一個20Ω的負(fù)荷。由實(shí)驗(yàn)波形圖7(a)_(b)可見，本發(fā)明所提 控制策略可以在實(shí)現(xiàn)變流器的均流的同時(shí)保持母線電壓恒定;在負(fù)載增大時(shí)，兩臺變流器 均提高輸出電壓以此抵消線路阻抗上的壓降，從而保持了母線電壓恒定。
[0087] 綜上所述，所提解耦控制方法可以在變流器均流的同時(shí)維持母線電壓恒定，具有 理論上的可行性。
[0088] 上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，其特征是，包括： (1) 分別采集第i臺變流器的下垂控制輸出電壓Vdcl、輸出電流1:以及該變流器到母線的 線路阻抗，測量母線電壓;i = l、2; (2) 設(shè)兩臺變換器輸出電流的平均值為I，母線電壓額定值為F/;分別計(jì)算母線電壓與母 線電壓額定值的差值SV以及輸出電流I1與輸出電流的平均值的差值δΙ 1; (3) 判斷上述差值δν和差值SI1的乘積是否小于零，如果是，返回步驟（1);否則，采用PI 控制器對電壓給定值進(jìn)行控制。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，其特征 是，所沭步驟（3)中，采用PI棹制器對電壓給宙倌講行棹制具體為：其中，νΛν，分別為第i臺變流器下垂控制中電壓初始給定值和調(diào)整后的給定值，kP、 Hkj分別為PI控制器的參數(shù);Iu為邏輯系數(shù)，s為積分算子。3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，其特征 是，邏輯系數(shù)Iu的確定方法為：當(dāng)差值δν和差值SI 1的乘積小于零時(shí)，In的值為0,否則，Iu的 值為1。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，其特征 是，所述步驟(3)中，通過分別對母線電壓與母線電壓額定值，以及輸出電流I 1與輸出電流 的平均值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的大小關(guān)系將基于下垂控制的兩臺直流微電網(wǎng)變換器分成若 干不同的工作狀態(tài)，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，對兩臺直流微電網(wǎng)變換器的電壓給定值進(jìn)行控 制。5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)變換器解耦控制方法，其特征 是，所述步驟(3)中，基于下垂控制的兩臺直流微電網(wǎng)變換器的工作狀態(tài)以及對應(yīng)的解耦控 制策略具體為：其中，V，為第1臺變流器下垂控制中的電壓初始給定值，V/為第2臺變流器下垂控制中 的電壓初始給定值。
【文檔編號】H02J1/00GK106026070SQ201610353100
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】杜春水, 賈立朋, 張承慧, 陳阿蓮, 王偉, 秦昌偉
【申請人】山東大學(xué)