基于下垂控制的直流微電網變換器解耦控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于下垂控制的直流微電網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，根據上述采集參數確定母線電壓；分別計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行控制。本發明有益效果：通過調節下垂控制中電壓給定值，可以實現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，實現變換器的最優化利用。
【專利說明】
基于下垂控制的直流微電網變換器解耦控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于變流器均流和母線電壓恢復技術領域，尤其涉及一種基于下垂控制的 直流微電網變換器解耦控制方法。
【背景技術】
[0002] 微電網（Microgrid)是包含小型分布式電源、儲能裝置、控制裝置和可控負荷的 發、輸、配、用電一體化系統，其可以獨立運行(孤島模式）；也可以與電網并聯運行(并網模 式），提高供電的可靠性與安全性，同時對提高分布式電源的利用率和減小間歇性電源對用 戶的電能質量的影響有極大幫助。
[0003] 目前對交流微電網的研究已經很多，然而光伏電池、燃料電池等分布式發電系統 發出的直流電必須通過逆變裝置接入交流系統，最終又通過整流裝置給電腦、LED燈等直流 負荷供電，多次變流過程會增加能量損耗，同時加大了變流裝置的經濟投入。直流微電網可 以節省逆變器等電力電子器件，建設成本低，而且不必考慮各分布式電源之間的同步問題， 更容易實現功率平衡和環流抑制，因此受到國內外的廣泛關注。
[0004] 盡管相對于交流微電網，直流微電網控制策略更為簡單，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中Q-V下垂控制類似的控制特點， 即：由于系統參數、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，現有技術提出用直流母線電壓額定值減去DC-DC變 換器輸出電壓，然后經過PI控制器對下垂控制的額定電壓進行調節，從而使變換器的輸出 電壓穩定在直流母線額定值，其缺點是當線路阻抗不同時，變換器輸出電流不同，因此不能 實現功率均分。現有技術還提出以傳統下垂控制方式實現負荷的近似分配，然后變流器輸 出電壓和電流信息通過低帶寬通信網絡在各個變流器之間交換，實現變流器均流，并使變 流器輸出電壓的平均值恢復到母線額定值。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系。
【發明內容】
[0006] 本發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變換器解耦控 制方法，該方法針對直流微電網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，可以在均流的同時維持母線電壓恒定，而且消除了調節 過程中的兩兩變換器之間的耦合關系，動態性能更好。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：
[0008] -種基于下垂控制的直流微電網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行控制。
[0012] 進一步地，所述步驟(3)中，采用ΡΙ控制器對電壓給定值進行控制具體為：
[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整后的給定值， ^1^分別為?1控制器的參數;111為邏輯系數;8為積分算子。
[0015]進一步地，邏輯系數lu的確定方法為：當差值δν和差值δ?,的乘積小于零時，lu的值 為〇,否則，hi的值為1。
[0016] 進一步地，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行比較，根據比較的大小關系將基于下垂控制的兩臺直流微電 網變換器分成若干不同的工作狀態，根據不同的工作狀態，對兩臺直流微電網變換器的電 壓給定值進行控制。
[0017] 進一步地，所述步驟(3)中，基于下垂控制的兩臺直流微電網變換器的工作狀態以 及對應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] 本發明的有益效果是：
[0021 ] 1)通過調節下垂控制中電壓給定值，可以實現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，實現變換器的最優化利用；
[0022] 2)通過調節下垂控制中電壓給定值，可以補償線路阻抗上的壓降，實現母線電壓 恒定；
[0023] 3)基于下垂控制的解耦控制方法針對系統的不同工作狀態會有相應的控制策略， 消除了變換器均流和提升母線電壓存在耦合關系，動態性能良好。
【附圖說明】
[0024]圖1為下垂控制結構圖；
[0025]圖2為電路分解示意圖；
[0026] 圖3為本發明解耦控制方法流程圖；
[0027] 圖4(a)為傳統下垂控制的變流器輸出電流仿真波形；
[0028] 圖4(b)為傳統下垂控制的變流器輸出電壓仿真波形；
[0029] 圖4(c)為傳統下垂控制的負載電壓仿真波形；
[0030] 圖5(a)為采用現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)為采用現有的基于低帶寬通信的分層控制策略的負載電壓仿真波形；
[0033] 圖6(a)為本發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)為本發明解耦控制方法的負載電壓仿真波形；
[0036] 圖7(a)為本發明解耦控制方法負荷10 Ω時實驗波形；
[0037] 圖7(b)為本發明解耦控制方法負荷變化時實驗波形。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0039] 一、直流微電網的對等控制研究
[0040] 1.1下垂控制結構
[0041] 復雜的直流微電網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構圖。
[0042]圖1的方框內為采用下垂控制的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(2a)、（2b)式可得
[0049] 可見線路阻抗、下垂系數均會對變流器輸出電流的比例產生影響。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生一定壓降，導致母線電壓值低 于各變流器的輸出電壓值。
[0052] 通過以上分析，得出以下結論:兩個主控制單元均采用下垂控制對直流母線進行 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行分配。與此同時，由 于線路阻抗上產生了較大的壓降，母線上的電壓往往低于額定值。在負荷比較集中的區域， 隨著負荷電流的增大，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系統的工作狀態
[0054]以I表示兩臺DC-DC變換器輸出電流的平均值(是一個實時變量），以V/表示母線電 壓額定值，系統可能存在表1所示的9種工作狀態。
[0055]表1系統的9種工作狀態
[0057]狀態9是希望達到的穩定工作狀態，狀態1~8是要對其進行控制的狀態，例如當出 現狀態1時，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，應該 調高Vd和1 2,并且調低Ii，此時可以調整變換器下垂控制的電壓給定值f來調節這些輸出 量。下面分析改變DC-DC變換器的f對系統產生的影響。
[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 可將系統分解為電壓給定值上升之前的電路和AV單獨作用時的電路，電路分解時AV單獨 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 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 會使母線電壓減小。再同理，第二臺DC-DC變換器V/的變化也會產生相應的控制效果。
[0060] 綜合以上分析，當出現狀態1時，控制策略要達到調高Vd和12,并且調低1:的效果。 增大V/，顯然可以同時滿足以上三個控制效果;減小V，滿足調高1 2并且調低h的效果，但是 同時會調低Vd，而這與期望的控制效果是相反的；增大V，滿足調高Vd的效果，但是同時會調 低1 2和調高h，而這與期望的控制效果也是相反的。因此，此時可以提高V/，而V，無論如何 調節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節的分析可得出：在兩臺變換器均流和提升母線電壓時，其中一臺變流器的 控制效果會出現耦合。
[0063] 本發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，根據上述采集參數確定母線電壓;i = 1、2;[0065] (2)設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] 邏輯判斷環節可以等效為一個邏輯系數lu，
[0073]基于下垂控制的解耦控制方法對電壓給定值進行控制，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整后的給定值， i = l、2;kP、ki、kq、kj 為 PI 控制器參數。
[0076] 如表2所示，基于下垂控制的解耦控制方法針對系統的9種工作狀態會有不同的控 制策略，由此消除變換器均流和提升母線電壓存在耦合關系。
[0077]表2對系統9種工作狀態的控制策略
[0079]二、仿真分析及實驗驗證
[0080]表3仿真與實驗參數
[0082] 仿真分析：
[0083] 在MATLAB/simulink 2014a中搭建傳統下垂控制、現有的基于低帶寬通信的分層 控制策略、本發明所提解耦控制方法的仿真模型，給定母線額定值為40V，初始時刻負荷為 10 Ω，第2s并入一個20 Ω的負荷。
[0084] 由仿真波形圖4(a)_(c)、圖5(a)_(c)、圖6(a)_(c)可見，傳統下垂控制中變流器輸 出電流不均等；隨著負荷增大，電流差別增大，母線電壓下降。采用現有的基于低帶寬通信 的分層控制策略的變流器實現均流所用時間較長，而且電流均分后，調節電壓會使電流分 配變化;負荷增加后母線電壓下降。本發明所提解耦控制方法實現了變流器的均流，在負載 增大時，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] 實驗驗證：
[0086] 搭建本發明所提控制策略的實驗平臺，給定母線額定值為40V，初始時刻負荷為10 Ω，系統運行一段時間后再并入一個20Ω的負荷。由實驗波形圖7(a)_(b)可見，本發明所提 控制策略可以在實現變流器的均流的同時保持母線電壓恒定;在負載增大時，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維持母線電壓恒定，具有 理論上的可行性。
[0088] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1. 一種基于下垂控制的直流微電網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行控制。2. 如權利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網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整后的給定值，kP、 Hkj分別為PI控制器的參數;Iu為邏輯系數，s為積分算子。3. 如權利要求2所述的一種基于下垂控制的直流微電網變換器解耦控制方法，其特征 是，邏輯系數Iu的確定方法為：當差值δν和差值SI 1的乘積小于零時，In的值為0,否則，Iu的 值為1。4. 如權利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網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 的平均值進行比較，根據比較的大小關系將基于下垂控制的兩臺直流微電網變換器分成若 干不同的工作狀態，根據不同的工作狀態，對兩臺直流微電網變換器的電壓給定值進行控 制。5. 如權利要求1所述的一種基于下垂控制的直流微電網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變換器的工作狀態以及對應的解耦控 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