一種直流微電網的分層協調控制方法

2023-10-04 21:07:59 2

1.本發明涉及智能電網技術領域，尤其涉及一種直流微電網的分層協調控制方法。


背景技術：

2.分布式發電具有發電形式靈活，對環境汙染小且能源利用率高，但是受環境的制約較大，輸出具有隨機性，大規模分布式電源接入電網對電力系統安全運行造成衝擊，為了減小衝擊，提高供電可靠性，微電網的概念應運而生，即是一種由分布式發電單元、負荷單元、儲能單元、電力電子變換器等設備集成在一起的小型供用電系統，通過功率控制平抑分布式電源的功率波動，提高新能源的利用率，既可以併入大電網中運行，也可以工作在孤島模式下。
3.相比於交流微電網，直流微電網的控制只需要維持直流母線電壓的穩定，不需要考慮頻率、相位和無功等因素的影響，因此直流微電網具有更高的可靠性。
4.直流母線電壓是反映直流微電網系統內功率平衡的重要指標，系統控制的主要目標是保證直流母線電壓的穩定，維持系統源與荷的能量平衡。對於具有多源多負荷特性的直流微電網協調控制策略，主要可以分為集中式控制、分布式控制和分層控制三種，集中式控制對通信的依賴性比較強，一旦出現故障就很可能導致整個系統無法運行；分層控制可以將系統按不同的控制目標分層進行控制，有利於實現系統的穩定運行和優化控制。
5.正常情況下，直流微電網微源側和負荷側的功率是相對穩定的，直流母線電壓保持在恆定狀態。當系統出現功率波動(如光照引起的光伏輸出功率波動和各類直流負載投切引起的功率變化等)時，母線電容上會有電流流過，此電流值增大到一定程度就會擊穿電容，對系統設備產生危害，不利於系統正常工作和穩定運行。
6.傳統下垂控制實現負載功率均分時，下垂係數是固定的，且易受線路阻抗的影響，為了提高均流精度需要增大下垂係數，這又會引起直流母線電壓的跌落。


技術實現要素：

7.本部分的目的在於概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本技術的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用於限制本發明的範圍。
8.鑑於上述現有存在的問題，提出了本發明。
9.因此，本發明提供了一種直流微電網的分層協調控制方法解決在包含多源多負荷的直流微電網系統中，直流微電網電源、負荷之間功率不平衡以及系統不能穩定運行的問題。
10.為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：
11.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：
12.根據控制目標以及時間尺度的不同，對直流微電網進行分層控制，直流微電網系統包括，底層變換器的設備級控制和上層能量管理的系統級控制；
13.在底層變換器的設備級控制中由儲能單元主導調節，採用基於母線電壓信號的下垂控制根據下垂係數實現對系統各單元變換器的功率分配以及維持母線電壓穩定。
14.上層能量管理的系統級控制中引入二次控制，所述二次控制為將輸出電壓平均值u
avg
與母線電壓額定值u
ref
進行比較，輸出電壓平均值u
avg
與母線電壓額定值u
ref
作差得到的誤差量經過一階ladrc電壓調節器輸出獲得電壓補償量信息δui。
15.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：所述在底層變換器的設備級控制中由儲能單元主導調節，採用基於母線電壓信號的下垂控制根據下垂係數實現對系統各單元變換器的功率分配以及維持母線電壓穩定，引入下垂控制後變換器的輸出電壓會有一個壓降，電壓變化量應該滿足：
16.δu
dci
＝(r
di
+r
linei
)ii≤δu
max
17.式中，u
dci
、ii分別為變換器i的輸出電壓和輸出電流，u
ref
為直流母線電壓的額定值，r
di
為第i個變換器的下垂係數，r
linei
為線路阻抗的大小；i＝1，2；
18.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：在下垂控制維持母線電壓穩定後分析傳統下垂控制在直流微電網內存在的缺陷以及預設直流微電網系統內母線電壓的額定值。
19.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：在分析出傳統下垂控制在直流微電網內存在的缺陷之後系統檢測到各變換器的輸出電壓信息，並對輸出電壓信息作平均值處理，得到的輸出電壓平均值u
avg
。
20.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：所述的直流微電網底層變換器的設備級控制由儲能單元主導調節，具體形式為：系統獨立運行情況下，在光伏輸出功率充足時，系統內多餘的能量由儲能單元進行吸收存儲；而當光伏輸出功率不能滿足負載所需部分時，就需要由儲能單元進行放電，給負載端進行供電，以平抑功率波動與維持系統的能量平衡。
21.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：根據所述電壓給定值採用基於下垂控制的底層變換器的設備級控制，生成控制dc-dc變換器的pwm信號。
22.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：上層採用基於低帶寬通信的二次控制，檢測母線電壓值u
dc
並與額定電壓值u
ref
比較，經過基於ladrc的電壓調節器輸出得到電壓補償量信息，根據該電壓補償量對下垂控制曲線進行平移調節，從而使母線電壓恢復至額定值。
23.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：所述直流微電網系統運行在孤島狀態下，分布式單元包括光伏發電單元、儲能單元、負荷單元以及dc-dc變換器、dc-ac變換器。
24.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：底層變換器的設備級控制下，儲能單元根據預先設定的下垂係數來確定各單元出力的比例，選取的下垂係數應與儲能單元自身的功率容量成反比，通過v-i下垂控制與變換器電壓閉環控制結合，令直流母線電壓穩定在額定值允許波動的範圍內。
25.作為本發明所述的直流微電網的分層協調控制方法的一種優選方案，其中：所述在分析出傳統下垂控制在直流微電網內存在的缺陷之後系統檢測到各變換器的輸出電壓
信息，並對輸出電壓信息作平均值處理，得到的輸出電壓平均值u
avg
，得到的輸出電壓平均值會再次與母線電壓額定值進行比較，輸出電壓平均值與母線電壓額定值間的誤差最終經過電壓調節器輸出獲得電壓補償量，表示為：
[0026][0027]
其中，gd(s)＝1/(τs+1)表示為在二次控制中信息傳輸的延時環節，g
piv
(s)則表示電壓調節器的傳遞函數，u
dci
、ii分別為變換器i的輸出電壓和輸出電流，u
ref
為直流母線電壓的額定值，r
di
為第i個變換器的下垂係數，r
linei
為線路阻抗的大小；i＝1，2；母線電壓補償量δui和變換器輸出電壓平均值u
avg
。
[0028]
與現有技術相比，本發明的有益效果：
[0029]
利用二次控制方法對傳統下垂控制帶來的直流母線電壓跌落進行補償，使得母線電壓恢復到額定值；相對於集中控制，本發明所提出的分布式二次控制策略性能更好，且在不忽略線路阻抗的情況下，系統能夠穩定運行以及負荷功率分配精度較高。
附圖說明
[0030]
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中：
[0031]
圖1為本發明第一個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的整體流程圖；
[0032]
圖2為本發明第一個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的孤島運行的直流微電網系統整體結構示意圖；
[0033]
圖3為本發明第一個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的兩個變換器並聯等效電路圖；
[0034]
圖4為本發明第一個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的下垂曲線調整效果圖；
[0035]
圖5為本發明第一個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的二次控制結構框圖；
[0036]
圖6為本發明第二個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的直流微電網內光伏發電單元、負荷單元功率模擬曲線示意圖；
[0037]
圖7為本發明第二個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的只加入底層下垂控制的直流母線電壓波動曲線；
[0038]
圖8為本發明第二個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的只加入底層下垂控制的系統功率變化曲線；
[0039]
圖9為本發明第二個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的引入二次控制後的直流母線電壓波動曲線；
[0040]
圖10為本發明第二個實施例所述的一種直流微電網的分層協調控制方法的引入二次控制後的系統功率變化曲線。
具體實施方式
[0041]
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合說明書附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明，顯然所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明的保護的範圍。
[0042]
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0043]
其次，此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。
[0044]
本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0045]
同時在本發明的描述中，需要說明的是，術語中的「上、下、內和外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一、第二或第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0046]
本發明中除非另有明確的規定和限定，術語「安裝、相連、連接」應做廣義理解，例如：可以是固定連接、可拆卸連接或一體式連接；同樣可以是機械連接、電連接或直接連接，也可以通過中間媒介間接相連，也可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0047]
實施例1
[0048]
參照圖1-5，為本發明的一個實施例，提供了一種直流微電網的分層協調控制方法，包括以下步驟：
[0049]
s1：確定直流微電網系統具體架構，如圖2所示，其中包括光伏發電單元、儲能單元、負荷單元以及dc-dc變換器、dc-ac變換器；
[0050]
進一步的，直流負荷直接連接在母線上可看成是阻性負荷單元，經過dc-dc變換器連接的直流負荷與經過dc-ac變換器連接的電機可看成是恆功率負荷單元，且直流微電網系統運行在孤島情況下；
[0051]
進一步的，所述步驟s1中，直流微電網系統包括以下構成元素：
[0052]
光伏發電單元：實現低碳發電，在孤島模式下，通過boost變換器接入直流母線；
[0053]
儲能單元：有效地補償光伏發電單元的間歇性和隨機性，在本發明中儲能單元起主導調節作用，兩組儲能會依據自身容量進行出力，平抑系統內的功率波動；
[0054]
負荷單元：常見的直流負荷，包括各類家用負荷如照明類、電熱類等，以及可以與
直流微電網實現能量雙向流動的電動汽車負荷。當直流負荷直接接在母線上時可視為阻性負荷單元，而當它通過dc-dc變換器連接在直流母線上時，可以等效為恆功率負荷單元。
[0055]
進一步的，直流微電網底層變換器的設備級控制由儲能單元主導調節，具體形式為：系統獨立運行情況下，在光伏輸出功率充足時，系統內多餘的能量由儲能單元進行吸收存儲；而當光伏輸出功率不能滿足負載所需部分時，就需要由儲能單元進行放電，給負載端進行供電，以平抑功率波動與維持系統的能量平衡。
[0056]
s2：根據控制目標、協調機制以及響應時間的不同，將直流微電網系統劃分為底層設備級控制和上層系統級控制2個層級；
[0057]
s3：在底層變換器的設備級控制中由儲能單元主導調節，採用基於母線電壓信號的下垂控制根據下垂係數實現對系統各單元變換器的功率分配以及維持母線電壓穩定。
[0058]
進一步的，底層變換器的設備級控制下，儲能單元根據預先設定的下垂係數來確定各單元出力的比例，選取的下垂係數應與儲能單元自身的功率容量成反比，通過v-i下垂控制與變換器電壓閉環控制結合，令直流母線電壓穩定在額定值允許波動的範圍內。
[0059]
進一步的，直流微電網底層變換器的設備級控制由儲能單元主導調節，具體形式為：系統獨立運行情況下，在光伏輸出功率充足時，系統內多餘的能量由儲能單元進行吸收存儲；而當光伏輸出功率不能滿足負載所需部分時，就需要由儲能單元進行放電，給負載端進行供電，以平抑功率波動與維持系統的能量平衡。
[0060]
進一步的，儲能單元通過dab變換器連接在直流母線上，根據dab變換器的降階平均模型呈現慣性環節的特點，利用傳統的單個電壓閉環控制就可以實現對輸出電容的電壓控制。在傳統電壓閉環控制穩定的基礎上加入下垂控制，根據直流母線電壓變化情況，可以獨立調整儲能單元的功率輸出，保證出力均衡且增強系統穩定性。
[0061]
進一步的，在下垂控制維持母線電壓穩定後分析傳統下垂控制在直流微電網內存在的缺陷以及預設直流微電網系統內母線電壓的額定值；
[0062]
進一步的，所述步驟s1中，傳統的下垂控制包括以下過程：
[0063]
直流微電網中往往會存在多種微源與不同類型的負荷，在系統處於孤島運行狀態下時，需要自動維持內部供需平衡；下垂控制在直流微電網中作為一次控制，在維持系統穩定運行方面發揮重要作用；在不失普遍性的情況下，以兩臺儲能變換器並聯為例：
[0064]udci
＝u
ref-(r
di
+r
linei
)
·ii
[0065]
式中，u
dci
、ii分別為變換器i的輸出電壓和輸出電流，u
ref
為直流母線電壓的額定值，r
di
為第i個變換器的下垂係數，r
linei
為線路阻抗的大小；i＝1，2；
[0066]
由此可以知道，傳統下垂控制的電壓與電流呈負相關，其下垂係數也是決定系統性能好壞的重要參數。在二次控制中，通過增加電壓補償量來修改變換器的電壓額定值，以此來實現直流母線電壓的恢復。
[0067]
若要使變換器輸出功率按照各自的額定容量成比例分配，各節點的輸出電流關係應滿足如下關係：
[0068][0069]
從式中可以看出，各變換器輸出電流與其下垂係數和對應線路阻抗成反比關係；兩臺並聯變換器到公共連接點之間的線路阻抗往往存在差異，因此很可能會導致負載功率
分配失衡；
[0070]
進一步的，引入下垂控制後變換器的輸出電壓會有一個壓降，電壓變化量應該滿足：
[0071]
δu
dci
＝(r
di
+r
linei
)ii≤δu
max
[0072]
進一步的，在分析出傳統下垂控制在直流微電網內存在的缺陷之後系統檢測到各變換器的輸出電壓信息，並對輸出電壓信息作平均值處理，得到的輸出電壓平均值u
avg
。
[0073]
進一步的，得到的輸出電壓平均值會再次與母線電壓額定值進行比較，二者間的誤差最終經過電壓調節器輸出獲得電壓補償量，表示為：
[0074][0075]
其中，gd(s)＝1/(τs+1)表示為在二次控制中信息傳輸的延時環節，g
piv
(s)則表示電壓調節器的傳遞函數，u
dci
、ii分別為變換器i的輸出電壓和輸出電流，u
ref
為直流母線電壓的額定值，r
di
為第i個變換器的下垂係數，r
linei
為線路阻抗的大小；i＝1，2；母線電壓補償量δui和變換器輸出電壓平均值u
avg
。
[0076]
s4：上層能量管理的系統級控制中引入二次控制，所述二次控制為將輸出電壓平均值u
avg
與母線電壓額定值u
ref
進行比較，輸出電壓平均值u
avg
與母線電壓額定值u
ref
作差得到的誤差量經過一階ladrc電壓調節器輸出獲得電壓補償量信息δui；
[0077]
應說明的是，利用一階ladrc替代pi控制，可以使控制系統具有與pi控制器幾乎相同的相位裕度和增益，而在抑制測量噪聲和抑制超調時具有更好的性能。
[0078]
進一步的，所述步驟s6中，下垂控制可有效解決系統功率均分問題，且具有實現容易、無需通訊互連線等優點，但下垂控制會引起變換器輸出端電壓低於其給定額定值，本發明所闡述的二次控制可以有效地對電壓偏離進行補償。為了使輸出電壓u
dc
恢復到電壓額定值u
ref
，首先定義電壓偏差為：
[0079][0080]
通過偏差修正，使得在一個有限時間t內，補償輸出電壓降落，即：
[0081][0082]
輸出電壓的補償量可以表示為：
[0083]
δui＝k
vp
e+k
vi
∫edt
[0084]
式中，k
vp
和k
vi
是電壓偏差補償控制器的pi參數，並利用一階ladrc控制代替pi控制，將輸出電壓補償量與變換器輸出電壓平均值的傳遞函數改寫為：
[0085][0086]
其中f表示包括系統內擾和外擾的總擾動；y和u分別為對象的輸出和輸入，在直流微電網系統中分別表示為母線電壓補償量δui和變換器輸出電壓平均值u
avg
；b為對象輸入的增益參數，這裡記為b0。
[0087]
選取狀態變量：x1＝y,x2＝f，則x＝[y f]
t
為包括了擾動的擴張狀態，轉化後的連
續的擴張狀態空間描述為：
[0088][0089]
其中，c＝[1 0]。
[0090]
當z
→
x,z1→
y,z2→
f，對應的連續線性擴張狀態觀測器(leso)設計為：
[0091][0092]
其中，觀測器增益矩陣l＝[l
1 l2]
t
。
[0093][0094]
接著，輸入控制信號u可定義為：
[0095][0096]
系統可簡化為一個單位增益級聯積分器：系統的控制率可以表示為：
[0097][0098]
其中r為給定值，在直流微電網系統中表示為電壓額定值u
ref
；k
p
為控制器增益。把觀測器特徵方程的極點放在觀測器帶寬-w0上，得到觀測器的增益矩陣：
[0099][0100]
最終，將母線電壓補償量信息添加到原始的下垂控制中，則改進後的下垂控制表達式為：
[0101]udci
＝u
ref
+δu
i-r
di
·ii
[0102]
儲能單元下垂控制曲線利用電壓補償量信息進行平移來恢復直流母線電壓至額定電壓值，利用低帶寬通信技術可以將該電壓補償量信息傳送給系統其它的變換器，並進行相應的平移，使得母線電壓均能恢復至額定值，保證各單元之間彼此協調運行。
[0103]
進一步的，根據獲得的母線電壓補償量δui設計二次控制器，並分析控制器的穩定性。
[0104]
進一步的，根據所述電壓給定值採用基於下垂控制的底層變換器的設備級控制，生成控制dc-dc變換器的pwm信號，系統內母線電壓將恢復額定值。
[0105]
進一步的，上層採用基於低帶寬通信的二次控制，檢測母線電壓值u
dc
並與額定電壓值u
ref
比較，經過基於ladrc的電壓調節器輸出得到電壓補償量信息，根據該電壓補償量對下垂控制曲線進行平移調節，從而使母線電壓恢復至額定值。
[0106]
實施例2
[0107]
參照圖6～10，為本發明的第二個實施例，提供了一種直流微電網的分層協調控制方法，為了驗證其有益效果，提供了兩種方案的仿真實驗。
[0108]
在plecs軟體中進行仿真驗證，本實施例提供的直流微電網系統主電路參數如表1所示：
[0109]
表1主電路參數
[0110][0111][0112]
根據表1所給的具體參數，從只含下垂控制和加入二次控制兩個方面進行仿真對比，驗證本發明方法的有效性。
[0113]
實驗1：對直流微電網系統各單元進行配置，對採用mppt控制的光伏單元進行簡化設計，利用可控電流源模擬光伏發電輸出端特性；同樣的對於直流負荷，也採用給定的功率曲線以電流源形式模擬恆功率負載特性；阻性負載單元則將其功率固定，以開關投切的方式接入直流母線，來模擬實際情況下用電負荷的隨機接入；光伏發電功率、恆功率負載功率、阻性負載功率曲線及接入時間如圖6所示。
[0114]
根據圖6所示，系統出現功率波動，這導致母線電壓會隨之變化，此時需要儲能單元不斷調節，以維持母線電壓穩定，具體的仿真結果波形如圖7和圖8所示。其中圖7表示在下垂控制模式下的直流母線電壓波動情況，圖8表示整個系統內的各單元功率變化曲線。
[0115]
由圖7和圖8可以看出，當系統存在功率波動時，儲能單元能夠在底層下垂控制的作用下很好地實現穩定直流母線電壓的作用，不使電壓偏差超過上下限，且此時系統內各單元的功率也能較好的保持平衡狀態。
[0116]
接著在底層變換器的設備級控制已經能夠保證系統基本穩定運行的情況下，又引入了二次控制，來改善傳統下垂控制帶來的電壓跌落問題，具體的仿真結果波形如圖9、10所示。其中圖9表示在二次控制下的直流母線電壓波動情況，圖10表示整個系統內的各單元功率變化曲線。
[0117]
從圖9和圖10中可以看出，本發明所提的二次控制能夠改善傳統下垂控制的局限性，使得母線電壓值恢復到額定值，提高系統運行的穩定性與可靠性。
[0118]
應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發
明的權利要求範圍當中。