CN106451408A - 一种基于下垂法的直流微电网及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于下垂法的直流微电网，新型控制方法可以克服传统下垂法并联变换器电流不均和母线电压下降的缺点。本发明提出一种应用于直流微电网的新型控制方法，新型控制方法基于低带宽通信，由电流调整环和电压调整环构成。具有以下优点：电流调整环根据电流输出自行调节，可克服线路阻抗的影响，使变换器输出阻抗相等，每个变换器可将输出特性调整到一致 ，一旦下垂系数适应微网***即不在变化；电压参考环可增大输出电压参考值，抵消下垂控制带来的母线电压下降，从而补偿母线电压跌落；采用低带宽通信，克服了高速通信一旦主机或通信出现问题，***可靠性降低，影响正常运行的缺点。

Description

一种基于下垂法的直流微电网及其控制方法

技术领域

本发明属于电能质量管理领域，具体涉及一种基于下垂法的直流微电网及其控制方法。

背景技术

随着全球化石能源的减少和环境污染问题日益严峻，分布式电源得到了各国的重视和发展，传统的电网均为交流形式，所以最早出现的微电网也为交流微电网。相对于交流微电网，之后出现的直流微电网在相位、频率等方面更具有优势，获得了越来越多的关注。光伏电池和蓄电池组成最简单的直流微电网之一，适合在居民住宅区使用，它们组成一个基本的直流电压源。

在直流微电网中，直流电压源多为并联运行，为了实现功率均衡输出，主要的控制方法就是主从控制法和下垂控制法。主从控制法依赖高速通信和主机，一旦这两者之一出现故障，即会影响整个微电网的运行。下垂法易实现***的冗余控制，成本低，非常适合多个直流电压源并联接入微网。传统下垂法利用控制方法产生虚拟阻抗，即下垂系数，系数过大的话造成母线电压下降过大，系数小的话在并联变换器之间产生较大的电流差值，形成环流。因此，直流母线电压下降和并联变换器存在环流是传统下垂法两个主要局限。

为了克服传统下垂法存在的缺陷，学术界提出了各种改进的下垂控制法。有学者提出将主从控制法中的通信引进下垂法，并进行简化，仅需低带宽通信传输变换器输出电压和电流的信息，这样可以根据并联变换器的工作情况来调节本变换器的下垂系数，充分发挥主从控制和下垂控制的优势。考虑到有很多种处理并联变换器输出数据的方法，目前已经进行研究还不多。

因此，需要一种新的基于下垂法的直流微电网以解决上述问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于下垂法的直流微电网。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于下垂法的直流微电网，包括第一直流电压源、第一Boost变换器、第二直流电压源、第二Boost变换器和变换器负载；

所述第一直流电压源包括直流电压源U1；所述第二直流电压源包括直流电压源U2；

所述第一Boost变换器包括滤波电容C1、续流电感L1、N沟道MOSFET开关管Q1、二极管D1和滤波电容C2；所述滤波电容C1的两端分别连接所述续流电感L1一端和所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极S；所述续流电感L1的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的漏极和所述二极管D1的正极；所述滤波电容C2的两端分别连接所述二极管D1的负极和所述所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极；

所述第二Boost变换器包括滤波电容C3、续流电感L2、N沟道MOSFET开关管Q2、二极管D2和滤波电容C4；所述滤波电容C3的两端分别连接所述续流电感L2一端和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；所述续流电感L2的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q2漏极和所述二极管D2的正极；所述滤波电容C4的两端分别连接所述二极管D2的负极和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；

所述变换器负载包括单独负载R1、单独负载R2和公共负载R，所述单独负载R1的一端、单独负载R2的一端和公共负载R的一端均连接；

所述单独负载R1的另一端连接所述二极管D1的负极，所述单独负载R2的另一端连接所述二极管D2的负极，所述公共负载R的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；所述直流电压源U1的正极和负极分别连接所述滤波电容C1的两端；所述直流电压源U2的正极和负极分别连接所述滤波电容C2的两端。

更进一步的，所述直流电压源U1的负极连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极；所述直流电压源U2的负极连接所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极。

本发明的有益之处在于：本发明的基于下垂法的直流微电网具有以下优点：电流调整环克服采用传统下垂法时并联变换器存在环流的问题，电压调整环的引入可以改善传统下垂法中直流母线电压下降过多的问题，控制方法基于的电路拓扑结构简单，易于拓展。此直流微电网适用于居民住宅区，可有效利用当地太阳能，并利用蓄电池实现基本的充放电功能。

本发明还公开了一种基于下垂法的直流微电网控制方法，采用权利要求1或2所述的基于下垂法的直流微电网，所述控制方法包括以下步骤：

1)、分别计算所述第一Boost变换器(2)的输出电流i_dc1和所述第二Boost变换器(4)的输出电流i_dc2；

2)、根据步骤1)的输出电流i_dc1和输出电流i_dc2，计算得到输出电流的平均值

3)、计算所述第一Boost变换器(2)的输出电流i_dc1与输出电流的平均值的第一电流差值计算所述第二Boost变换器(4)的输出电流i_dc2与输出电流的平均值的第二电流差值

4)、利用PI调节将第一电流差值和/或第二电流差值 叠加到下垂系数上，当第一电流差值大于0时，则下垂系数增大，输出阻抗增大，当第一电流差值小于0时，则下垂系数减小，输出阻抗减小；当第二电流差值大于0时，则下垂系数增大，输出阻抗增大，当第二电流差值小于0时，则下垂系数减小，输出阻抗减小。

本发明的有益之处在于：本发明的基于下垂法的直流微电网控制方法利用电流调整环，对输出阻抗进行改善。设置参考电流上下阈值，防止过大或过小。

一种基于下垂法的直流微电网控制方法，采用权利要求1或2所述的基于下垂法的直流微电网，所述控制方法包括以下步骤：

(1)、分别计算所述第一Boost变换器(2)的输出电压u_dc1和所述第二Boost变换器(4)的输出电压u_dc2；

(2)、根据步骤(1)得到的输出电压u_dc1和输出电压u_dc2，计算得到输出电压的平均值

(3)、计算所述第一Boost变换器(2)的输出电压u_dc1与输出电压的平均值的第一电压差值计算所述第二Boost变换器(4)的输出电压u_dc2与输出电压的平均值的第二电压差值

(4)、利用PI调节将第一电压差值和/或第二电压差值叠加到直流母线参考电压上，当第一电压差值大于0时，则直流母线参考电压增大，当第一电压差值小于0时，则直流母线参考电压减小；当第二电压差值大于0时，则直流母线参考电压增大，当第二电压差值小于0时，则直流母线参考电压减小。

有益效果：本发明的基于下垂法的直流微电网控制方法利用电压调整环，对母线参考电压进行改善。设置参考电压上下阈值，防止过大或过小。与单个变换器实际输出电压进行差值计算，差值经PI调节之后用于驱动两个N沟道MOSFET开关管。

附图说明

图1是本发明一种基于下垂法的直流微电网原理框图；

图2是本发明基于的并联Boost变换器电路结构图；

图3是传统的基于下垂法的控制方法投入并联Boost变换器电路前后的输出电压波形图；

图4是本发明的基于下垂法的控制方法投入并联Boost变换器电路前后的输出电压波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作具体的介绍。

请参阅图1和图2所示，本发明的基于下垂法的直流微电网，包括第一直流电压源1、第一Boost变换器2、第二直流电压源3、第二Boost变换器4和变换器负载5。

第一直流电压源1包括直流电压源U1。第二直流电压源3包括直流电压源U2。第一Boost变换器2包括滤波电容C1、续流电感L1、N沟道MOSFET开关管Q1、二极管D1和滤波电容C2。滤波电容C1的两端分别连接续流电感L1一端和N沟道MOSFET开关管Q1的源极S。续流电感L1的另一端连接N沟道MOSFET开关管Q1的漏极和二极管D1的正极。滤波电容C2的两端分别连接二极管D1的负极和N沟道MOSFET开关管Q1的源极。第二Boost变换器4包括滤波电容C3、续流电感L2、N沟道MOSFET开关管Q2、二极管D2和滤波电容C4。滤波电容C3的两端分别连接续流电感L2一端和N沟道MOSFET开关管Q2的源极。续流电感L2的另一端连接N沟道MOSFET开关管Q2漏极和二极管D2的正极。滤波电容C4的两端分别连接二极管D2的负极和N沟道MOSFET开关管Q2的源极。

变换器负载5包括单独负载R1、单独负载R2和公共负载R，单独负载R1的一端、单独负载R2的一端和公共负载R的一端均连接。

单独负载R1的另一端连接二极管D1的负极，单独负载R2的另一端连接二极管D2的负极，公共负载R的另一端连接N沟道MOSFET开关管Q1的源极和N沟道MOSFET开关管Q2的源极。直流电压源U1的正极和负极分别连接滤波电容C1的两端。直流电压源U2的正极和负极分别连接滤波电容C2的两端。其中，直流电压源U1的负极连接N沟道MOSFET开关管Q1的源极。直流电压源U2的负极连接N沟道MOSFET开关管Q2的源极。

本发明的基于下垂法的直流微电网具有以下优点：电流调整环克服采用传统下垂法时并联变换器存在环流的问题，电压调整环的引入可以改善传统下垂法中直流母线电压下降过多的问题，控制方法基于的电路拓扑结构简单，易于拓展。此直流微电网适用于居民住宅区，可有效利用当地太阳能，并利用蓄电池实现基本的充放电功能。

本发明的基于下垂法的直流微电网新型控制方法基本工作原理如下：

采用一个电流调整环，以下均以1号变换器为例，计算1号变换器输出电流i_dc1和2号变换器输出电流i_dc2的平均值计算1号变化器输出电流i_dc1和的差值，经过PI调节叠加到原来的下垂系数上。假设1号变换器的输出电流更大，则i_dc1和平均电流的差值为正，这样1号变换器的下垂系数增大，输出阻抗增大，从而接下来的输出电流会减小；反之亦然。

采用一个电压调整环，计算1号变换器输出电压u_dc1和2号变换器输出电压u_dc2的平均值计算1号变化器输出电压u_dc1和的差值，经过PI调节叠加到直流母线参考电压上，从而减少母线电压跌落。

将电流调整环和电压调整环产生的调节量应用到传统下垂法中，电流调整环调节量用来与下垂系数叠加，电压调整环调节量用来抬升直流母线电压，如下式所示：

为了限制母线电压参考值在一定范围内，引入限幅环节，防止母线电压超出上下限。

引入电压控制环，将变换器输出电压与经过电流调整环和电压调整环调节的参考电压相比，差值经过PI调节，与锯齿波进行比较，产生PWM驱动波形，输出给并联Boost变换器的开关管MOSFET，驱动电路运行。

请参阅图3和图4所示，在1.5s之前，采用传统下垂法，由图3可见,1号变换器和并联的2号变换器输出电流不等，输出电压基本相等，与参考电压差值不大。1.5s时引进基于低带宽通信的新型下垂法，经过约0.2s后，两并联的变换器输出电流趋于一致。图4在2s之前与图3相同，2s时公共负载增加，由输出波形可见两变换器输出电压没有低落，与参考电压差值不大，输出电流均有所增加，但仍基本相等。表明，本发明实现了并联电路的输出均流和电压抬升。

Claims (4)

1.一种基于下垂法的直流微电网，其特征在于，包括第一直流电压源(1)、第一Boost变换器(2)、第二直流电压源(3)、第二Boost变换器(4)和变换器负载(5)；

所述第一直流电压源(1)包括直流电压源U1；所述第二直流电压源(3)包括直流电压源U2；

所述第一Boost变换器(2)包括滤波电容C1、续流电感L1、N沟道MOSFET开关管Q1、二极管D1和滤波电容C2；所述滤波电容C1的两端分别连接所述续流电感L1一端和所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极S；所述续流电感L1的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的漏极和所述二极管D1的正极；所述滤波电容C2的两端分别连接所述二极管D1的负极和所述所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极；

所述第二Boost变换器(4)包括滤波电容C3、续流电感L2、N沟道MOSFET开关管Q2、二极管D2和滤波电容C4；所述滤波电容C3的两端分别连接所述续流电感L2一端和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；所述续流电感L2的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q2漏极和所述二极管D2的正极；所述滤波电容C4的两端分别连接所述二极管D2的负极和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；

所述变换器负载(5)包括单独负载R1、单独负载R2和公共负载R，所述单独负载R1的一端、单独负载R2的一端和公共负载R的一端均连接；

所述单独负载R1的另一端连接所述二极管D1的负极，所述单独负载R2的另一端连接所述二极管D2的负极，所述公共负载R的另一端连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极和所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极；所述直流电压源U1的正极和负极分别连接所述滤波电容C1的两端；所述直流电压源U2的正极和负极分别连接所述滤波电容C2的两端。

2.根据权利要求1所述的基于下垂法的直流微电网，其特征在于，所述直流电压源U1的负极连接所述N沟道MOSFET开关管Q1的源极；所述直流电压源U2的负极连接所述N沟道MOSFET开关管Q2的源极。

3.一种基于下垂法的直流微电网控制方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于下垂法的直流微电网，所述控制方法包括以下步骤：

1)、分别计算所述第一Boost变换器(2)的输出电流i_dc1和所述第二Boost变换器(4)的输出电流i_dc2；

2)、根据步骤1)的输出电流i_dc1和输出电流i_dc2，计算得到输出电流的平均值

3)、计算所述第一Boost变换器(2)的输出电流i_dc1与输出电流的平均值的第一电流差值计算所述第二Boost变换器(4)的输出电流i_dc2与输出电流的平均值的第二电流差值4)、利用PI调节将第一电流差值和/或第二电流差值 叠加到下垂系数上，当第一电流差值大于0时，则下垂系数增大，输出阻抗增大，当第一电流差值小于0时，则下垂系数减小，输出阻抗减小；当第二电流差值大于0时，则下垂系数增大，输出阻抗增大，当第二电流差值小于0时，则下垂系数减小，输出阻抗减小。

4.一种基于下垂法的直流微电网控制方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于下垂法的直流微电网，所述控制方法包括以下步骤：

(1)、分别计算所述第一Boost变换器(2)的输出电压u_dc1和所述第二Boost变换器(4)的输出电压u_dc2；

(2)、根据步骤(1)得到的输出电压u_dc1和输出电压u_dc2，计算得到输出电压的平均值

(3)、计算所述第一Boost变换器(2)的输出电压u_dc1与输出电压的平均值的第一电压差值计算所述第二Boost变换器(4)的输出电压u_dc2与输出电压的平均值的第二电压差值

(4)、利用PI调节将第一电压差值和/或第二电压差值 叠加到直流母线参考电压上，当第一电压差值大于0时，则直流母线参考电压增大，当第一电压差值小于0时，则直流母线参考电压减小；当第二电压差值大于0时，则直流母线参考电压增大，当第二电压差值小于0时，则直流母线参考电压减小。