CN111654019A - 一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法 - Google Patents
一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,首先构建独立运行的直流微电网***,其中包含环保低碳发电的分布式电源,储能***和一些微网常用的直流负荷;然后预设直流微电网的母线电压参考值,提出了考虑电压调节以及电流矫正控制的一致性滑模控制方法,该控制器在***发生波动时,对母线电压进行控制,使得母线电压恢复到设定值,通过滑模控制对电压电流值进行调整,达到负荷功率分配的高精度。
Description
技术领域
本发明属于直流微电网中补偿母线电压以及微源变流器功率输出分配设计技术领域,具体涉及一种控制方法。
背景技术
近些年来,随着常规能源煤、石油和天然气等能源的不断消耗与污染问题的日益突出,以光伏、风电为突出代表的新能源发电逐渐成为能源行业的后起之秀,该领域得到了迅速的发展。随之而来的如何将这种新能源发电接入成为了一时的难题,为此专家学者纷纷提出了微电网的相关概念。
能源互联网是一种可以解决可再生能源发电大规模并网,提高电力质量与用户需求侧管理水平,并且提高电网***可靠性、安全性以及经济性的重要手段,随着研究的不断深入,专家学者提出了智能电网的发展与能源互联的概念,这使得互联微网的能量管理和控制成为了广大专家学者研究的热点。微电网中含有大量光伏、储能装置及燃料电池等直流输出的分布式电源,相比于交流微电网,直流***不存在相位同步、谐波和无功功率损耗等方面的问题,因此直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电***、储能单元、电动汽车及其他直流负荷,提高供电的电能质量和可靠性,因此近年来直流微电网逐渐得到了人们的重视。
在直流微网***中,直流母线电压是反映***稳定性和微源负荷功率平衡的关键指标,并且负荷功率分配也是直流微电网运行的一项重要研究内容。然而,传统的下垂控制在直流母线电压调节和负荷功率分配方面存在着固有矛盾,各个分布式单元的线路阻抗的差异以及变流器输出阻抗也影响***功率分配的精度。为了解决上述问题,学者们引入了一些比如二次控制,滑模控制等一系列控制方法,来改善下垂控制的不足。
发明内容
为了克服现有的下垂控制中在提高负荷功率分配精度与补偿母线电压的矛盾关系的不足,当直流微电网与大电网失去联系时,则需要其独自承担***电压稳定和精确的功率分配的问题,本发明提出了一种含母线电压补偿和负荷功率分配的一致性滑模控制方法,首先,在主控制层中采用下垂控制来实现分布式电源之间的功率共享,其次,在下垂控制的基础上,提出了考虑电压调节控制和电流矫正控制的二次滑模控制;通过误差值参数通过滑模控制器减小设定误差值,来实现实际电压值快速追踪设定参考值,达到电压恢复的目标。
为了实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,包括以下步骤:
S1:构建独立运行的直流微电网,包括为实现低碳发电的分布式电源、补偿分布式电源的储能***以及直流负荷;
S2:预设直流微电网***内母线电压的参考值,以及下垂控制的下垂系数;
S3:采样所有分布式电源的输出电压值,根据一致性算法,计算微网内第i个dc-ES的观测电压;
S4:采用PI控制器,将直流母线电压参考值与S3获取得到的观测电压差值作为输入信号,经PI控制器,得到用于调整母线电压的补偿修正量;
S6:根据获得的母线电压补偿量和电流修正量设计新型的滑模控制器;
S7:根据所得到的电压电流误差值,通过滑模控制器,生成DC-DC变流器的控制信号,通过变换器对***进行修正。
本发明中,所述微电网为孤岛直流微电网,该微电网由分布式电源通过变流器接入直流母线且各个DG变流器在无互联线的情况下,采取邻居通信方式,并且根据DG自身和邻居的测量电压电流信息,控制各自的输出电压和输出电流,实现微网内母线电压的稳定以及负荷功率的合理分配。
进一步,所述步骤S1中,所述直流微电网包括以下构成:
S1-1.分布式电源:实现低碳发电,在孤岛模式下,各个节点通过变流器接入直流母线;
S1-2.储能装置:用来补偿分布式电源的间歇性和随机性的缺点,储能装置类型如蓄电池和超级电容;
S1-3.直流负荷:多种类型的可控负荷以及与微网实现能量双向流动的电动汽车。
再进一步,所述步骤S2中,所述下垂控制包括以下过程:
S2-1.直流微电网中存在多个发电单元和储能单元,微电网处于孤岛模式时,需要靠自身维持供需平衡;下垂控制在直流微电网中作为一次控制,用于维持***稳定运行;基于普遍性原理,先以两台并联电压型变流器为例对传统下垂控制进行分析:
Vref,i=Vref-(rd,i+rline,i)ii (1)
式中,Vref,i为变流器输出电压;Vref为变流器输出电压参考值,即分布式电源的输出电流为零时的变流器输出电压;ii为变流器i输出电流;rd,i表示第i个变流器的下垂系数;rline,i为线缆阻抗的大小;若要使变流器输出功率按各自的额定容量成比例分配,各节点的输出电流关系应满足:
式中,μi,j为i变流器与j变流器额定容量比,由式(2)中得出,各变换器输出电流与其下垂系数和对应线缆阻抗成比例关系;由于不同并联变流器到公共连接点之间的线缆阻抗往往不相同,因此不同的线路阻抗很可能会导致负载功率分配失衡。
更进一步,在所述步骤S3中,一致性算法的平均观测电压包括以下过程:
S3-1.为了克服常规下垂控制的缺点,基于一致性算法来实现邻居交流信息,提高***电压水平,具体一致性算法如下:
其中,βi和βj是节点i和节点j的状态变量,ai,j为节点j到节点i的通信权重。整个通信网络可视为一个曲线图,如果存在一个根节点,那么从该节点出发至每个其他节点至少有一条直接路径,用拉普拉斯矩阵表示:
由公式(3),(4)可得,一致性动态算法表述为:
S3-2.由式(3)可得,第i个dc-ES的平均直流电压由下式得出:
再者,在所述步骤S4中,母线电压的修正量包括以下步骤:
S4-1.为了使输出电压V恢复到电压参考值Vref,首先定义电压偏差:
ε=Vref-Vavg,i (7)
通过修正偏差,在一个有限时间T内,补偿输出电压的跌落,即
limt→Tε=0 (8)
则输出电压的补偿量表示为
δVmg=KPiε+KIi∫εdt (9)
式中,KPi和KIi是第i个DG的控制器的PI参数;
S4-2.把母线电压的补偿量加入到传统下垂控制中,用来补偿传统下垂控制带来的母线电压跌落,即将式(1)改写为
Vref,i=Vref-rd,iii+δVmg (10)。
在所述步骤S5中,计算电流参考量包括以下内容:
S5-1.由(10)可知,Vref为直流母线参考电压,rd,i是第i个变流器的下垂系数,第i个变换器的电感电流参考值设置为:
上式中E为变换器的恒压直流电压,并且在仿真实验中,我们所采用的四个变换器的额定容量比S1∶S2∶S3∶S4=4∶3∶2∶1,即额定输出电流比:q1∶q2∶q3∶q4=4∶3∶2∶1。
在所述步骤S6中,滑模控制器的设计包括以下过程:
S6-1:首先写出DC-DC变流器的数学模型:
其中,vi和ii分别是变流器的输出电压和输出电流,iL为电感电流,E为输入电源电压。
S6-2:其次通过S4与S5得到的直流电压参考值与电流参考值,将式(10)电压参考值与实际电压值作差值,定义一个电压偏差值X1:
Vref,i-Vi=X1 (13)
将式子(11)得到的电流参考值与实际电流值作差值,定义一个电流偏差值X2:
iref,i-ii=X2 (14)
该SMC控制器被用于控制输出电压和电感电流,同时将输出电压误差与电感电流误差作为状态变量,那么SMC状态空间模型表示为:
其中,Vref,i为第i个变流器的参考输出电压,iref,L为第i个变流器的电感参考电流;
S6-3:***状态矩阵A,B(X),D由下式给出:
根据以上推论得出控制器的滑模面:
S=c1x1+c2x2=CTX (15)
其中,CT为滑模面系数,该方程描述一条通过圆点的直线,而这条线就代表着我们所设定的电压差值与电流差值为零的目标线,这条直线将整个区域划分成两个部分,每一个部分都需要一个特定的滑动状态来迫使***追踪滑模面。
在所述步骤S7中,生成变换器控制信号包含以下内容:
根据所得到的电压电流误差值,通过滑模控制器,生成DC-DC变流器的控制信号:
微网母线电压将回复到参考值,满足负荷功率分配性能。
本发明的有益效果为:通过误差值参数通过滑模控制器减小设定误差值,来实现实际电压值快速追踪设定参考值,达到电压恢复的目标。
附图说明
图1是独立运行直流微电网结构示意图。
图2是变流器并联等效电路图。
图3是滑模控制框图。
图4是直流微电网仿真架构图。
图5是接入滑模控制器***稳定运行电压波形。
图6是接入滑模控制器***稳定运行电流波形。
图7是负荷波动时直流母线电压波形。
图8是负荷波动时分布式电源的输出电流波形。
图9是滑模控制器控制参数的波形图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1~图9,一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,包括以下步骤:
S1:构建独立运行的直流微电网,包括为实现低碳发电的分布式电源、补偿分布式电源的储能***以及直流负荷;
S2:预设直流微电网***内母线电压的参考值,以及下垂控制的下垂系数;
S3:采样所有分布式电源的输出电压值,根据一致性算法,计算微网内第i个dc-ES的观测电压;
S4:采用PI控制器,将直流母线电压参考值与S3获取得到的观测电压差值作为输入信号,经PI控制器,得到用于调整母线电压的补偿修正量;
S6:根据获得的母线电压补偿量和电流修正量设计新型的滑模控制器;
S7:根据所得到的电压电流误差值,通过滑模控制器,生成DC-DC变流器的控制信号,通过变换器对***进行修正。
本发明中,所述微电网为孤岛直流微电网,该微电网由分布式电源通过变流器接入直流母线且各个DG变流器在无互联线的情况下,采取邻居通信方式,并且根据DG自身和邻居的测量电压电流信息,控制各自的输出电压和输出电流,实现微网内母线电压的稳定以及负荷功率的合理分配。
进一步,所述步骤S1中,所述直流微电网包括以下构成:
S1-1.分布式电源:实现低碳发电,在孤岛模式下,各个节点通过变流器接入直流母线;
S1-2.储能装置:用来补偿分布式电源的间歇性和随机性的缺点,储能装置类型如蓄电池和超级电容;
S1-3.直流负荷:多种类型的可控负荷以及与微网实现能量双向流动的电动汽车。
再进一步,所述步骤S2中,所述下垂控制包括以下过程:
S2-1.直流微电网中存在多个发电单元和储能单元,微电网处于孤岛模式时,需要靠自身维持供需平衡;下垂控制在直流微电网中作为一次控制,用于维持***稳定运行;基于普遍性原理,先以两台并联电压型变流器为例对传统下垂控制进行分析:
Vref,i=Vref-(rd,i+rline,i)ii (1)
式中,Vref,i为变流器输出电压;Vref为变流器输出电压参考值,即分布式电源的输出电流为零时的变流器输出电压;ii为变流器i输出电流;rd,i表示第i个变流器的下垂系数;rline,i为线缆阻抗的大小;若要使变流器输出功率按各自的额定容量成比例分配,各节点的输出电流关系应满足:
式中,μi,j为i变流器与j变流器额定容量比,由式(2)中得出,各变换器输出电流与其下垂系数和对应线缆阻抗成比例关系;由于不同并联变流器到公共连接点之间的线缆阻抗往往不相同,因此不同的线路阻抗很可能会导致负载功率分配失衡。
更进一步,在所述步骤S3中,计算第i个变流器得观测电压步骤如下:
S3-1.为了克服常规下垂控制的缺点,基于一致性算法来实现邻居交流信息,提高***电压水平,具体一致性算法如下:
其中,βi和βj是节点i和节点j的状态变量,ai,j为节点j到节点i的通信权重。整个通信网络可视为一个曲线图,如果存在一个根节点,那么从该节点出发至每个其他节点至少有一条直接路径,用拉普拉斯矩阵表示:
由公式(3),(4)可得,一致性动态算法表述为:
S3-2.由式(3)可得,第i个dc-ES的平均直流电压由下式得出:
再者,在所述步骤S4中,母线电压的修正量包括以下步骤:
S4-1.为了使输出电压V恢复到电压参考值Vref,首先定义电压偏差:
ε=Vref-Vavg,i (7)
通过修正偏差,在一个有限时间T内,补偿输出电压的跌落,即
limt→Tε=0 (8)
则输出电压的补偿量表示为
δVmg=KPiε+KIi∫εdt (9)
式中,KPi和KIi是第i个DG的控制器的PI参数;
S4-2.把母线电压的补偿量加入到传统下垂控制中,用来补偿传统下垂控制带来的母线电压跌落,即将式(1)改写为
Vref,i=Vref-rd,iii+δVmg (10)
在所述步骤S5中,计算电流修正量包括以下内容:
S5-1.由(10)可知,Vref为直流母线参考电压,rd,i是第i个变流器的下垂系数,第i个变换器的电感电流参考值设置为:
上式中E为变换器的恒压直流电压,并且在仿真实验中,所采用的四个变换器的额定容量比S1∶S2∶S3∶S4=4∶3∶2∶1,即额定输出电流比:q1:q2:q3:q4=4∶3∶2∶1。
在所述步骤S6中,滑模控制器的设计包括以下内容:
S6-1:首先写出DC-DC变流器的数学模型:
其中,vi和ii分别是变流器的输出电压和输出电流,iL为电感电流,E为输入电源电压;
S6-2:其次通过S4与S5得到的直流电压参考值与电流参考值,将式(10)电压参考值与实际电压值作差值,定义一个电压偏差值X1:
Vref,i-Vi=X1 (13)
将式子(11)得到的电流参考值与实际电流值作差值,定义一个电流偏差值X2:
iref,i-ii=X2 (14)
该SMC控制器被用于控制输出电压和电感电流,同时将输出电压误差与电感电流误差作为状态变量,那么SMC状态空间模型可表示为:
其中,Vref,i为第i个变流器的参考输出电压,iref,L为第i个变流器的电感参考电流;
S6-3:***状态矩阵A,B(X),D由下式给出:
根据以上推论得出控制器的滑模面:
S=c1x1+c2x2=CTX (15)
其中,CT为滑模面系数,该方程描述一条通过圆点的直线,而这条线就代表着我们所设定的电压差值与电流差值为零的目标线,这条直线将整个区域划分成两个部分,每一个部分都需要一个特定的滑动状态来迫使***追踪滑模面。
在所述步骤S7中,根据所得到的电压电流误差值,通过滑模控制器,生成DC-DC变流器的控制信号:
微网母线电压将回复到参考值,满足负荷功率分配性能。
为使本领域技术人员更好地理解本发明,为了验证所提出的分布式二次控制方案,在Matlab/Simulink环境中搭建了一个孤岛直流微电网仿真测试模型,证明了该方法的有效性。该孤岛直流微电网***由四个常规的微源(DG1,DG2,DG3,DG4)以及一个20Ω的阻抗性负荷R1和一个备用的可控负荷R2(20Ω)组成,如图4所示。对于仿真研究,微电网内母线的额定电压设置为DG1=400V,DG2=400V,DG3=400V,DG4=400V,每个DG由一个升压型DC-DC转换器驱动.我们所采用的四个变换器的额定容量比S1∶S2∶S3∶S4=4∶3∶2∶1,即额定输出电流比:q1∶q2∶q3∶q4=4∶3∶2∶1。
如图5-6所示,整个***在接入一致性滑模控制器后开始运行,电流电压误差值经由滑模控制器控制趋近于零,即实际母线电压迅速跟踪电压设定值750V,实际电流值也可跟踪电流参考值,四个变换器的电流可根据变流器额定容量按4∶3∶2∶1进行分流,并最终使得***稳定运行。
主要仿真分析了独立直流微电网中负荷功率波动对***稳定性的影响。如图7-8所示,仿真开始时直流微电网中原始负荷为R1,R2。在t=3s时将负荷R2切除,***在产生较小波动后,经过滑模控制器调整,将母线电压重新稳定在750V,四个变换器的电流下降,并最终保持qDG1≈39A,qDG2≈20A,qDG3≈9.8A,qDG4≈4.8A。可满足按变换器额定容量分流。在t=6s时再次投入负荷R2,***切换速度快,负荷供电功率波动小。
如图9所示,滑模控制器参数x1,x2的波形,从***开始运行时,通过滑动模态控制器使得***状态由超平面之外向超平面收束,整个***一旦接近了预设滑模面,通过控制作用,将***沿着滑模面向远点滑动,x1,x2为***的电压偏差与电流偏差,经过滑模控制后,逐渐向滑模面靠近,再经滞由环比较后,产生控制信号。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
尽管上面已经描述了本发明的实施例,但本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1:构建独立运行的直流微电网,包括为实现低碳发电的分布式电源、补偿分布式电源的储能***以及直流负荷;
S2:预设直流微电网***内母线电压的参考值,以及下垂控制的下垂系数;
S3:采样所有分布式电源的输出电压值,根据一致性算法,计算微网内第i个dc-ES的观测电压;
S4:采用PI控制器,将直流母线电压参考值与S3获取得到的观测电压差值作为输入信号,经PI控制器,得到用于调整母线电压的补偿修正量;
S6:根据获得的母线电压补偿量和电流修正量设计新型的滑模控制器;
S7:根据所得到的电压电流误差值,通过滑模控制器,生成DC-DC变流器的控制信号,通过变换器对***进行修正。
2.如权利要求1所述的一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述直流微电网包括以下内容:
S1-1.分布式电源:实现低碳发电,在孤岛模式下,各个节点通过变流器接入直流母线;
S1-2.储能装置:用来补偿分布式电源的间歇性和随机性的缺点,储能装置类型如蓄电池和超级电容;
S1-3.直流负荷:多种类型的可控负荷以及与微网实现能量双向流动的电动汽车。
3.如权利要求1或2所述的一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,其特征在于,所述的步骤S2中,所述下垂控制包括以下过程:
S2-1.直流微电网中存在多个发电单元和储能单元,微电网处于孤岛模式时,需要靠自身维持供需平衡;下垂控制在直流微电网中作为一次控制,用于维持***稳定运行;基于普遍性原理,先以两台并联电压型变流器为例对传统下垂控制进行分析:
Vref,i=Vref-(rd,i+rline,i)ii (1)
式中,Vref,i为变流器输出电压;Vref为变流器输出电压参考值,即分布式电源的输出电流为零时的变流器输出电压;ii为变流器i输出电流;rd,i表示第i个变流器的下垂系数;rline,i为线缆阻抗的大小;若要使变流器输出功率按各自的额定容量成比例分配,各节点的输出电流关系应满足:
式中,μi,j为i变流器与j变流器额定容量比,由式(2)中得出,各变换器输出电流与其下垂系数和对应线缆阻抗成比例关系;由于不同并联变流器到公共连接点之间的线缆阻抗往往不相同,因此不同的线路阻抗很可能会导致负载功率分配失衡。
5.如权利要求4所述的一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,其特征在于,在所述步骤S4中,母线电压的修正量包括以下步骤:
S4-1.为了使输出电压V恢复到电压参考值Vref,首先定义电压偏差:
ε=Vref-Vavg,i (7)
通过修正偏差,在一个有限时间T内,补偿输出电压的跌落,即
limt→Tε=0 (8)
则输出电压的补偿量表示为δVmg=KPiε+KIi∫εdt (9)
式中,KPi和KIi是第i个DG的控制器的PI参数;
S4-2.把母线电压的补偿量加入到传统下垂控制中,用来补偿传统下垂控制带来的母线电压跌落,即将式(1)改写为
Vref,i=Vref-rd,iii+δVmg (10)。
7.如权利要求6所述的一种含母线电压补偿和功率分配的直流微电网一致性滑模控制方法,其特征在于,所述步骤S6中,滑模控制器的设计包括以下过程:
S6-1:首先写出DC-DC变流器的数学模型:
其中,vi和ii分别是变流器的输出电压和输出电流,iL为电感电流,E为输入电源电压;
S6-2:其次通过S4与S5得到的直流电压参考值与电流参考值,将式(10)电压参考值与实际电压值作差值,定义一个电压偏差值X1:
Vref,i-Vi=X1 (13)
将式子(11)得到的电流参考值与实际电流值作差值,定义一个电流偏差值X2:
iref,i-ii=X2 (14)
该SMC控制器被用于控制输出电压和电感电流,同时将输出电压误差与电感电流误差作为状态变量,那么SMC状态空间模型表示为:
其中,Vref,i为第i个变流器的参考输出电压,iref,L为第i个变流器的电感参考电流;
S6-3:***状态矩阵A,B(X),D由下式给出:
根据以上推论得出控制器的滑模面:
S=c1x1+c2x2=CTX (15)
其中,CT为滑模面系数,该方程描述一条通过圆点的直线,而这条线就代表着我们所设定的电压差值与电流差值为零的目标线,这条直线将整个区域划分成两个部分,每一个部分都需要一个特定的滑动状态来迫使***追踪滑模面。
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