本發(fā)明涉及一種下垂控制方法，尤其涉及直流微網(wǎng)的下垂控制方法。
背景技術：
：近年來，隨著分布式電源的快速發(fā)展和電力電子技術的不斷成熟，電網(wǎng)中電源和負載的組成都有了明顯的變化，采用直流的設備越來越多，同時直流供電系統(tǒng)不需要對電壓的相位和頻率進行跟蹤，可控性和可靠性更高，因此越來越多的研究者關注到了直流微網(wǎng)。直流微網(wǎng)系統(tǒng)中協(xié)調控制的重要目標是要實現(xiàn)分布式電源間負荷的合理分配。目前負荷分配方法分為集中式和分布式兩種。后者具有更高的冗余性和經(jīng)濟型，易于實現(xiàn)即插即用。目前應用最廣泛的微電網(wǎng)分布式負荷分配方法是下垂控制。盡管下垂控制有很多優(yōu)勢，但是在低壓直流系統(tǒng)中，連線電阻的影響不可忽視。因此在使用常規(guī)下垂控制時，遇到了兩個不能同時解決的問題。其一：微源輸出電壓會隨著輸出電流的增大線性而減小，當微源輸出電流很大或者選取較大的下垂系數(shù)時，直流母線會產(chǎn)生較大電壓偏差；其二，由于微源與直流母線間有連線電阻的存在，功率分配的精度會大大降低。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術問題和提出的技術任務是對現(xiàn)有技術方案進行完善與改進，提供直流微網(wǎng)的下垂控制方法，以還到保證微網(wǎng)系統(tǒng)工作的目的。為此，本發(fā)明采取以下技術方案。直流微網(wǎng)的下垂控制方法，其特征在于包括以下步驟：1)通過低速通信引入所有微源出口電流、重要母線電壓信息，其中電流信息用來保證功率分配精度，電壓信息用來保證電壓質量；2)電流限幅與電流信號發(fā)送暫停聯(lián)動機制；檢測每個微源所發(fā)功率，一旦檢測到某微源滿載，也即其輸出電流達限幅值時，發(fā)出指令斷開通信輸出通道開關，使該微源不再向外發(fā)送自身電流信號，但仍收取其他微源發(fā)來的電流信號，并繼續(xù)產(chǎn)生功率補償和電壓補償；斷開滿載微源的通信輸出通道后，即取消了滿載微源對其它微源所發(fā)功率按下垂系數(shù)反比所起的鉗制作用，未滿載運行的微源仍可根據(jù)負載實際需要輸送更多功率，且未滿載微源間保持功率均分；如果此后系統(tǒng)負載減小，已經(jīng)滿載的微源其輸出功率低于自身最大容量，即不再滿載時，發(fā)出指令重新閉合通信輸出通道開關。本技術方案提出了一種基于微源間平均電流及重要母線電壓作為反饋信號的下垂控制改進方案，并提出電流限幅與電流信號發(fā)送暫停聯(lián)動機制提高本方案的適應性。作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發(fā)明還包括以下附加技術特征。進一步的，還包括功率補償步驟；在微電源電壓小幅度偏離參考電壓的情況下，將電源出力按比例分配給負載；V0i＝V0_ref-KiI0i(1)式中：V0i為第i個微源出口電壓；V0_ref為電壓參考值；Ki為第i個微源下垂系數(shù)；I0i為第i個微源出口電流；取“Ki*Ioi”的值做為功率補償環(huán)節(jié)中的信息傳輸量，由本地微源“Ki*Ioi”的瞬時值與所有遠方微源存在一定延時傳輸過來的“Ku*Iou”值求和，算取平均值Iavg，如式(2)；再由本地微源“Ki*Ioi”的值與Iavg做差比較經(jīng)PI控制后，得到本地微源功率補償量δi；如式(3)得到：δi＝GΔi*(Ki*Ioi-Iavg)(3)式中Gd和GΔi分別為功率補償環(huán)節(jié)中通信延時和PI控制器傳遞函數(shù)；在功率補償環(huán)節(jié)采用了PI控制，根據(jù)控制理論，當系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠進入穩(wěn)態(tài)，則積分控制的輸入穩(wěn)態(tài)時為0，暫態(tài)過程結束后，由式(3)得：K1*Io1＝…＝Ki*Ioi＝…＝Kn*Ion＝Iavg(5)各微源運行電流與下垂系數(shù)成反比，從而保證在有損網(wǎng)中，各微源間仍能按相同的負載率分配負載運行，即功率均分；當某個微源收不到遠方信號時，如果沒有保留常規(guī)的下垂控制環(huán)節(jié)，該微源將失去調節(jié)能力；而保留常規(guī)下垂控制，則該微源按常規(guī)的下垂控制來分擔負荷；進一步的，還包括電壓補償步驟；由低速通信實時傳遞電力網(wǎng)絡中重要母線電壓Vj給各微源；各微源控制器再用式(6)算取所有重要母線電壓的平均值Vavg后，與參考電壓V0_ref做差比較經(jīng)PI控制后得到每個微源的電壓補償量λi，如式(7)；λi＝GΔv*(Vo_ref-Vavg)(7)；VO_ref為電壓參考值；式中Gd和GΔv分別為電壓補償環(huán)節(jié)通信延時和PI控制器傳遞函數(shù)；由于電壓補償采用了PI控制，因此穩(wěn)態(tài)時：Vo_ref＝Vavg(8)。有益效果：本發(fā)明提出了一種基于微源間平均電流及重要母線電壓作為反饋信號的下垂控制改進方案，該方法能比較理想地實現(xiàn)各個微源的電流/功率和其下垂系數(shù)K_i成反比分配；引入的重要母線(由微網(wǎng)運營方確定哪些節(jié)點為重要母線，并安裝相應的通信通道)電壓，可較好地改善系統(tǒng)電壓質量；同時設計的滿載微源連鎖停發(fā)功率信號的方案，可以保證當微源選取不合理的下垂系數(shù)時，即使某一微源已滿載，其它未滿載的微源仍能不受已滿載微源的鉗制，繼續(xù)按比例承擔新增負載，保證微網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。本技術方案增加PI控制的功率補償保證功率均分；增加PI控制的電壓補償改善系統(tǒng)電壓質量；滿載微源連鎖停發(fā)功率信號的機制，防止可能發(fā)生的個別微源下垂系數(shù)設置不合理引發(fā)的問題，以保證微網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。附圖說明圖1是本發(fā)明結構示意圖。圖2是一種直流微網(wǎng)結構示意圖。圖3(a)實驗一的1#，2#，3#DC/DC各自出口電流圖。圖3(b)實驗一的3條重要母線節(jié)點電壓圖。圖4(a)實驗二的1#，2#，3#DC/DC各自出口電流圖。圖4(b)實驗二的3條重要母線節(jié)點電壓圖。圖5(a)實驗三的1#，2#，3#DC/DC各自出口電流圖。圖5(b)實驗三的3條重要母線節(jié)點電壓圖。具體實施方式以下結合說明書附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明。本發(fā)明提出了一種基于微源間平均電流及重要母線電壓作為反饋信號的下垂控制改進方案，該方法能比較理想地實現(xiàn)各個微源的電流/功率和其下垂系數(shù)Ki成反比分配；引入的重要母線(由微網(wǎng)運營方確定哪些節(jié)點為重要母線，并安裝相應的通信通道)電壓，可較好地改善系統(tǒng)電壓質量；同時設計的滿載微源連鎖停發(fā)功率信號的方案，可以保證當微源選取不合理的下垂系數(shù)時，即使某一微源已滿載，其它未滿載的微源仍能不受已滿載微源的鉗制，繼續(xù)按比例承擔新增負載，保證微網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。常規(guī)下垂控制方法是根據(jù)微電源的下垂特性對其進行控制。其原理是在微電源電壓小幅度偏離參考電壓的情況下，將電源出力按比例分配給負載。V0i＝V0_ref-KiI0i(1)式中：V0i為第i個微源出口電壓；V0_ref為電壓參考值；Ki為第i個微源下垂系數(shù)；I0i為第i個微源出口電流。如果所有微源都經(jīng)超導體連接到一個公共母線，則所有微源出口的運行電壓V0i均相等，根據(jù)式(1)，則各個微源的電流/功率將和其下垂系數(shù)Ki成反比分配；若將各微源的下垂系數(shù)Ki設置為與各自的容量PNi成反比，則各微源的負載率將相等，這是微網(wǎng)中理想的功率分配。但考慮到連接各微源和公共母線的導線存在電阻Ri，而且有可能未來的直流微網(wǎng)在結構上并不存在所謂的公共母線，所以僅靠常規(guī)的下垂控制并不能做到各微源的負載率相等這一理想的功率分布。雖然為了改善功率分布可加大下垂系數(shù)Ki使其遠大于導線電阻Ri，但這樣將會影響電壓質量。本發(fā)明基于微源間平均電流反饋信號以及重要母線電壓對常規(guī)下垂控制進行改進，可應用于多電源直流電力網(wǎng)絡，方案具體如下：在常規(guī)下垂控制的基礎上通過低速通信引入所有微源出口電流、重要母線電壓信息，其中電流信息用來保證功率分配精度，電壓信息用來保證電壓質量，如圖1所示。各微源與網(wǎng)絡間的連線電阻為Ri(i＝1,2,3…n)，其中微源由恒壓直流源和BoostDC/DC升壓器模擬。一、功率補償環(huán)節(jié)如圖1，取“Ki*Ioi”的值做為功率補償環(huán)節(jié)中的信息傳輸量，由本地微源“Ki*Ioi”的瞬時值與所有遠方微源存在一定延時傳輸過來的“Ku*Iou”(對于第i個微源，u為所有遠方微源編號，u＝1,2,3…n，u≠i)值求和，算取平均值Iavg，如式(2)。再由本地微源“Ki*Ioi”的值與Iavg做差比較經(jīng)PI控制后，得到本地微源功率補償量δi。以第i個微源為例，δi可由公式(3)得到：δi＝GΔi*(Ki*Ioi-Iavg)(3)式中Gd和GΔi分別為功率補償環(huán)節(jié)中通信延時和PI控制器傳遞函數(shù)。由于在功率補償環(huán)節(jié)采用了PI控制，根據(jù)控制理論，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，能夠進入穩(wěn)態(tài)，則積分控制的輸入穩(wěn)態(tài)時一定是0，故暫態(tài)過程結束后，由式(3)可得：K1*Io1＝…＝Ki*Ioi＝…＝Kn*Ion＝Iavg(5)即各微源運行電流與下垂系數(shù)成反比，從而保證在有損網(wǎng)中，各微源間仍能按相同的負載率分配負載運行，即功率均分?？刂破髦兄匀员Ａ舫Ｒ?guī)下垂控制是為了預防通信通道故障收不到遠方信號。當某個微源收不到遠方信號時，如果沒有保留常規(guī)的下垂控制環(huán)節(jié)，該微源將失去調節(jié)能力；而保留常規(guī)下垂控制，則該微源仍將按常規(guī)的下垂控制來分擔負荷，當然這時所分擔的負荷量會受網(wǎng)絡結構和參數(shù)的影響。二、電壓補償環(huán)節(jié)為了保證重要母線電壓維持在一定電壓水平，引入電壓補償改善系統(tǒng)電壓質量，如圖1。由低速通信實時傳遞電力網(wǎng)絡中重要母線電壓Vj(j為重要母線節(jié)點編號，j＝1,2,3…m)給各微源。各微源控制器再用式(6)算取所有重要母線電壓的平均值Vavg后，與參考電壓VO_ref做差比較經(jīng)PI控制后得到每個微源的電壓補償量λi，如式(7)。λi＝GΔv*(Vo_ref-Vavg)(7)VO_ref為電壓參考值；式中Gd和GΔv分別為電壓補償環(huán)節(jié)通信延時和PI控制器傳遞函數(shù)。由于電壓補償采用了PI控制，因此穩(wěn)態(tài)時：Vo_ref＝Vavg(8)考慮到DC/DC整流器的電壓承受能力，給電壓補償量λ設置了5％的限幅，見圖1中的電壓補償限幅環(huán)節(jié)。如果沒有電壓補償，微源的出口電壓將在采用常規(guī)下垂控制時的出口電壓值附近，負荷越大，出口電壓越低，伴隨著更低的負荷端電壓，所以電壓補償將有助于改善系統(tǒng)電壓質量。三、電流限幅與電流信號發(fā)送暫停聯(lián)動機制為了有效保護DC/DC變換器不因過載損壞，一般在電壓環(huán)和電流環(huán)之間設置電流限幅(見圖1中DC/DC控制電路中電流限幅)，將變換器輸出電流限制在額定電流之內。一旦DC/DC變換器輸出電流達限幅值，即該微源滿載，此后一直保持輸出最大允許運行電流。通過本發(fā)明中的功率補償環(huán)節(jié)，保證了在有損網(wǎng)中，各微源間輸出功率能與設置的下垂系數(shù)成反比，即功率均分。但在實際微網(wǎng)運行中，如果個別微源未按要求設置其下垂系數(shù)，假設其設置的下垂系數(shù)偏小，則當負荷增加時，容量小的微源將先于其它微源滿載。按照上述控制策略式(2)‐(4)未滿載運行的微源其輸出功率將受已滿載微源功率的限制，無法根據(jù)負載實際需要增發(fā)更多的功率，這將導致系統(tǒng)電壓跌落。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，即當微源滿載時應不再發(fā)出功率信號，這樣其它微源僅根據(jù)未滿載微源的信息構成功率補償信號中的平均值。因此通過Matlab中Function函數(shù)編程，實現(xiàn)滿載與停發(fā)功率信號的聯(lián)動(見圖1通信輸出通道)。即檢測每個微源所發(fā)功率，一旦檢測到某微源滿載，也即其輸出電流達限幅值時，經(jīng)Function函數(shù)判斷，發(fā)出指令0斷開通信輸出通道開關S，使該微源不再向外發(fā)送自身電流信號，但仍收取其他微源發(fā)來的電流信號，并繼續(xù)產(chǎn)生功率補償和電壓補償。斷開滿載微源的通信輸出通道后，即取消了滿載微源對其它微源所發(fā)功率按下垂系數(shù)反比所起的鉗制作用，未滿載運行的微源仍可根據(jù)負載實際需要輸送更多功率，且未滿載微源間保持功率均分。如果此后系統(tǒng)負載減小，已經(jīng)滿載的微源其輸出功率低于自身最大容量，即不再滿載時，經(jīng)Function函數(shù)判斷，發(fā)出指令重新閉合通信輸出通道開關S。四、應用舉例對本發(fā)明設計的改進下垂控制，通過幾個仿真實驗，觀察在各種可能出現(xiàn)的工況下保持系統(tǒng)穩(wěn)定和功率均分的效果，包括熱插拔實驗、通信故障實驗、下垂系數(shù)設置不合理致某一微源滿載運行實驗。為此在Matlab/Simulink中模擬搭建了700V電壓等級的3電源6母線直流微網(wǎng)，如圖2，其中母線4、母線5、母線6為重要母線。圖2中各元件參數(shù)見附錄表1，按附錄表1系統(tǒng)參數(shù)，若滿足功率均分，則各電源運行電流比應為4：2：1。4.1實驗一：熱插拔實驗實驗方案：仿真時間0-1s時系統(tǒng)工作在常規(guī)下垂控制；從1s時系統(tǒng)開始工作在改進下垂控制；2.5s時3#電源突然退出運行，4.5s時恢復運行，整個仿真實驗運行至7s時結束，實驗結果如圖3(a)。由圖3(b)分析可知：1)仿真時間0-1s系統(tǒng)工作在常規(guī)下垂，各電源運行電流Io120.37A，Io212.06A，Io35.49A(電流比3.7：2.2：1，不滿足4：2：1的均分)；1-2.5s時系統(tǒng)工作在改進下垂，此時3條重要母線電壓抬升至700V并且各電源運行電流Io122.75A，Io211.37A，Io35.69A(電流比4：2：1，三者功率均分)。因此相比常規(guī)下垂，電源電流得到改善，三者功率均分，同時系統(tǒng)電壓抬升，電壓質量得到改善。2)在仿真時間2.5s時，3#電源退出運行，此時Io3為0A，經(jīng)過短暫擾動后Io1穩(wěn)定在26.3A，Io2穩(wěn)定在13.15A(電流比2：1，1#與2#電源功率仍滿足均分)。3)在仿真時間4.5s時，3#電源恢復運行，經(jīng)過短暫擾動后各電源運行電流又能回到Io122.75A，Io211.37A，Io35.69A(三者功率均分)。同時由3(b)圖可知，3#DC/DC的突然退出與插入，重要母線電壓仍能維持700V。本仿真實驗驗證了本設計的改進下垂控制可使整個微網(wǎng)系統(tǒng)在熱插拔前后保持穩(wěn)定運行，并自動保持功率均分同時能保證電壓質量。4.2實驗二：通信故障實驗實驗方案：改進下垂控制下，在2s時3#電源電流通信發(fā)生故障(不能收，發(fā)信息)；在5s時3#電源電壓通信也發(fā)生故障(無法進行電壓補償)，即在仿真時間5-7s時，3#電源工作在常規(guī)下垂，1#、2#電源工作在改進下垂。在7s時3#電源電流與電壓通信都恢復正常，整個實驗運行至10s結束，實驗結果如圖4(a)。由圖4(b)分析可知：1)在仿真時間2s時中斷3#電源與其余兩個電源間電流通信，此時各電源運行電流Io123.41A，Io211.71A，Io34.92A(電流比4.8：2.4：1)，3#電源因失去功率補償，在線路電阻的影響下無法與1#，2#電源滿足電流比4：2：1，但是通信正常的1#與2#電源，其運行電流比仍滿足2：1的功率分配。2)在仿真時間5s時，在3#電源電流通信故障的基礎上，又中斷其電壓補償通道，此時3條重要母線電壓僅靠1#，2#電源來改善，兩電源將要承受更多的電壓補償，因此1#，2#電源的輸出電流將會抬升，各電源運行電流Io125.78A，Io212.89A，Io31.14A(電流比22.6：11.3：1)，通信正常的1#與2#電源，電流比仍繼續(xù)滿足2：1的功率分配。3)在仿真時間7s時，3#電源電流與電壓通信均恢復正常，經(jīng)過短暫的擾動后，系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)，此時I0122.76A，I0211.38A，I035.7A(電流比4：2：1，三者功率均分)。本仿真實驗驗證了本發(fā)明設計的改進下垂控制在某微源通信通道發(fā)生故障時，微網(wǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，且正常微源相互間仍保持功率均分，故障微源以常規(guī)下垂控制分擔負荷。4.3實驗三：下垂系數(shù)設置不合理致某一微源滿載運行若某微源設置的下垂系數(shù)偏小，則當負荷增加時，該微源會先于其他微源滿載。本實驗檢驗本發(fā)明設計的電流限幅與電流信號發(fā)送暫態(tài)聯(lián)動機制是否能使其它微源功率不受滿載微源鉗制，且其它微源間是否仍能按下垂系數(shù)成反比分配。為了模擬下垂系數(shù)設置不合理的情況，將3#電源的下垂系數(shù)由原來的0.8改設為0.2，而1#電源和2#電源的下垂系數(shù)仍分別為原來的0.2和0.4。由于此時3#電源的下垂系數(shù)設置過小，如果系統(tǒng)帶表2中的負荷，3#電源將先于其他兩個電源達到滿載。為此首先將三個負載均調整為較小的150Ω，此時三個電源均未滿載，運行電流比將由下垂系數(shù)決定為2：1：2，然后在1s時增加負載，即將一個負載電阻，由150Ω變?yōu)?0Ω，檢驗3#電源滿載情況下的系統(tǒng)性能，見圖5(a)。3#電源滿載后，由于電源控制器中電流限幅的作用，3#電源將一直保持輸出額定功率5kW，此時若不暫停3#電源電流信號的發(fā)送，那么3個電源所發(fā)功率將仍然按2：1：2分配，雖然此時1#、2#電源還未滿載，但它們無法根據(jù)負載實際需要增發(fā)更多的功率，導致3條重要母線電壓持續(xù)下跌,見圖5(b)。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，在2s時將3#電源電流信號暫停不發(fā)送(即一旦某電源滿載，即不發(fā)送電流補償信號)，因此在1#、2#電源各自的功率補償環(huán)節(jié)中都將沒有I03參與，所以3個電源所發(fā)功率將不按2：1：2分配，1#、2#電源可根據(jù)負載實際需要輸送更多功率，3條重要母線電壓得到改善，逐漸穩(wěn)定在700V附近,見圖5(b)。此時各電源運行電流I0111.43A，I025.71A，I036.73A(電流比2：1：1.1，1#、2#電源運行電流仍按2：1分配),見圖5(a)。在3s時讓加重的負載恢復至150Ω，3#電源不再滿載，3#電源電流信號恢復發(fā)送，經(jīng)短暫擾動后，系統(tǒng)重新恢復至穩(wěn)態(tài)，電壓穩(wěn)定在700V，同時各電源運行電流I016.36A，I023.2A，I036.3A(電流比2：1：2，三者功率均分)。本仿真實驗驗證了當某微源滿載時，本發(fā)明的電流限幅與控制電流補償信號發(fā)送的策略，能夠讓系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運行并且其它未滿載微源間功率仍能按下垂系數(shù)成反比分配，同時能提高電壓質量?？偨Y：本發(fā)明設計的改進下垂控制方案，保留了常規(guī)的下垂控制環(huán)節(jié)，但增加PI控制的功率補償保證功率均分，增加PI控制的電壓補償改善系統(tǒng)電壓質量，使改進的下垂控制方案可以兼顧功率均分目標和電壓質量目標。同時為防止可能發(fā)生的個別微源下垂系數(shù)設置不合理引發(fā)的問題，引入了滿載微源連鎖停發(fā)功率信號的機制，可以保證微網(wǎng)系統(tǒng)正常運行。五、附錄3電源6母線直流電力網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)表1電源6母線直流電力網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)數(shù)值單位直流母線電壓等級700V負載Rload150Ω負載Rload280Ω負載Rload340Ω1#電源額定容量20kW2#電源額定容量10kW3#電源額定容量5kW1#電源下垂系數(shù)K10.2Ω2#電源下垂系數(shù)K20.4Ω3#電源下垂系數(shù)K30.8Ω1#電源與節(jié)點1間電阻R10.4Ω2#電源與節(jié)點2間電阻R22Ω3#電源與節(jié)點3間電阻R36Ω母線上每一小段電阻2Ω遠方信號通信延時1ms以上圖所示的直流微網(wǎng)的下垂控制方法是本發(fā)明的具體實施例，已經(jīng)體現(xiàn)出本發(fā)明實質性特點和進步，可根據(jù)實際的使用需要，在本發(fā)明的啟示下，對其進行形狀、結構等方面的等同修改，均在本方案的保護范圍之列。當前第1頁1 2 3