一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制系统及方法与流程

本发明涉及直流微网中微源变换器功率输出均衡与改善系统母线电压调整率设计技术领域，具体涉及多个微源母线控制单元并联运行时系统的均流与母线电压偏差控制方法。

背景技术：

随着新能源的发展及人们对节能减排意识的增加，电力系统能源正朝向绿色可持续发展的方向前进。微电网作为智能电网的重要组成单元，是实现分布式能源整合利用的有效形式。直流微电网系统中不用考虑无功和频率的影响，提高了系统的效率和供电质量。其主要控制目标是获得较低的母线电压调整率和各分布式电源的功率均分。

由于直流微网中各分布式电源与直流母线连接之间线路阻抗存在差异，致使直流微网系统中各分布式电源模块之间存在均流误差和母线电压偏差。传统下垂控制以牺牲母线电压偏差来提高系统的均流性能，比如已公开文献《anadaptivedroopcontrolmethodforlowvoltagedcmicrogrids》，the5thannualinternationalpowerelectronics,drivesystemsandtechnologiesconference(pedstc2014),tehran,2014,pp.84-89，文中根据输出电流大小非线性增加下垂系数提高系统均流性能，同时也带了来很大的母线电压偏差。

系统均流性能的提高与母线电压偏差的改善之间始终存在相互矛盾关系，现阶段提高系统均流性能的同时改善母线电压偏差需借助于二次控制和通信网络，比如已公开文献《hierarchicalcontrolofdroop-controlleddcandacmicrogrids—ageneralapproachtowardsstandardization》,200935thannualconferenceofieeeindustrialelectronics,porto,2009,pp.4305-4310，文中提出了基于低带宽通信的分层控制策略，通过二次集中控制调节系统的输出电压，减少系统的母线电压偏差，但是由于采用集中控制器，系统的可靠性降低。又比如已公开文献《animproveddroopcontrolmethodfordcmicrogridsbasedonlowbandwidthcommunicationwithdcbusvoltagerestorationandenhancedcurrentsharingaccuracy》，inieeetransactionsonpowerelectronics,vol.29,no.4,pp.1800-1812,april2014，文中提出了基于低带宽通信的分布式控制策略补偿方法，虽然此方法可以提高均流误差改善母线电压偏差，但是母线电压补偿和均流性能的提升均依赖于次级控制及模块间的通信网络，降低了系统的可靠性，增加了系统的控制复杂性。

经检索，关于系统均流性能的提高与母线电压偏差的改善，现有技术中也存在许多专利方案公开，如中国专利号zl201510191394.8，专利名称为：带有自适应阻抗二次调节的直流变换器下垂控制方法；该申请案通过慢速通讯实时传输各并联变换器的电压、电流和下垂系数等参数，并在各变换器自身控制器中对下垂系数进行调节，最终使各并联变换器的外特性阻抗相等；同时对下垂曲线进行平移调节，改善因下垂控制造成的母线电压跌落。该申请案也提高了基于下垂控制的直流分布式供电系统和直流微电网中并联直流变换器的稳态和动态均流精度。但该申请案整个下垂控制过程复杂，且不够灵活，系统的运行可靠性也有待增强。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明针对传统下垂控制中提高均流性能与改善母线电压调整率的矛盾关系，提供了一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法；本发明尤其考虑线路阻抗较大时，需增加下垂系数提高均流性能，从而带来母线电压偏差变大的问题，因此，根据负荷轻重情况将负荷电流分为轻载区、额定负荷区和重载区，分别在重载区和额定负荷区增加系统参考电压，重点改善额定负荷区和重载区系统的均流性能及母线电压偏差，在分层控制中可以减少二次控制的压力；且本发明负荷区域中的轻载区、额定负荷区和重载区可以灵活分配，能够实现理论上的最优化配置和设计。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，直流微网控制系统中各微源变换器根据负荷量的轻重不同，对负荷电流进行分区控制，分别按照轻载区、额定负荷区和重载区配置相应的下垂系数，以此提高系统均流性能；且在不同区间加入母线电压补偿控制提高系统参考电压，以此改善母线电压偏差。

本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，其步骤为：

步骤一、根据直流母线电压偏差的约束条件，选定初始下垂系数rd，然后对直流微网系统中负荷的区间进行分区，设定负荷的分段电流iseti；根据直流微网系统中母线电压偏差δvbus的要求，求出系统的母线电压vbus，再求解得出分段系数ki的取值；

步骤二、确定步骤一所述取值后，根据采样所得电流值，进行条件判断，选择对应负荷区的改进的下垂控制算法；

步骤三、将vc-imsdc控制器输出斜率调节信号与变换器模块的电压反馈信号相加，vc-imsdc控制器输出的参考电压补偿信号和参考电压相加，信号相互作用送入typeш补偿控制器，经过pwm调节器和驱动器改变开关管状态，实现系统的vc-imsdc控制。

更进一步地，步骤一根据直流母线电压偏差的约束条件，选定初始下垂系数rd，下垂系数的取值需要满足：

rdjioj≤δvmax

式中：ioj为第j个变换器模块的输出电流，rdj为下垂系数，δvmax为允许的最大母线电压偏差。

更进一步地，步骤一中额定负荷区分段电流设定点iset1根据母线电压偏差选择，iset1为δvmax/rd，δvmax为允许的最大母线电压偏差，重载区的分段电流设定点iset2取为iset1的倍数关系。

更进一步地，步骤一中根据直流微网系统中母线电压偏差δvbus的要求，求出系统的母线电压：

vbus＝vref(1-δvbus/vref)

式中，vbus为母线电压；vref为系统参考电压；

当采用改进的下垂控制策略时，系统的直流母线电压计算公式为：

式中，rcj为下垂系数和线路电阻之和；r为负载电阻；ki为分段系数，i＝1、2；

δvref表示为参考电压补偿信号，其取值为：

式中，i在额定负荷区取值为1，重载区取值为2；

通过上式求解得出分段系数ki的取值为：

更进一步地，各微源变换器模块的改进的下垂控制控制器参数vref、δvref、rd、iset1、iset2、k1、k2设置相同。

更进一步地，步骤二中轻载区要求母线电压偏差满足1％以内；额定负荷区要求母线电压偏差5％以内，均流误差10％以内；重载区要求均流误差5％以内，母线电压偏差5％以内。

更进一步地，步骤二中轻载区控制方程设计为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)

额定负荷区控制方程调整为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)-k1(ioj-iset1)+δvref

重载区控制方程调整为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)-k2(ioj-iset2)+δvref

控制方程中：下标j表示为第j个变换器模块；vbus为母线电压；vref为系统参考电压；δvref为母线电压补偿常数；ioj为第j个变换器模块的输出电流；rdj为下垂系数；rlj为线路电阻；iset1为额定负荷区分段电流设定点；iset2为重载区的分段电流设定点；k1为额定负荷区分段系数；k2为重载区分段系数。

本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制系统，所有微源变换器均有本地vc-imsdc控制器，各微源模块将输出电流送入各自本地vc-imsdc控制器，本地vc-imsdc控制器借助数字控制器中的编程实现控制算法，将vc-imsdc控制器输出斜率调节信号与变换器模块的电压反馈信号相加，vc-imsdc控制器输出的参考电压补偿信号和参考电压相加，信号相互作用送入typeш补偿控制器，经过pwm调节器和驱动器改变开关管状态，实现系统的vc-imsdc控制。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，各微源变换器根据负荷轻重情况将负荷电流分为轻载区、额定负荷区和重载区三个区域，鉴于轻载时总的负载电流较小，即使全部负荷加到单个变换器上，也不会对变换器造成损害，也即轻载时对变换器的均流性能要求不高，故重点改善额定负荷区和重载区时的系统均流性能与母线电压偏差，在分层控制中可以减少二次控制的压力；

(2)本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，在额定负荷区和重载区加入母线电压补偿控制，提高模块的参考电压，从根本上解决了系统改善母线电压偏差与提高均流性能的矛盾性；

(3)本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，根据系统对均流性能及母线电压偏差的要求不同，当额定负荷区和重载区对输出均流性能适当放宽后，可以减小系统斜率改善系统母线电压偏差，增加对iset1和iset2的取值间距，当额定负荷区和重载区对输出均流性能要求较高时，可以减小iset1和iset2取值的间距，并且通过参考电压补偿信号δvref提高母线电压，减小母线电压偏差，可以灵活分配分段电流点，实现理论上的最优化配置和设计；

(4)本发明的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法，各微源变换器均采用本地改进的下垂控制策略，在一次控制层面不需要各微源之间的通信即可实现模块自主均流和热插拔工作，具有一定的负荷自适应能力，不涉及二次控制或集中控制器，具备较高的可靠性。

附图说明

图1是本发明中改进的下垂控制方法变换器输出特性曲线；

图1中：iset1和iset2为负荷分区控制中的分段电流设定点，vbus为系统输出的母线电压，δvbus为母线电压偏差，δvmax为系统允许的最大母线电压偏差，#1为轻载区变换器模块输出特性曲线，#2为额定负荷区变换器模块输出特性曲线，#3为重载区变换器模块输出特性曲线；

图2是系统处于额定负荷区和重载区时改进的下垂控制与传统下垂控制在相同的均流误差下，输出特性曲线上系统母线电压偏差的比较，其中，图2中的(a)表示为额定负荷区输出特性曲线，图2中的(b)为重载区输出特性曲线；

图3是本发明的改进的下垂控制方法算法流程图；

图4是本发明的直流微网中改进的下垂控制系统框图；

图5是三种控制策略下变换器输出电流波形，其中，图5中的(a)为传统下垂控制各分布式电源模块输出电流波形，图5中的(b)为msdc控制策略各分布式电源模块输出电流波形，图5中的(c)为vc-imsdc控制策略各分布式电源模块输出电流波形；

图6为vc-imsdc控制策略、msdc控制策略和传统下垂控制下系统输出母线电压波形图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种具有多级母线电压补偿直流微网改进型多斜率下垂控制方法(improvedmulti-slopedroopcontrolwithvoltagecompensation,vc-imsdc)，为了从根本上解决下垂系数带来的母线电压偏差，根据负荷量的轻重不同，将负荷电流分为三个区：轻载区、额定负荷区和重载区，然后对不同负荷区间实施改进的下垂控制，配置相应的下垂系数，灵活改变各微源变换器的输出特性曲线，重点在提高额定负荷区和重载区系统均流性能的同时改善由下垂导致的母线电压偏差。改进型下垂控制策略下各个母线电压控制单元输出特性曲线区别于传统恒定下垂输出特性的情况，不是恒定值，为多斜率曲线。在额定负荷区和重载区时不仅具有较高的下垂系数以克服线路阻抗带来的均流问题，同时根据负荷轻重加入多级补偿模块电压参考，提高系统参考电压，以改善微网母线电压偏差，因此可从根本上解决下垂控制带来的均流与电压偏差之间的矛盾问题。所有微源变换器均有本地改进的下垂控制器，在一次控制层面不需要各微源之间的通信即可实现模块自主均流和热插拔工作。负荷区域中的轻载区、额定负荷区和重载区按照系统要求可以灵活分配，并且对负载具备自适应调节能力，可以实现较宽负载范围内下垂特性的最优化配置和设计。

本实施例进行直流微电网的多斜率下垂控制的具体过程为：

步骤一、根据直流母线电压偏差的约束条件，下垂系数的取值需要满足：

rdjioj≤δvmax(1)

式中：ioj为第j个变换器模块的输出电流，rdj为下垂系数，δvmax为允许的最大母线电压偏差，通常为直流母线电压的5％。

本实施例以直流微网中两台直流母线电压控制单元为例，为了满足式(1)，则系统的下垂系数rd均需要小于2δvbus/iload，iload为总负荷电流。选定初始下垂系数rd，然后对直流微网系统中负荷的区间进行分区，设定负荷的分段电流iseti，其中，电流分段点iset1根据母线电压偏差选择，按照传统下垂控制中下垂系数rd取值较大为0.5时，系统最大电压偏差δvmax为母线电压的5％，则iset1为δvmax/rd，电流分段点iset2取为iset1的2倍关系。

根据直流微网系统中母线电压偏差δvbus的要求，求出系统的母线电压：

vbus＝vref(1-δvbus/vref)(2)

式中，vbus为母线电压；vref为系统参考电压。

当采用改进的下垂控制策略时，系统的直流母线电压计算公式为：

式中，rcj为下垂系数和线路电阻之和；r为负载电阻；

δvref表示为参考电压补偿信号，其取值为：

其中，i在额定负荷区取值为1，重载区取为2。

由式(2)可知母线电压vbus的值，则通过式(3)求解得出分段系数ki(i＝1、2)的取值为：

假定直流微网中线路电阻rli的取值在0到rd之间，当分布式电源#1的线路电阻rl1为0，分布式电源#2的线路电阻rl2为rd时，此时kimax取最大值为：

以上公式中rcj(j＝1、2)表示为下垂系数和线路电阻之和，通常情况下由于下垂控制中下垂系数取值远大于线路电阻，所以可以忽略线路电阻值，则rcj(j＝1、2)约等于rd。

步骤二、确定系统中步骤一所述取值后，通过图3流程图可知根据采样回来的电流值，进行条件语句判断，选择对应负荷区的改进的下垂控制算法(参加图4)。具体为：

轻载区各个模块输出电流小，均流误差要求不高，一般在20％以内，为获得较好的电压调整率，轻载区系统采用传统下垂控制，保证下垂系数取值不超出轻载区母线电压要求范围即可，也即母线电压偏差满足1％以内的要求即可，控制方程设计为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)(7)

额定负荷区为了满足系统母线电压偏差5％以内均流误差10％以内，需要增大下垂系数，主要用于改善均流特性，同时为消除下垂系数增加带来的母线电压偏差，加入母线电压补偿控制，系统控制方程调整为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)-k1(ioj-iset1)+δvref(8)

重载区为了提高系统均流性能满足均流误差5％以内母线电压偏差5％以内，需要进一步提高下垂系数，为了减小母线电压偏差，系统的母线电压补偿常数进一步提高，其控制方程调整为：

vbus＝vref-ioj(rdj+rlj)-k2(ioj-iset2)+δvref(9)

控制方程(7)-(9)中：下标j表示为第j个变换器模块；vbus为母线电压；vref为系统参考电压；δvref为母线电压补偿常数；ioj为第j个变换器模块的输出电流；rdj为下垂系数；rlj为线路电阻；iset1为额定负荷区分段电流设定点；iset2为重载区的分段电流设定点；k1为额定负荷区分段系数；k2为重载区分段系数。

所有微源变换器均有本地改进的下垂控制器，其中改进的下垂控制器借助数字控制器中的编程实现控制算法，通过条件判断语句确定负荷是否位于轻载区、额定负荷区和重载区，选择满足要求的控制程序段，执行控制算法。在一次控制层面不需要各微源之间的通信即可实现模块自主均流和热插拔工作。

步骤三、将vc-imsdc控制器输出斜率调节信号与变换器模块的电压反馈信号相加，vc-imsdc控制器输出的参考电压补偿信号和参考电压相加，信号相互作用送入typeш补偿控制器，经过pwm调节器和驱动器改变开关管状态，实现vc-imsdc。

从传统下垂控制的表达式(7)可以看出对系统实施下垂控制，系统控制量分别为rd和vref，因此，改进的下垂控制系统控制量不再是只含有下垂系数，还存在电压参考。不仅对模块输出特性曲线斜率进行调节，增加系统均流性能，而且对系统参考电压进行调节，改善母线电压偏差。

参见图1，本实施例变换器输出特性曲线为多斜率特性曲线，且额定负荷区和重载区变换器参考电压均得到提高，补偿系统母线电压偏差。轻载区变换器输出特性曲线为#1，额定负荷区变换器输出特性曲线为#2，重载区变换器输出特性曲线为#3，区别于传统下垂控制中恒定的输出特性曲线，且额定负荷区和重载区均加入了参考电压补偿信号，提高系统参考电压，改善系统母线电压偏差。

图2中的(a)表示变换器模块输出电流在iset1和iset2之间系统处于额定负荷区时，采用改进的下垂控制方法的模块输出特性曲线为#2、#2′，传统下垂控制的变换器模块输出特性曲线为rc、r′c。两种控制方法在相同的均流误差情况下(均流误差均为δic2)，改进的下垂控制方法的母线电压偏差δvbus小于传统下垂控制的母线电压偏差δv′bus。图2中的(b)表示变换器模块输出电流大于iset2系统处于重载区时，采用改进的下垂控制方法的模块输出特性曲线为#3、#3′，传统下垂控制的变换器模块输出特性曲线为rc、r′c。两种控制方法在相同的均流误差情况下(均流误差均为δic3)，改进的下垂控制方法的母线电压偏差δvbus仍远小于传统下垂控制的母线电压偏差δv′bus。改进的下垂控制方法与传统下垂控制方法在均流误差相同的情况下，改进的下垂控制方法能够补偿系统母线电压偏差。

图3中为改进的下垂控制算法流程图，根据变换器模块输出电流大小，选择对应负荷区的改进的下垂控制算法，通过数字控制执行相应的控制算法。

图4中直流母线电压控制单元用两个变换器并联(图中标号1指示)代替，2为线路电阻，3表示负载电阻，4为传统下垂控制器，5为具有多级母线电压补偿改进型多斜率下垂控制器(vc-imsdc)，6为typeш补偿控制器，7为pwm调节器。为了实现vc-imsdc控制，各微源模块将输出电流送入各传统下垂控制器4的同时也将电流信号送入各自本地vc-imsdc控制器5，最后，将vc-imsdc控制器输出斜率调节信号与变换器模块的电压反馈信号相加，vc-imsdc控制器输出的参考电压补偿信号和参考电压相加，信号相互作用送入typeш补偿控制器6，经过pwm调节器7和驱动器改变开关管状态，实现vc-imsdc。

图5中的(a)中为传统下垂控制下各分布式电源模块输出电流，图5中的(b)为msdc控制策略下各分布式电源模块输出电流，图5中的(c)为vc-imsdc控制策略下各分布式电源模块输出电流。图6为三种控制策略下系统输出母线电压，其中δvvc-imsdc为vc-imsdc控制策略下系统母线电压偏差，δvmsdc为msdc控制策略下系统母线电压偏差，δvcon为传统下垂控制策略下系统母线电压偏差。从图5、6中可以看出vc-imsdc控制在额定负荷区和重载区时，系统的均流误差小于5％，并且系统的母线电压偏差相比于传统下垂控制和msdc控制均得到改善，母线电压偏差小于5％。所以，采用vc-imsdc控制方法实现较好的均流性能的同时也可以改善系统的母线电压偏差。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。