一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法和系统

本发明涉及直流配电网互联及控制研究应用领域，特别是涉及一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法和系统。

背景技术：

随着社会的发展，环境问题的凸显，能源的地位显得越来越重要。分布式发电技术将清洁能源转化为可用的电能，减少了环境污染，成为了当前学者研究的热点。其具有高可靠性，低污染等优点，但是也具有波动性和间歇性等缺点，大规模并网势必会对电网造成影响。直流配电网不仅能够充分利用分布式电源，发挥了其优势，而且不同电压等级的直流负荷本身能够直接接入对应的电压等级直流接口，减少了此过程中的电能变换损耗。直流配电网子网之间互相连接后，由于能够互为电压和功率支撑，因此显著提高了直流配电网的可靠性。由于功率分配的合理分配与母线电压的稳定具有密切的关系，因此合理分配直流配电网母线之间的功率，能够维持系统稳定运行、保障供电可靠性。目前对直流配电网母线之间功率分配控制的技术均是基于通信系统条件下的控制策略，利用通讯系统、监控系统来实现：直流配电网的各类运行参数通过监控系统实时监测获得，利用信息通信将直流配电网的各项运行参数汇总，控制端实现统一的协调管理这些运行参数。此策略虽然可实现良好的控制效果，但是其控制系统结构设计复杂，需要较为复杂的通信网络及优化控制算法支撑，在运行时将占用配电网系统大量的带宽。因此需要一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法应用于配电网功率控制的研究中。

直流配电网功率控制方法有很多：ieeetransactionsonsmartgrid期刊第5卷第5期出版的“economicoperationandenhancementofresiliencebyhierarchicalcontrol”，提出一种三级控制结构被讨论，初级下垂控制用来保证当通讯故障时配电网可靠运行，二级控制和三级控制基于数字通讯技术实现电能质量的优化和经济性运行。虽然能够获取全局信息，但是缺点是如果系统存在单点故障，当中央控制器或任何一个通讯链路发生故障，控制命令就无法传输，相应的控制目标也无法实现。ieeetransactionsonsmartgrid期刊第5卷第5期出版的“hierarchicalcontrolofparallelac-dcconverterinterfacesforhybridmicrogrids”，采用三级分层控制系统，初级控制采用下垂控制实现负载功率按比例共享，二级控制旨在消除下垂控制产生的母线电压误差，三级控制完成与外部系统的交互，进而实现配网不同层次之间的交互与控制。但是当网络规模较大时，中央控制器的计算负担较大，系统响应速度将会受到影响。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，包括：

获取多直流配电网系统中的高压直流端电信号和低压直流端电信号；所述高压直流端电信号包括：高压直流端电压信号和高压直流端电流信号；所述低压直流端电信号包括：低压直流端电压信号和低压直流端电流信号；

根据所述高压直流端电信号，采用下垂控制策略确定高压直流电压控制参考信号；

根据所述高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一变压器电感电流控制参考信号；

根据所述低压直流端电信号，采用下垂控制策略确定低压直流电压控制参考信号；

根据所述低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二变压器电感电流控制参考信号；

根据所述第一变压器电感电流控制参考信号和所述第二变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号；

获取多直流配电网系统中的电感电流信号；

根据所述最终的变压器电感电流控制参考信号和所述电感电流信号确定脉宽调制信号；

根据所述脉宽调制信号分配所述多直流配电网系统中的功率。

优选地，所述根据所述高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一变压器电感电流控制参考信号，具体包括：

利用比较器，根据所述高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一电压差值；

利用比例积分器，根据所述第一电压差值得到第一变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述根据所述低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二变压器电感电流控制参考信号，具体包括：

利用比较器，根据所述低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二电压差值；

利用比例积分器，根据所述第二电压差值得到第二变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述根据所述第一变压器电感电流控制参考信号和所述第二变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号，具体包括：

利用比较器，根据所述第一变压器电感电流控制参考信号和所述第二变压器电感电流控制参考信号得到第一电流差值；所述第一电流差值即为所述最终的变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述根据所述最终的变压器电感电流控制参考信号和所述电感电流信号确定脉宽调制信号，具体包括：

利用比较器，根据所述最终的变压器电感电流控制参考信号和所述电感电流信号得到第二电流差值；

利用比例积分器，根据所述第二电流差值确定脉宽调制信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，通过采用下垂控制策略，根据获取的高压直流端电信号和低压直流端电信号分别确定得到高压直流电压控制参考信号和低压直流电压控制参考信号，然后依据确定得到的这两个高压直流电压控制参考信号和低压直流电压控制参考信号，确定第一变压器电感电流控制参考信号和第二变压器电感电流控制参考信号后，依据这两个变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号，最后根据最终的变压器电感电流控制参考信号和电感电流信号确定脉宽调制信号后，依据确定的脉宽调制信号实现功率分配，以在达到稳定母线电压的目的的同时，提高多直流配电网系统中功率分配的合理性。

对应于上述提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，本发明还提供了一种自动功率分配的多直流配电网系统控制系统。该系统具体包括：

第一信号获取模块，用于获取多直流配电网系统中的高压直流端电信号和低压直流端电信号；所述高压直流端电信号包括：高压直流端电压信号和高压直流端电流信号；所述低压直流端电信号包括：低压直流端电压信号和低压直流端电流信号；

高压直流电压控制参考信号确定模块，用于根据所述高压直流端电信号，采用下垂控制策略确定高压直流电压控制参考信号；

第一变压器电感电流控制参考信号确定模块，用于根据所述高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一变压器电感电流控制参考信号；

低压直流电压控制参考信号确定模块，用于根据所述低压直流端电信号，采用下垂控制策略确定低压直流电压控制参考信号；

第二变压器电感电流控制参考信号确定模块，用于根据所述低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二变压器电感电流控制参考信号；

第三变压器电感电流控制参考信号确定模块，用于根据所述第一变压器电感电流控制参考信号和所述第二变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号；

第二信号获取模块，用于获取多直流配电网系统中的电感电流信号；

脉宽调制信号确定模块，用于根据所述最终的变压器电感电流控制参考信号和所述电感电流信号确定脉宽调制信号；

功率分配模块，用于根据所述脉宽调制信号分配所述多直流配电网系统中的功率。

优选地，所述第一变压器电感电流控制参考信号确定模块，具体包括：

第一电压差值确定单元，用于利用比较器，根据所述高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一电压差值；

第一变压器电感电流控制参考信号确定单元，用于利用比例积分器，根据所述第一电压差值得到第一变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述第二变压器电感电流控制参考信号确定模块，具体包括：

第二电压差值确定单元，用于利用比较器，根据所述低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二电压差值；

第二变压器电感电流控制参考信号确定单元，用于利用比例积分器，根据所述第二电压差值得到第二变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述第三变压器电感电流控制参考信号确定模块，具体包括：

第一电流差值确定单元，用于利用比较器，根据所述第一变压器电感电流控制参考信号和所述第二变压器电感电流控制参考信号得到第一电流差值；所述第一电流差值即为所述最终的变压器电感电流控制参考信号。

优选地，所述脉宽调制信号确定模块，具体包括：

第二电流差值确定单元，用于利用比较器，根据所述最终的变压器电感电流控制参考信号和所述电感电流信号得到第二电流差值；

脉宽调制信号确定单元，用于利用比例积分器，根据所述第二电流差值确定脉宽调制信号。

因本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制系统所解决的技术问题与上述提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法所到的技术效果相同，在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法的流程图；

图2为本发明实施例采用的双向dc/dc变流器电路结构原理图；

图3为本发明实施例提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法的模型示意图；

图4为本发明实施例提供的负载变化情况下高压dc母线和低压dc母线的电压特性波形图；其中，图4(a)为负载变化情况下高压dc母线的电压特性波形图；图4(b)为负载变化情况下低压dc母线的电压特性波形图；

图5为本发明实施例提供的负载变化情况下双向dc/dc变流器电感电流的特性波形图；

图6为本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种自动功率分配的多直流配电网系统控制方法和系统，以提高母线之间功率分配的合理性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，包括：

步骤100：获取多直流配电网系统中的高压直流端电信号和低压直流端电信号。高压直流端电信号包括：高压直流端电压信号和高压直流端电流信号。低压直流端电信号包括：低压直流端电压信号和低压直流端电流信号。

步骤101：根据高压直流端电信号，采用下垂控制策略确定高压直流电压控制参考信号。

步骤102：根据高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一变压器电感电流控制参考信号。具体的：

利用比较器，根据高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一电压差值。

利用比例积分器，根据第一电压差值得到第一变压器电感电流控制参考信号。

步骤103：根据低压直流端电信号，采用下垂控制策略确定低压直流电压控制参考信号。

步骤104：根据低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二变压器电感电流控制参考信号。具体的：

利用比较器，根据低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二电压差值。

利用比例积分器，根据第二电压差值得到第二变压器电感电流控制参考信号。

步骤105：根据第一变压器电感电流控制参考信号和第二变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号。具体的，

利用比较器，根据第一变压器电感电流控制参考信号和第二变压器电感电流控制参考信号得到第一电流差值。第一电流差值即为最终的变压器电感电流控制参考信号。

步骤106：获取多直流配电网系统中的电感电流信号。

步骤107：根据最终的变压器电感电流控制参考信号和电感电流信号确定脉宽调制信号。具体的，

利用比较器，根据最终的变压器电感电流控制参考信号和电感电流信号得到第二电流差值。

利用比例积分器，根据第二电流差值确定脉宽调制信号。

步骤108：根据脉宽调制信号分配多直流配电网系统中的功率。

下面以采用上述自动功率分配的多直流配电网系统控制方法对如图2所示的双向dc/dc变流器电路的功率进行控制为例，对本发明进行详细说明。在具体应用过程中，下述公式具有适用性，依据系统结构的不同进行数值替换即可。

如图2所示，直流配电网高压dc母线与低压dc母线通过双向dc/dc变流器相连，高压直流侧线路包含阻抗r1，r1导致的电压损耗为δu1。低压直流侧线路包含电感l、电容c、阻抗r2，r2导致的电压损耗为δu2。高压dc母线电压为udch，低压dc母线电压为udcl。双向dc/dc变流器的高压直流端电压为udc1，电流为idc1。双向dc/dc变流器的低压直流端电压为udc2，电流为idc2。电感电流为il。

获取得到图2中低压dc母线的额定电压udc2rated为0.75kv，低压dc母线电压最大限值udc2max为0.7875kv，低压dc母线电压最小限值udc2min为0.7125kv，低压下垂系数kdc2为0.0375。

如图3所示，根据低压直流端电信号，采用下垂控制策略确定其低压直流电压控制参考信号udc2ref。低压直流电压控制参考信号udc2ref的表达式如下：

udc2ref＝udc2rated-kdc2·idc2

其中，idc2为dc/dc变流器的低压直流端电流信号。

将得到的双向dc/dc变流器的低压直流端参考电压udc2ref与低压直流端电压udc2经比较器比较后，经过比例积分环节(图3中的pi)，之后得到第二双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref2(即第二变压器电感电流控制参考信号)。

将双向dc/dc变流器的高压直流端电压、电流信号引入至直流下垂控制策略的外环控制中。高压dc母线的额定电压udc1rated为1.5kv，高压dc母线电压最大限值udc1max为1.575kv，高压dc母线电压最小限值udc1min为1.425kv，高压下垂系数kdc1为0.075。引入高压dc母线电压、电流信号至交流下垂控制的外环控制后，其高压直流量控制参考信号udc1ref表达式如下：

udc1ref＝udc1rated-kdc1·idc1

式中，idc1为双向dc/dc变流器的高压直流端电流信号。

高压直流量控制参考信号udc1ref和高压直流端电压信号udc1经比较器比较后，经过比例积分环节得到第一双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref1(即第一变压器电感电流控制参考信号)。

第一双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref1和第二双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref2经比较器比较后得到双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref(即最终的变流器电感电流控制参考信号)。

式中，kps1为高压端的比例常数，kis1为高压端的积分常数，kps2为低压端的比例常数，kis2为低压端的积分常数，s为微分算子。

双向dc/dc变流器电感电流控制参考信号ilref与电感电流il比较后，经过pi(比例积分)环节，可得到pwm(脉宽调制)的调制信号。

下面基于实际参数对本发明提供的技术方案的优越性进行说明。

如图4所示，在5秒时刻，低压dc母线有0.1mw负载被投入，在10秒时刻，高压dc母线有0.2mw负载被投入，在15秒时刻，低压dc母线有0.1mw负载被切除，在20秒时刻，高压dc母线有0.2mw负载被切除。在此期间，高压dc母线电压udch幅值稳定在正常范围内(1.575kv～1.425kv)，低压dc母线电压udcl幅值稳定在正常范围内(0.7875kv～0.7125kv)。

如图5所示，在5秒时刻，低压dc母线有0.1mw负载被投入，，此时流过双向dc/dc变流器电感电流il变化增量的方向为从高压dc母线流向低压dc母线方向，即高压dc母线分摊了一部分低压dc母线上增加的负载。

在10秒时刻，高压dc母线有0.2mw负载被投入，此时流过双向dc/dc变流器电感电流il变化增量的方向为从低压dc母线流向高压dc母线方向，即低压dc母线分摊了一部分高压dc母线上增加的负载。

在15秒时刻，低压dc母线有0.1mw负载被切除，此时流过双向dc/dc变流器电感电流il变化增量的方向为从低压dc母线流向高压dc母线方向，即由于低压dc母线上减小负载，高压dc母线也减小了一部分功率输出。

在20秒时刻，高压dc母线有0.2mw负载被切除，此时流过双向dc/dc变流器电感电流il变化增量的方向为从高压dc母线流向低压dc母线方向，即由于高压dc母线上减小负载，低压dc母线也减小了一部分功率输出。

对应于上述提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，本发明还提供了一种自动功率分配的多直流配电网系统控制系统。如图6所示，该系统具体包括：第一信号获取模块1、高压直流电压控制参考信号确定模块2、第一变压器电感电流控制参考信号确定模块3、低压直流电压控制参考信号确定模块4、第二变压器电感电流控制参考信号确定模块5、第三变压器电感电流控制参考信号确定模块6、第二信号获取模块7、脉宽调制信号确定模块8和功率分配模块9。

其中，第一信号获取模块1用于获取多直流配电网系统中的高压直流端电信号和低压直流端电信号。高压直流端电信号包括：高压直流端电压信号和高压直流端电流信号。低压直流端电信号包括：低压直流端电压信号和低压直流端电流信号。

高压直流电压控制参考信号确定模块2用于根据高压直流端电信号，采用下垂控制策略确定高压直流电压控制参考信号。

第一变压器电感电流控制参考信号确定模块3用于根据高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一变压器电感电流控制参考信号。

低压直流电压控制参考信号确定模块4用于根据低压直流端电信号，采用下垂控制策略确定低压直流电压控制参考信号。

第二变压器电感电流控制参考信号确定模块5用于根据低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二变压器电感电流控制参考信号。

第三变压器电感电流控制参考信号确定模块6用于根据第一变压器电感电流控制参考信号和第二变压器电感电流控制参考信号确定最终的变压器电感电流控制参考信号。

第二信号获取模块7用于获取多直流配电网系统中的电感电流信号。

脉宽调制信号确定模块8用于根据最终的变压器电感电流控制参考信号和电感电流信号确定脉宽调制信号。

功率分配模块9用于根据脉宽调制信号分配多直流配电网系统中的功率。

作为本发明的一优选实施例，上述第一变压器电感电流控制参考信号确定模块3具体包括：第一电压差值确定单元和第一变压器电感电流控制参考信号确定单元。

其中，第一电压差值确定单元用于利用比较器，根据高压直流电压控制参考信号和高压直流端电压信号确定第一电压差值。

第一变压器电感电流控制参考信号确定单元用于利用比例积分器，根据第一电压差值得到第一变压器电感电流控制参考信号。

作为本发明的另一优选实施例，上述第二变压器电感电流控制参考信号确定模块5具体包括：第二电压差值确定单元和第二变压器电感电流控制参考信号确定单元。

其中，第二电压差值确定单元用于利用比较器，根据低压直流电压控制参考信号和低压直流端电压信号确定第二电压差值。

第二变压器电感电流控制参考信号确定单元用于利用比例积分器，根据第二电压差值得到第二变压器电感电流控制参考信号。

作为本发明的再一优选实施例，上述第三变压器电感电流控制参考信号确定模块6具体包括：第一电流差值确定单元。

其中，第一电流差值确定单元，用于利用比较器，根据第一变压器电感电流控制参考信号和第二变压器电感电流控制参考信号得到第一电流差值。第一电流差值即为最终的变压器电感电流控制参考信号。

作为本发明的又一优选实施例，上述脉宽调制信号确定模块8具体包括：第二电流差值确定单元和脉宽调制信号确定单元。

其中，第二电流差值确定单元用于利用比较器，根据最终的变压器电感电流控制参考信号和电感电流信号得到第二电流差值。

脉宽调制信号确定单元用于利用比例积分器，根据第二电流差值确定脉宽调制信号。

综上，本发明提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法和系统，考虑了无通信条件下直流下垂控制能够实现良好控制母线电压，因此将两条不同电压等级的dc母线通过双向dc/dc变流器相互连接，且将直流下垂控制策略应用于功率控制中，通过直流下垂控制稳定低压母线电压，并且将双向dc/dc变流器的高压直流端的电压、电流信号均引入至直流下垂控制策略的外环控制中。

本发明通过将直流下垂控制策略应用于直流配电网功率控制中，控制低压母线电压，并且将双向dc/dc变流器的高压直流端的电压、电流信号均引入至直流下垂控制策略的外环控制中的具体操作过程对功率进行实时控制。

其整体控制原理为：在低压dc母线的负载变动时，低压dc母线电压会产生变化，直流下垂控制策略的应用控制稳定低压母线电压，所以会使双向dc/dc变流器作出相应动作。其中，一个动作为负载被切除，低压dc母线电压上升，dc母线功率需求降低。此时，从高压dc母线通过双向dc/dc变流器流向低压dc母线的功率将下降。另一个动作为负载被投入，dc母线电压下降，dc母线功率需求上升。此时，从高压dc母线通过双向dc/dc变流器流向低压dc母线的功率将上升。

在高压dc母线的负载变动时，高压dc母线电压也会产生变化，由于将双向dc/dc变流器的高压直流端的电压、电流信号均引入至直流下垂控制策略的外环控制中，会使双向dc/dc变流器作出相应动作。其中，一个动作为负载被切除，高压dc母线电压上升，高压dc母线功率需求降低，所以从低压dc母线通过双向dc/dc变流器流向高压dc母线的功率将下降。另一个动作为负载被投入，高压dc母线电压下降，高压dc母线功率需求上升，所以从低压dc母线通过双向dc/dc变流器流向高压dc母线的功率将上升。

因此，无论高压dc母线或低压dc母线的负载发生变化，都会导致对应的dc母线电压发生变化。此时，双向dc/dc变流器采用本发明上述提供的自动功率分配的多直流配电网系统控制方法，能够在无通讯条件下，自动平衡分配高压dc母线与低压dc母线的功率，使高压dc母线和低压dc母线电压都能更加稳定，且母线之间的功率分配也更加合理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。