一种直流电网的分布式协同控制方法及装置

1.本技术涉及到直流电网领域，具体而言，涉及一种直流电网的分布式协同控制方法及装置。


背景技术：

2.随着电力电子技术的飞速发展，以电力电子设备为核心的直流电源系统重新受到人们的重视。与交流电网相比，直流电网具有以下优点。在分布式发电方面，无需冗余功率转换，因此能量损失小，控制简单。在功率传输方面，对功角稳定性没有任何限制，从而大大降低了线路成本和线损。在配电方面，无需相位频率控制，提高了适应分布式电源的能力，有效协调了可再生能源与大电网之间的冲突。在功耗方面，它控制灵活，响应迅速，能够提供高质量的能源，满足日益多样化的负载要求。因此，直流电源系统得到了越来越广泛的应用。
3.一般来说，直流微电网的主要控制目标包括均流、电压调节和保持稳定性。集中控制方法可以实现高精度的电流均分和电压恢复，具有快速响应和良好的瞬态性能。但是，集中控制方案需要收集全局信息。信息通过集中通信传输，因此缺乏灵活性，容易发生单点故障。传统的下垂控制方法是一种典型的分散控制方法。在一定程度上，该方法可以大致实现均流。然而，稳态电压偏差和均流精度之间存在冲突。此外，由于线路电阻的存在，电流均分精度不高。另外，大多数研究认为微源的dc/dc变换器响应足够快，其动态可以忽略，将微源等效为理想的电压源，实际上，dc/dc变换器的动态会对系统稳定性造成影响。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种直流电网的分布式协同控制方法及装置，以至少解决直流电网中的电流均分，电压恢复和稳定化问题。
5.根据本技术的一个方面，提供了一种直流电网的分布式协同控制方法，所述直流电网包括n个微源、n个变换器、输出电路和m个负载，每个所述微源均通过一个变换器接入所述直流电网，所述方法用于对所述n个变换器进行控制，所述方法包括：对所述直流电网的输出电源电压进行采集得到加权平均电压，获取所述加权平均电压与所设定的参考电压的电压修正项；对所述直流电网中的每个所述微源的输出电流进行采集，并根据采集得到的电流得到电流修正项；根据所述电压修正项和所述电流修正对每个所述变换器进行动态描述，得到动态描述项，其中，所述动态描述项中包括虚拟电阻；获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值；根据所述参数值对所述直流电网进行控制。
6.进一步地，获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值包括：对变换器的动态描述项进行求解，获取参考电压范围，其中，所述参考电压范围能够使所述直流电网存在平衡点。
7.进一步地，获取所述参考电压范围包括：建立所述直流电网的系统方程；获取所述直流电网的参数特征，其中，所述参数特征是所述直流电网在平衡点处的参数特征；根据所
述参数特征对所述直流电网的系统方程进行变换得到所述参考电压范围。
8.进一步地，建立所述直流电网的系统方程包括：将所述直流电网的负载视为恒功率负载得到恒功率负载的模型；根据所述恒功率负载的模型以及所述直流电网的系统方程建立所述直流电网的系统潮流方程。
9.进一步地，对所述直流电网进行控制包括：电源输出电流比例均分，输出加权平均电压的恢复以及保持所述直流电网的系统稳定性，其中，保持所述直流电网的系统稳定性包括：将系统动态方程在平衡点附近线性化，可得系统的等效线性模型；获取所述系统等效线性模型中使系统稳定的条件，证明所述条件成立。
10.根据本技术的另一个方面，还提供了一种直流电网的分布式协同控制装置，所述直流电网包括n个微源、n个变换器、输出电路和m个负载，每个所述微源均通过一个变换器接入所述直流电网，所述方法用于对所述n个变换器进行控制，所述装置包括：第一获取模块，用于对所述直流电网的输出电源电压进行采集得到加权平均电压，获取所述加权平均电压与所设定的参考电压的电压修正项；第一得到模块，用于对所述直流电网中的每个所述微源的输出电流进行采集，并根据采集得到的电流得到电流修正项；第二得到模块，用于根据所述电压修正项和所述电流修正对每个所述变换器进行动态描述，得到动态描述项，其中，所述动态描述项中包括虚拟电阻；第二获取模块，用于获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值；控制模块，用于根据所述参数值对所述直流电网进行控制。
11.进一步地，所述第二获取模块用于：对变换器的动态描述项进行求解，获取参考电压范围，其中，所述参考电压范围能够使所述直流电网存在平衡点。
12.进一步地，所述第二获取模块用于：建立所述直流电网的系统方程；获取所述直流电网的参数特征，其中，所述参数特征是所述直流电网在平衡点处的参数特征；根据所述参数特征对所述直流电网的系统方程进行变换得到所述参考电压范围。
13.进一步地，所述第二获取模块用于：将所述直流电网的负载视为恒功率负载得到恒功率负载的模型；根据所述恒功率负载的模型以及所述直流电网的系统方程建立所述直流电网的系统潮流方程。
14.进一步地，所述控制模块用于：电源输出电流比例均分，输出加权平均电压的恢复以及保持所述直流电网的系统稳定性，其中，保持所述直流电网的系统稳定性包括：将系统动态方程在平衡点附近线性化，可得系统的等效线性模型；获取所述系统等效线性模型中使系统稳定的条件，证明所述条件成立。
15.本技术实施例中，采用了对所述直流电网的输出电源电压进行采集得到加权平均电压，获取所述加权平均电压与所设定的参考电压的电压修正项；对所述直流电网中的每个所述微源的输出电流进行采集，并根据采集得到的电流得到电流修正项；根据所述电压修正项和所述电流修正对每个所述变换器进行动态描述，得到动态描述项，其中，所述动态描述项中包括虚拟电阻；获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值；根据所述参数值对所述直流电网进行控制。通过本技术解决了直流电网中的电流均分，电压恢复和稳定化问题，从而克服了多dc/dc变换器下恒功率负载对系统稳定性带来的不良影响。
附图说明
16.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1是根据本技术实施例的第j个变换器结构的示意图。
18.图2是根据本技术实施例的电源输出电流波形的示意图。
19.图3是根据本技术实施例的电源加权平均电压波形的示意图。
20.图4是根据本技术实施例的直流电网的分布式协同控制方法的流程图。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
22.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
23.在本实施例中提供了一种直流电网的分布式协同控制方法，所述直流电网包括n个微源、n个变换器、输出电路和m个负载，每个所述微源均通过一个变换器接入所述直流电网，所述方法用于对所述n个变换器进行控制，图4是根据本技术实施例的直流电网的分布式协同控制方法的流程图，下面对图4中涉及到的方法步骤进行说明。
24.步骤s402，对所述直流电网的输出电源电压进行采集得到加权平均电压，获取所述加权平均电压与所设定的参考电压的电压修正项；
25.步骤s404，对所述直流电网中的每个所述微源的输出电流进行采集，并根据采集得到的电流得到电流修正项。
26.步骤s406，根据所述电压修正项和所述电流修正对每个所述变换器进行动态描述，得到动态描述项，其中，所述动态描述项中包括虚拟电阻。
27.步骤s408，获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值；在该步骤中，可以对变换器的动态描述项进行求解，获取参考电压范围，其中，所述参考电压范围能够使所述直流电网存在平衡点。
28.获取所述直流电网存在平衡点时的充分条件的方式有很多种，例如，可以建立所述直流电网的系统方程；获取所述直流电网的参数特征，其中，所述参数特征是所述直流电网在平衡点处的参数特征；根据所述参数特征对所述直流电网的系统方程进行变换得到所述参考电压范围。
29.可以选的，可以通过如下步骤建立所述直流电网的系统方程：将所述直流电网的负载视为恒功率负载得到恒功率负载的模型；根据所述恒功率负载的模型以及所述直流电网的系统方程建立所述直流电网的系统潮流方程。
30.步骤s410，根据所述参数值对所述直流电网进行控制。
31.可选地，根据所述参数值对所述直流电网进行控制包括：电源输出电流比例均分，输出加权平均电压的恢复以及保持所述直流电网的系统稳定性，其中，保持所述直流电网的系统稳定性包括：保持所述直流电网的系统稳定性，其中，将系统动态方程在平衡点附近线性化，可得系统的等效线性模型；获取所述系统等效线性模型中使系统稳定的条件，证明
所述条件成立。
32.通过上述步骤解决了直流电网中的电流均分，电压恢复和稳定化问题，从而克服了多dc/dc变换器下恒功率负载对系统稳定性带来的不良影响，在通信延时的情况下，系统仍能稳定运行。
33.下面结合一个可选的实施方式进行说明。在本可选实施例中提供了一个以电流均分和电压调节为目标的分布式协同控制方法，以解决直流电网中的电流均分，电压恢复和稳定化问题，并克服了多dc/dc变换器下恒功率负载对系统稳定性带来的不良影响，系统能稳定运行。
34.本可选实施例提供一种基于一致性算法的分布式控制策略，该方法通过与临近发电单元保持一致，最终实现全局电流均分并实现电压恢复。当直流微电网直流母线的电阻无法忽略时，系统的拓扑将变成广义网络型，每一个微源假定为理想恒压源，经过dc/dc变换器后接入供电网，传输线路为纯阻性，负载视为理想型恒功率负载。
35.为了克服恒功率负载的不稳定，本实施例提出一种基于虚拟电容电阻的稳定化方法。在此基础上，当系统含有多个恒功率负载时，其系统平衡点的存在性问题为多元二次方程组的实数解存在问题。在本实施例总首先将多元二次方程组解的存在性问题转化为一个非线性映射的不动点存在性问题，然后用巴纳赫不动点定理推导出系统平衡点存在性的充分条件。与传统方法相比，不动点法只需要构造定义域包含其值域的映射，就能得到平衡点存在的充分条件。之后，使用奇异摄动模型来预测系统在平衡点附近的定性行为。通过分析边界层系统的特征值和降阶系统的雅可比矩阵，得到了系统稳定的解析条件。分析了采样延迟对系统稳定性的影响，利用线性矩阵不等式得到了系统的稳定条件。
36.为了更好的说明本实施例，下面先对本实施例中涉及到的定义和推论进行说明。
37.定义1.设a∈rn×n可表示为a＝αi-t，其中t≥0.用ρ
n-1
(t)表示t的所有n-1阶主子矩阵的最大谱半径，ρ(t)表示t的谱半径，如果ρ
n-1
(t)≤α＜ρ(t)，则称a为n
0-矩阵。将所有元素均为0的矩阵记作o，若矩阵a的所有元素均小于等于0，则记为a≤o。
38.定义2.设n阶方阵分块为如果a是可逆的，m关于a的schur补为m/a＝d-ca-1
b。
39.基于上述的定义，推论1.设a＝(a
ij
)∈rn×n是n
0-矩阵，又设ak是a的k阶顺序非奇异主子矩阵，则a关于ak的schur补a/ak也是n
0-矩阵。
40.推论2.设a＝(a
ij
)∈rn×n是n
0-矩阵，则以下结论成立：
41.(1)a恰有一个负特征值。
42.(2)a-1
≤o。
43.定理1.标准全奇异一般摄动系统如下所示：
[0044][0045][0046]
其中f:rm→rm
,g:rn→rn
是连续可微的，ε是一个非常小的正数，如果边界层系统和降阶系统都是指数稳定的，那么原系统也是稳定的。
[0047]
下面基于上述的定义和推论对本实施例涉及到的模型以及方案进行说明。首先对本实施例中的系统动态模型进行说明，该在模型中，可以认为一种直流微电网包括n个升压
变压器组成，n个boost变换器(即变压器)分别命名为#1变换器，#2变换器
……
#n变换器，n个变换器电路参数一样，但是输出端的线路阻抗是随机的。负载接入m个恒功率负载。为方便理解，下面对第j个变换器结构，动态描述及控制策略进行介绍，其余变换器类似。第j个变换器结构如下图1所示。第j个变换器的动态可以描述为：
[0048][0049]
其中，lj,cj分别为第j个变换器的电感和电容，vj为恒压源电压，dj为占空比，为电容电流和电压，为电感电流。所述的n个变换器控制主要分为三部分，一部分是电流均分控制，第二部分是电源加权平均电压恢复，第三部分是虚拟电容阻抗。
[0050]
在负载情况复杂、输入电压不稳定、等复杂工况时，控制策略需要达到较好的控制效果，不能出现输出振荡、电流不均分，输出加权电源电压偏低等情况，本实施例的控制策略可以分为以下步骤：
[0051]
s1.完成对输出电源电压的采集，获取加权平均电压和所设定的参考值v
ref
做比较，求差得到电压控制误差将电压控制误差送入pi控制器得到电压修正项：系统稳定的时候实现加权平均电压与所设定的参考值v
ref
相等，该步骤用于输出加权平均电压的恢复。
[0052]
s2.采用分布式控制，完成对临近微源输出电流的采集，电流修正项表达式如下所示：
[0053][0054]
其中kj代表电流比例均分系数，a
jk
代表通信权重，该步骤用于电源输出电流比例均分。
[0055]
s3.设置第j个变换器的占空比为：
[0056][0057]
其中，为虚拟电阻，所述虚拟电阻相当于在电容处串联了一个电阻其中k＝diag{1/ki}为输出电压的加权系数；所述k为对角阵。
[0058]
则n个变换器的动态可以描述为:
[0059][0060]
其中：l1是通信图的拉普拉斯矩阵。
[0061]
恒功率负载的模型可以描述为：[[u
l
]]i
l
＝-p
[0062]
其中[[u
l
]]为负载电压，i
l
为负载电流，p为负载功率。
[0063]
系统的kvl方程为：
[0064][0065]
其中，y为网络阻抗矩阵。
[0066]
系统达到稳态时，下列式子成立：
[0067][0068][0069][0070][0071]
其中联立可得网络的潮流方程：
[0072]
[[u
l
]]y1u
l
+[[u
l
]]η+p＝0m[0073]
其中：
[0074]
其系统平衡点的存在性问题为多元二次方程组的实数解存在问题。本实施例首先将多元二次方程组解的存在性问题转化为一个非线性映射的不动点存在性问题，利用巴纳赫不动点定理推导出系统平衡点存在性的充分条件。与传统方法相比，不动点法只需要构造定义域包含其值域的映射，就能得到平衡点存在的充分条件。
[0075]
下面对本实施例中的平衡点存在性分析进行说明。
[0076]
1.发现矩阵y1的性质，对于一个强连通的物理网络：
[0077]
1)y1为正定矩阵
[0078]
2)-y
1-1
η＝v
ref1m
[0079]
证明：对于1)，m为拉普拉斯矩阵，所以可以得到对于x≠0m[0080][0081]
因此y1是正定的。
[0082]
对于2)
[0083]
下式成立：
[0084][0085]
根据y矩阵的性质，y
ss1n
+y
sl1m
＝0n，因此
[0086]
可以得到如下式子：
[0087][0088]
因此-y
1-1
η＝v
ref1m
。
[0089]
2.根据y1的性质，潮流方程可以写作：其中p＝diag{p}。
[0090]
其中
[0091]
在内，若成立，则潮流方程在内有解。(详细说明类似liu,zhangjie,et al."existence and stability of equilibrium ofdc micro-grid under master-slave control."ieee transactions on power systems(2021).中的定理2)
[0092]
下面对本实施例中的稳定性分析进行说明。
[0093]
将系统动态方程在平衡点附近线性化：将代入，并忽略高阶项，可得系统的等效线性模型。
[0094][0095]
其中
[0096]
在变换器中，l和c通常较小。令其中ε足够小。系统小信号模型变为其中
[0097]
系统的雅可比矩阵为：
[0098][0099]
根据奇异摄动理论，如果和特征值均具有负实部，那么系统稳定。
[0100]
步骤1：保证特征值均具有负实部。
[0101]
的非零特征值与相同。
[0102]
的特征方程为求得对应的特征值为与y
eq
kl1k的n个特征值。其中，y
eq
kl1k含有一个0特征值。因此，当y
eq
kl1k有n-1个正特征值时，正稳定。
[0103]
当成立时，y
eq
kl1k有n-1个正特征值。(详细说明类似liu,zhangjie,et al."stability analysis of dc microgrids with constant power load under distributed control methods."automatica90(2018):62-72.中的定理1)
[0104]
由于y
eq
取决于负载，负载波动时，会影响系统的稳定性。本实施例提供了一个不依赖于负载的稳定条件：
[0105]
当恒功率负载的功率在(0,p
max
)变化时，若系统稳定。
[0106]
根据推论2，当y
eq
为n
0-矩阵时，成立。接下来，我们需要寻找y
eq
为n
0-矩阵的条件。
[0107]
记y
eq
为y2的一个舒尔补，根据推论1，当y2为n
0-矩阵时，y
eq
也为n
0-矩阵。因此，需要证明当成立时，y2为n
0-矩阵。
[0108]
证明如下：
[0109]
可以写成如下形式y＝ti-a，其中t的值等于a的谱半径，矩阵a的所有元素均大于0。
[0110]
y2＝ti-a-r，其中恒功率负载的稳定电压在内，此时，恒
功率负载的等效阻抗小于即根据矩阵性质，t＝ρ(a)≤ρ(a+r)。当成立时，ρ
n-1
(a+r)≤ρ
n-1
(a)+ρ
n-1
(r)≤ρ(a)＝t，根据定义1，y2为n
0-矩阵，则y
eq
也为n
0-矩阵。证明完毕。
[0111]
步骤2：保证具有负实部
[0112]
的特征方程为根据舒尔补定理，该式的值为当正定时，λ具有负实部。即证明正定。
[0113]
证明如下:
[0114]
记矩阵最小特征值为λ1()。为对称矩阵，若该矩阵最小的特征值大于0，那么该矩阵为正定的。y
eq
为矩阵y2的一个舒尔补，因此λ1(y
eq
)＞λ1(y2)。由此可得，
[0115]
当时，正定。证明完毕。
[0116]
步骤3：综合步骤1与步骤2，当时，系统具有鲁棒稳定性。
[0117]
本实施例能够实现精准快速的实现电流均分和电压恢复，在可再生能源容量有限的情况下，使得各微源均衡供电，防止容量小的变换器过流。进一步，本实施例采取基于虚拟电容电阻的稳定化方法，来克服dc/dc变换器动态以及恒功率负载对系统稳定性的不良影响。
[0118]
例如，v
ref
＝215v时，电源输出电流波形如图2所示，可以看到电源电流实现了电流比例均分。电源加权平均电压波形如图3，实现了加权平均电压的恢复。
[0119]
在本实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。
[0120]
上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机
可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0121]
这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。
[0122]
该本实施例中就提供了这样的一种装置或系统。该装置被称为一种直流电网的分布式协同控制装置，所述直流电网包括n个微源、n个变换器、输出电路和m个负载，每个所述微源均通过一个变换器接入所述直流电网，所述方法用于对所述n个变换器进行控制，所述装置包括：第一获取模块，用于对所述直流电网的输出电源电压进行采集得到加权平均电压，获取所述加权平均电压与所设定的参考电压的电压修正项；第一得到模块，用于对所述直流电网中的每个所述微源的输出电流进行采集，并根据采集得到的电流得到电流修正项；第二得到模块，用于根据所述电压修正项和所述电流修正对每个所述变换器进行动态描述，得到动态描述项，其中，所述动态描述项中包括虚拟电阻；第二获取模块，用于获取所述直流电网在系统达到稳态时的所述动态描述项的参数值；控制模块，用于根据所述参数值对所述直流电网进行控制。
[0123]
该系统或者装置用于实现上述的实施例中的方法的功能，该系统或者装置中的每个模块与方法中的每个步骤相对应，已经在方法中进行过说明的，在此不再赘述。
[0124]
例如，所述第二获取模块用于：对变换器的动态描述项进行求解，获取参考电压范围，其中，所述参考电压范围能够使所述直流电网存在平衡点。
[0125]
又例如，所述第二获取模块用于：建立所述直流电网的系统方程；获取所述直流电网的参数特征，其中，所述参数特征是所述直流电网在平衡点处的参数特征；根据所述参数特征对所述直流电网的系统方程进行变换得到所述参考电压范围。可选地，所述第二获取模块用于：将所述直流电网的负载视为恒功率负载得到恒功率负载的模型；根据所述恒功率负载的模型以及所述直流电网的系统方程建立所述直流电网的系统潮流方程。
[0126]
又例如，所述控制模块用于：电源输出电流比例均分，输出加权平均电压的恢复以及保持所述直流电网的系统稳定性，其中，保持所述直流电网的系统稳定性包括：将系统动态方程在平衡点附近线性化，可得系统的等效线性模型；获取所述系统等效线性模型中使系统稳定的条件，证明所述条件成立。
[0127]
通过上述实施例解决了直流电网中的电流均分，电压恢复和稳定化问题，从而克服了多dc/dc变换器下恒功率负载对系统稳定性带来的不良影响，系统能稳定运行。
[0128]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。