一种基于输出阻抗的应用于直流微电网的动态微分下垂控制策略

背景技术：

1、近年来，为了解决环境污染问题和减少常规发电所需的化石燃料，微电网的概念已被应用为整合可再生能源(ress)和负载的有前途的解决方案。由于微电网具有各种直流电源和负载(例如，光伏(pv)，燃料电池，led等)，并且大部分电气元件可以通过直流电源转换直接连接，不需要中间交流电源转换，因此与交流微电网相比，直流微电网不会出现谐波、同步、无功等问题。

2、在自主直流电网系统中，传统的功率分配的方法需要精确测量系统的净功率，并需要一个中央控制器通过通信链路为各分布式电源的本地控制器生成功率参考，这种集中式控制策略具有通信延迟和单点故障问题。而分散控制可以让每个分布式终端根据本地信息做出独立的控制决策，可以有效的避免集中控制带来的各种问题。而下垂控制策略是中直流电网最常用的分散控制方法，用来实现不同能源间的负荷分担。下垂控制的思想是在稳态下，根据各能量源的额定功率实现能量共享。不同源其发电能力不同，下垂系数dj不同，所以下垂曲线不同。但现有的基于下垂的控制方法只能实现稳态下的比例功率共享，没有考虑动态时的功率共享。

3、本文针对直流微电网在传统下垂控制只能实现稳态下的比例功率共享，没有考虑动态时的功率共享的问题，选取了直流微电网的输出阻抗，通过对系统阻抗的分析，可以得到系统的输出阻抗传递函数是一个二阶系统，其中系统的输出阻抗zoj(s)的零点wz1由下垂系数dj、电路的输出电容c1、交叉频率ωvx和η决定。并在此基础上提出的动态微分下垂控制采用改进的动态下垂函数，具有可控制的动态下垂特性。通过对系统阻抗的分析可以得到，增加了一项可自适应调节的导数项，其实是在系统的输出阻抗上增加了一个零点，从而使得原系统的输出阻抗波德图中的幅频曲线抬升，提高了原系统的带宽频率。系统的带宽增加，系统给的响应速度变快。同时在系统稳态时，附加的导数项变成0，不会影响dj对不同能源间的负荷分担要求。通过这种配置，在系统处于动态时，功率的分配将通过动态微分下垂控制进行动态分配。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于针对直流微电网所存在的在分散控制下下垂控制没有考虑动态时的功率共享的问题，引入了一项可自适应调节的导数项，在不影响系统稳态功率分配的条件下，加快了系统的响应速度。并在此基础之上，通过画出传统下垂控制和动态微分下垂控制的输出阻抗的表达式和波德图，通过对比两个系统输出阻抗的波德图分析了引入的导数项带来的系统动态性能的提升，并最终针对所提出的控制策略设计动态微分下垂控制调节系统，控制系统功率分配。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、1.一种基于输出阻抗的应用于直流微电网的动态微分下垂控制策略，其特征在于：

4、1)通过选取直流微电网中单个分布式电源通过dc-dc变换器连接到电网，得出变换器通过下垂控制实现功率分配时，变换器的输出阻抗的表达式。

5、第j源变换器的输出阻抗可以表示为:

6、

7、其中，下垂控制的电压/电流(v/i)关系表示为:

8、vj＝vref-djij

9、其中vj和ij为第j个源的变换器输出电压和电流，vref为标称母线电压，dj为对应的下垂系数。ωvx为电压控制环的控制带宽，c1为变换器输出电容，η为一极小值，通常取值在1/10至1/5之间。

10、2)基于传统下垂控制的电压/电流(v/i)关系上，加入一个微分下垂项，得到新的下垂关系，具体公式如下所示:

11、

12、其中md为自适应暂态下垂增益。

13、3)基于上述的功垂关系，得出变换器的输出阻抗的表达式。改进后系统的输出阻抗可以表示为:

14、

15、4)根据步骤3)所提出的动态微分下垂控制策略，对直流微电网的功率重新进行分配，针对该系统功率发生变动时，所提出的改进的下垂控制可以迅速发生响应。

16、2.如权利要求1所述的基于输出阻抗的动态微分下垂控制策略，其特征在于，步骤1)的具体内容为:

17、对于某个分布式电源控制的buck变换器，该系统动力学模型可推导为下式：

18、

19、其中voj与ioj分别为源变换器的输出电压和输出电流。

20、根据下垂控制的控制框图，可以得到下垂控制电压源连接buck变换器到电网的控制框图由三个控制回路构成。具体而言，采用功率共享控制器，根据下垂特性产生变换器的参考输出电压；采用电压控制器合成参考的电感电流值；采用电流控制器生成命令电压矢量，由脉宽调制(pwm)模块合成，用于控制开关管通断。

21、考虑单个变换器双环控制的等效控制框图，并将电流控制的开环传递函数可以看作增益为1，电压控制回路可简化为下式：

22、

23、其中gvx(s)为电压控制环。

24、为了设计电压控制器，由开环电压传递函数在控制带宽处ωvx处的增益应为0db。它可以表示为:

25、

26、由于η的值远小于1，所以上式中的ηωvx可以忽略不计，电压控制环的参数可计算如下：

27、

28、下垂控制的等效控制框图就是在双环控制的基础上在加一个功率共享控制器，根据下垂特性改变电压环的参考输出电压。在下垂控制中，go(s)就是下垂系数dj，表示为:

29、go(s)＝dj

30、根据上述推导，考虑内电压控制回路，第j源变换器的输出阻抗可以表示为：

31、

32、3.根据权力1中的步骤3)的基于输出阻抗的动态微分下垂控制策略，具体思想为：由系统的输出阻抗可知，下垂增益dj对线性化功率的调节性能和动态性能都有影响。传统的下垂控制器缺乏在不影响功率调节的情况下控制不同工况下快速响应跟踪信号的能力。动态微分下垂控制的本质是产生一个2自由度可调控制器，其中下垂系数dj被选择来确定输入功率的调节性能，而自适应动态下垂增益md可以自适应地调节不同工作条件下的动态性能。在下垂控制中，go(s)可以表示为:

33、go(s)＝dj+mds

34、得到改进后系统的输出阻抗表示为：

35、

36、4.根据权力3中最终提出的调制策略，从改进后系统的输出阻抗可以看出来，动态微分下垂控制的系统的阻抗传递函数也是一个二阶系统，zo2(s)有两个极点we1,we2和两个零点wz2，wz3。

37、

38、

39、同时可以发现。zoj(s)和zo2(s)的具有相同的极点，由交叉频率vx和η决定。通过对系统的bode图进行分析，可以得到：在低频率时，zoj(s)和zo2(s)的增益都是一条直线，在高频时，zo2(s)相当于在二阶系统中zoj(s)的基础上增加一个零点，降低系统的阻尼。增加零点后，使幅频特性曲线抬升，并且提高系统的带宽。当系统带宽增加时，系统响应的速度也会加快。

40、5.本专利提出了一种基于输出阻抗的应用于直流微电网的动态微分下垂控制策略，其特征在于，包括直流微电网系统和下垂控制控制电路，所述的直流微电网系统由2个分布式发电源通过buck变换器连接到微电网系统，2个下垂控制控制电路通过三个控制环路分别控制2个分布式发电源的buck变换器的控制的电压的占空比d1与d2，其范围为0<d1<1、0<d2<1；每个开关管的栅极与驱动电路的输出端相连接，且同一变换器的两只开关管交替导通，电感l的一端与igbt的一段以及输出电容相连接，输入电容cin与输出电容cout分别与输入电压vj与输出电压voj的正负极相连接。下垂控制的三个控制环路从内到外分别为功率环，电压环和电流环。