一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112467716 A(43)申请公布日 2021.03.09

(21)申请号 202011245924.X(22)申请日 2020.11.10

(71)申请人 上海交通大学

地址 200240 上海市闵行区东川路800号(72)发明人 赵雨童　张博深　高飞　

(74)专利代理机构 上海恒慧知识产权代理事务

所(特殊普通合伙) 31317

代理人 张宁展(51)Int.Cl.

H02J 1/10(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图4页

(54)发明名称

一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法

(57)摘要

本发明属于直流微电网的技术领域，公开了一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法，采用基于整流电路电流单闭环的下垂控制策略，结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，对下垂控制策略中的下垂系数做自适应调整，使其满足根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，生成交流侧d轴电流内环参考值

完成对直流微电网的下垂控制。本发明的结构简单，设计新颖，成本降低，动态性能良好，具有明显的应用价值，在给出的主要元器件参数下，可以实现分布式电源功率的准确分配。CN 112467716 ACN 112467716 A

权　利　要　求　书

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1.一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法，其特征在于：采用基于整流电路电流单闭环的下垂控制策略，结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，对下垂控制策略中的下垂系数做自适应调整，使其满足根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，生成交流侧d轴电流内环参考值

完成对直流微电网的下垂控制。

2.根据权利要求1所述的用于直流微电网的自适应下垂控制方法，其特征在于：根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，设置采用下垂控制策略时对应各个变换器所需的下垂系数，再结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，计算出自适应下垂系数，然后，利用所述自适应下垂系统对下垂控制策略做调整，生成交流侧d轴电流内环参考值

以此作为整流器的输入，实现对分布式电源的功率输出分配。

3.根据权利要求2所述的用于直流微电网的自适应下垂控制方法，其特征在于：利用如下方程式，计算自适应下垂系数，

其中，k′ki表示根据功率输出分配i表示直流微电网中第i个变换器的自适应下垂系数，的实际要求，设置直流微电网中第i个变换器所需的下垂系数，Vdc表示直流侧输出电压，Id表示交流侧d轴电流，Rs表示整流器中电感滤波器的寄生电阻，ed表示分布式电源的电势。

4.根据权利要求3所述的用于直流微电网的自适应下垂控制方法，其特征在于：所述整流器设置为单位功率因数的工作模式。

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说　明　书

一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法

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技术领域

[0001]本发明涉及直流微电网的技术领域，尤其涉及一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法。

背景技术

[0002]随着新能源的大量使用，光伏电池板、风机和微型燃气轮机等分布式发电装置日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径。在分布式能源的发展趋势下，直流微电网技术受到了广泛关注，直流微电网可以单独为本地负载供电，即运行在孤岛模式；也可以并网模式下运行，与电网进行能量交换。直流微电网能够实现两种模式的灵活切换，并且没有无功损耗和相位不匹配的问题，相较于传统大电网，直流微电网更适用于分布式新能源的使用。[0003]为了优化分布式电源在直流微电网的运行，分布式电源在直流微电网中的并联稳定性能和动态性能是关键的指标。下垂控制是协调分布式能源功率输出的常用策略之一，即利用直流侧电压和电流的关系来调节整流器输出参考值。传统的下垂控制特性应用于基于双闭环控制的变流器，这种双闭环控制系统能够实现功率分配，但是动态性能较差，并且结构冗杂，成本较高，其中，PI控制器是影响动态性能的关键因素，尤其是响应时间，电流内环的响应时间一般为1毫秒，双闭环结构下外环的响应时间一般设计为内环的响应时间的十倍，大概为10毫秒，响应时间过慢，这必然会降低系统的稳定性能和动态性能。发明内容

[0004]本发明提供一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法，解决了现有基于双闭环的下垂控制系统，动态性能较差，并且结构冗杂，成本较高等问题。[0005]本发明可通过以下技术方案实现：

[0006]一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法，采用基于整流电路电流单闭环的下垂控制策略，结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，对下垂控制策略中的下垂系数做自适应调整，使其满足根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，生成交流侧d轴电流内环参考值

[0007]

完成对直流微电网的下垂控制。

进一步，根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，设置采用下垂控制策略时对应各个变换器所需的下垂系数，再结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，计算出自适应下垂系数，然后，利用所述自适应下垂系统对下垂控制策略做调整，生成

以此作为整流器的输入，实现对分布式电源的功率输出分

交流侧d轴电流内环参考值配。

[0008][0009]

进一步，利用如下方程式，计算自适应下垂系数，

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其中，ki′表示直流微电网中第i个变换器的自适应下垂系数，ki表示根据功率输出

分配的实际要求，设置直流微电网中第i个变换器所需的下垂系数，Vdc表示直流侧输出电压，Id表示交流侧d轴电流，Rs表示整流器中电感滤波器的寄生电阻，ed表示分布式电源的电势。

[0011]进一步，所述整流器设置为单位功率因数的工作模式。[0012]本发明有益的技术效果在于：[0013]基于整流电路电流单闭环控制，采用Id-V下垂控制策略，其结构简单，设计新颖，成本降低，动态性能良好，具有明显的应用价值，在给出的主要元器件参数下，可以实现分布式电源功率的准确分配。

附图说明

[0014]图1为本发明的Id-V下垂控制系统的电路原理图；[0015]图2为传统的I-V下垂控制系统的简化原理图；[0016]图3为本发明的Id-V下垂控制系统的简化原理图；

[0017]图4为传统的I-V下垂控制系统与本发明的Id-V下垂控制系统的特征根轨迹对比图；

[0018]图5为传统的I-V下垂控制系统与本发明的Id-V下垂控制系统的时域仿真对比图；[0019]图6为本发明的Id-V下垂控制系统下分布式电源功率分配的时域仿真对比图；[0020]图7为本发明的Id-V下垂控制系统在不同负载情况下的功率分配示意图。具体实施方式

[0021]下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。[0022]参加附图1，本发明提供了一种用于直流微电网的自适应下垂控制方法，采用基于整流电路电流单闭环的下垂控制策略，结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，对下垂控制策略中的下垂系数做自适应调整，使其满足根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，即采用以交流侧d轴电流Id作为输入，直流侧输出电压Vdc作为反馈量直接生成交流侧d轴电流内环参考值

的Id-V下垂特性，以此作为整流器的输入，实现对分布式

电源的功率输出分配，相比传统方案无需控制外环，减少了控制外环中的PI控制器，缩短了整个电路的响应时间，提高了整个微电网系统的动态性能和稳定性，减少了传感器的数目，降低成本。

[0023]具体地，根据直流微电网中分布式电源功率输出分配的实际要求，设置采用下垂控制策略时对应各个变换器所需的下垂系数，再结合直流侧输出电压Vdc和交流侧d轴电流Id，计算出自适应下垂系数，然后，利用该自适应下垂系统对下垂控制策略做调整，生成交流侧d轴电流内环参考值

以此作为整流器的输入，实现对分布式电源的功率输出分

配，其工作原理如下：

[0024]传统的下垂控制策略主要是利用直流侧电压和电流的关系来调节整流器输出参考值，图2是传统的I-V下垂控制系统的简化原理图，通过测量直流侧输出电压Vdc给出整流

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电流外环PI控制器根据

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器直流电流参考值流内环参考值

和直流侧输出电流Io给出交流侧d轴电

单闭环整流器根据给出的交流侧d轴电流内环参考值控制分布式电源

的功率输出分配，其工作原理如下：

[0025]传统的I-V下垂特性的控制方程为：

[0026][0027][0028][0029][0030][0031]

忽略直流侧线路阻抗的情况下，多个分布式电源并联直流侧输出电压相等。Vdc1＝Vdc2＝...＝Vdcn(2)由公式(1)和(2)可以得出，直流侧输出电流与下垂系数成反比，如公式(3)所示

由公式(3)可以得出，通过设置下垂系数可以控制分布式电源的输出，实现功率分

配的调节。

[0032]而采用本发明的Id-V下垂特性控制的系统简化图如图3所示，其控制方程为：

[0033][0034][0035]

其中，k为下垂系数，为d轴电流参考值。

在忽略直流侧线路阻抗的情况下由公式(2)和(4)可以得出，各个整流器对应的交流侧d轴电流Id与下垂系数ki成反比。

[0036][0037]

由此可见，通过调整下垂系数ki可以调节交流侧d轴电流，但是，交流侧d轴电流Id

和直流侧输出功率并不成比例，为解决这种偏差，本发明设计了自适应下垂系数来调节下垂特性使输出功率与下垂系数成反比，实现准确的功率输出。[0038]根据功率守恒可以得出交流侧和直流侧之间关系为：[0039]P＝VdcIdc＝1.5(VdId+VqIq)(6)[0040]其中，Idc为变换器直流侧电流，Vq和Iq为变换器在q轴上的电压电流。[0041]根据基尔霍夫电压定律，分布式电源与整流器中电感滤波器的电压关系式为：

[0042]

其中，Ls为电感滤波器的电感值，Rs为电感滤波器的寄生电阻，ed，eq分别为交流侧d轴和q轴对应的分布式电源的电势，ω为分布式电源的基波频率。本发明中，Id-V下垂控制系统中的整流器设置为单位功率因数工作模式，即Iq＝0，由此，根据公式(7)可以得出系统的稳态工作点：

[0043]

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[0044]

忽略并网线路阻抗下，根据公式(4)，公式(6)，公式(8)可以得出Id-V下垂控制系

统的功率分配为：

[0046]

[0045]

根据公式(3)，进一步化简可得：

[0048]P1:P2....:Pn＝Idc1:Idc2....:Idcn＝Vd1Id1:Vd2Id2:....:VdnIdn(10)[0049]由公式(5)可知，Id-V下垂控制系统可以通过设置下垂系数准确的控制交流侧d轴电流的分配。然而，由于各个整流器的交流侧d轴电压Vd都不同，即输出功率与交流侧d轴电流不成比例，由此，通过设置下垂系数控制Id-V下垂控制系统的功率分配精度受到影响。为实现Id-V下垂控制系统的精确功率分配，结合公式(9)，本发明设计了如公式(11)所示的自适应下垂系数。

[0050]

[0047]

其中，ki′为直流微电网中的第i个变换器的自适应下垂系数，ki为根据功率输出分

配的实际要求，设置直流微电网中第i个变换器所需的下垂系数，然后，通过采集对应的直流侧电压Vdci和交流侧d轴电流Idi，结合对应的整流器中的电感滤波器的寄生电阻Rsi以及交流侧d轴的分布式电源的电势ed就可以得出自适应下垂系数，利用该自适应下垂系数来调整下垂特性，使得各个变换器按照设置的比例输出。

[0052]采用自适应下垂系数的Id-V下垂控制系统功率分配如公式(12)所示，可以看出，通过设置下垂系数可以实现Id-V下垂控制系统的功率准确分配。

[0051]

[0053]

[0054]

为了验证本发明的方法的可行性，我们做了一系列的实验，用于实验的主要元器

件的参数如下：[0055]电源：分布式电源，基波频率：50Hz，相电压峰值100V；[0056]电解电容C：1mF；[0057]电感滤波器Ls：2mH；

[0058]电感滤波器寄生电阻Rs:0.1ohm[0059]下垂系数k:1

[0060]恒功率负载PL:2000W

[0061]

直流母线电压参考值270V

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如图4所示，为传统I-V下垂控制系统与本发明的Id-V下垂控制系统的特征根轨迹

示意图。对传统I-V下垂控制系统与本发明的Id-V下垂控制系统分别建立状态空间并进行线性化分析，根据状态空间的特征根轨迹可以判断系统的动态性能和稳定性能，两个系统采用相同的电路参数和控制参数。增加传统I-V下垂特性下的电流外环控制带宽，绘制根轨迹(如图4中点)与本发明的Id-V下垂控制系统特征根(如图4中实线)对比。对比两个系统的主导极点(系统最右侧的点)，本发明的Id-V下垂控制系统的主导极点始终在I-V下垂控制系统的主导极点左侧，验证了本发明的Id-V下垂控制系统有着更好的动态性能和稳定性。[0063]如图5所示，为传统I-V下垂控制系统与本发明的Id-V下垂控制系统的时域仿真。两个系统在1秒前到达稳态，在1秒时对直流母线电压参考值注入阶跃信号，如图5所示，相比于传统I-V下垂控制系统的直流电压输出信号(虚线)，本发明的Id-V下垂控制系统的直流电压输出信号(实线)响应时间更快，超调量更小，动态性能更优越。[0064]如图6所示，为采用本发明的Id-V下垂控制系统下分布式电源功率分配时域仿真。两个Id-V下垂特性控制下的分布式电源，下垂系数分别设置为k1＝1和k2＝2，对应的直流电流输出比例应该为2:1，在0.2秒前直流电流输出电压比例为1.98:1存在误差，0.2秒时自适应下垂系数在系统中采用，直流电流输出比例为2:1功率分配准确。[0065]如图7所示，为本发明的Id-V下垂控制系统下，采用定常数下垂系数于自适应下垂系数分布式电源功率分配比例。两个分布式电源的下垂系数都设置为1，功率分配比值应该为1：1，可以看出定常数下垂系数下，功率的分配精确度会随着负载功率的增加而下降，而自适应下垂系数下，能够实现功率的精确分配。[0066]技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

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图1

图2

图3

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图4

图5

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图6

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图7

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