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论文方法大全-直流微电网下垂控制特性

2021-05-07 20:30:36

  微电网是新一代电力智能输配电系统的重要环节,更是未来智能电网的改革的关键部分。其中,直流微电网作为整个微电网系统里的一部分,比交流微电网更具有优势的地方,在于它能更加高效可靠的接纳风、光、潮汐能等分布式可再生能源系统,所以对于直流微电网的研究具有很重大的实际意义。下垂控制技术作为传统直流微电网的经典分配电流的方法,一直以来被广泛的研究与讨论。本文即对传统下垂控制技术在直流微电网中的应用进行讨论与合理优化,提出了针对孤岛运行时的直流微电网的一种新型的下垂控制策略,即分别对电压和电流进行补偿,这样的措施使得直流微电网中功率分配更加合理,并且减少了使用传统下垂控制技术时,因为符合变化造成母线电压的波动。最终通过MATLAB/Simulink软件,对所改进的下垂控制策略进行建模和仿真验证,得到的结果符合预期的情况,使用新型下垂控制策略后电压更加稳定,基本可以忽略负荷变化的影响,电流也可以根据阻抗合理分配。

  当前,有一种新型的发电与配电系统,其体积较小,因而被称之为微电网系统,这种系统整合了监控保护、变流器、储能装置、负载以及分布式电源等装置。通过对这种系统的能量管理技术与运行控制管理进行应用,能够将并网运行微电网系统或者单一运行微电网系统的过程予以实现,使得间歇性分布式电源负面影响配电网的情况减少,以保证通过分布式电源将输出最大化,使得供电过程得到保证,最终实现改善电能品质的目标。

  微电网作为未来智能电网和输配电系统的重要组成部分,国内外多地都已经开展了微电网试验示范工程,这些微电网示范工程一般有四个基本特点[1]:(1)“微型”,微网电压一般不超过10KV,系统规模一般不超过兆瓦级,接入终端用户,电能就地利用;(2)“清洁”,微网中的分布式能源主要是清洁能源或可再生能源,或以综合利用能源的形式发电;(3)“自主”是指微网中的电力电量完全或部分自平衡;(4)“友好”,可以减小大功率分布式电源接入时对电网产生的影响,使用户能够获得高质量和可靠的电力供应,并实现并网运行与孤岛运行的顺利切换。微电网从结构组成上来分,可以分为直流微电网和交流微电网。交流微电网能够对兼容交流负载的电网设备进行使用,其具有十分完善的保护装置。但是,当前的新能源、储能装置及其负载更多地使用的是直流电,因此直流微电网渐渐引起了人们的广泛关注[2-3]。与交流微电网相比,直流微电网能够更有效、更可靠地接受风、光等分布式可再生能源发电系统、燃料电池、电动汽车等直流电力负荷,并且不存在频率、相位、和调节无功功率等复杂的控制,像常用的电气设备,比如个人电脑、手机、台灯和电动汽车等等,都需要相应的电源适配器将交流电变成直流电进行驱动或者充电,如果将上述的发电单元和负荷接入到合适的电压等级的直流微电网,将省去交直流变换的多级能量转换装置,减少了成本,降低了能量的损耗。利用直流微电网的运行控制、储能管理等技术,可以实现孤岛运行,减少间歇式分布式电源对配电网络的不利影响,使分布式电源可以尽可能被有效地利用,来提高供电的可靠性和电能质量。

  直流微电网眼下仍然需要解决的主要技术如下[4]:

  (1)母线电压维持技术

  在直流微电网中,母线电压是一个很重要指标,它关乎了功率的合理分配和系统的稳定。我们采用了多种不同的控制策略,就是为了使直流母线电压保持在大小合适的范围内。若是电压过高,容易损坏系统内的装置和负荷。如果直流母线电压过低,就不能满足负载要求,提供稳定可靠的负载性能,这与引进直流微网的初衷相违背。

  (2)储能技术

  不管微网运行在哪种模式下,能量存储模块都是必不可少的。如果直流微电网中存在过多的分散式发电,比如光伏电池在大太阳的情况下产生多余电量,这些多余电量可以储存在储能模块中,再等到晚上光伏电源发不了电的时候,这些多余电量就会被释放出来。如果大电网的负荷很大或者电网提供的功率过剩的时候,存储在直流微电网中的能量可以起到削峰填谷的作用。直流微电网可以在孤岛和并网两种模式下运行,而储能模块在这两种情况下都扮演着重要角色。如果电网本身因为功率不等而需要由一种状态切换至另一种状态时,储能单元还可以提供一个暂时的能量来支持系统动作,来防止在切换过程中产生大幅震荡。

  (3)保护技术

  只要谈到电网,那么就会提及保护技术。鉴于直流微电网的组织结构不同于传统的大规模电网和交流微电网,因此有必要针对直流微电网的电路结构、设备特性和工作特性进行一些适当的改进,来保证直流微电网的可靠、稳定、高效地运行。这种直流微电网的保护主要集中在直流保护装置以及故障诊断和处理上,一般情况下,交流电在过零时会被切断,从而减少损坏。一般情况下,直流电流没有过零点,所以需要谨慎选择合适的直流保护装置,并且选择何时以何种方式来切除设备;目前直流固态断路器由于反应速度快、损耗低而受到业界的重视。不过直流微电网发生在母线以及支路故障的电气特点也与交流电有些不同,因此需要对此再进行更加深入的研究,旨在针对不同类型的直流微电网故障都能有一个合适的保护策略。

  1.2国内外研究综述

  就直流微电网系统而言,新能源的利用好坏直接取决于其输出电能的品质高低,其中,最关键的因素之一就是相关控制算法。为保证直流微网的稳定运行,需要针对微网中各单元的运行情况,将一种更加高效的能量管理方法研究出来[5-7]。截至当前,分层控制法、分布式控制法以及集中式控制法是三种主要的方案。其中分层控制结合了前两者的优点,在系统中既有集中控制器,有又分布控制器。对于能量管理来说,其基础是底层的分布式控制器,而保证直流微电网可靠性与安全性的核心也在于分布式控制器。事实上,在电网系统内部,会在直流母线中并联运行位系统中的所有单元,所以,底层控制面临的主要难题就是如何有效分配每一个功率单元的电流。当前来看,下垂式、平均电流式以及主从式是分配电流的主要控制方法。其中,较为传统的一种电流分配方法是下垂式控制法,最近几年受到了人们广泛的研究。下垂控制比主从控制更加适合于分布式的直流微电网系统,原因在于即便是没有通讯网络,这种控制方法仍然可以将各个单元电流分配目标予以实现,而主从控制需要有高速通信技术来做支撑。

  因为在直流微电网中无功功率几乎可以忽略不计,所以可以通过系统的母线来对系统整体的运行情况进行观察,通过分析研究得出,在分配并控制直流微电网系统的过程中,其控制信号我们也可以选为母线电压。对于传统的下垂式控制方式来说,我们只需要对电流与电压的关系进行利用即可,生成一个下垂曲线,使控制变换器的电压电流或电压和功率运行在下垂曲线上的控制方式。但是,传统下垂控制依然具有其局限性,由于在实际线路中,不可避免的会有线缆的阻抗的存在,这会使得电流分配精度与电压偏差的取舍问题总是存在于下垂式控制方式中。若是能解决或改善这个问题,那么下垂控制将可以更好地运用到直流微电网系统中,并且更加高效和稳定的输出电能,可以更高效合理的利用新能源。

  对于下垂式控制的问题来说,相当多的国内外学者针对其优化进行了大量的研究,大部分的情况,都是在传统的下垂控制的基础上,进行二次补偿或者其他形式进行优化。文献[8]给出了传统下垂控制的思路,即在变换器的电压与电流双闭环控制基础之上增加下垂式曲线控制,使得控制外环由其实现,在将变换器输出直流电压的参考值获取以后,对电压电流的双闭环控制模式进行使用。这个思路不足之处在于实际线路中两条线路并非一定具有相同的阻抗值,从而会对分流的精度造成一定的影响。它提出的改进措施为使电压以电压增量的方式参加下垂控制计算。不过这样的会导致母线电压的逐渐减小。还需增加一个电压补偿单元。文献[9]分析了下垂控制的一些弊端,指出了在低压微网中,由于下垂控制中对于电抗远大于电阻的假设不再成立,这使得无功解耦控制与有功解耦控制的难度大幅增加,此外,鉴于全局变量是微网系统的频率特性,能够使得每一个节点的线路阻抗会导致差异产生于下垂曲线之中,此外,如果源的位置与负载点较近,那么无功负载会产生地更多,这也会对无功出力的容量分配结果造成一定的干扰。并且当使用下垂策略时出现大容量微源切投,则会导致电压和频率超出限度。为了解决这样的不足,文献[9]提出了一种“虚拟电抗法”,即在下垂控制环节后将一个虚拟电抗环节增添进去,目的是为了对虚拟电抗与电流的积进行计算,而参考电压的负反馈信号值就源于这个计算值,并使虚拟电抗值足够大以达到X>>R的效果,可这样会导致因为增加的电抗而导致线路电压降落,由于具有不同的虚拟电抗值,会使得电压不同程度的变化,进而也会对分配结果造成干扰。作者经过分析之后,认为在此基础上增加电压补偿环节,可以很好的完成功率分配。文献[10]提出了一种改进的自适应下垂系数的方法,通过在下垂控制中引入功率和下垂系数的一次函数项,而提高负荷变化时系统的输出电压精度和稳态运行性能。又通过引入功率微分项来改善系统的动态调节性能。文献[11]则提出了一种基于分布式策略的下垂控制方法。与集中式策略中,基于多目标优化问题进行求解所不同的是,分布式策略通过交换相邻节点的信息来实现全局最优,这样减少了计算过程,提高了分配的效率。文献[12]文献[13]均在原有的下垂控制后增加了两个环节,文献[12]增加了电压补偿环节和电流分配补偿环节,通过这两个环节可计算出补偿电压和调节系数。而文献[13]则是增加了功率分配环节和下垂系数调节环节。通过这两个环节的反馈,达到精确调节的效果。这二者不同的是文献[12]默认的是电压均相等,而没有考虑到电压会存在偏差。文献[14]在包括电缆阻抗的情况下,对电压补偿法和电流补偿法进行了讨论与比较。针对电流补偿法,又细分了全局电压反馈和局部电压反馈。根据以上的方法进行分析之后得出了具有全局电压反馈环节的电流补偿法可以最好的分配电流,可以很好减弱电缆阻抗对电流配比的影响。文献[15]采用一种自适应式下垂控制法,通过采用本地的数据和两个附近微电源的数据来进行下垂系数的调整。

  1.3本文主要研究内容

  在实际的孤岛运行的直流微电网系统中,由于出口线路参数不一致及所辖负荷的影响,传统的下垂控制存在电压偏差与均流精度的固有矛盾。同时,系统的母线电压由于没有大电网的支撑而易于受到功率突变扰动的影响,从而电压波动问题难以避免。故改进传统的下垂控制方式对于直流微网的稳定运行十分关键。

  本课题研究即是基于上述内容展开,主要是针对直流微网中优化下垂控制特性的研究,本文首先是以孤岛运行的直流微电网的传统下垂控制策略为切入点,分析其基本拓扑结构,了解其运行方式,创建一个简单的直流微电网的系统模型,将传统的下垂控制应用在指定的直流微电网的模型中,并寻找其不足之处,就可靠性方面来分析此控制方法存在的问题,进行总结与改进,提出针对指定直流微电网的新型下垂控制技术策略。最后通过使用MATLAB/Simulink软件来以提出的新型下垂控制策略为根据来进行建模和仿真,最终验证通过这种经过改进的新型下垂控制。

  第2章直流微电网

  2.1直流微电网的定义

  所谓直流微电网系统,指的是由直流供电构成的微电网。它无论是现在或是未来的整个智能能源配用和供电系统的重要功能组成的一部分,对于加快推进发达国家实施节能减排低碳高效减排和对于加快企业实现清洁利用能源的健康可持续发展都非常具有重要的指导意义。

  2.2直流微电网设计原则

  在对直流微电网系统进行创建时,我们需要做的是在电网系统中接入小型分布电源与新型负载,但是对于直流微电网系统而言,其具有较大差异的负载特点与电源特点;有直流型分布式电源,也有交流型分布式电源;光伏和风力发电存在波动性,且无规律。另外直流微电网的运行方式、应用场合、控制要求相应的也有所差别。因此,除了要对直流微电网系统的安全与稳定性提供保障,还要考虑到城市负载集中位置以及偏远地区的各类应用情况。根据直流微电网的运行情况,其结构设计应符合以下几个基本原则[16-17]。

  1、将路途中的能量流动降低,合理搭配分布式电源与小型负载,重的负荷尽量靠近并网点。

  2、提升系统灵活性水平,能够以实际的需求为基础对运行的状态进行灵活变换。

  3、系统的框架需要将能源互补的需求予以满足,在白天日光足够的时候发电通过光伏过程进行,而在夜晚具有足够的风能时通过风力进行发电。

  4、需要将储能装置配置于系统内部,同时对一级负载的供电可靠性水平提供保障。

  5、要对分布式电源的接入过程以及用户负载的接入过程提供便利,即系统可拓展性能应较好。

  直流微电网的设计关键在于如何合理进行优化规划,一个合理的优化配置方案可以保证系统可以安全并且经济高效的运行。优化规划的目的在于调节分布式能源和系统负荷的关系,在对系统负荷做好预测分析之后,高效利用分布式能源。依照这个目的,在进行系统结构的设计和装置的选配。

  2.3直流微电网的结构

  就直流微电网系统而言,系统的整体框架通过直流连接方式来实现,基于不同的装置与元件在直流母线中连接了不同部分,然后对所有单元的功率交换过程进行利用来将系统的平衡与稳定提供保障。

  系统的整体框架具体可见下图。

  图2-1直流为电网系统的基本框架

  事实上,直流微电网系统与当前的大电网系统是有较大区别的,对于前者来说,其需要接入可再生能源以提供能量供给,所以系统内电源的形式大部分是分布式电源,从而使可再生能源能够得到利用。下文中将对微电网系统的几部分单元进行具体介绍[18]:

  2.3.1公共电网单元

  大电网通常指的是公共电网单元,在这个单元中,我们可以对多个双向变换器进行利用,以实现连接直流微电网系统的过程,并且这个单元借助对变换器的使用来将与不同微电网系统的功率流通过程实现,双向AC/DC变换器则如阀门一样起到了控制功率大小和流动方向的作用。当直流微电网因过载等情况出现缺电时,控制过程基于双向变换器来实现,能够将公共电网把功率输送给直流微电网系统的目标达成。然而,当分布式电源的输出功率增加导致直流微电网出现功率过多时,可以通过双向交流AC/DC变换器来将直流微电网系统输送功率至公共电网的过程实现。当我们在公共电网单元内接入了微电网系统以后,我们就用“并网运行”状态来命名此时微电网系统的状态,而如果直流微电网不与公共电网单元连接,则称为“孤岛运行”的状态,此时直流微电网内部的分布式电源和系统负荷达到功率平衡。公共电网单元是直流微电网的关键构成部分,其与直流微电网之间的关系是相互依赖的。

  2.3.2分布式电源单元

  对于分布式电源来说,其交直流微电源类型较多,主要包括微型燃气轮机、燃料电池、风力发电机以及光伏电池等。对不同的装置与技术进行利用,就能够将对不同可再生能源的使用过程实现,进而有效提升系统的生态效益与经济效益。通常来说,对于直流微电源的分布式电源而言,其主要由风力涡轮机与光伏电池两种构成,其能够分别将针对风能与太阳能的利用过程实现,进而将可持续发展予以满足。我们对相应的直流变换器进行利用,以在直流母线中连接光伏电池,使得其中的直流电能够通过。当光照条件不同时,通过控制直流变换器获得相应不同的功率。风力涡轮机由于它是交流电源,因此,其与直流总线的连接只能由转换器来实现,进而对电能进行高效利用。对于不同的状况,我们需要对分布式电源的不同控制方式进行利用,这样才能够将控制效果实现。

  2.3.3储能单元

  就直流微电网系统而言,有大量的分布式电源存在于系统内部,这些电源能够将较高水平随机性与波动性的电能发出。分布式电源发出的功率若出现波动,功率传输质量就会下降,影响用电负荷,还有可能导致整个系统崩溃,特别是当直流微网处于孤岛状态时。储能单元是直流微网系统的重要组成部分,储能单元的充放电过程由双向变换器实现,进而稳定直流母线的电压值以及系统的总功率。

  2.3.4负载单元

  当前社会,直流负荷呈现逐渐上升的趋向,如果能够对直流微电网系统进行有效利用,那么可以对供电过程提供更好的保障。实际上,我们可以分别借助于交直流变换器与直流变换器,以在系统的直流母线中接入交流负载与直流负载,这样一来,直流微电网的供电过程就实现了。通常来说,只有可中断负载与敏感负载能够接入到系统中。若系统没有平衡的功率,那么可以借助于变换器来对负载进行处理,以实现稳定系统总功率的目标。

  2.3.5直流母线单元

  我们借助于变流器来实现系统所有单元中接入直流母线的过程,直流母线电压的大小是衡量微电网系统功率是否平衡的重要依据。我们应该按照相应的控制策略,保持系统直流母线电压平衡,不要产生太大的波动,这样才能让直流微网系统安全、稳定运行。

  2.4直流微电网的电压等级划分

  我们一般的家用型直流微电网中主要由以下几种负荷:小功率直流负荷,主要有台灯、手机、电视;大功率的直流负荷,有电动汽车等;还有空调、抽油烟机、冰箱等单相低压交流负荷;而小型家用微电网中的分布式电源有小功率的风电、光伏电池和储能装置。

  为了便于上述直流负荷、分布式电源设备接入直流微电网,为其分别选择DC 24 V、DC 48 V、DC 260 V、DC 400 V的电压等级序列,DC 400 V用作各个家庭用户之间互联的母线。在本文中,采用的DC 400 V的直流电压等级进行建模与计算[19-20]。

  2.5本章小结

  本章主要介绍了下垂控制的主体——直流微电网。直流微电网主要由公共电网、分布式电源、储能装置和负荷四个部分组成。并可以划分成由小至大的四个直流电压等级。在本文中使用DC 400V作为本文模型的母线电压,为接下来的仿真建立模型提供依据。

  第3章传统下垂控制

  3.1下垂控制原理介绍

  若我们要在直流微电网内接入分布式电源,通常而言,由于制造厂家不同等因素,不同的并联变换器会具有不同的阻抗值,这种情况就会致使不同分布式电源的输岀的电流不相同,进而使得环流形成与不同的变换器之间。当出现环流以后,微电网系统的性能就会受到影响,所以我们要对这一点进行充分考虑。与其它的控制方法相比较而言,此方法的最大优势是无需网络通讯,对等控制方式是下垂式控制方法的属性,其能够将并联变换器环流降低,而无需通讯网络就实现不同控制设备之间的通讯过程,此外,其具有简洁的架构,因此系统瘫痪等问题一般不会出现[21]。下垂式控制方法的具体含义为:将一个电阻加入到每一个变换器与直流母线之间,在增大输出电流的过程中,会减小输出的电压值,当输出电流减小时,电压又会增加,此法又被称为自适应下垂法[22]。为了不让直流微电网结构更复杂,这个电阻通常利用控制策略去产生,并不是使用的真实存在的电阻,而是虚拟的。

  3.2传统下垂控制模型

  直流微电网和我们所知的大型电网系统有所不同,直流微电网一般是由包括光伏、风电等间歇性分布式电源、燃料电池和燃气轮机等可控型分布式电源,大容量电池或超级电容等储能单元以及本地交直流负荷构成。直流微电网的运行模式主要分为孤岛模式和并网模式两种。在并网模式运行的状态下,直流微电网需要通过双向DC-AC变流器完成与外部交流大电网的能量交换;而当直流微电网工作在孤岛模式下时,其内部的负载供电只由直流微电网内部的分布式电源提供。对于当前既有的直流微电网系统而言,其中的下垂式控制方案有着最广泛的应用,通过这种方案,我们能够将并联分布式电源之间的高效分布过程予以实现,进而将系统的稳定性水平提升[23-24]。

  对于直流微电网系统而言,直流母线电压的波动直接反映了其传输的信息,当系统处于孤岛运行时,直流电压不一定是固定值,而是一定范围内的可变值。因此提出了一种基于直流母线电压作为信号的控制策略,即在直流微电网中,将下垂控制加在双闭环控制的前端,得到一项输出电压参考值,再进行直流电压和直流电流的双闭环控制。具体控制框图如图3-1所示。

  图3-1下垂控制框图

  为了验证本文以孤岛运行的直流微电网为例子提出的改进下垂控制策略,根据直流微电网的设计要求以及结构,本文设计出如图3-2所示的简化版模型

  图3-2含三组直流微电源的直流微电网简化模型

  图3-2中,、、为直流微电网中三台直流微电源的初始给定电压;、、为直流微电源到公共负载的输电线路阻抗,其中=+;一般分布式电源出厂都会自带一个固定的下垂系数,,,分别是三台直流微电源下垂系数的等效电阻,、、为各个直流微电源输出电压;、、为三台直流微电源的输出电流,Udc为直流母线电压。

  在由三个直流微源并联组成的直流微电网模型中,下垂控制的表达式可以写成:

  =-(3-1)

  因为在直流微电网中每个分布式电源的下垂特性都可能不同,这意味着对每个分布式电源的下垂系数有不同的取值。由不同的下垂系数产生的母线电压降落可由式(3-2)得出

  =-=(3-2)

  图3-3描述了当两个直流微电源有着不同下垂系数时的下垂曲线,当微源的直流微电源空载运行时(即=0时),电压降落为0。在目前直流微网系统中,线路的阻抗特性会受到温度、材料等内外因素的影响,实际计算方法比较复杂。为了将潮流分布受到线性踏板的干扰降低,最合适的方法是将垂度系数增大。

  在传统下垂控制的使用中,我们需要在既定的范围中来选用下垂系数,如此才能够对系统的稳定性提供保障。如果取到了过大的垂度系数,那么母线电压可能与既定值之间偏差较大,进而对系统稳定性造成影响。以下为垂度系数的具体选取规则:

  0(3-3)

  在(3-3)式中:为微源侧直流微电源输出电压最大允许偏移量,其中=%其中取值一般为5%;为直流微电源满载时的输出电流。

  图3-3两个不同下垂系数的直流微源的下垂曲线

  在一般的低压小容量的直流微电网系统中,输电线路可以认为是阻性的,所以我们设定线路阻抗Z约等于R,因此下垂公式更改为:

  =--(3-4)

  =--(3-5)

  =--(3-6)

  如果忽略线路阻抗的影响,即取Ri=0(i=1,2,3),因为母线电压相等,那么则每一个直流微源所发出的功率之比即为电流之比,此比值应该与下垂系数成反比,即

  ::=::(3-7)

  在大范围的直流微电网系统中,当系统分布式电源对下垂式控制方法进行使用时,我们可以借助设定下垂系数的方法来将不同分布式电源之间分配负载的过程实现,但是这个时候我们必须考虑到公共负载与直流微电源线路的阻抗值,即发出功率会受到线路阻抗值的影响,由(3-4)(3-5)(3-6)式可得

  ::=::(3-8)

  由式(3-8)可以看出,通过提高下垂系数达到满足》,此时功率分配满足式(3-7)。

  3.3传统下垂控制功率分配研究

  从上文的分析中我们能够获悉,在对下垂控制方案中的垂度系数进行选取时我们要保证其合理。但是如果将下垂式控制方案应用于分布式电源中,那么垂度系数固定后也会有一些问题出现。首先的问题是功率分配精确程度的问题。在本文的三个直流微电源所构成的模型中,如果采用传统的下垂控制方式,需要对3个相同的垂度系数进行设定,对于理想状况而言,下垂式控制方法能够自行进行调节,以实现精准分配功率的过程,不过在实际运行时,假设三个直流微电源的功率相同,下垂系数相等,那么由于线路阻抗的存在,并且通常而言线路会具有不同的阻抗,那么功率就无法精准的平均分配。

  不仅如此,还有一个严重的问题存在,即在下垂式控制方案中,我们不能够防止偏差出现于直流母线电压中的情况。具体内容可见下图。

  综上所述,我们需要将下垂控制系数的值适宜地增大,这样一来就能够将功率分配过程受到线路抗阻的影响程度降低,但是如果取值过大,又会引起较大的电压降落,这会对直流微电网的稳定运行造成影响,所以,这个矛盾便是传统下垂控制的弊端与局限性所在之处。

  3.4本章小结

  本章主要讲述了下垂控制相关的问题。首先是介绍下垂控制的作用原理,其本质就是在直流微电源和到微电网之间加一个电阻,此电阻的作用可以让微电源的电流增大时适当减小输出电压,微电源输出电流减小时增大输出电压。为了使理论落地,我们建立了一个三个直流微电源并联的直流微电网模型,发现按传统方法来分析,输出的功率精度存在问题。这便是传统下垂控制的不足之处。

  第4章新型改进方法

  4.1 P-I调节

  在此新型改进下垂控制方案中,我们对PI调节器进行了应用。线性控制时这种调节过程的特点,其能够以受控制对象的实际输出值与既定值为依据来对偏差进行控制,然后基于线性组合的方式来将控制量形成,其由偏差的积分与比例构成,最终实现控制受控对象的过程。

  比例调节:设定一个标准值,如果有偏差出下雨标准值与系统之间,那么其就能够立即开始调节,进而将系统偏差值减小。如果增大比例调节的功效,则能够将调节速率加快,使得系统误差减小,但是此调节功效也不能过大,否则也会对系统的稳定性造成影响,甚至有可能造成系统崩溃。

  积分调节作用:用于消除系统存在的稳态误差,提高了无误差程度。当系统存在误差的时候,积分调节会一直进行,直到无差异,则停止积分调节。此功能通常根据积分时间常数Ti来确定积分作用的强度。Ti数值越小,那么就具有越强的作用。反之,如果具有过大的Ti值,那么就会削弱积分作用。如果将积分环节引进到系统内,那么会使得系统的稳定性降低,并且系统的动态响应过程也会延迟。因此,在实际使用过程中,通常会结合另外两种调节方法,构成比例积分调节器或比例积分微分调节器。

  4.2 PWM控制

  在新型改进下垂控制方法中,还使用到了PWM控制技术。PWM控制技术是一种调制脉冲宽度的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,以达到所需的效果,(包括波形和幅度),是此方法中内环控制的核心环节。

  对于采样控制理论来说,有一个理论较为突出,即如果窄脉冲具有不同的形状,但是其有着相同的冲量,那么当在既有惯性的环节中加载时,其作用基本是一致的,PWM控制技术的基础就是这个原理,以对半导体开关元件的开启与断开等过程进行控制。用这些脉冲来代替我们所需要的控制波形。此方法的好处就在于从处理器到被控系统信号都是数字形式的,在进行了数模转换之后,噪声的影响会大大减弱。在本新型改进方法中,PWM控制作为内环控制的最后一步,将改进下垂控制输出的电压变成控制信号,重新反馈到三个并联的直流微电源中,成为可变的阻抗,来控制直流微电源的电压输出。

  4.3补偿环节

  本文提出的新型改进下垂控制策略如图4-1所示。以三个直流微源的并联的孤岛运行系统为模型,以三组中的一组为例子,在传统下垂控制的外环部分,添加了二次补偿的环节。二次补偿环节包括了电压补偿和电流补偿,电压补偿的作用是减小母线电压的波动,让母线电压的波动在所允许的一定范围内,电流补偿的作用是确保了直流微电源以负载阻抗来进行等比例的分流。经过改进之后的新型下垂控制系统框图如图4-2所示。

  图4-1结构控制图

  图4-2改进下垂控制系统框图

  4.3.1电压补偿环节

  在修改方案的下垂控制中,计算直流微源的电压补偿量的步骤是是首先将三个直流微电源的电压进行求和再除以直流微电源的数量,这样可以求得直流微电源的电压均值,,此即为三个直流微电源实际运行时下垂控制所要维持的电压值,如(4-1)所示

  =(++)/3(4-1)

  将此参考值其中一个直流微电源的输出电压相比较,可以产生一个针对这个直流微电源的电压的偏差量。此补偿系数的意义是,这个直流微电源和理应维持的电压值差了多少,就会为它补偿多少。

  =-(4-2)

  我们的目的就是需要将这个电压补偿值最终通过内环控制反馈到直流微电源中,同理其他的两个直流微电源也是如此操作。经过这样的流程可以使得在一开始输出电压较大的直流微电源减小电压输出,而输出电压较小的增大电压输出。

  最后得到直流微电源的外环电压补偿量ΔU可以表示为:

  =(4-3)

  此式子中:为第i个直流微电源的补偿电压;是第i个直流微电源下垂系数给定值;为第j个直流微电源的输出电压。

  4.3.2电流补偿环节

  在下垂控制的改进方法中,电流补偿控制的实质是将三个直流微电源的电流输出值进行求和再除以总的直流微电源数,从而得出三个直流微电源的平均输出电流值,此值即为理论上三个微电源实际运行时所维持的电流值,如式(4-4)所示。

  =(++)/3(4-4)

  与其中一个直流微电源的输出电流值进行比较,求出电流的偏差量。

  =-(4-5)

  经过对此偏差量进行PI调节,在此运用PI调节,只要选择合适的系数即可让偏差量在多次循环中逐渐变小,经过PI调节后,可以得到该直流微电源的补偿下垂系数ΔRi,此下垂系数是呈现阻性的。将线路的固定补偿值Ri与补偿下垂系数相加,可以得到变下垂系数Rvi的值。这样的操作可以使得在一开始将较大的直流微电源的电流输出降低。

  =(4-6)

  最终改进之后的变下垂系数的值表示为:

  =+×(4-7)

  此式子中:为第i个直流微电源的变下垂系数;是第i个直流微电源下垂系数给定值;和分别是PI调节器的比例系数和积分系数,在此处分别为10和200;为第j个直流微电源的输出电流。

  4.3.3改进结果

  因为电流补偿值经过PI控制之后,输出的值代表着可变下垂系数,这个可变下垂系数是呈阻性的,单位是Ω,为了进行在下垂控制环节进行正常的计算,需要在进入下垂控制环节前分别乘以各个线路上的输出电流,这些操作方式在图4-2也得以体现。

  补偿控制能有效降低直流微电网母线部分的电压降落,并能显著提高直流微电流源的功率分配精度。经过改进后的下垂控制公式可以表示为:

  =+-(4-8)

  此公式中表示直流微电源经过下垂控制后得到的参考电压,表示母线电压。

  4.4系统流程说明

  此孤岛运行的三直流微源并联运行的直流微电网包含了如图4-2所示的几个部分:电压补偿环节、电流补偿环节、下垂控制环节和内环控制环节。

  当系统开始运行时,通过读入三个直流微电源的输出电压进入电压补偿环节,可以得到每一个直流微电源需要补偿的电压补偿量。同时再读入三个直流微电源的输出电流进入电流补偿环节,得到需要补偿的下垂系数补偿量,该下垂系数补偿量和此支路的输出电流,以及可以预先规定的母线电压一同组成了一个U-I下垂控制系统,此系统输出的值即为经过补偿后的各个支路的电压值。

  为了使下垂控制输出的的值可以再反馈到三个直流微电源中,在下垂控制系统后接上了一个内环控制系统。通过下垂控制输出的值在内环控制系统中先于所在支路的电压比较,再与所在支路的电流比较,经过两轮PI调节器,再经过PWM控制,可以调制出一个反馈信号,这个信号由两部分组成,为“非”门关系,一个信号传递到与电源并联的IGBT中,一个信号传递到与电源串联的IGBT中(系统图详情可见附件),通过对IGBT的控制这样可以控制微电源的输出电流和电压。此信号起到了一个虚拟电阻的作用,不过这个电阻不是固定值,而是随着三个并联直流微电源的电压和电流变化而变化的值。

  4.5本章小结

  本章则提出了对于上一章问题的新型改进方法。在下垂控制中,PI控制在系统中的作用是减小偏差,而PWM环节在系统中的作用是下垂环节生成的连续信号制成脉冲信号来反馈到分布式电源中控制电流输出。在新型方法中,电压电流补偿的作用是消除由系统线路阻抗不一致而引起的电压不等和电流不与下垂系数匹配,可以改进传统下垂控制的不足。

  第5章仿真结果和分析

  为了验证新型经过改进了电压补偿和电流补偿之后的下垂控制的有效性,我们对MATALAB软件中的Simulink部分进行了应用,将直流微电网模型构建完成,其由3个直流微电源并联连接,具体结构可见图4-2,下表中呈现出了模型了详细参数值。为了方便计算并且简化系统复杂的程度[25-26],在这个模型中将固定下垂系数Rd1、Rd2、Rd3均设定为0。

  名称参数名称参数值

  直流微电源1输出电压Udc1/V 200 V

  固定下垂系数Rd1/Ω0Ω

  线路电阻R1/Ω0.1Ω

  直流微电源2输出电压Udc2/V 200 V

  固定下垂系数Rd2/Ω0Ω

  线路电阻R2/Ω0.2Ω

  直流微电源3输出电压Udc3/V 200 V

  固定下垂系数Rd3/Ω0Ω

  线路电阻R3/Ω0.3Ω

  公共负荷负载电阻RL/Ω120-30、17、4.8Ω

  母线电压/V 400 V

  表5-1直流微电网模型参数表

  阻性负载是系统内的公共负载,由于在孤岛运行时,直流微电网系统仅有5300瓦的容量,属于小型系统,与上文内容结合可以获悉,以既有的直流微电网系统的电压等级标准为依据,我们可以得到当前模型的母线具有400伏的电压等级,为了给直流微电网添加扰动来检验系统稳定性,在此使公共负荷由120Ω下降为30Ω,这是本系统唯一的扰动部分,仿真总时间设置为1 s,并设定当t=0.8 s时,公共负载阻值由120Ω分别变化到30Ω、17Ω和4.8Ω;针对线路阻抗不均等的问题,我们创建了这个模型来演示验证传统下垂控制和改进下垂控制对电压降落和功率分配的控制性能。图5-1至图5-5模拟了传统的下垂控制和改进的下垂控制的电压、电流情况。

  5.1电压分析

  图5-1为传统的下垂控制的电压降落,负荷在0.8s的时候由120Ω切换成了30Ω,图5-2对应的是同等外部条件下,经过改进之后的下垂控制的电压降落。图5-3是改进之后的新型下垂控制电压降落,只是负荷在0.8s的时候由120Ω切换成了17Ω。图5-4是改进之后的新型下垂控制电压降落,只是负荷在0.8s的时候由120Ω切换成了4.8Ω。

  图5-1传统的下垂控制的电压降落

  图5-2改进之后的下垂控制电压降落1

  图5-3改进之后的下垂控制电压降落2

  图5-4改进之后的下垂控制电压降落3

  由图5-1和改进下垂控制之后的图5-2可知在0.8 s之前,在线路阻抗不同的条件下,传统的下垂控制和改进的下垂控制均将母线电压保持在了400 V左右,可是,对于传统的下垂式控制方案来说,其无法二次补偿电源的输出电压,因此无法有效抑制不同微电源的输出电压值,因为其受到线路电阻与下垂式电阻的分压影响,即我们无法在400伏的电压等级中维持其数值,并且当不断增大变流器电流后,相应的也会加大电压的降落,所以在0.8s开始,当公共负荷由120Ω变成了30Ω之后,有过大的跌落产生于传统的下垂式控制方案中的母线电压内,其电压等级为390伏,下降了约百分之2.5%。

  在对下垂式控制方案进行优化之后,我们将电压偏移补偿控制引入,同时对PI调节方式进行应用,有效地减小了输出电压的降落,使母线电压最终维持在了398 V左右,此直流系统母线电压的误差控制在了大约0.5%左右,可见经过改进后的新型下垂控制对母线电压维持稳定的效果是明显的。不过,因为新型的下垂控制存在对三个直流微电源电压求均值的过程,这过程因为线路阻抗的不同而导致系统负荷变化初期会有比传统下垂控制的电压更多的的波动,在图中展现的就是电压上面的“毛糙”。不过,这一部分不足的影响就会随着计算的不断迭代,随着系统运行时间越来越长,会变得越来越小并且趋于稳定。

  由图5-2、图5-3、图5-4对比可得,当负荷扰动增大时(电阻变化幅度增加),新型改进下垂控制的电压稳定性会降低,并且到了图5-4的时候,可以发现已经无法正常稳定电压了,导致系统崩溃,这代表着新型的下垂控制只能在一定的程度上稳定电压,而不可能无限度的维持电压稳定。当系统负荷变化太大的时候,就需要别的措施,比如切除或者增加补偿负荷,来维持母线电压的稳定了,仅靠此下垂控制已无法达到要求。

  5.2电流分析

  图5-5传统的下垂控制电流分配

  图5-6改进之后的下垂控制电流分配

  为了方便观察,在此处将三个直流微电源的输出电流放在了一个图片中。从上图中我们可以获悉,本文提出的新方案能够以不同直流微电源输出的平均电流值为依据来对垂度系数的补偿值进行明确,进而实现二次补偿输出电流的目的。改进后的电流波形虽然不如改进前的稳定,但是波动误差均在5%左右的范围内,属于工程标准以内。更重要的是,电流的分配比例更加合理,按照初始设定的参数,三个电流在进行公共负荷变更导致的再分配之后的比值应为:

  ::=100:50:33(5-1)

  由图5-5可得,改进前下垂控制前的电流的数值分别为5.2 A、5 A、2.8 A,将这些数值带入公式(3-8)并按比例放大可得:

  ::=100:96.15:53.85(5-2)

  由图5-6可得,改进后下垂控制后的电流的数值分别为7 A、3.6 A、2.5 A,将这些数值带入公式(3-8)并按比例放大可得:

  ::=100:51.43:35.71(5-3)

  对比公式(5-1)、(5-2)和(5-3)可知,仿真得出的改进后的电流和理论值更加匹配,是按照线路阻抗倒数的比例进行分配的。而传统的下垂控制却无法按照所要求的比例去分配。