一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法

本发明属于直流微电网运行控制技术领域，具体涉及一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法。

背景技术：

近年来，随着化石能源短缺和环境污染问题的不断加重，分布式电源的发展得到了学术界和工业界的广泛关注。而微电网技术作为灵活集成各类分布式电源、储能单元和负荷的有效途径，也得到了长远发展。

与传统交流微电网相比，直流微电网具有更高效的能源变换环节、无相位和频率问题等优势，在分布式电源并网、重要负荷供电等领域得到了重要应用。

直流微电网并网运行，也通过双向ac/dc变流器与交流微电网或上级交流电网连接进行功率交换。对于孤立运行的直流微电网来说，可供选择的控制模式包括基于中央控制单元的集中式控制方式，以及基于下垂控制特性的分散式控制方式。

由于分散式控制方式在功率成比例共享和自主平衡方面具有优势，且无需高速的通信环节，因此基于下垂控制特性的分散式控制方式在直流微电网dc/dc换流器控制器设计中得到了广泛的应用。

考虑到分布式电源的波动性、不确定性，及其并网控制系统的低惯量特性，基于下垂控制的直流微电网稳定运行问题得到了国内外学者和工业界的关注。总体来说，直流微电网的稳定性分析及控制分为小信号稳定和大信号稳定。小信号稳定分析有效简化微电网分析的难度并突出其物理机制，从而保证系统的稳定运行。其中，基于阻抗模型和nyquist准则的频域稳定性分析方法在处理小信号稳定性分析领域具有显著优势。而大信号稳定性分析虽然对于系统稳定运行同样重要，但由于涉及到非线性特性的建模，因此相对复杂，尚未有成熟的处理方法。

已有研究尚未涉及含不同类型负荷接入的直流微电网阻尼特性和增强控制方法。随着用电侧负荷类型的不断丰富，电阻型负载、恒功率负载(constantpowerloads，cpl)，以及感应电动机负载，越来越多地接入微电网，它们之间的交互行为也越发复杂，对传统控制方法的适应性带来了挑战。

因此，对于含不同类型负荷接入的直流微电网来说，其阻尼交互特性和增强控制方法的提出对系统稳定性能的提升相当重要。现有的直流微电网阻尼增强控制方案未考虑多类型负荷接入的场景，无法体现不同类型负荷之间的交互影响。

技术实现要素：

发明目的：针对含多类型负荷的下垂控制直流微电网，本发明的目的在于基于其稳定性分析结果提供一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法，通过挖掘含多类型负荷的直流微电网阻尼特性来实现系统动态稳定性的提升。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法，该直流微电网包含电阻型负载、恒功率负载(constantpowerload，cpl)和感应电动机负载，包括如下步骤：

1)基于等效分析，当dc/dc变流器采用下垂控制，得到直流电压控制方程；

2)根据基尔霍夫定律，得到第i个dc/dc变流器的动态方程；

3)根据线性叠加定理，推导传输函数，进而得到下垂控制信号；

4)将下垂控制信号再输入到电压外环和电流内环的pi控制中，从而得到最终的控制信号；

5)基于直流微电网小信号阻抗分析，得到dc/dc变流器的小信号等效输出阻抗，进而得到线路的小信号模型，最终得到电阻型负载的小信号模型；

6)对于恒功率负载，基于基尔霍夫定律推导动态电压方程；对于cpl变流器而言，推导占空比小信号模型，进而得到恒功率负载的小信号模型；

7)对于感应电动机负载，推导转子转速控制的小信号模型，根据ac/dc变流器的功率平衡原则，得到其直流母线电压的小信号模型，进而得到感应电动机负载的小信号模型。

进一步地，所述的步骤1)中，具体如下：uei，uej，ili和ilj是第i个和第j个dg的端口电压和电流，li，lj，ci和cj分别是第i个和第j个dg的滤波电感和电容，rlinei，llinei，rlinej和llinej分别是对应的线路参数，idci和idcj分别是第i个和第j个dg的输出电流，所接入负荷分别是电阻型负载rload，恒功率负载pcpl和感应电动机负载pim。dc/dc变流器采用下垂控制，直流电压控制方程为

式中，为直流电压控制参考值，和为额定直流电压和额定功率，pdci为实际输出功率，ki为下垂控制系数。

进一步地，所述的步骤2)中，具体如下：第i个dc/dc变流器的动态方程为

其中di为占空比；将动态方程的状态变量写成稳态量和小扰动量。忽略二次项，得到动态方程的小信号方程为

式中，s为微分算子，δ为小信号扰动符号，di，ili和udci表示对应的稳态量。

进一步地，所述的步骤3)具体为：根据线性叠加定理，δili，δdi和δudci之间的传输函数表示为

将直流电压控制方程中状态变量写成稳态量和小扰动量，得到下垂控制环节的小信号方程为

其中为下垂控制参考电压的小扰动量，将所提双虚拟阻抗环节加入到下垂控制环节的小信号方程中得

式中，ld1和ld2分别是双虚拟阻抗环节的阻抗参数。

进一步地，所述的步骤4)中，最终的控制信号为下列关系

其中gupi(s)和gipi(s)分别是电压外环和电流内环的传递函数。

进一步地，所述的步骤5)中，dc/dc变流器的小信号等效输出阻抗为

将dc/dc变流器端口到负荷端口的线路等效为π型阻抗模型，进而得到线路的小信号模型为

zline(s)＝rline+slline

式中，rlinei和llinei分别为线路的等效电阻和电抗值。

由于电阻型负载直接用电阻rload表示，因此电阻型负载的小信号模型zr-load(s)为

zr-load(s)＝rload。

进一步地，所述的步骤6)中，具体为：对于恒功率负载，基于基尔霍夫定律其动态电压方程为

式中，lcpl和ccpl为cpl变流器的滤波电感电容，icpl，ill和icl为变流器对应的支路电流，upcc和url为cpl端口直流电压和输出电压，dcpl为cpl变流器的占空比；通过对动态电压方程进行小信号分解和拉普拉斯变换得到

式中，dcpl和upcc分别为dcpl和upcc的稳态量，对于cpl变流器而言，其占空比小信号模型为

δdcpl＝-(irlδurl+urlδirl)gppi

进而得到

负载电流icpl和电感电流ill的关系为

δicpl＝dcplδill+δdcplill

根据叠加定理，得到恒功率负载的小信号模型zcpl-load(s)

式中，传递函数gtf-cpl(s)为

进一步地，所述的步骤7)中，具体为：对于感应电动机负载，其电压状态方程和磁通方程以及运动方程

式中，ψsd，ψsq，ψrd和ψrq分别为dq轴的定子和转子磁链，ird和irq分别为dq轴的转子电流，rs，ls，lr和lm分别为定子电阻，定子电抗，转子电抗和互感电抗，ωe为电气角频率，jim，te和tl分别为转子惯量、电磁转矩和机械负载转矩；由于电机负载转子转速调节与q轴控制有关，得到转子转速控制的小信号模型为

式中，gωpi和giqpi为转子转速和电流pi控制的传递函数；根据ac/dc变流器的功率平衡原则，结合转子转速控制的小信号模型得到其直流母线电压的小信号模型为

感应电动机负责的机械负载转矩与转子转速的平方成正比，则有

式中，ktl为比例系数，和为转速和电气角速度的稳态量；得到感应电动机负载的小信号模型zim-load(s)为

进而得到整个直流微电网系统的等效输入阻抗zin(s)、输出阻抗zout(s)和阻抗比tm(s)分别为

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法，有效增强不同类型负荷接入下直流微电网的阻尼特性，提高了系统的动态性能。本发明包含了一个双虚拟阻抗，有效减小系统暂态时的过渡过程，对提高直流微电网系统的动态响应特性具有指导意义。

附图说明

图1为直流微电网系统拓扑结构示意图；

图2为直流微电网分析简化示意图；

图3为直流微电网小信号阻抗分析示意图；

图4为直流微电网nyquist分析结果图；

图5为直流微电网仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就相互组合。

一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法，包括如下步骤：

1)如图1所示，考虑多类型负荷接入的直流微电网包含电阻型负载、恒功率负载(constantpowerloads，cpl)，以及感应电动机负载等。其等效分析示意图如图2所示。在图2中，uei，uej，ili和ilj是第i个和第j个dg的端口电压和电流，li，lj，ci和cj分别是第i个和第j个dg的滤波电感和电容，rlinei，llinei，rlinej和llinej分别是对应的线路参数，idci和idcj分别是第i个和第j个dg的输出电流，所接入负荷分别是电阻型负载rload，恒功率负载pcpl和感应电动机负载pim。dc/dc变流器采用下垂控制，控制方程为

式中，为直流电压控制参考值，和为额定直流电压和额定功率，pdci为实际输出功率，ki为下垂控制系数。根据图2和基尔霍夫定律，第i个dc/dc变流器的动态方程为

其中di为占空比。将式(2)中的状态变量写成稳态量和小扰动量。忽略二次项，得到式(2)的小信号方程为

式中，s为微分算子，δ为小信号扰动符号，di，ili和udci表示对应的稳态量。根据线性叠加定理，δili，δdi和δudci之间的传输函数可表示为

2)将式(1)中状态变量写成稳态量和小扰动量，得到下垂控制环节的小信号方程为

其中为下垂控制参考电压的小扰动量。本发明提出了一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强方法，其控制框图见图3，所提控制方法包含了一个双虚拟阻抗环节。根据图3，将所提双虚拟阻抗环节加入到下垂控制环节(5)中，得到

式中，ld1和ld2分别是双虚拟阻抗环节的阻抗参数。式(6)的下垂控制信号再输入到电压外环和电流内环的pi(proportional-integral)控制中，从而得到最终的控制信号，因而有下列关系

其中gupi(s)和gipi(s)分别是电压外环和电流内环的传递函数。根据图3和以上推导结论，得到dc/dc变流器的小信号等效输出阻抗为

3)将dc/dc变流器端口到负荷端口的线路等效为π型阻抗模型，进而得到线路的小信号模型为

zline(s)＝rline+slline(9)

式中，rlinei和llinei分别为线路的等效电阻和电抗值。

4)由于电阻型负载直接用电阻rload表示，因此电阻型负载的小信号模型zr-load(s)为

zr-load(s)＝rload(10)

5)对于恒功率负载，基于基尔霍夫定律其动态电压方程为

式中，lcpl和ccpl为cpl变流器的滤波电感电容，icpl，ill和icl为变流器对应的支路电流，upcc和url为cpl端口直流电压和输出电压，dcpl为cpl变流器的占空比。通过对(11)进行小信号分解和拉普拉斯变换得到

式中，dcpl和upcc分别为dcpl和upcc的稳态量。对于cpl变流器而言，其占空比小信号模型为

δdcpl＝-(irlδurl+urlδirl)gppi(13)

将式(12)代入(13)得

另一方面，由于负载电流icpl和电感电流ill的关系为

δicpl＝dcplδill+δdcplill(15)

根据叠加定理，结合(12)和(14)得到恒功率负载的小信号模型zcpl-load(s)

式中，传递函数gtf-cpl(s)为

6)对于感应电动机负载，首先可给出其电压状态方程和磁通方程以及运动方程

式中，ψsd，ψsq，ψrd和ψrq分别为dq轴的定子和转子磁链，ird和irq分别为dq轴的转子电流，rs，ls，lr和lm分别为定子电阻，定子电抗，转子电抗和互感电抗，ωe为电气角频率，jim，te和tl分别为转子惯量、电磁转矩和机械负载转矩。由于电机负载转子转速调节与q轴控制有关，因此得到转子转速控制的小信号模型为

式中，gωpi和giqpi为转子转速和电流pi控制的传递函数。根据ac/dc变流器的功率平衡原则，结合式(19)得到其直流母线电压的小信号模型为

另一方面，近似认为感应电动机负责的机械负载转矩与转子转速的平方成正比，则有

式中，ktl为比例系数，和为转速和电气角速度的稳态量。结合式(18)，式(20)和式(21)，得到感应电动机负载的小信号模型zim-load(s)为

7)结合式(8)、式(9)、式(10)、式(16)、式(22)，得到整个直流微电网系统的等效输入阻抗zin(s)、输出阻抗zout(s)和阻抗比tm(s)分别为

实施例

为了验证本发明提出的一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法的有效性，在pscad中搭建了图1所示的直流微电网系统模型并进行动态仿真测试，对比其与传统控制方法的系统响应曲线，以验证本发明提出方法的有效性。

直流微电网的电压等级为700v，分布式电源的额定功率为40kw。dc/dc变流器的滤波电感为1.2mh，滤波电容为5000μf，控制器的下垂控制参数为0.0005，双虚拟阻抗参数为0.0001，线路参数为0.1ω和0.001mh。系统初始负载功率为电阻型负载10kw，恒功率负载10kw，感应电动机负载25kw。5s时，恒功率负载增加到20kw。

首先，图4给出了不同控制策略下直流微电网nyquist分析结果图；其中，图4(a)为传统控制下的nyquist分析结果；图4(b)为所提控制下的nyquist分析结果。看出在传统控制策略下，随着恒功率负载功率的增加，tm(s)的nyquist曲线逐渐左移甚至包含(-1,0)点，表现出cpl对系统阻尼特性的负面作用。感应电动机负荷的增加一定程度上提升了系统的性能，但仍然需要对系统的阻尼特性进行增强。

不同控制策略下的仿真结果如图5所示。其中，图5(a)为传统控制策略下输出功率；图5(b)为传统控制策略下输出电压；图5(c)为所提控制策略下输出功率；图5(d)所提控制策略下输出电压；由仿真结果看出，当存在不同类型负载时，系统输出功率和电压在传统控制策略下的暂态过程存在高频振荡。而所提控制策略有效提供系统所需的阻尼，并表现出优异的振荡抑制效果。由此可见，本发明所提出的一种考虑多类型负荷接入的直流微电网阻尼增强控制方法，有效提高系统在不同负载接入下的阻尼特性，从而改善系统的动态调节性能，仿真结果充分说明了所提方法的有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。