一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法和系统与流程

1.本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法和系统。


背景技术：

2.电源通常通过电力电子变换器接入系统，不同电源间需要进行协调以实现预期的功率分配。下垂控制是目前广泛采用的一种分散式控制方法，无需通信，仅利用本地的电压电流信息即可实现变换器间的协调控制。当多个变换器并联接入直流系统中时，通常采用下垂控制协调变换器间的输出功率。传统的下垂控制引入虚拟电阻来实现负载电流分配，在稳态时变换器的输出电流将近似按照下垂系数的反比进行分配。电源的形式多样，在性能上可能存在较大差异。以储能为例，蓄电池虽然能量密度高，但其负载电流密度较低，动态响应速度也较慢。而超级电容器功率密度高，动态响应快，但能量密度低。此时，为了结合蓄电池在能量容量上的优势与超级电容器在功率容量与响应速度上的优势，蓄电池将期望响应低频的负载电流波动，超级电容器则期望响应高频的负载电流波动，由此达到优势互补的效果。除此之外，电源如燃料电池、飞轮以及能够响应系统负载电流波动的可再生能源发电设备等具有的特性也不尽相同。可见，为了更加充分发挥各电源的优势，需要电源间能够进行负载电流的动态分配。
3.近年来，多种拓展的下垂控制方法纷纷被提出以实现更高自由度的负载电流分配效果。xu q等人的论文“a decentralized dynamic power sharing strategy for hybrid energy storage system in autonomous dc microgrid”中，相对于电阻，电容的阻抗大小会随着信号频率的增大而减小。受此启发，控制变换器使其输出电流呈现出等效电容的阻抗特性，与传统电阻下垂控制并联输出时即可实现低频和高频的负载电流分配。chen x等人的论文“a novel virtual resistor and capacitor droop control for hess in medium
‑
voltage dc system”进一步地，可以将变换器的输出阻抗控制为阻容支路，再与电阻下垂控制、电容下垂控制组合实现低、中、高频的负载电流分配。
4.然而，考虑到电源特性的多样性，现有方法仍然存在一定的局限性，表现在负载电流分配的频段不够充分。对于不承担稳态负载电流的变换器，中、高频段的负载电流分配能够实现它们之间进一步负载电流分配细分，而对于承担部分稳态负载电流的变换器，仅能将其都按照低频进行分配，难以进一步切分，缺乏对于低中频段的细致分配。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法和系统，其目的在于通过设计不同变换器的输出端口阻抗特性，实现了直流系统中各个变换器间的动态负载电流分配，使得采用不同响应模式的变换器在补偿负载电流时分别按照不同频段进行分配，同时控制所需采样信号均在本地获得，无需额外通信，提高了可靠性。
6.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法，该方法包括以下步骤：
7.s1.对于每一个变换器，按照低频、低中频、中高频和高频响应模式确定期望输出阻抗；
8.s2.对于每一个变换器，将变换器期望输出阻抗和实际输出阻抗之间的偏差作为该变换器的阻抗响应误差；
9.s3.对于每一个变换器，该变换器的阻抗响应误差作为pi控制器的输入，通过pi控制得到变换器的内部电流指令值；
10.s4.对于每一个变换器，将内部电流指令值与内部电流采样值的差值作为pi控制器的输入，通过pi控制和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。
11.有益效果：本发明完全根据本地输出电压和输出电流的采样值实现控制，通过调节不同变换器的输出阻抗，能够使得经电路连接在一起的多个变换器之间自动实现负载电流分配，无需额外的通信从而具备良好的可靠性，同时能够达到较好的负载电流分配效果。本发明为变换器设置四种响应模式——低频、低中频、中高频、高频，控制自由度更灵活。
12.优选地，每一个变换器只采用一种响应模式，不同变换器可采用不同的响应模式，多变换器中至少一个变换器采用低频响应模式或者低中频响应模式。
13.有益效果：本发明的控制效果依赖于各种响应模式之间的组合，至少需要一个变换器采用低频响应模式或者低中频响应模式，满足此要求情况下所有可以任意组合，并不强制要求系统具有所有的响应模式，即可实现不同频段负荷电流的自由分配。
14.优选地，若变换器采用低频响应模式，则期望输出阻抗r
ov
为阻感性：
15.r
ov
(s)＝l
v
s+r
v
16.若采用低中频响应模式，则期望输出阻抗r
ov
为阻性：
17.r
ov
(s)＝r
v
18.若采用中高频响应模式，则期望输出阻抗r
ov
为阻容性：
[0019][0020]
若采用高频响应模式，则期望输出阻抗r
ov
为容性：
[0021][0022]
其中，l
v
表示等效电感，s表示拉普拉斯算子，r
v
表示等效电阻，c
v
表示等效电容。
[0023]
有益效果：本发明提供的控制方法在不同的变换器的输出端分别模拟出阻感性、阻性、阻容性和容性的阻抗特性，充分利用电感、电容和电阻在不同信号频率下的阻抗变化性质，可以在变换器问实现低频、低中频、中高频和高频的负载电流分配。通过对阻抗特性中的电感、电容和电阻的大小进行设计形成配合，采用低频响应模式的变换器将对低频的负载电流具有更大的分配比例，采用低中频响应模式的变换器将在响应一部分低频负载电流的基础上响应中频负载电流，采用中高频响应模式的变换器将在响应一部分高频负载电流的基础上响应中频负载电流，采用高频响应模式的变换器将对高频的负载电流具有更大的分配比例。
[0024]
优选地，步骤s2中，若该变换器采用电压下垂偏置模式，则将输出电流参考值与输出电流采样值的差值乘以期望输出阻抗作为输出电压偏置值，将输出电压参考值与输出电压偏置值的和值减去输出电压实际值作为该变换器的阻抗响应误差。
[0025]
优选地，步骤s2中，若该变换器采用电流下垂偏置模式，则将输出电压参考值与输出电压采样值的差值除以期望输出阻抗作为输出电流偏置值，将输出电流参考值与输出电流偏置值的和值减去输出电流实际值作为该变换器的阻抗响应误差。
[0026]
有益效果：本发明能够保证精度，根据变换器的输出电压采样值和输出电流采样值，计算变换器输出阻抗特性与期望阻抗特性的误差。
[0027]
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0028]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0029]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法。
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0031]
本发明提供的控制方法，在不同的变换器的输出端分别模拟出阻感性、阻性、阻容性和容性的阻抗特性，充分利用电感、电容和电阻在不同信号频率下的阻抗变化性质，可以在变换器间实现低频、低中频、中高频和高频的负载电流分配。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例提供的一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法的流程图；
[0033]
图2为本发明实施例提供的直流系统示意图；
[0034]
图3为图2对应的dc/dc变换器拓扑示意图；
[0035]
图4为采用本发明实施例提供的分散控制方法的控制示意图；
[0036]
图5为三个变换器采用本发明实施例提供的负载电流分配控制方法时负荷阶跃变化的系统响应特性曲线；
[0037]
图6为三个变换器采用本发明实施例提供的负载电流分配控制方法时负荷周期变化的系统响应特性曲线；
[0038]
图7为四个变换器采用本发明实施例提供的负载电流分配控制方法时负荷阶跃变化的系统响应特性曲线。
具体实施方式
[0039]
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，对本发明进行进一步详细说明。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可以相互组合。
[0040]
实施例一
[0041]
一种适用于直流系统的动态负载电流分配控制方法100，如图1所示，包括：
[0042]
110、基于变换器的响应模式确定期望输出阻抗；
[0043]
120、基于期望输出阻抗、下垂偏置模式、输出电压采样值、输出电压参考值、输出电流采样值和输出电流参考值，计算变换器的阻抗响应误差；
[0044]
130、基于变换器的阻抗响应误差，通过误差校正，得到变换器的电感电流指令值；
[0045]
140、基于电感电流指令值和内部电流采样值，通过误差校正和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。
[0046]
步骤110之前，方法100还包括：每个变换器从低频响应模式、低中频响应模式、中高频响应模式和高频响应模式中选择一种作为该变换器的响应模式。
[0047]
如图2所示，由多个电源和对应的dc/dc变换器以及本地负荷组成的400v直流系统结构示意图。负载采用恒阻抗负载，位于直流母线的负载电阻r
load
＝5ω，线路阻抗r
line
＝0.001ω,电源电压v
i
＝240v。
[0048]
如图3所示，dc/dc变换器采用双向非隔离结构，其中滤波电感l
i
＝0.001h，滤波电容c
o
＝1000uf。
[0049]
如图4所示，本发明实施例提供的动态负载电流分配控制方法示意图，包括阻抗响应误差计算、阻抗误差控制、内部电流控制和脉冲宽度调制。阻抗响应误差计算用于获得变换器的阻抗响应误差；阻抗误差控制用于根据阻抗响应误差获取内部电流控制的电感电流期望值；内部电流控制用于根据电感电流期望值和变换器电感电流采样值获取调制信号；采用pwm信号发生器，根据调制信号和三角载波获取控制各开关模块开断的pwm控制信号。
[0050]
步骤110包括：基于变换器的响应模式确定期望输出阻抗。
[0051]
对于采用低频响应模式的变换器，期望输出阻抗r
ov
为阻感性：
[0052]
r
ov
(s)＝l
v
s+r
v
[0053]
对于采用低中频响应模式的变换器，期望输出阻抗r
ov
为阻性：
[0054]
r
ov
(s)＝r
v
[0055]
对于采用中高频响应模式的变换器，期望输出阻抗r
ov
为阻容性：
[0056][0057]
对于采用高频响应模式的变换器，期望输出阻抗r
ov
为容性：
[0058][0059]
步骤120包括：基于期望输出阻抗、下垂偏置模式、输出电压采样值、输出电压参考值、输出电流采样值和输出电流参考值，计算变换器的阻抗响应误差。
[0060]
对于低频响应模块，采用电流下垂偏置模式，根据变换器输出电压采样值v
o
、输出电压参考值v
ref
、输出电流采样值i
o
、输出电流参考值i
ref
和期望输出阻抗r
ov
，计算变换器的阻抗响应误差ε：
[0061][0062]
对于其余响应模块，采用电压下垂偏置模式，根据变换器输出电压采样值v
o
、输出电压参考值v
ref
、输出电流采样值i
o
、输出电流参考值i
ref
和期望输出阻抗r
ov
，变换器的阻抗响应误差ε的计算公式如下：
[0063]
ε＝v
ref
‑
v
o
+(i
ref
‑
i
o
)r
ov
[0064]
步骤130包括：基于阻抗响应误差，通过pi控制，得到每个变换器的电感电流期望值。
[0065]
采用pi控制器，将阻抗响应误差ε作为输入信号，变换器的电感电流期望值i
lref
的计算公式如下：
[0066][0067]
其中，k
pe
为pi控制器的比例系数，k
ie
为pi控制器的积分系数。
[0068]
步骤140包括：基于电感电流指令值和电感电流采样值，通过误差校正和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。
[0069]
采用pi控制器，将电感电流指令值i
lref
和电感电流采样值i
l
的差值作为输入信号，用于电感电流控制的内环电流期望值的计算公式如下：
[0070][0071]
其中，k
pi
为pi控制器的比例系数，k
ii
为pi控制器的积分系数。
[0072]
对于上述系统而言，采用本实施例提供的动态负载电流分配控制方法的控制目标是使直流系统中各个变换器的输出电压稳定在参考值400v附近，在系统内出现功率不平衡时，所有变换器能够调整各自的输出电流使得系统重新实现功率平衡和电压稳定。同时，本实施例提供的动态负载电流分配控制方法能够使得三个变换器在调整过程中分别按照低频、中频和高频的频段进行负载电流波动的补偿。
[0073]
传统的下垂控制通过对参考电压进行修正可以在变换器的输出端模拟出一个等效的虚拟电阻，依据并联分流的原则，可以实现多个变换器输出电流的比例分配。由于电阻本身对不同频率的电流均表现出相同的阻抗，因此多个变换器输出电流的比例始终保持不变。后续的改进方案中，在不同的变换器的输出端分别模拟出阻性、阻容性和容性的输出阻抗。在不同频段呈现不同的阻抗，而阻容性和容性的阻抗会随着负载电流频率的不同呈现不同的大小。从而，在不同的变换器间实现随输入电流频率变化的变比例分配。本实施例提供的用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法在此基础上加入了阻感性的输出阻抗，形成阻感性、阻性、阻容性和容性的输出阻抗配合关系，从而实现低频、低中频、中高频和高频的负载电流分配关系，进一步对现有方案进行了改进。
[0074]
本实施例提供的分散控制方法在不同的变换器的输出端分别模拟出阻感性、阻性、阻容性和容性的输出阻抗。相比于电阻恒定不变的阻抗特性，电感的阻抗会随着负载电流频率的增大而增大，电容的阻抗随之递减，三者的串联配合能够在频域上实现多样化的阻抗特性。通过对控制参数进行设计，经线路耦合后可以形成自发的多频段负载电流分配。其中，输出阻抗为阻感性的变换器能够仅响应低频的负载电流，称为低频响应模式；输出阻抗为阻性的变换器在响应一部分低频负载电流的基础上响应中频负载电流，称为低中频响应模式；输出阻抗为阻容性的变换器将在响应一部分高频负载电流的基础上响应中频负载电流，称为中高频响应模式；输出阻抗为阻性的变换器将对高频的负载电流具有更大的分配比例，称为高频响应模式。综上所述，本实施例所提技术方案能够实现各变换器对负载电
流的动态分配。
[0075]
在pscad/emtdc软件中对实施例一提供的控制方法进行验证。其中，三个变换器分别采用低频响应模式、低中频响应模式和高频响应模式下的仿真结果。图5显示了三个变换器在负荷阶跃变化时的输出结构。上为母线电压波形，下为三个变换器的输出电流波形。仿真过程中，5s时将额外的10ω电阻并入直流母线，10s时再将其切除。从图5上可以看到，负荷突增时，母线电压陡降后迅速的重新恢复稳定，由于负载增大，新的稳态电压低于原始电压但依然维持在400v附近。负荷突减时类似，母线电压陡增后恢复，表明实施例一提供的控制方法具备较好的电压控制效果。此外，从图5下可以看出，三个变换器所响应的负载电流是不同的，变换器1承担了最多的稳态负载电流，但是面对短时的负载电流波动，其响应较慢，符合低频响应的特征。而变换器2承担了较少的稳态负载电流，但面对短时的负载电流波动时响应速度更快，符合低中频响应的特征。变换器3则不响应稳态的负载电流，面对短时的负载电流波动时响应速度更快，符合高频响应的特征。
[0076]
图6进一步显示了所有变换器采用实施例一提供的控制方法在不同频率的负载电流下的仿真结果。三个变换器分别采用低频响应模式、低中频响应模式和高频响应模式。仿真过程中，5s
‑
15s期间向系统注入0.1hz的电流，15s
‑
25s期间改为注入1hz电流，25s
‑
35s期间则替换为10hz电流注入。从图6上可以看到，母线电压在此过程中始终维持在额定值400v附近，表现出了较好的电压控制效果。而图6下显示出，对于0.1hz的电流，变换器1(低频响应模式)响应的比例最多，对于1hz的电流，变换器2(低中频响应模式)响应的比例最多，对于10hz的电流，变换器3(高频响应模式)响应的比例最多。进一步验证了实施例一提供的控制方法的有效性。
[0077]
图7为四个变换器分别采用低频响应模式、低中频响应模式、中高响应模式和高频响应模式时的仿真结果。仿真过程中，5s时将额外的10ω电阻并入直流母线。从图7上中母线电压的波形可以看到，母线电压在此过程中维持在额定值400v附近。图7下中各变换器输出电流的波形显示出，低、低中、中高和高频的负载电流分别由变换器1、变换器2、变换器3和变换器4予以响应，即实施例一提供的控制方法在四种模式组合时能够达到预期的控制效果。
[0078]
实施例二
[0079]
一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如实施例一所述的任一种用于多变换器间负载电流分配的分散控制方法。
[0080]
例如，一种用于多变换器间功率分配的计算机分散控制系统，包括阻抗响应误差计算单元、阻抗误差控制单元、内部电流控制和pwm信号发生单元。
[0081]
其中，阻抗响应误差计算单元用于获得变换器的阻抗响应误差；误差控制单元用于根据阻抗响应误差获取内部电流控制的内部电流期望值；内部电流控制单元用于根据电感电流期望值和变换器内部电流采样值获取调制信号；pwm信号发生单元用于根据调制信号和三角载波获取控制各开关模块开断的pwm控制信号。
[0082]
相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
[0083]
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。