一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法

技术特征：
1.一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：首先建立含多个光伏电源的直流微电网；其次在分段下垂控制策略的基础上，引入由环境温度和光照强度决定的光伏出力系数，再采用非线性函数对分段下垂特性曲线进行改进，改善额定工作点下垂系数突变的问题；设计改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立输出阻抗模型，分析改进的控制方法对系统环流的影响；最后通过搭建仿真模型，验证改进控制策略的有效性。2.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：建立含多个光伏电源的直流微电网具体方法是：直流微电网由光伏电源、dc-dc变流器、储能装置、直流负载、网侧逆变器和交流电网组成，其中每个光伏电源由参数相等的若干光伏阵列组成，且各个光伏电源的额定容量相等；光伏侧dc-dc变流器采用llc谐振式双向全桥变换器，llc谐振式双向全桥变换器除了可以提供电流隔离外，还具有输入电压范围广、功率转换效率高和能实现全负载零电压开通的优点；储能侧dc-dc变流器采用buck-boost结构；直流微电网中dc-dc变流器将光伏电源产生的电能并入直流母线，直流母线给直流负载供电或经网侧逆变器将电能输送至交流电网；当交流电网对直流微电网无功率调度要求时，网侧逆变器停止运行，直流微电网处于孤岛模式；当交流电网对直流微电网有功率调度要求时，网侧逆变器采取pq控制，此时交流电网等效为直流微电网的恒功率负载，系统等效于一种孤岛模式，且此孤岛模式相较于交流电网对直流微电网无功率调度要求时的孤岛模式在运行上多了一个恒功率负载；根据系统对光伏单元的不同需求，将光伏单元依据母线电压信号划分为三种工作模式，分别为：模式一：当母线电压u
dc
≥1.05u
oiref
时，通过分段下垂控制光伏电源，储能装置为恒功率充电模式；模式二：当母线电压0.95u
oiref
<u
dc
<1.05u
oiref
时，通过mppt控制光伏电源，储能装置为下垂控制；模式三：当母线电压u
dc
≤0.95u
oiref
时，通过mppt控制光伏电源，储能装置为恒功率放电模式；其中，u
dc
表示直流母线电压，u
oiref
表示直流母线电压参考值；当系统运行于模式一时，光伏单元输出功率大于系统所需功率，光伏电源减载运行维持母线电压稳定；当系统运行于其它模式时，为充分利用光伏能源，光伏电源不承担母线电压调节作用。3.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述分段下垂控制策略具体是：直流微电网光伏侧变流器下垂控制表示为：下垂控制的下垂系数表示为：其中：u
oi
为输入直流母线电压；u
oiref
为直流母线电压参考值；k
i
为光伏侧变流器的下垂系数；p
oi
为光伏侧变流器的输出功率；为标况下光伏侧变流器的输出功率参考值；为标况下光伏电源的最大输出功率，u
oimax
、u
oimin
为输入直流母线电压的最大、最小值；p
oimax
、p
oimin
为光伏侧变流器输出功率的最大、最小值，其中p
oimax
等于标况下光伏电源的最
大输出功率。下垂控制光伏电源输出功率参考值为：其中：α为减载运行比例常数，α<1，通常取值范围为0.6～0.8，取0.6；在同一系统负荷下，当光伏电源分配的输出功率未超过额定工作点时，系统负载表现为轻载；当光伏电源分配的输出功率超过额定工作点时，系统负载表现为重载；在光伏电源发生减载后，系统在轻、重载条件下的调节性能不同，采用分段下垂控制来满足直流微电网在不同状态下的要求。分段下垂控制的下垂系数表示为：光伏电源输出功率与温度t
i
和光照强度s
i
之间的关系为：δs
i
＝s
i
/s
ref-1δt
i
＝t
i-t
ref
其中：p
imppt
为任意条件下光伏电源的最大输出功率；为标况下光伏电源的最大输出功率；s
ref
为光照强度参考值；t
ref
为温度参考值；a、b、c为常数，其中：a＝0.002、b＝0.5、c＝0.002；s
i
为环境光照强度；t
i
为环境温度；光伏电源出力受环境因素影响，引入光伏出力系数，将其表示为：其中：δ
i
为光伏出力系数；光伏出力系数δ
i
与光照强度s
i
成正比，与温度t
i
成反比，在不考虑温度及光照强度变化的情况下，当δ1>δ2时，出现p
1mppt
>p
o1
＝p
o2
>p
2mppt
，因此功率的不合理分配使光伏电源处于饱和状态，从而导致直流母线电压降落，所以系统分配功率需结合光伏出力系数设置分段下垂特性曲线。4.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述自适应分段下垂控制策略的具体方法是：根据p
oi
与的大小关系判断直流微电网系统轻、重载状态，各光伏出力系数不同时，采用下垂系数与输出功率参考值结合光伏出力系数进行调整解决功率分配过程中光伏电源出现的饱和现象，使各光伏电源正确判定轻、重载情况；根据温度和光照强度对光伏电源出力的影响，设置输出功率参考值随光伏出力系数的变化而变化，其表达式为：三个光伏电源额定容量及标况下输出功率参考值相等，为实现合理的功率分配，各光
伏侧变流器输出功率参考值与下垂系数应满足如下关系：k1p
o1ref
＝k2p
o2ref
＝k3p
o3ref
光伏侧变流器的输出功率最大值、参考值都将随着光伏出力系数而改变，在电压控制范围不变的情况下，下垂系数也将发生变化。随光伏出力系数自适应变化的下垂系数表达式为：5.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述采用非线性函数对自适应分段下垂特性曲线进行改进的具体方法是：对自适应分段下垂控制策略进行改进，改进后的下垂特性曲线需满足以下要求：下垂特性曲线的电压及功率控制范围不变；当系统中一个或多个光伏侧变流器运行于额定工作点附近时，不因下垂系数的突变，引起电压偏移与功率偏移的比例波动和系统环流增大的问题；整条下垂特性曲线仍然需要呈现轻载情况下减小直流母线电压偏移率，重载情况下提高系统功率分配精度的控制效果；采用非线性函数进行改进，轻载条件下采用二次函数，重载条件下采用一次函数，下垂特性曲线在轻、重载状态过渡点的斜率相等，即额定工作点处下垂系数不再发生突变，使系统在额定工作点实现平稳过渡，改进的自适应分段下垂控制表达式为：其中：其中，k
ia
为公式中的一个参数；k
i2
为重载条件下的下垂系数。6.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述设计改进的自适应分段下垂控制系统的具体方法是：光伏侧dc-dc变流器采用输出电压电流的双闭环控制，实现对母线电压的调节作用；在改进的自适应分段下垂控制系统中，首先，给定电压参考值、标况下的功率参考值及功率最大值，将外界光照强度和环境温度结合光伏出力系数通过功率计算器计算出实时功率参考值及功率最大值；其次，利用下垂系数整定器确定下垂系数，使光伏侧变流器匹配相应的下垂特性曲线；最后，通过改进的自适应分段下垂控制方法输出一个电压补偿量，电压补偿量作用于电压外环，最终输出合理的电压值来实现对母线电压的控制。7.根据权利要求1所述的一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，其特征在于：所述改进的自适应分段下垂控制系统输出阻抗建模的具体方法是：
选取电感电流i
l
和输出电压u
o
为控制系统的状态变量，忽略变流器的损耗，光伏侧变流器状态空间表达式为：其中：x＝[i
l
(t) u
o
(t)]
t
；y＝[i
l
(t)]；u＝[v
n
(t)]；v
n
为控制系统的电源电压；t为时间；t表示矩阵的转置；a、b、c参数如下：c参数如下：c＝[1 0]其中：l
s
为llc谐振式双向全桥变换器的滤波电感；f为频率；d为占空比；c
o
为并网端电容；r
o
为直流微电网的等效负载；r
c
为光伏侧变流器的电阻，不计变流器的损耗，r
c
＝0；sgn(t)为符号函数，其表达式为：其中：t为开关周期；对状态变量i
l
(s)进行拉氏变换，其表达式为：i
l
(s)＝c(si-a)-1
bu(s)其中：s为复频率；i为单位矩阵；控制系统的电流内环的闭环传递函数为：g
b
(s)＝g
pii
(s)g1(s)/[1 g
pii
(s)g1(s)]其中：g
b
(s)为控制系统的电流内环的闭环传递函数；g
pii
(s)为控制系统的电流内环传递函数；g1(s)为i
l
(s)到d的传递函数，其表达式为：其中，表示求函数的偏导数(数学表达形式)；依据戴维南等效定理，改进的自适应分段下垂控制系统可等效为：其中：g
piv
(s)为控制系统的电压外环传递函数；z
v
(s)为u
oi
与i
oi
之间的传递函数；g
v
(s)为u
oi
与u
oit
之间的传递函数；c
s
为电流内环与电压外环间的传递函数；i
oi
为控制系统的输入电流；u
oit
为引入等效阻抗后的电压调制参数，其表达式为：u
oit
＝u
oiref-z
eqi
i
oi
其中：z
eqi
为控制系统的等效阻抗；对下垂控制表达式进行小信号处理：
u
oi
＝u
oiref-k
i
(u
oi-u
oiref
)i
oi
则分段下垂控制及自适应分段下垂控制等效阻抗为：对改进的自适应分段下垂控制表达式中二次函数特性曲线进行小信号处理：因此改进的自适应分段下垂控制轻载条件下等效阻抗为：综上所述，光伏侧变流器的等效输出阻抗为：z
oi
(s)＝g
v
(s)z
eqi
z
v
(s)其中：z
oi
为光伏侧变流器的等效输出阻抗。

技术总结
本发明公开了一种光伏直流微电网的改进自适应分段下垂控制方法，属于直流配电网运行与控制技术领域。针对分段下垂控制因各光伏电源随机出力而无法发挥好的控制效果，并且自适应分段下垂控制在光伏出力连续变化时存在下垂系数突变的问题，采用非线性函数进行改进，使下垂特性曲线在额定工作点平稳过渡。其次设计了改进的自适应分段下垂控制系统，然后利用小信号分析法对光伏侧变流器建立了输出阻抗模型，分析了改进的控制方法可以有效抑制系统环流。最后，在MATLAB/Simulink中进行仿真分析，验证了本发明方法具有更好的控制效果，不仅可以改善轻载状态母线电压的偏移率，提高重载状态功率的分配精度，而且在光伏出力连续变化时，可以使系统的过渡过程更加平稳。可以使系统的过渡过程更加平稳。可以使系统的过渡过程更加平稳。


技术研发人员：赵兴勇 刘昊炀
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：2022.09.29
技术公布日：2023/1/31