一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法及系统

1.本公开属于直流微电网分布式协同控制技术领域，尤其涉及一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.直流微电网中绝大部分负荷通过电力电子变换器与微网母线相连，这些负荷通常处于严格的闭环控制下，其消耗功率不受输入电压变化的影响，可视为恒功率负荷。有研究表明，未来直流配电系统中，恒功率负荷的比例将达到75％以上，然而，当输入电压增大或减小时，此类负荷电流会随之减小或增大，呈现负阻抗特性，降低了系统的等效阻尼；当发生较大扰动后，极易引起系统不稳定。
4.为实现恒功率负荷接入下的直流微电网正常运行，现有方案中多在微电网底层电力电子变换器控制中采用滑模变结构控制、模型预测控制、反步控制等非线性控制手段，以实现系统在除平衡点外的大信号范围内稳定。
5.现有方案的研究对象大多为带恒功率负荷的单体电力电子变换器。而多台电力电子变换器集群连接将构成微电网，其控制目标包括：
6.(1)对母线电压进行精准的电压调节；
7.(2)各单元实现功率的精确按比例分配；
8.(3)全局对大规模恒功率负荷的接入鲁棒。
9.发明人发现，现有方案在设计过程中大多只考虑到控制目标(3)，其采用非线性控制方法使得单体电力电子变换器对恒功率负荷的接入鲁棒，而未从全系统的角度出发实现基本控制目标(1)和(2)，极大程度上制约了现有方案在微电网系统的推广应用。


技术实现要素：

10.本公开为了解决上述问题，提供了一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法及系统，所述方案结合分布式协同控制方法与模型预测控制理论，提供了一种直流微电网稳定控制方法，可在恒功率负荷接入的情况下，实现系统精准的电压调节与功率分配，保证全局系统的稳定运行。
11.根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法，其应用于多台电力电子变换器基于公共母线集群接入的直流微电网，其中，所述电力电子变换器采用双向boost变换器，所述方法包括：
12.基于恒功率负荷下boost变换器的稳定条件，定义系统不稳定因子及其对应的不稳定因子预测模型，实现接入直流微电网稳定控制目标函数的构建；
13.基于预先构建的电压控制目标函数及功率控制目标函数，结合所述稳定控制目标函数以及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数，实现综合控制目标函数的构建；其
中，所述不稳定因子预测模型通过采用假设验证的思想，基于双向boost变换器中开关管的开关状态判断，将所述不稳定因子预测模型转化为仅包含电压控制量一个变量的形式；
14.通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，基于所述电压控制量实现直流微电网带恒功率负荷的稳定控制。
15.进一步的，所述系统不稳定因子具体定义如下：
[0016][0017]
其中，i
li
为电感电流，v
ci
为输出端电容电压。
[0018]
进一步的，所述稳定控制目标函数，具体表示为：
[0019]di
(k 1)＝0
[0020]
其中，所述不稳定因子预测模型具体表示为：
[0021][0022]
进一步的，所述通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，具体为：
[0023]
以电压控制目标函数、功率控制目标函数及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数作为辅助综合控制目标函数进行优化求解，获得辅助电压控制量u
′i(k)；
[0024]
基于u
′i(k)值的正负，确定双向boost变换器对应开关管的开关状态，进而将不稳定因子预测模型表示为仅包含电压控制量一个变量的形式；
[0025]
基于不稳定因子预测模型新的表示形式，对所述综合控制目标函数进行求解，获得电压控制量ui(k)，若ui(k)》0，则以ui(k)作为最终的电压控制量；若ui(k)《0，则双向boost变换器对应开关管的开关状态确定有误，调整双向boost变换器对应开关管的开关状态后，重新确定不稳定因子预测模型的表示形式，并对所述综合控制目标函数进行重新求解，获得最终的电压控制量。
[0026]
进一步的，所述双向boost变换器接入直流母线的数学模型表示如下：
[0027][0028][0029]
其中，li与ci分别表示boost变换器的电感与电容，i
li
为电感电流，v
ci
为输出端电容电压，p
cpl
为恒功率负荷的功率大小，u表示开关状态。
[0030]
进一步的，当u＝1时，表示开关管s
i1
开通且s
i2
关断，此时不稳定因子预测模型表示为：
[0031][0032]
当u＝0时，表示开关管s
i1
关断且s
i2
开通，此时不稳定因子预测模型表示为：
[0033][0034]
其中，v
dci
表示源端电压。
[0035]
进一步的，所述电压控制目标函数的构建，基于所述直流微电网的母线平均电压观测值预测结果以及预设母线电压参考值；基于节点的功率预测模型及其邻居节点的功率加权平均数。
[0036]
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制系统，其应用于多台电力电子变换器基于公共母线集群接入的直流微电网，其中，所述电力电子变换器采用双向boost变换器，所述系统包括：
[0037]
稳定控制目标函数构建单元，其用于基于恒功率负荷下boost变换器的稳定条件，定义系统不稳定因子及其对应的不稳定因子预测模型，实现接入直流微电网稳定控制目标函数的构建；
[0038]
综合控制目标函数构建单元，其用于基于预先构建的电压控制目标函数及功率控制目标函数，结合所述稳定控制目标函数以及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数，实现综合控制目标函数的构建；其中，所述不稳定因子预测模型通过采用假设验证的思想，基于双向boost变换器中开关管的开关状态判断，将所述不稳定因子预测模型转化为仅包含电压控制量一个变量的形式；
[0039]
优化求解单元，其用于通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，基于所述电压控制量实现直流微电网带恒功率负荷的稳定控制。
[0040]
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法。
[0041]
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法。
[0042]
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0043]
(1)本公开提供了一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法及系统，所述方案结合分布式协同控制方法与模型预测控制理论，提供了一种直流微电网稳定控制方法，通过动态一致性算法推导得出电压与功率的预测模型，并结合恒功率负荷接入下的稳定运行轨迹定义系统不稳定因子；采用分布式模型预测控制，设计的代价函数中包含电压、功率与不稳定因子三个控制目标，通过迭代优化求解出最优控制量；最后由该控制量动态地调整下垂控制电压设定点，实现对各单元变换器的控制；所述方案可在恒功率负荷接入的情况下，实现系统精准的电压调节与功率分配，保证全局系统的稳定运行。
[0044]
(2)本实施例所述方案仅需邻居节点与本地节点的信息，便可实现全局的控制目标，不依赖于中央控制器的存在，不存在通信单点失效的问题，可靠性强，控制效果好。
[0045]
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
[0046]
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0047]
图1为本公开实施例中所述的带恒功率负荷的直流微电网结构示意图；
[0048]
图2为本公开实施例中所述的采用boost变换器的节点i示意图；
[0049]
图3为本公开实施例中所述的直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法的整体控制框图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
[0051]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0052]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0053]
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0054]
实施例一：
[0055]
本实施例的目的是提供一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法。
[0056]
一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法，其应用于多台电力电子变换器基于公共母线集群接入的直流微电网，其中，所述电力电子变换器采用双向boost变换器，所述方法包括：
[0057]
基于恒功率负荷下boost变换器的稳定条件，定义系统不稳定因子及其对应的不稳定因子预测模型，实现接入直流微电网稳定控制目标函数的构建；
[0058]
基于预先构建的电压控制目标函数及功率控制目标函数，结合所述稳定控制目标函数以及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数，实现综合控制目标函数的构建；其中，所述不稳定因子预测模型通过采用假设验证的思想，基于双向boost变换器中开关管的开关状态判断，将所述不稳定因子预测模型转化为仅包含电压控制量一个变量的形式；
[0059]
通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，基于所述电压控制量实现直流微电网带恒功率负荷的稳定控制。
[0060]
进一步的，所述系统不稳定因子具体定义如下：
[0061][0062]
其中，i
li
为电感电流，v
ci
为输出端电容电压。
[0063]
进一步的，所述稳定控制目标函数，具体表示为：
[0064]di
(k 1)＝0
[0065]
其中，所述不稳定因子预测模型具体表示为：
[0066][0067]
进一步的，所述通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，具体为：
[0068]
以电压控制目标函数、功率控制目标函数及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数作为辅助综合控制目标函数进行优化求解，获得辅助电压控制量u
′i(k)；
[0069]
基于u
′i(k)值的正负，确定双向boost变换器对应开关管的开关状态，进而将不稳定因子预测模型表示为仅包含电压控制量一个变量的形式；
[0070]
基于不稳定因子预测模型新的表示形式，对所述综合控制目标函数进行求解，获得电压控制量ui(k)，若ui(k)》0，则以ui(k)作为最终的电压控制量；若ui(k)《0，则双向boost变换器对应开关管的开关状态确定有误，调整双向boost变换器对应开关管的开关状态后，重新确定不稳定因子预测模型的表示形式，并对所述综合控制目标函数进行重新求解，获得最终的电压控制量。
[0071]
进一步的，所述双向boost变换器接入直流母线的数学模型表示如下：
[0072][0073][0074]
其中，li与ci分别表示boost变换器的电感与电容，i
li
为电感电流，v
ci
为输出端电容电压，p
cpl
为恒功率负荷的功率大小，u表示开关状态。
[0075]
进一步的，当u＝1时，表示开关管s
i1
开通且s
i2
关断，此时不稳定因子预测模型表示为：
[0076][0077]
当u＝0时，表示开关管s
i1
关断且s
i2
开通，此时不稳定因子预测模型表示为：
[0078][0079]
其中，v
dci
表示源端电压。
[0080]
进一步的，所述电压控制目标函数的构建，基于所述直流微电网的母线平均电压观测值预测结果以及预设母线电压参考值；基于节点的功率预测模型及其邻居节点的功率加权平均数。
[0081]
具体的，为了便于理解，以下结合附图对本实施例所述方案进行详细说明：
[0082]
本实施例所述方案应用于恒功率负荷接入下的直流微电网，其基本结构图如图1所示，主要由分布式电源、储能设备与负荷三部分组成；其中，负荷包括纯阻性负荷与恒功率负荷，常见的恒功率负荷有两种：处于严格电压闭环控制下带纯阻性负载的dc/dc变换器(如图1中i所示)与带恒功率运行模式电机的dc/ac变换器(如图1中ⅱ所示)。有研究表明，未来直流配电系统中，恒功率负荷的比例将达到75％以上。
[0083]
由于直流微电网中的恒功率负荷在源端电压变化时呈现负阻抗特性，该负阻抗大
小与对应负荷功率大小呈正相关，较大的恒功率负荷会大大削弱系统等效阻尼，从而引起全局系统的不稳定。为了解决现有技术存在的问题，本实施例所述方案结合分布式协同控制方法与模型预测控制理论，提出一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法，所述方案的主要技术构思为：通过动态一致性算法推导得出电压与功率的预测模型，并结合恒功率负荷接入下的稳定运行轨迹定义系统不稳定因子；采用分布式模型预测控制，设计的代价函数中包含电压、功率与不稳定因子三个控制目标，通过迭代优化求解出最优控制量；最后由该控制量动态地调整下垂控制电压设定点，实现对各单元变换器的控制，具体的，所述控制方法包括如下步骤：
[0084]
步骤1：为满足直流微电网系统控制目标(1)，需要对直流微电网中各单元的电压施加控制；此处，采用动态一致性算法估计直流母线平均电压：
[0085][0086]
其中，v
avgi
(t)与v
avgj
(t)分别表示节点i与节点j对母线平均电压观测值，其中j∈n，n表示节点i邻居节点集合，a
ij
为邻接系数。对式(1)离散化后可得：
[0087][0088]
其中，t
com
为通信周期。当k
→
∞时，且在此处定义控制量ui为：
[0089]vci
(k 1)＝v
ci
(k) ui(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0090]
由式(3)，母线平均电压观测值的预测模型可以写为：
[0091][0092]
因此，v
avgi
(k 1)＝v
ref
是直流微电网系统的控制目标(1)。
[0093]
步骤2：为满足直流微电网系统控制目标(2)，需对各单元的输出功率进行控制。由式(3)可得，节点i的功率预测模型为：
[0094]
pi(k 1)＝pi(k) ui(k)i
oi
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0095]
其中，i
oi
(k)为节点i的输出电流。
[0096]
各单元按比例的功率分配可表示为：
[0097]
p1r1＝p2r2＝
…
＝p
iri
＝
…
＝p
nrn
,i＝1,2,...n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
其中，ri表示节点i的虚拟阻抗，通过设定各个节点不同的虚拟阻抗比，可保证各个节点功率按比例分配。通过定义：
[0099][0100]
其中，cj为加权系数，zi(k)表示邻居节点功率信息的加权平均数。因此，pi(k 1)ri＝zi(k)是直流微电网系统的控制目标(2)。
[0101]
步骤3：为了不失一般性，本实施例所述方案中各单元采用双向boost变换器接入直流母线，如图2所示。以第i个单元为例，其中li与ci分别表示boost变换器的电感与电容，v
dci
表示源端电压，i
li
为电感电流，v
ci
为输出端电容电压，i
oi
为输出电流，r为纯阻性负荷。
其数学模型可以写为：
[0102][0103]
其中，p
cpl
为恒功率负荷的功率大小，u表示开关状态，当u＝1代表开关管s
i1
开通且s
i2
关断，当u＝0代表开关管s
i1
关断且s
i2
开通，接下来分别对2种状态进行单独分析。
[0104]
(1)当u＝1时
[0105]
公式(8)可以改写为：
[0106][0107]
在横坐标i
li
和纵坐标v
ci
的正交坐标系中，式(9)图像为抛物线。
[0108]
(2)当u＝0时
[0109]
公式(8)可以改写为：
[0110][0111][0112]
式(10)表明了状态变量v
ci
的无界性，结合式(11)，可得在相同的坐标系下，式(11)图像为向外扩张的螺旋线。由此图像可以看出，恒功率负荷本质是在开关开通或关断间隔引起不稳定。因此，可以得到恒功率负荷下boost变换器稳定的条件：
[0113][0114]
基于此，定义系统不稳定因子及其对应的预测模型为：
[0115][0116][0117]
当系统稳定时，满足式(12)，此时系统不稳定因子di＝0。因此，di(k 1)＝0是直流微电网系统的控制目标(3)。
[0118]
步骤4：以上内容给出了针对直流微电网3个控制目标的具体实现，并得到了三者的预测模型，基于此构建四个代价函数，分别为：
[0119]ji1
(k)＝αi(ui(k))2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0120]ji2
(k)＝λi(v
avgi
(k 1)-v
ref
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0121]ji3
(k)＝βi(pi(k 1)r
i-zi(k))2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0122]ji4
(k)＝εi(di(k 1))2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0123]
其中，式(16-18)分别对应控制目标(1)、(2)与(3)；此外，控制系统中通常希望控制动作不频繁，因此设置代价函数式(15)保证系统控制量波动较小。据此，求解最优问题：
[0124][0125]
得出控制量ui(k)，通过积分环节后得到δvi(k)，施加于节点i的一层控制，其中所有节点一层控制均采用下垂控制方法，下垂控制方法应用已较为广泛，在此不再赘述。
[0126]
进一步的，需要说明的是，式(19)的求解需改写为仅包含变量ui(k)的式子，步骤1和步骤2中的式(4)与式(7)已满足该要求，然而式(14)中i
li
(k 1)这一项难以直接写成变量ui(k)的形式。对此，在这里采用一种假设验证的思想解决该问题，具体方法如下。
[0127]
首先计算：
[0128][0129]
若求解所得ui'(k)》0，则下一步积分后所得δvi(k)也将变大，将提升下垂控制的电压设定点意味着节点i变换器输出电压将变大。然而所采用的双向boost变换器若输出电压变大，对应着开关状态应为s
i1
关断，开关s
i2
开通，即u＝0。因此由式(8)可得：
[0130][0131]
其中，ts为boost变换器开关频率。此时，对应的系统不稳定因子预测模型为
[0132][0133]
最后，根据式(22)，计算式(19)，若计算所得ui(k)》0，则证明上述过程正确，并将该ui(k)作为最终控制量送出。然而，若计算所得ui(k)《0，则与上述过程相悖，说明此时对应的开关状态应为s
i1
开通，开关s
i2
关断，即u＝1。因此由式(8)可得：
[0134][0135]
此时，对应的系统不稳定因子预测模型为：
[0136][0137]
根据式(24)，计算式(19)，直接将计算所得ui(k)作为控制量送出。
[0138]
同理，若由式(20)计算所得u
′i(k)《0，则与上述过程相反，在此不再赘述。
[0139]
进一步的，如图3所示，给出了本实施例所述直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法的整体框架描述示意图。
[0140]
实施例二：
[0141]
本实施例的目的是提供一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制系统。
[0142]
一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制系统，其应用于多台电力电子变换器基于公共母线集群接入的直流微电网，其中，所述电力电子变换器采用双向boost变换器，所述系统包括：
[0143]
稳定控制目标函数构建单元，其用于基于恒功率负荷下boost变换器的稳定条件，定义系统不稳定因子及其对应的不稳定因子预测模型，实现接入直流微电网稳定控制目标函数的构建；
[0144]
综合控制目标函数构建单元，其用于基于预先构建的电压控制目标函数及功率控制目标函数，结合所述稳定控制目标函数以及用于保证系统控制量波动最小化的代价函数，实现综合控制目标函数的构建；其中，所述不稳定因子预测模型通过采用假设验证的思想，基于双向boost变换器中开关管的开关状态判断，将所述不稳定因子预测模型转化为仅包含电压控制量一个变量的形式；
[0145]
优化求解单元，其用于通过最小化所述综合控制目标函数，获得所述电压控制量，基于所述电压控制量实现直流微电网带恒功率负荷的稳定控制。
[0146]
进一步的，本实施例所述系统与实施例一所述方法相对应，其技术细节在实施例一中已经进行了详细说明，故此处不再赘述。
[0147]
在更多实施例中，还提供：
[0148]
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
[0149]
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0150]
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
[0151]
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。
[0152]
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0153]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
[0154]
上述实施例提供的一种直流微电网带恒功率负荷的稳定控制方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
[0155]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。