基于通信網(wǎng)絡(luò)的直流微網(wǎng)分布式協(xié)同控制

楊燕華， 曼蘇樂

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引 言

與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)能夠通過減少DC/AC變換過程來降低功率損耗，提高效率，而且不需要考慮同步頻率和無功控制[1]。在直流微網(wǎng)中，一些控制策略常用于實現(xiàn)系統(tǒng)性能，如下垂控制[2-3]、協(xié)同控制[4-5]。傳統(tǒng)的下垂控制很難同時實現(xiàn)精確的功率平衡和較低的電壓偏差。而協(xié)同控制則通過系統(tǒng)中各個節(jié)點間的信息交換來優(yōu)化控制參數(shù)提高系統(tǒng)性能。協(xié)同控制通?？梢苑譃榧惺娇刂坪头植际娇刂芠6-7]。集中式控制能夠提供對整個系統(tǒng)的精確操作和調(diào)控，但是通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，可靠性低，單個節(jié)點的故障會影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分布式控制方案的通信網(wǎng)絡(luò)更簡單，系統(tǒng)具有更高的可靠性和可拓展性。

為了提高對直流微網(wǎng)系統(tǒng)的控制性能，考慮通信延時對協(xié)同控制性能的影響，本文提出了一種基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同控制方案。

1 系統(tǒng)描述

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏(PV)發(fā)電以直流電壓源的形式提供能量，直流負(fù)載作為系統(tǒng)中的主要負(fù)載，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

DC/DC Buck變換器連接PV發(fā)電器與直流母線，并控制直流母線電壓。各個節(jié)點之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，用于協(xié)同控制。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)

在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信延時的存在必然會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的性能。假設(shè)控制器的比特率和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度分別為I和L，則每一個節(jié)點的最大傳輸頻率fs=I/L。如果通信頻率為fc，則對應(yīng)的通信延時T=1/fc，傳遞函數(shù)Gd如式(1)所示。

(1)

每個節(jié)點的平均電壓估計值和輸出電流值通過通信網(wǎng)絡(luò)在信道中傳輸，因此一個數(shù)據(jù)幀需要8個字節(jié)，包括幀頭、狀態(tài)和數(shù)據(jù)內(nèi)容。如果控制器的比特率為2 Mbits/s，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率能夠達(dá)到fs=2×106/(8×8)=31.25 kHz。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在實際的通信過程中，有很多因素會影響到網(wǎng)絡(luò)的連通性，比如通信環(huán)境和設(shè)備故障?？紤]通信網(wǎng)絡(luò)連通的兩種極端情況：①網(wǎng)絡(luò)中所有的鏈路都連通，即完全連通；②在保證整個網(wǎng)絡(luò)連通情況下的最壞通信條件，如環(huán)形通信結(jié)構(gòu)。在分布式系統(tǒng)中，以4節(jié)點為例，完全連通的通信結(jié)構(gòu)和環(huán)形通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 控制方案

2.1 控制方案設(shè)計

圖3 控制框圖

整個控制方案分為兩個部分：本地控制器和協(xié)同控制器，如圖3所示。在本地控制器中采用電流內(nèi)環(huán)-電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方案。將節(jié)點中DC/DC變換器的輸出電壓與參考電壓相比較，得到的電壓差值通過P控制器作為電流內(nèi)環(huán)的參考值。再將其電感電流與參考電流相比較，得到的差值通過P控制器進(jìn)入PWM發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號用以控制DC/DC變換器。在協(xié)同控制器中，各個節(jié)點的平均電壓估算值以及輸出電流值通過通信網(wǎng)絡(luò)在相鄰節(jié)點間傳輸。協(xié)同控制器根據(jù)接收到的鄰節(jié)點的平均電壓估算值重新計算本節(jié)點的估算值，然后與參考電壓進(jìn)行比較得到電壓差值。同時根據(jù)接收到的電流值得到電流差值，經(jīng)耦合增益后與上述電壓差值相加，通過PI控制器產(chǎn)生一個電壓修正量，對本地控制器的參考電壓進(jìn)行優(yōu)化。與一些常見的控制方案相比，該控制方案僅需要鄰節(jié)點間的信息傳輸，能夠減小通信延時對系統(tǒng)的影響，同時使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擁有更好的靈活性和可擴(kuò)展性。當(dāng)加入新節(jié)點時，只需更新相鄰節(jié)點的控制器且通信延時保持不變。

2.1.1本地控制器

在本地控制器中，電流內(nèi)環(huán)的參考值Iref為：

Iref=(vref-vout)×kp

(2)

式中:vref和vout分別為參考電壓值和變換器的輸出電壓值;kp為電壓外環(huán)中P控制器的參數(shù)。DC/DC變換器的占空比D為：

(3)

式中：IL為DC變換器的電流值;vdc為DC母線電壓值;K為電流內(nèi)環(huán)中的P控制器的參數(shù)。

2.1.2協(xié)同控制器

協(xié)同控制器中，用δvi表示節(jié)點i處產(chǎn)生的電壓修正量，則節(jié)點i優(yōu)化后的參考電壓值及其對應(yīng)的電壓修正量分別為：

(4)

(5)

(6)

δi.pu=∑aij(ij/kj-ii/ki)

(7)

系統(tǒng)的鄰接矩陣AG=[aij]∈RN*N，N表示整個系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)。

2.2 小信號模型

圖4 Buck電路

在直流微網(wǎng)中，DC/DC變換器是非線性的元件。小信號模型[8]利用數(shù)學(xué)方法描述DC/DC變換器的工作狀態(tài)，把各個變量表達(dá)為直流分量和交流小信號分量之和，提取交流分量，忽略高次諧波，進(jìn)行線性化處理。在本文中，采用小信號模型對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制器的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析。DC/DC Buck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其小信號模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 性能分析

系統(tǒng)參數(shù)如表1所示?？紤]完全連通和環(huán)形通信兩種結(jié)構(gòu)，以4節(jié)點為例，通過小信號模型得到控制系統(tǒng)的帶寬，并分析其控制性能。完全連通和環(huán)形通信結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣分別如式(8)和式(9)。

(8)

(9)

當(dāng)兩個相鄰節(jié)點間的通信頻率分別為10 kHz，20 kHz和30 kHz時，其通信延時分別為0.1 ms，0.05 ms和0.033 ms，則對應(yīng)的vout/vref的帶寬如表2所示。在兩種通信結(jié)構(gòu)中，控制系統(tǒng)的帶寬都在0.7 kHz左右。這表明，該方案在由4節(jié)點組成的系統(tǒng)中能夠達(dá)到預(yù)期的控制性能。此外，隨著通信頻率的增大，通信延時降低，系統(tǒng)的帶寬增大。當(dāng)通信頻率相同，在完全連通的通信結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)擁有比環(huán)形通信結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)更大的帶寬。

表2 不同通信頻率下的系統(tǒng)帶寬

3 仿真結(jié)果

用MATLAB/Simulink仿真一個4節(jié)點的直流微網(wǎng)。系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。仿真試驗共分為3組：①不考慮通信網(wǎng)絡(luò)，只通過本地控制器對直流微網(wǎng)進(jìn)行控制；②在完全連通的通信結(jié)構(gòu)下，通過協(xié)同控制器一同對直流微網(wǎng)進(jìn)行控制；③在環(huán)形通信結(jié)構(gòu)下，通過協(xié)同控制器一同對直流微網(wǎng)進(jìn)行控制。相鄰節(jié)點間的通信延時設(shè)為0.05 ms，即通信頻率為20 kHz。在仿真試驗中，相鄰節(jié)點間傳輸線的線路阻抗也考慮在內(nèi)，設(shè)為0.05 Ω。輸出電流擾動設(shè)為100 rad/s，10 A。

在不考慮通信網(wǎng)絡(luò)，只通過本地控制器實現(xiàn)控制目標(biāo)的情況下，仿真結(jié)果如圖5所示。輸出電壓調(diào)節(jié)在1.5%(6 V)以內(nèi)，同時根據(jù)輸出電流的波形可以得到各個節(jié)點之間的功率平衡。采用基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同控制方案對系統(tǒng)進(jìn)行控制，在完全連通和環(huán)形通信結(jié)構(gòu)下的仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。兩種情況下，輸出電壓的電壓調(diào)節(jié)均在±0.75%(±3 V)以內(nèi)，響應(yīng)時間小于0.01 s。通過觀察輸出電流的波形也可以得到各個節(jié)點之間的功率平衡。因此，試驗表明，該控制方案能夠有效地達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

圖5 不考慮通信網(wǎng)絡(luò)的本地控制仿真結(jié)果

圖6 完全連通的通信網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)同控制仿真結(jié)果

圖7 環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)同控制仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出一種直流微網(wǎng)的基于通信網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同控制方案。整個方案由本地控制器和協(xié)同控制器兩部分組成。本地控制器采用雙環(huán)控制方案，電壓外環(huán)用一個P控制器代替常見方案中的PI控制器和電流反饋的下垂控制環(huán)。協(xié)同控制器通過相鄰節(jié)點間的通信產(chǎn)生一個電壓修正量優(yōu)化控制性能。該控制方案降低了控制器的階數(shù)，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)，電壓修正量的算法也減小了通信結(jié)構(gòu)和通信延時對系統(tǒng)性能的影響。最后，仿真試驗的結(jié)果驗證了該控制方案對于系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性以及在電壓調(diào)節(jié)和功率平衡方面的性能。