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具有容性负载的直流微电网系统分布式协同控制.docx
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具有容性负载的直流微电网系统分布式协同控制.docx
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微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇
集而成的小型发配电系统, 是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统, 既可以与外
部电网并网运行, 也可以独立运行. 由于各种可再生能源(太阳能)、储能元件(电池、超级电
容)、负载(电子元件、马达、LED 照明设备、充电机)等具有直流特性, 因此直流微电网相
对于交流微电网在电动汽车、舰船、航天飞机、潜艇等领域得到越来越广泛的应用. 然而,
直流微电网系统本身面临着负载均衡问题.
近年来, 分布式协同控制方法得到了广泛关注, 其起源于分布式计算及 Jadbabaie 等对
Viseck 模型的理论解释
[1]
, 通过子系统之间的局部交互实现全局目标, 其中典型的方法包括
一致性算法和 Gossip 算法, 其具有较强的扩展性和鲁棒性
[2-3]
. 近 10 年来 Olfati-Saber 等
[4]
、
Ren 等
[5]
、Qu 等
[6]
针对智能体彼此孤立的多智能体系统开展了一系列研究, 成功应用在智能
交通系统中无人车辆的自主驾驶, 作战系统中无人机的编队飞行, 卫星系统中航天器与飞行
器的姿态调整与同步、移动传感网络中的目标追踪等领域.
分布式协同控制理论 近年来又应用在微电网系统等领域, 并取得了一定的成果
[7-10]
.
针对模块化 DC-DC 变换器并联构成的系统, 美国德州大学阿灵顿分校 Lewis 教授和
Davoudi 教授共同领导的团队采用分布式协同控制的方法, 实现了 DC-DC 变换器的输出电
流均衡, 同时也实现了电压跟踪调节的目标
[8]
. 所提出的控制方法不需要集中式的控制器,
单个节点的故障, 不会影响整个系统的性能, 具有较高的可靠性
[9]
. 同时, 该方案适用于有
向及无向通信拓扑, 可以实现即插即用的功能, 并且对于节点故障、通信链路故障具有鲁棒
性.
针对直流微电网, Lewis 团队将每个 DC-DC 变换器视为智能体, 提出了分布式协作主
从控制方法, 解决了直流微电网中的比例负载均衡问题. 其中每个 DC-DC 变换器不仅具有
各自的局部负载, 而且具有公共的远程负载, 其中的负载是阻性负载, 控制过程中引入电流
环与电压环, 不仅要对电流进行均衡, 而且还要对电压进行调节, 通过每个 DC-DC 变换器
之间的局部信息交互, 最终实现负载均衡
[10]
.
丹麦奥尔堡大学的 Guerrero 团队针对直流微电网群, 建立了小信号模型, 分析了系统
参数、常值功率负载、线路阻抗对系统稳定性的影响, 同时提出了分层控制框架
[11]
. 美国德
州大学阿灵顿分校 Davoudi 教授领导的团队针对直流微电网群, 将每个微电网视为智能体,
基于协同控制的原理, 利用分布式控制方法, 在第三层实现了微电网之间的负载均衡
[12]
. 文
献[13]将直流微电网电压调节和负载均衡控制设计刻画成一个多目标优化问题, 提出了分布
式协同控制方法, 并且其能能够处理通信时延问题. 文献[14]针对直流微电网提出了柔性协
同控制策略, 来抵抗信息攻击带来的负面效应.
目前, 所开展的研究多针对由模块化 DC-DC 变换器并联构成的直流微电网系统, 负载
为阻性负载, 建模后为线性系统
[9-10]
. 当电网中具有容性负载时, 建模后的系统为非线性耦
合系统, 本文拟针对此类容性负载直流微电网系统, 解决其负载均衡问题.
本文拟通过引入容性负载电压观测器, 将直流微电网系统的负载均衡控制问题转化为
一阶积分器多智能体系统的一致性跟踪问题, 基于最近邻原则, 在有向通信拓扑之上, 设计
了分布式协作负载均衡控制器, 通过分析增广矩阵的特征值, 来证明整个闭环系统的稳定
性.
本文组织如下: 第 1 节主要针对一类具有容性负载的直流微电网系统, 对其进行了建
模, 并对其负载均衡问题进行阐述, 在第 2 节通过引入容性负载电压观测器, 将并联系统进
行解耦, 设计具有比例、积分环节的分布式协同控制器, 并借助增广矩阵对闭环系统进行稳
定性分析, 第 3 节在直流微电网电流均衡控制实例中, 对结果进行分析, 第 4 节对全文进行
了总结.
1. 问题描述
考虑一类具有超级电容负载, 由 DC-DC 变换器并联构成的直流微电网系统, 如图 1 所
示, 借助状态空间平均法建模如下
[15-16]
图 1 具有容性负载的直流微电网系统
Fig. 1 The DC micro-grid systems with capacitive loads
下载: 全尺寸图片 幻灯片
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪Lkdikdt=Vdkuk−ikrk−vc(C0+Cvvc)dvcdt=∑m=1nim{Lkdikdt=Vdkuk−ikrk−vc(C0+Cvvc)dvcdt=∑m=1nim
(1)
其中, [ikvc][ikvc]是每个子系统的状态 xkxk, 包含了每个支路的输出电流 ikik 和负载电
压 vcvc, uk(t)uk(t)为占空比输入.
每个子系统的输出为
yk=ik yk=ik
(2)
从式(1)中可看出, 子系统之间具有公共的耦合变量 vcvc, 每个子系统的状态 xkxk 依赖
于其他子系统的状态, 子系统之间是彼此耦合的, 因此, 系统(1)区别于传统的子系统彼此孤
立的多智能体系统.
需要设计控制器实现如下负载均衡目标
limt→+∞|yk(t)−y0|=0 limt→+∞|yk(t)−y0|=0
(3)
其中, y0y0 为参考目标. 式(3)意味着随着时间的推移, 每个子系统的输出最终要跟踪
上参考目标.
注 1. 参考电流 y0y0 计算式为
y0=icn=1nCsc(0)(vc(td)−vc(0))tdy0=icn=1nCsc(0)(vc(td)−vc(0))td
其中, vc(td)vc(td)为在要求的充电时间 tdtd 内的期望达到的电压, Csc(0)Csc(0)为负载
电容的初始电容值, vc(0)vc(0)为负载电容的初始剩余电
压,vc(td)vc(td), Csc(0)Csc(0), vc(0)vc(0)这些参数依赖于直流微电网系统的物理设计, 可以
预先获得. icic 为总的充电电流, 可以依据这些物理参数利用此公式预先计算出来. nn 为参
与充电的并联 DC-DC 变换器的数目, 其可以通过通信获得.
电流参考目标 y0y0 被预先配置在其中一个变换器模块中, 每个变换器模块借助工业总
线交换电流状态信息, 通过各子系统之间的局部交互, 设计分布式协同控制器可以解决直流
微电网系统负载均衡问题.
注 2. 超级电容储能系统已经广泛应用于电动汽车、储能式轻轨、风光发电储能、电力
系统中电能质量调节、脉冲电源等, 是典型的具有较大容性负载的直流微电网系统. 其中,
储能式轻轨作为一种新型电力牵引轨道交通系统, 采用超级电容作为动力源. 利用超级电容
这种高效率的储能设备, 不需要架设牵引电网, 再生制动的能量可以被吸收并重新利用. 当
储能式轻轨停靠站台时, 超级电容需要在有限的时间内被充满. 因此, 充电系统需要提供足
够大的输出功率来缩短充电时间. 一种有效的方式是将充电机进行并联以提高系统的容量,
然而, 由于每个充电系统不可避免地存在着组件误差和工艺误差, 如何平衡每个充电机的输
出电流, 便成为一个挑战.
2. 分布式协同控制
本节首先介绍图论基础, 将直流微电网系统的通信拓扑利用图来刻画; 其次, 将并联
DC-DC 变换器视为智能体, 将直流微电网系统的负载均衡控制问题转化为 一阶积分器多
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