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基于自治LVDC微网的分布式协调控制策略。电力线信令
IEEE学生成员Tomislav Dragicˇevicacute;，IEEE高级成员Josep M. Guerrero和IEEE成员Juan C. Vasquez
摘要—在微电网（MG）中，能源管理控制对于处理各种原动力至关重要，原动力可能包括不同类型的可再生能源（RES）和储能系统（ESS）。具体来说，应以特定的方式对二次电池（即最突出的ESS）进行充电，以保持其使用寿命，必须将通用MG总线电压保持在范围之内，并应利用RES提供的能量尽可能有效。本文提出了一种用于协调自主低压直流（LVDC）MG的方法，该方法由多个使用电力线信号（PLS）的电源组成，这是一种分布式控制策略，其中单元注入正弦信号。将特定的频率插入公共总线以相互通信。揭示了允许应用此方法的控制结构，并指定了工作PLS频率的最佳范围。为了使公用总线中注入信号的稳态误差为零，电池的初级控制已经扩展了专用的比例共振控制器，这些控制器仅在注入期间才接通。最后，使用PLS概念开发了一种在各单元之间进行协调的方法，并进行了实验测试，证实了其适用于自主LVDC MG。
索引词-电池充电器，分布式能源管理策略（DEMS），微电网（MG），电力线信号（PLS），电压降（VD）控制。
1 介绍
ROBUSTNESS并符合现代直流最终用户设备和电池等直流输出型电源以及不可再生能源（RES）使直流微电网（MG）成为连接分布式发电系统的日益流行的解决方案。通常，直流系统比交流系统具有很多优势，例如效率提高以及不存在同步和无功潮流问题[1]。如今，电信和数据中心等远程站点的供电几乎是排他性的，而可靠性和电能质量非常重要，这是通过利用直流配电来实现的[2]。一个特别有趣的概念是仅使用RES [3]，[4]解决这类系统的电源。但是，变量RES的本质会在隔离运行的情况下施加功率平衡挑战。可选配一个储能系统（ESS），例如二次（可充电）电池，以在小型自治系统中连续保持功率平衡。无论内部技术如何，电池串的价格通常在此处的总体成本中都起着重要的作用，因此应格外小心以保持其使用寿命[5]。在这种情况下，最佳实践是实施电池制造商提出的充电方法， 并避免频繁的深度放电循环[6]。但是，一旦开始规定的充电过程，电池就会失去其功率平衡能力，因为它是从其内部控制电路确定从电网提取的电流。如果在不进行监视的情况下启用了此事件的激活，则在小型且脆弱的系统中可能会出现不足以提供负载或稳定性的问题[7]。此外，如果有更多并联的电池串，则必须采取某种协调策略。
已经提出了几种用于在交流和直流独立系统中协调RES 和ESS的技术。其中一些是基于中央监督控制器的，并具 有与每个单元[8]，[9]的通信接口。但是，尽管它提供了 最佳的控制能力，但由于其正确的操作依赖于单个组件， 因此这类系统的可靠性较低。此外，随着单元数量的增加， 它们的连接性可能需要大量的硬件。对于空间紧凑的应用， 提出了一种称为分布式总线信令（DBS）的概念，以避免 使用中央控制器。在那里，互连的单元使用公共总线电压 作为通信介质[10]，[11]。这类控制方法也通常用于工业 孤岛系统，通常包含在市场上的独立即插即用DC / DC转 换器中[12]。但是，尽管使用DBS策略时不再需要监视控 制器，但仍存在其他一些主要问题。例如，固定的公共电 压偏差是特定系统操作模式所固有的，从而限制了可以可 靠使用的模式数量。因此，次级控制的应用没有意义，因为消除电压误差将导致DBS操作不正确。
为了解决前面提到的策略问题，本文提出了一种基于电力线信令的方法。电力线通信（PLC）的概念已被电力公司广泛用于关闭断开网络的损坏部分并进行信息传输[13]。由于PLC的主要焦点是数据传输，因此已使用从几千赫兹到几百兆赫兹的频率，以获得可接受的物理层速率[14]。在这里，电源线仅用作正弦逻辑信号的载体，PLS概念已被提出作为DBS 的更灵活扩展。相对于DBS的优势在于，PLS信号不是在整个特定工作模式下具有固定的电压偏差，而是用作模式转换的触发信号，在该模式下，可以通过次级控制操作有选择地消除偏差而不影响正常操作。此外，对于典型的小型独立低压直流（LVDC）MG，无需使用单独的PLS信号注入和提取设备来利用此概念，因为可以直接从主控制回路完成此操作。
本文的组织如下。在第二部分中，显示了LVDC MG的物理配置，并修改了其每个元素的主要控制。在第三部分中，已经提出了关于系统所有可能状态的可行的PLS频率范围。由于在建议的方案中仅电池需要注入PLS信号，因此它们的控制图已通过专用的比例共振（PR）控制器进行了扩展，以确保在公共电压下注入参考的稳态误差为零。在第四部分中，提出了PLS分布式能源管理策略（DEMS），其中PLS 信号用于指导单元的协调运行。第五节检查了该方法的实际适用性。第六节通过实验结果验证了DEMS概念，结果表明仅使用分布式PLS信号就可以有效地监控LVDC MG。第七部分总结了本文，并讨论了获得的结果。
2 lvdc mg结构与控制
图1表示在公共直流母线周围形成的自治LVDC MG，电源和负载直接连接到该直流母线。典型的负载可以大致分为被动负载和主动负载，但是所有负载通常都是针对特定的主总线电压而设计的。电压降（VD）方法是使用并行控制来获得对其的控制的一种广泛接受的方法各种来源的运作[15]。功能原理是通过引入内部虚拟电阻Rd作为控制参数来强制电源根据总消耗共同控制公共总线电压。对于dc / dc功率电子控制接口，这将转换为电流反馈的插入，该电流与内部电压和电流控制回路顶部的Rd 成比例（见图2）。这样，可以确保设备的稳态工作点保持在由
vDC = vref，MG-Rdio。 (1)
但是，根据每个单元的作用，VD操作可能并不总是最佳的控制策略。例如，最好使用专用的最大功率点跟踪MPPT）算法，而不是将RES用于电压支持，而是从中提 取所有可用的自由功率。迄今为止，已经针对光伏（PV） [16]和风力涡轮发电机（WTG）[17]工厂开发了许多用于此目的的控制策略。尽管如此，它们中的大多数仍具有相似的双级控制结构：1）一种MPPT算法，该算法负责找到 一个电压，使该电源在环境条件下可提供最大功率； 2） 主电源电压环路，可确保跟踪电源电压。各自的参考电压， 并产生内部控制回路的参考电流（图3中的i参考）。
另一方面，为了恢复充电状态（SOC），则应在充电过程结束时采用恒压充电方法。更 具体地说，应采用最适合于阀控式铅酸蓄电池技术的两级恒压充电方法，这在固定应用中仍是最常见的方法。第一个电压级设置较高，通常称为“升压”电压，而另一个通常称为“浮动”电压。具体电压值和相应持续时间的建议通常由特定电池的制造商提供。为了实现此功能，在此过程中，将激活一个内部电池控制电路，该电路包含电压和电流环路。电压环路确定参考电池电流，这是将电池电压保持在所需水平所需的。尽管在图3中示出了关联单元是电流控制的，但是其输入电流参考的计算过程使其在静态上实际上是恒定功率（CP）单元。因此，MPPT算法将不断调整RES电压基准，
以保持从中提取最大功率。另一方面，充电算法将维持电池的规定充电。对于给定的环境条件和电池状态，这两种功率都可以视为恒定的。
典型的闭环MPPT算法的采样频率远低于外部控制环路的带宽。同样，内部电池电压控制器的带宽通常低于内部控制环路之一的带宽。因此，出于频率响应分析的目的，将MPPT和电荷模块建模为可调电流基准。
图4中显示了上述所有类型的i-v平面的静态特性，其中
VD单元位于左侧，CPgen（对应于MPPT模式下的RES）位于 中间，CP 加载（对应于充电模式下的电池）在右侧。从该图中可以看到，并行运行的不同源如何影响系统的工作点。电压和电流环路可通过常规比例积分（PI）控制器完成，并与相应DC / DC转换器输出上的LC滤波器一起定义特定单元的动态特性。如果考虑降压dc / dc转换器的平均模型，则可以使用图1和2中的VD和CP单元。可以通过以下动力学模型分别描述图2和图3：
其minus;中xV，xC，iL和v直直流流电电分别是电压和电流环路积分器，转 换器电感器电流和电容器电压的输出。Pv，Pc，Iv和Ic是控件参数;L和C分别是转换器输出滤波器的电感和电容；Rp是 电感和开关寄生电阻的总和；RL是连接负载的等效电阻， V在是直流电源电压。
在将多个Nd单元用作VD和多个Nc单元作为CP连接到同一总线的情况下，方便地安排表示（2）和（3）的一单元方程式）转换为隐式状态空间模型形式，如下所示：
其中x˙s 是维1]的完整状态向量，u是维度[[Nd Ntimes;c 1 ）1]，矩阵Ms和As的尺寸为[（3Nd 2Nc 1）（3Nd 2times;Nc 1）]，矩阵B（ TF88）的尺寸为[（3Nd 2Nc 1）（N N 1times;）]。由于这些系统级矩阵的组成非常简单，此处省略了它们的显式表达式。
设计了连接单元的控制，以使参考电流源可以在外部动态重叠，如图5所示。因此，根据外部信号，每个源都可 以VD或CP模式工作，而当前的活动模式为称为单位级别（UL）模式。应该注意的是，VD模式下的RES输出功率不应超过其最大可用功率，并且可以通过为电流控制环路提供动态限制器来达到合规性。此外，UL模式之间的平滑过渡。
通过为关联的控制器集成商自动设置适当的初始条件，可以确保这两种方式。在下一节中，将开发一种基于单元之间PLS消息交换的通信概念。
3PLS概念对LVDC MGS的适用性考虑到所有单元的两种UL模式可能性
对于一般的N单元MG，如图2N所示，总共可以实现不同的 配置，并且频率响应对于它们中的每一个通常将是不同的。但是，它将显示在开发的DEMS概念的指导下，图1中分析的四单元MG将仅在四种配置（可能的16种）之间转换，这被称为系统级（SL）模式。表I中给出了每种SL模式下的确切UL组合，其中广播PLS信号的UL模式以粗体显示。选择电流控制回路的求和点作为PLS参考信号注入点的自然选择。为了实现良好的通信，无论施加的频率和UL或SL工作模式如何，这些参考都应映射到公共总线中一致的电压幅度。
下一节将显示仅电池需要注入信号。实际上，每个电池都需要能够注入三种不同的PLS信号：主信号（频率为fi）控制其他单元的UL模式变化，辅助信号（频率为f我）用于指示其他信号。它自己的SOC，以及另一只电池的辅助信号（频率为fj，辅助），用于有选择地更改其UL模式。
因此，在双电池系统的情况下，应总共选择四个PLS频率。波特图可以帮助您选择最佳频率值。为了构造它们，需要为每个转换器指定一套完整的参数。在这项研究中，LC滤波器的选择受可用实时控制平台的开关频率（10 kHz）支配。因此，考虑到这些滤波器，对由（2）和（3）表示的平均控制环的参数进行了调整。表II中给出了所有参数的数值，并且在图6中绘制了相对于表I从电流控制环路求和点到公共电压的相应幅度频率响应。从该图中可以观察到出现的幅度峰值在150至220 Hz之间的频率。它们表示在最小的附加电流负载流向转换器的情况下实现输入参考到输出电压的映射的频率。根据响应，也可以将100到250 Hz之间的频率视为在有利的频率区域。因此，建议在该范围内选择频率。但是，值得一提的是，特定转换器的不同开关频率将暗示选择独特的滤波器，从而暗示控制参数的设置。出于同样的原因，还应该检查额外单元的影响。在任何情况下，都应重新绘制图6，以研究不同最佳PLS频率上的参数。第五部分将更详细地研究此问题。
所选频率不应太接近以至于不能清楚区分PLS信号。此外，最小PLS频率不应太低，以避免与转换器的主控制回路发生相互作用，并且也不能太接近100 Hz，因为它可能与可选的交流负载发生相互作用。考虑到上述事实，已将电池1的主频率和辅助频率选择为113和131 Hz，将电池2的主频率和辅助频率选择为122和140 Hz（见图7）。这样，仍然存在用更多频率扩展概念的空间。但是，如果频率资源用尽，则可能超出建议的范围，但应注意不要给PLS信号注入转换器增加负担。
PLS协调概念的完整控制结构如图8所示。在专用的本地化控制器（称为分布式逻辑块）中，以分布式方式完成有关哪个单元应执行广播以及哪些单元应更改其UL模式的解决方案（ DLB）。已经开发出两种类型的DLB：电池DLB和RES DLB。RES和电池均可通过本地计算的信号“ UL模式”来更改UL模式。另一方面，广播只能由电池执行。因此，根据下一节介绍的电池的DLB内部机制，它们执行通过产生相应的电压基准进行广播（图8中用红色标记）。
为了确保公共总线中这些参考的零稳态误差，每个电池已实现三个PR控制器（ttpr1（s），ttpr2（s）和ttpr3（s ））。ttPRi（s）定义为[18]
其中omega;i（omega;i=2pi;fi）是PR通过为omega;i引入无限增益来提供跟踪的频率。PR控制器的引入可能会通过为每个控制器创建两个额外的复数极点来改变系统的动力。为了避免在正常操作期间出现这种情况，各个PR控制器的连接开关设计为仅在信号注入期间传递其输出。这是通过一个四端口开关实现的，该开关由信号“ PLS信号”从外部控制，当订购电池进行广播时会自动感应该信号。为了在公共总线中提取PLS信号，已经实现了具有幅度提取块的带通滤波器组。它们由二阶广义积分器和在选定频率下调谐的dq变换组成。如果是电池，则电池组的数量为三个（检测到来自另一个电池的两个信号及其自身的辅助信号，在某些情况下，该信号将由另一个电池广播），如果是RES，则电池组的数量为四个（检测来自两个电池的所有信号）。提取的幅度将传递到DLB，DLB将其与本地测量值一起处理，以确定进一步的移动。为了给这些块足够的时间来检测PLS
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