[0001] 本发明属于直流微电网技术领域，尤其涉及面向大信号稳定的直流微电网预定时间分布式鲁棒协调控制方法。

[0002] 近年来，直流微电网作为一种有效集成分布式发电单元、可再生能源、储能系统和不同类型电力电子负荷的小型配电系统受到了广泛关注。与交流微电网相比，大量可再生能源和储能系统本质上具有直流特性，可以直接集成至直流微电网，无须额外的能量转换环节，其效率更高。此外，避免了无功潮流、相位同步、频率调节、谐波污染等问题。因此，直流微电网在电力系统，电动飞机和电动船舶等方面具有广阔的应用前景。

[0003] 在直流微电网中，为了实现适当的电流分配和母线电压调节两个基本控制目标，通常采用完全分散的下垂控制。然而，受不匹配线缆阻抗影响，下垂控制系数的选取需要在电流分配精度和母线电压调节偏差之间权衡考虑。因此，为了解决上述问题，根据通信链路进行区分，提出了集中式、分散式和分布式等二次控制来补偿母线电压偏差，提高电流共享精度。其中分布式控制被认为是分散式控制与集中式控制的良好折衷，在控制性能与通信负担之间取得平衡。此外，避免了单点故障且满足“即插即用”需求，提高了直流微电网的稳定性与可扩展性。对于传统的分布式控制器，通常采用稀疏通信网络接收邻居信息用于一致性算法，实现各状态变量的动态一致。然而，随着微电网系统规模的增大，其复杂的控制结构导致的计算负担使收敛时间逐渐增加，同时直流微电网经常面临负载和电源的快速动态投切，因此实现电压调节和电流共享的快速收敛是非常必要的。此外，对于目前现有的分布式控制，主控制层均是基于双闭环PI线性控制器设计的，这在稳定裕度和动态性能间进行了权衡。

[0004] 除传统阻性负载外，直流微电网还存在大量严格调节的功率转换器负载，其表现为恒功率负载，其独特的负阻抗特性会与源变换器相互作用，降低系统阻尼，从而威胁系统的稳定运行。必须指出，系统的稳定运行是二次控制正确实施的基本前提。为了解决系统稳定性问题，提出了基于小信号稳定的方法，主要包括两类：增加无源元件的被动阻尼法和修改控制回路以模拟无源元件的主动阻尼法。然而，前者增加了系统的重量和成本，而后者是基于局部线性化模型设计的，仅在平衡点的小邻域范围内提供稳定性。当直流微电网遇到可再生能源间断运行、恒功率负载变化、分布式电源插拔等大信号干扰时，线性化模型精度将失去精度，系统稳定性无法保证。

[0055] 下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0056] 本发明是基于一种典型的单母线直流微电网，它由五部分组成，包括分布式发电单元、能量存储系统、可再生能源、阻性负载和恒功率负载五部分组成，如图1所示。图2为本发明对应的典型直流微电网电力系统拓扑示意图。

[0057] 在控制方法之前，需对DC/DC变换器进行数学建模，由于多类型的分布式电源在不同电压水平下连接至直流微电网，为了不失通用性，考虑升压DC/DC变换器(图2中的DGi,a)和降压DC/DC变换器(图2中的DGi,b)两种拓扑结构，其平均动态模型分别表示为:

[0058]

[0059] 其中Li,r,Ci,r,iLi,r,voi,r,Ei,r,Pi,r和μi,r分别为第i个变换器的电感值、电容值、电感电流、电容电压、输入电压、输出功率和占空比信号；下标r表示变换器类型，r＝a表示升压变换器，r＝b表示降压变换器；

[0060] 为了处理模型上式中的双线性系统形式，需要使用精确反馈线性化，将原模型用坐标变换表示为两个新的状态变量，构造如下：

[0061]

[0062] 对上式进行求导，如下所示：

[0063]

[0064] 结合(2)和(3)可以得到通用模型，表示为: 和 其中d1i＝‑Pi和d2i被定义为集总扰动项，包括参数不确定性、未建模动力学和外部扰动，因此，占空比μi可由中间控制信号ξi导出，可表示为：

[0065]

[0066] 通过以上分析，对坐标变换后的目标进行跟踪，使x1i渐近地跟踪参考值 表示为[0067]

[0068] 上式中， 表示理想工作状态下第i个变换器的输出基准电压。

[0069] 本发明提出面向大信号稳定的直流微电网预定时间分布式鲁棒协调控制方法，所述方法采用分层控制架构，底层控制为具有大信号稳定性的鲁棒协调控制，视为主控制器；二次控制为基于预定义时间的分布式控制，视为副控制器；在主控制器中，利用输入电压观测器和非线性扰动观测器在线估计系统的未建模扰动、输出功率和输入电压，并对基于下垂控制的标准反步算法进行前馈补偿，将其组合成一个不附加传感器的鲁棒协调控制器，以实现基本控制目标；在副控制器中，根据基于预定义时间算法的分布式二次控制器和自适应函数，实现了预定义时间控制增益的自动更新，以及预定义时间内精确的电压调节和的功率共享。

[0070] 对主控制器进行设计，根据式(5)可知，控制器中涉及输入电压Ei和负载功率Pi的信息；因此，有必要使用观测器技术来进行在线估计和前馈补偿降低系统成本，提高控制器的鲁棒性。

[0071] 针对输入电压观测器的设计：首先定义跟踪误差，可表示为

[0072]

[0073] 上式中，其中 和 分别为输入电压Ei的估计值和估计误差；

[0074] 设计的输入电压观测器可表示为

[0075]

[0076] 上式中， 和λi分别为输入电压观测器的辅助状态变量和控制增益；对上式进行求导，如下所示

[0077]

[0078] 进一步，将式(8)带入(7)中，简化可得

[0079]

[0080] 由上式可知，通过选择合适的λi,a>0和λi,b>0可以保证 的收敛性，从而保证所设计的输入电压观测器满足李雅普诺夫稳定性定理。

[0081] 针对非线性扰动观测器的设计，可表示为

[0082]

[0083] 上式中，χ1i和χ2i分别为非线性扰动观测器的辅助状态变量，l1i>0和l2i>0为非线性扰动观测器的控制增益， 和 分别为d1i和d2i的观测估计值；根据式(10)，估计误差及其导数可表示为

[0084]

[0085] 考虑增益选择和负载功率Pi的导数有界，且 上式满足李雅普诺夫稳定稳定性条件，即估计误差随时间渐近趋于零的结果。

[0086] 在设计的输入电压观测器和非线性扰动观测器的基础上，进行鲁棒协调控制器的设计；首先将式(7)和(10)代入(5)中，并添加下垂控制和二次控制修正项，可表示为[0087]

[0088] 其中vref为直流母线电压额定值；mi和ui分别为第i个变换器的下垂系数和二次控制修正项；为了保证系统的稳定运行，鲁棒协调控制器可以设计如下

[0089]

[0090] 上式中，k1i和k2i是鲁棒协调控制器增益；然后对副控制器进行设计，为了便于讨论电压调节和功率共享，将电压误差eVi和功率误差ePi定义为

[0091]

[0092] 上式中，uVi和aij分别为二次控制电压校正项和通信权重；考虑到直流母线电压vbus难以获取，因此使用牵制控制进行限制，可显著减少本地变换器与直流母线之间的通信次数，极端情况下仅一个变换器接收母线电压信息即可完成二次控制。

[0093] 为了进一步改善分布式二次控制的动态性能，设计预定义时间算法为[0094]

[0095] 其中εi>0和0≤σi<1为可调参数；δVi和δPi分别为二次控制电压和功率校正项；连续1
函数κ(·)∈K:R+→[0,1)是严格递增的，κ(0)＝0，并且当x→∞时κ(x)→1；常用的κ(·)函数包括 和 在本发明提出的控制方法使用

[0096] 根据上式可知，传统的预定义时间控制增益通常设置为固定值，然而，本发明提出的控制方法为减少系统成本采用的牵制控制会降低分布式控制的动态恢复速度，因此最优的预定义时间控制增益εi的选择值得探讨。为了避免不合理的εi导致冗余鲁棒性，提出了一种根据系统扰动信息在线调整暂态性能的自适应函数，达到无保守性的目的，其变化图如图3所示。设计的自适应函数可表示为

[0097] εi(t)＝εiexp(‑100εi|eVi|),εi(t)min＝0.005    (16)

[0098] 综合上述控制器设计，最终本发明的预定时间分布式鲁棒协调控制框图如图4所示。

[0099] 为了验证本发明方法的有效性，在实验室搭建一个环形通讯拓扑结构的直流微电网实验平台进行验证。首先将四个分布式电源通过双向DC‑DC变换器连接到直流母线，并向馈线负载(电阻负载和设置为CPL模式的电子负载)提供功率。然后，通过电压、电流传感器采集物理系统的模拟信号发送至RT‑BOX控制器实现本发明提出的控制方法，并为四个变换器提供控制信号实现闭环。最后，通过横河DL850示波器观测输出电流电压波形。在此系统上验证所提出的预定时间分布式鲁棒协调控制有效性，以及电源阶跃变化、负载阶跃变化以及即插即用案例下的动态响应波形。具体的系统参数和控制器参数如下表所示。

[0100]

[0101] 首先，针对本发明提出的控制策略在负载阶跃变化的动态响应进行实验验证，实验波形如图5所示。考虑直流微电网负载侧的最坏情况，系统初始负载仅存在800W恒功率负载，初始情况下仅激活主控制器，然后激活副控制器，一段时间后，分别通过加载和切除800W恒功率负载和50Ω电阻性负载来实现负载的阶跃变化。

[0102] 由图5的(a)和(b)可知，由于线阻抗不匹配和下垂系数的影响，系统直流母线初始电压跌落至196.5V，同时各变换器的输出功率分别稳定在236W、225W、180W和165W，无法实现精确的功率共享控制目标。当二次控制启动时，直流母线电压在10ms内快速调节到标称值200V，同时在22ms内实现所有变换器之间的精确功率共享。此外，当800W恒功率负载和50Ω电阻性负载进行加载和切除瞬间，最小和最大的直流母线电压为197V和203V，分别经过9ms和8ms的收敛时间恢复至200V。同时，所有变换器的输出功率在22ms内实现重新分配，实现精确的功率共享。

[0103] 然后，针对本发明提出的控制策略在输入电压阶跃变化的动态响应进行实验验证，实验波形如图6所示。系统初始仅存在800W恒功率负载，在激活本发明提出的控制方法后，DG1的输入电压每隔一段时间进行阶跃变化，其范围为100V→120V→100V→80V→100V。

[0104] 由图6的(a)和(b)可知，直流母线电压和输出功率在输入电压变化后经过短时间内稳定，几乎不受影响。结果表明，本发明提出的控制方法对输入电压变化具有良好的鲁棒性。

[0105] 最后，针对本发明提出的控制策略在即插即用工况的动态响应进行实验验证，实验波形如图7所示。由图7(a)和(b)可知，当DG1对应的变换器切出和投入直流微电网系统时，直流母线电压最小值为199V，最大值为201.5V，在经过5ms收敛时间为后恢复到200V。此外，当DG1对应的变换器切出时，其输出功率跌落至0，其他变换器重新按照对应比例实现功率共享。当DG1对应的变换器投入后，所有变换器再次实现功率共享。实验结果表明，本发明提出的控制方法具有良好的即插即用的性能。

[0106] 本发明的结构示意图如图8所示。虚线框中是针对直流微电网系统采用的预定时间分布式鲁棒协调控制方法控制框图。该部分主要由分布式控制的二次控制器、鲁棒协调控制组成。在主控制层，采用观测器技术对各种状态变量(输入电压、输出功率等)进行在线估计，并前馈补偿至非线性控制中，形成鲁棒协调控制，在降低系统成本的同时实现了快速的电压调节和功率共享。在二次控制层，利用功率估计和有限的直流母线电压信息设计分布式控制器，以实现低成本的精确母线电压恢复和功率共享。在此基础上，引入了一种预定义时间算法，使主、二次控制器具有相似时间尺度的动态性能，并针对牵制控制的缺点设计了基于实时扰动信息的自适应函数动态选择收敛系数，进一步提高了暂态电压恢复性能。本发明提出的控制方法在各种复杂工况下均能在预定时间内实现控制目标，且具有大信号稳定性。

[0107] 本发明提出一种面向大信号稳定的直流微电网预定时间分布式鲁棒协调控制方法。该方法不但保证了直流微电网系统的全局大信号稳定，而且在预定时间内实现了精确的电压调节和功率共享控制目标。所提出的输入电压观测器和非线性扰动观测器设计补偿了电源侧和负载侧的干扰和不确定性，提高了主控制器的鲁棒性和灵活性。同时，输出功率估计信息可用于下垂控制和分布式控制中实现功率共享，无需额外的传感器，降低了系统成本。此外，通过在分布式控制中引入预定义时间算法，提供了与主控制时间尺度相似的动态性能。针对牵制控制的缺点，设计了基于实时扰动信息的自适应函数动态选择预定义时间收敛系数，进一步提高了暂态电压恢复性能，实现了在预定时间内精确电压调节和功率分配。

[0108] 上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。