CN107465211A - 孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，属于微电网运行控制领域。该方法具体为：判断功率控制器的下垂控制的频率和电压是否有偏差，若没有偏差，则不进行二级控制相关的信息通信和数据计算；若有偏差，则激活二级控制，通过选择合适的第i个DG单元下垂控制的频率参考值和电压参考值，使DG单元的输出频率和输出电压在固定时间内恢复到额定值，且实现有功功率精确分配，关闭二级控制。本发明所提出的分布式协调控制方案保证***发生扰动后，在提前设计的固定时间内，所有DG单元的输出频率和电压恢复到额定值，且实现DG单元输出有功功率的精确分配，提高微电网的电能质量，保证敏感负荷的用电安全。
Description
技术领域
本发明属于微电网运行控制领域，涉及孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法。
背景技术
能源危机和环境污染促进开发清洁且可再生的能源，如太阳能、风能等，这些能源以分布式发电的方式产生电能。为了充分发挥分布式发电的效益，微电网整合分布式发电、储能装置、局部负荷等形成小规模的电力***，其既可以连网运行，也可以孤岛运行。孤岛微电网既需要分布式发电单元提供频率和电压支持，也要实现对负荷的共享。一级下垂控制被用于实现这一功能，但下垂控制导致频率和电压偏离额定值。为了消除频率和电压偏差，二级控制被广泛应用。
二级控制主要有集中式和分布式两种。集中式控制需要中央控制器收集所有发电单元的全部信息，并提供控制命令。因此集中式控制存在通信计算负担重、单节点故障、可扩展性差等缺点，不适合实现即插即用功能。分布式控制仅利用由稀疏通信网络得到的少量局部信息来实现控制目标，适应可再生能源的分散式接入，不需要中央控制器，能有效克服集中式控制的缺点。因此孤岛微电网的分布式协调控制受到了广泛关注。
目前已有一些分布式二级协调控制方案申请了专利，如申请号为201510946239.2，发明名称为孤立微电网分布式控制方法；申请号为201510586785.X，发明名称为面向对等模式下微电网的基于牵制的分布式协同控制方法；申请号为201610054613.2，发明名称为基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法；申请号为201610353634.4，发明名称为一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法。
就二级控制的收敛速度来说，现有专利技术最快实现有限时间收敛，但其收敛时间取决于***的初始状态，而初始状态通常无法事先得到，因此导致收敛时间无法确定。分布式发电大多具有随机性和间歇性，这需要二级控制的收敛时间能够事先确定，以优化***设计和提高稳定性。此外，在实际应用中，敏感负荷需要在频率和电压发生波动后，在固定时间内恢复频率和电压到额定值，以避免负荷的损坏。现有专利无法满足以上两点需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，本方案主要解决孤岛微电网的频率和电压在固定时间内恢复到额定值，且保证各分布式电源输出有功功率的精确分配。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，包括以下步骤：
S1：判断功率控制器的下垂控制的频率和电压是否有偏差，若有偏差，则进入S2，若没有偏差，则不进行二级控制相关的信息通信和数据计算；
S2：激活二级控制，通过选择合适的第i个DG单元下垂控制的频率参考值和电压参考值Vi*，使DG单元的输出频率在固定时间T1内恢复到额定值，输出电压在固定时间T2内恢复到额定值，且实现有功功率精确分配；
S3：关闭二级控制。
进一步，所述功率控制器的下垂控制为：
式中，ωri和Vri分别表示第i个DG单元通过下垂控制产生的输出频率和电压参考值，和Vi*分别表示第i个DG单元下垂控制的频率和电压参考值，即二级控制产生的频率和电压输出值，和分别表示第i个DG单元频率下垂系数和电压下垂系数，Pi和Qi分别表示第i个DG单元输出的有功功率和无功功率。
进一步，所述频率参考值为：
式中，uωi表示第i个DG单元的频率恢复辅助控制器，upi表示第i个DG单元的有功功率分配辅助控制器；uωi和upi分别为：
式中，cω1,cω2,cp1,cp2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；sig(x)α表示sign(x)|x|α，其中sign()表示符号函数，|x|表示实数x的绝对值；0＜μ1＜1且ν1＞1是控制参数；ωj和ωi分别表示第j个和第i个DG单元的输出频率，ω*表示***的额定频率；和分别表示第j个和第i个DG单元的频率下垂系数；Pj和Pi分别表示第j个和第i个DG单元输出的有功功率；aij表示第i个和第j个DG单元间的通信耦合系数，如果第i个DG单元能够接收到第j个DG单元的信息，则aij＞0，否则，aij＝0；bi表示牵制控制增益，如果第i个DG单元能够获取***额定频率信息，则bi＞0，否则，bi＝0；Ni表示第i个DG单元的通信邻居集合。
进一步，所述固定时间T1满足：
式中η和ρ分别如下：
式中，min{a,b}表示a和b的最小值，n表示微电网中DG单元的个数，L，和分别表示以aij，和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)和λ2(M)分别表示矩阵H和M的第一小和第二小特征值；固定时间T1与***的初始状态无关，根据任务需求离线设计T1。
进一步，所述电压参考值Vi *为：
式中，uvi表示第i个DG单元的电压恢复辅助控制器：
式中，cv1,cv2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；0＜μ2＜1且ν2＞1是控制参数；Vj和Vi分别表示第j个和第i个DG单元的输出电压，V*表示***的额定电压。
进一步，所述固定时间T2满足：
式中，n表示微电网中DG单元的个数，和分别表示以和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)表示矩阵H的第一小特征值；固定时间T2与***的初始状态无关，根据任务需求离线设计T2。
本发明的有益效果在于：
(1)微电网中每个DG单元的局部控制器根据自身测量的信息和通信得到的邻居信息来产生控制信号，其通信计算量小，无需中央控制器，***的可靠性高，有利于实现DG单元的即插即用。
(2)所提出的分布式协调控制方案保证***发生扰动后，在提前设计的固定时间内，所有DG单元的输出频率和电压恢复到额定值，且实现DG单元输出有功功率的精确分配，提高微电网的电能质量，保证敏感负荷的用电安全。
(3)相比于现有有限时间控制方案，固定时间控制有更快的收敛速度，且更重要的是其收敛时间可以提前设计。因此固定时间控制更适合基于逆变器接口的小惯性微电网***，有利于协调由具有随机性和间歇性特征的可再生能源分布式发电组成的微电网。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为微电网分布式控制结构图；
图2为单个DG单元的分布式控制框图；
图3为分布式控制流程图；
图4(a)为微电网***的单线图，(b)为DG间的通信拓扑；
图5为DG单元的输出频率；
图6为DG单元的输出电压；
图7为DG单元输出的有功功率；
图8为DG单元的有功功率比值。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
所提的分布式协调控制微电网如图1所示，微电网中每个分布式发电(DG)单元配备一个局部控制器和通信收发器，通信收发器通过稀疏分布式通信链路与相邻DG单元交换信息。DG单元由直流能量源、电压源逆变器、LC滤波器、RL连接器、电压和电流传感器等组成，局部控制器根据一级和二级控制作用产生逆变器的控制信号，单个DG的分布式协调控制框图如图2所示。
局部控制器的一级控制包括功率控制器、电压控制器和电流控制器三部分。一级控制根据二级控制产生的参考信号和电压电流传感器采集的信息产生逆变器的控制信号。功率控制器均采用式(1)所示的下垂控制来维持微电网的电压和频率稳定及功率平衡：
式(1)中，ωri和Vri分别表示第i个DG单元通过下垂控制产生的输出频率和电压参考值，和Vi*分别表示第i个DG单元下垂控制的频率和电压参考值，也即二级控制产生的频率和电压输出值，和分别表示第i个DG单元频率下垂系数和电压下垂系数，Pi和Qi分别表示第i个DG单元输出的有功功率和无功功率。
局部控制器的二级控制包括二级频率控制器和二级电压控制器，其根据自身的信息和接收到的邻居信息产生下垂控制的频率参考值和电压参考值Vi*，使得在固定时间内实现各DG单元的频率和电压恢复到额定值及有功功率分配。
下述二级固定时间控制，当没有频率和电压偏差时，无需进行二级控制相关的信息通信和数据计算，当频率和(或)电压出现偏差，二级控制被激活，在设计的固定时间后，频率和电压恢复到额定值，二级控制关闭。这样做能大大减少通信和计算量。其控制流程如图3。
二级频率控制通过选择合适的第i个DG单元下垂控制的频率参考值使DG单元的输出频率在固定时间内恢复到额定值且实现有功功率精确分配。第i个DG单元的二级频率控制器采用式(2)：
式(2)中，uωi表示第i个DG单元的频率恢复辅助控制器，upi表示第i个DG单元的有功功率分配辅助控制器。uωi和upi分别采用式(3)和(4)：
式(3)和(4)中，cω1,cω2,cp1,cp2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；sig(x)α表示sign(x)|x|α，其中sign()表示符号函数，|x|表示实数x的绝对值；0＜μ1＜1且ν1＞1是控制参数；ωj和ωi分别表示第j个和第i个DG单元的输出频率，ω*表示***的额定频率；和分别表示第j个和第i个DG单元的频率下垂系数；Pj和Pi分别表示第j个和第i个DG单元输出的有功功率；aij表示第i个和第j个DG单元间的通信耦合系数，如果第i个DG单元能够接收到第j个DG单元的信息，则aij＞0，否则，aij＝0；bi表示牵制控制增益，如果第i个DG单元能够获取***额定频率信息，则bi＞0，否则，bi＝0；Ni表示第i个DG单元的通信邻居集合。
上述二级频率控制器保证在式(5)所述的固定时间T1内实现频率恢复到额定值且各分布式电源输出有功功率的精确分配：
式(5)中η和ρ分别如下：
式(6)和(7)中，min{a,b}表示a和b的最小值，n表示微电网中DG单元的个数，L，和分别表示以aij，和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)和λ2(M)分别表示矩阵H和M的第一小和第二小特征值，式(5)(6)(7)中未解释的参数与式(3)(4)中的含义一样。明显地，固定时间T1与***的初始状态无关，而只与设计参数有关，因此T1可以根据任务需求来离线设计。
二级电压控制通过选择合适的第i个DG单元下垂控制的电压参考值Vi *，使DG单元的输出电压在固定时间内恢复到额定值。第i个DG单元的二级电压控制器采用式(8)：
式(8)中，uvi表示第i个DG单元的电压恢复辅助控制器，其采用式(9)：
式(9)中，cv1,cv2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；0＜μ2＜1且ν2＞1是控制参数；Vj和Vi分别表示第j个和第i个DG单元的输出电压，V*表示***的额定电压；其余参数的定义与式(3)和(4)中的一样。
上述二级电压控制器保证在式(10)所述的固定时间T2内实现电压幅值恢复到额定值：
式(10)中，n表示微电网中DG单元的个数，和分别表示以和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)表示矩阵H的第一小特征值，式(10)中未解释的参数与式(9)中的含义一样。明显地，固定时间T2与***的初始状态无关，而只与设计参数有关，因此T2可以根据任务需求来离线设计。
为了说明所提方案的有效性，在MATLAB仿真平台里搭建一个微电网仿真模型，该仿真微电网的额定频率为50Hz(即314.16rad/s)，额定相电压幅值为311V。微电网的单线图展示在图4(a)，微电网中包含2个光伏DG单元(图中用DG1和DG2表示)、2个燃料电池DG单元(图中用DG3和DG4表示)、和2个局部负荷(图中用负荷1和负荷2表示)，DG间的通信链路关系用图4(b)所示的通信拓扑表示，在这个仿真模型里仅仅DG1具有***额定频率和额定电压信息。
在仿真微电网中，设计的频率恢复和电压恢复的固定时间分别为2.8秒和4.2秒。整个仿真过程分为2个阶段：在0.5-2秒阶段，仅仅一级控制被使用；在2-6秒阶段，本方案所提出的分布式固定时间协调控制方法被应用，其中4秒时负荷发生变化来模拟***受到扰动。仿真结果展示在图5-图8。
图5和图6分别展示微电网中DG单元的输出频率和输出电压变化过程，由图可见，在0.5-2秒阶段，一级下垂控制能维持微电网的频率和电压稳定，但频率和电压都偏离额定值；在2-6秒阶段，本方案所提出的分布式固定时间协调控制方法被应用，所有DG单元的输出频率和输出电压均在预先设计的固定时间内恢复到额定值。图7展示微电网中DG单元输出的有功功率变化过程，所有DG单元输出的有功功率在预先设计的固定时间内实现稳定输出；图8展示微电网中DG单元输出的有功功率乘以其下垂系数的比值变化过程，所有DG单元的有功功率比值在预先设置的固定时间内实现相等，说明有功功率分配依据下垂系数在预先设计的固定时间内精确实现。
从本仿真研究可以看出，本方案所提的分布式固定时间协调控制方法在分布式稀疏通信的支持下，通过利用每个DG单元测量的信息和通信得到的邻居信息，而无需中央控制器，协调微电网内DG单元的运行，在提前设计的固定时间内实现频率和电压恢复到额定值及有功功率的精确分配，保证微电网的电能质量，提高***的可靠性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：判断功率控制器的下垂控制的频率和电压是否有偏差，若有偏差，则进入S2，若没有偏差，则不进行二级控制相关的信息通信和数据计算；
S2：激活二级控制，通过选择合适的第i个DG单元下垂控制的频率参考值和电压参考值Vi *，使DG单元的输出频率在固定时间T1内恢复到额定值，输出电压在固定时间T2内恢复到额定值，且实现有功功率精确分配；
S3：关闭二级控制。
2.如权利要求1所述的孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：所述功率控制器的下垂控制为：
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式中，ωri和Vri分别表示第i个DG单元通过下垂控制产生的输出频率和电压参考值，和Vi *分别表示第i个DG单元下垂控制的频率和电压参考值，即二级控制产生的频率和电压输出值，和分别表示第i个DG单元频率下垂系数和电压下垂系数，Pi和Qi分别表示第i个DG单元输出的有功功率和无功功率。
3.如权利要求1所述的孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：所述频率参考值为：
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<mn>1</mn>
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</mrow>
式中，cω1,cω2,cp1,cp2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；sig(x)α表示sign(x)|x|α，其中sign()表示符号函数，|x|表示实数x的绝对值；0＜μ1＜1且ν1＞1是控制参数；ωj和ωi分别表示第j个和第i个DG单元的输出频率，ω*表示***的额定频率；和分别表示第j个和第i个DG单元的频率下垂系数；Pj和Pi分别表示第j个和第i个DG单元输出的有功功率；aij表示第i个和第j个DG单元间的通信耦合系数，如果第i个DG单元能够接收到第j个DG单元的信息，则aij＞0，否则，aij＝0；bi表示牵制控制增益，如果第i个DG单元能够获取***额定频率信息，则bi＞0，否则，bi＝0；Ni表示第i个DG单元的通信邻居集合。
4.如权利要求1所述的孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：所述固定时间T1满足：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>1</mn>
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1
式中η和ρ分别如下：
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</mrow>
式中，min{a,b}表示a和b的最小值，n表示微电网中DG单元的个数，L，和分别表示以aij，和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)和λ2(M)分别表示矩阵H和M的第一小和第二小特征值；固定时间T1与***的初始状态无关，根据任务需求离线设计T1。
5.如权利要求1所述的孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：所述电压参考值Vi *为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>V</mi>
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<mo>=</mo>
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式中，uvi表示第i个DG单元的电压恢复辅助控制器：
<mrow>
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</mrow>
式中，cv1,cv2是正控制增益参数，用于调节收敛时间；0＜μ2＜1且ν2＞1是控制参数；Vj和Vi分别表示第j个和第i个DG单元的输出电压，V*表示***的额定电压。
6.如权利要求1所述的孤岛微电网的分布式固定时间协调控制方法，其特征在于：所述固定时间T2满足：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，n表示微电网中DG单元的个数，和分别表示以和为元素的邻接矩阵的拉普拉斯矩阵，和分别表示以和为对角元素的对角矩阵，λ1(H)表示矩阵H的第一小特征值；固定时间T2与***的初始状态无关，根据任务需求离线设计T2。
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