CN109560557A - 一种微电网频率智能控制***及其频率稳定控制算法 - Google Patents

一种微电网频率智能控制***及其频率稳定控制算法 Download PDF

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徐谦
刘娣
王蕾
王坤
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Southeast University
Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/24—Arrangements for preventing or reducing oscillations of power in networks
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种微电网频率智能控制***，包括若干微电网，智能控制中心，大电网，微电网相互之间并联连接，然后接入到大电网，在微电网接入大电网的节点设有并/离切换开关，每个微电网均有独立的频率反馈传感器，频率反馈传感器、微电网和大电网均连接至智能控制中心。当大电网发生故障时，在离网模式下，微电网断开与大电网的联系，开始独立运行，此时微电网***失去了大电网的强力支撑，其频率将会变得波动不稳定，不仅对微电网造成影响，而且容易损坏用电设备，本发明还设计了一种智能控制算法，能够实时地调节微电网的频率，并使频率保持在50Hz/60Hz附近，从而保证用电设备的安全以及提高用户端的用电安全系数。

Description

一种微电网频率智能控制***及其频率稳定控制算法
技术领域
本发明属于智能电网领域，特别是一种微电网频率智能控制***及其频率稳定控制算法。
技术背景
以可再生能源为主的分布式发电技术凭借其投资节省、发电方式灵活、与环境友好兼容等优点而得到了快速的发展，主要包括了太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池发电、微型燃气轮机发电、生物质能发电和小水电等。为了协调大电网和分布式电源之间的矛盾，充分挖掘分布式发电为电网和用户带来的价值与效益，微电网的概念应运而生。
微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景，与传统电网不同的是，微电网由于其自身特点使得在***内出现有功缺额时，微电网的频率会剧烈波动，影响***的供电可靠性及电能质量。电源类型是微电网与传统电网之间区别最大之处，微电网的频率特性是由***中所有分布式电源共同决定的
在并网模式下，微电网***作为一个整体接入到大电网中。由于大电网具有足够的兼容性，相对于微电网***来说可以看作为无穷大***，此时，微电网内部由于可再生能源出力波动或者负荷变化等引起的源荷失配情况会由大电网来消纳。这种情况下，微电网***内各电源按照原先设定的功率参考值稳定工作，***频率受到大电网的保证。所以微电网并网情况下时，***频率总能保持在50Hz附近。
在离网模式下，微电网断开与大电网的联系，开始独立运行，此时微电网***失去了大电网的强力支撑，其频率将会变得波动不稳定，不仅对微电网造成影响，而且容易损坏用电设备，那么如何设计一种有效的控制方法变得尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的微电网在离网模式下，在失去大电网的功能支撑后，无法进行有效控制的问题。
技术方案：本发明与现有技术相比：
一种微电网频率智能控制***，包括若干微电网，智能控制中心，大电网，微电网相互之间并联连接，然后接入到大电网，在微电网接入大电网的节点设有并/离切换开关，每个微电网均有独立的频率反馈传感器，频率反馈传感器、微电网和大电网均连接至智能控制中心。
进一步地，大电网和微电网均连接有负载。
进一步地，所述频率反馈传感器设置于各微电网的发电机的电源输出端。
一种微电网频率智能控制***的频率稳定控制算法，在离网状态下，各微电网之间频率不同步，采用如下步骤实现频率稳定控制：
1)获取各微电网中发电机的技术指标以及电源输出端的实时频率，并建立群体同步模型，即Kuramoto模型；
2)基于微电网间的频率异性，在步骤1)的Kuramoto模型基础上采用同步控制算法；
3)根据额定频率定义误差，得到能够实现频率稳定控制的模型。
进一步地，所述步骤1)中，建立的Kuramoto模型为：
式中，xi为微电网的频率，m是发电机的惯量，ui是实际控制扭矩，kij是刚度系数，d是发电机里的摩擦力，ωi是发电机的自然震荡的能量，θi和θj是不同发电机的相位，相位差会导致能量从一个发电机流向另一个发电机。
进一步地，所述步骤2)中，采用的同步控制算法为：
ki,li,ci,gij是自适应控制增益，分别是的估计，aij是各微电网连接到大电网的连接节点权重。
进一步地，所述步骤3)中，定义误差为：
Kuramoto网络(1)，使用同步控制算法(2)和以下自适应律进行控制
其中γ＞0表示自适应增益，达到频率同步即
有益效果：本发明与现有技术相比：
1、在大电网发生故障时，微电网***失去了大电网的强力支撑，其频率将会变得波动不稳定，采用自适应频率控制器可实时地调节控制频率，防止负荷因频率的波动，造成安全隐患；
2、采用智能化控制，通过对微电网的频率进行监测和统筹分析，对微电网进行精准的主动控制；
3、为应对大电网出现故障，微电网离网带来的频率波动，本方法可以自适应的调整频率；
4、本发明Kuramoto模型模拟微电网的发电机，从而使电网研究者更容易地探索电网内部的性能。
附图说明
图1是本发明微电网频率智能控制***的原理框图；
图2是本发明微电网频率稳定控制算法原理图；
图3是本发明设计的控制器作用微电网后的仿真结果图，每个单元的频率可自适应同步到参考频率，以及控制输入ui；
图4是本发明设计的控制器作用微电网后的自适应增益ki,li；
图5是本发明设计的控制器作用微电网后的自适应增益ci,gij。
具体实施方式
以下是结合附图对本发明进行详细说明。
一种微电网频率智能控制***，包括若干微电网，智能控制中心，大电网，微电网相互之间并联连接，然后接入到大电网，在微电网接入大电网的节点设有并/离切换开关，其特征在于：每个微电网均有独立的频率反馈传感器，频率反馈传感器、微电网和大电网均连接至智能控制中心。
大电网和微电网均连接有负载。
所述频率反馈传感器设置于各微电网的发电机的电源输出端。
80年代Kuramoto提出了一个完全可以解决群体同步的模型，也就是众所周知的Kuramoto模型，Kuramoto模型可以很好地模拟发电机，从而使电网研究者更容易地探索电网内部的性能，每个微电网都有一个发电装置，我们将用Kuramoto模型模拟发电装置。
1)建立群体同步模型，即Kuramoto模型：
(1)式为Kuramoto模型，xi为微电网的频率，m是发电机的惯量，ui是实际控制扭矩，kij是刚度系数，d是发电机里的摩擦力，ωi是发电机的自然震荡的能量，θi和θj是不同发电机的相位，相位差会导致能量从一个发电机流向另一个发电机。
2)基于微电网间的频率异性，基于步骤1)的Kuramoto模型，采用同步控制算法：
ki,li,ci,gij是自适应控制增益，分别是的估计，aij是各微电网连接到大电网的连接节点权重。
3)根据额定频率定义误差，得到能够实现频率稳定控制的模型：
异质的Kuramoto网络(1)，使用同步控制算法(2)和以下自适应律进行控制
其中γ＞0表示自适应增益，达到频率同步即
证明：将(2)式带入到(1)式可得到：
令
令
则(6)式可简化为：
其中x＝[x1,x2,...,xN]T 是同步误差，
误差动力学方程为：
构造李雅普诺夫函数如下：
对李雅普诺夫函数求导得：
其中σ(·)是一个实数，表示平方矩阵的最小特征值。
易知李雅普诺夫函数的导数是负定的，从而证明了控制算法的有效性。
上述算法提供了一个领导-跟随器同步协议并驱使同步误差为0。在微电网这个应用场景中，代表额定标准运行频率50或60Hz，尽管如此，使用分布式观测器使所提出的方法扩展到所需引用可用于单个节点或少数节点的设置并不困难，有了一个类似的智能电网应用，我们一直在关注频率同步上提议的协议要求。
如图1所示，本发明所述的频率智能控制***包括：微电网1，微电网2，……，微电网n，智能控制中心，大电网，大电网和微电网并/离切换开关，负荷，频率反馈传感器。所述各微电网都有一个频率反馈传感器，微电网之间并联连接，并与智能控制中心相连，智能控制中心与大电网相连。所述智能控制器所做操作为(2)式。
图2左边的1,2,3,4是四个跟随者，在应用场景中表示四个微电网，0是领导者，1,2,3,4分别代表连接到领导者0的权重。在应用场景中表示稳定的额定频率，在并网模式下，微电网***作为一个整体接入到大电网中。由于大电网具有足够的兼容性，相对于微电网***来说可以看作为无穷大***，此时，微电网内部由于可再生能源出力波动或者负荷变化等引起的源荷失配情况会由大电网来消纳。这种情况下，微电网***内各电源按照原先设定的功率参考值稳定工作，***频率受到大电网的保证。所以微电网并网情况下时，***频率总能保持在50Hz或者60Hz附近。
但在离网模式下，微电网断开与大电网的联系，开始独立运行，此时微电网***失去了大电网的强力支撑，其频率将会变得波动不稳定，不仅对微电网造成影响，而且容易损坏用电设备，本发明结合多智能分布式控制方法，将微电网都看作多智能体，作为跟随者，稳定频率的智能控制中心作为领导者，使微电网的频率可以实时地稳定50Hz或者60Hz附近。
图3上边的图表示各微电网的频率在智能控制器的作用下最终保持在50Hz。
图3下边的图表示智能控制器最终都收敛了。
图4、5表示自适应增益。

Claims (7)

1.一种微电网频率智能控制***，包括若干微电网，智能控制中心，大电网，微电网相互之间并联连接，然后接入到大电网，在微电网接入大电网的节点设有并/离切换开关，其特征在于：每个微电网均有独立的频率反馈传感器，频率反馈传感器、微电网和大电网均连接至智能控制中心。
2.根据权利要求1所述的微电网频率智能控制***，其特征在于：大电网和微电网均连接有负载。
3.根据权利要求1所述的微电网频率智能控制***，其特征在于：所述频率反馈传感器设置于各微电网的发电机的电源输出端。
4.一种如权利要求1所述的微电网频率智能控制***的频率稳定控制算法，其特征在于：在离网状态下，各微电网之间频率不同步，采用如下步骤实现频率稳定控制：
1)获取各微电网中发电机的技术指标以及电源输出端的实时频率，并建立群体同步模型，即Kuramoto模型；
2)基于微电网间的频率异性，在步骤1)的Kuramoto模型基础上采用同步控制算法；
3)根据额定频率定义误差，得到能够实现频率稳定控制的模型。
5.根据权利要求4所述的微电网频率智能控制***的频率稳定控制算法，其特征在于：所述步骤1)中，建立的Kuramoto模型为：
式中，xi为微电网的频率，m是发电机的惯量，ui是实际控制扭矩，kij是刚度系数，d是发电机里的摩擦力，ωi是发电机的自然震荡的能量，θi和θj是不同发电机的相位，相位差会导致能量从一个发电机流向另一个发电机。
6.根据权利要求4所述的微电网频率智能控制***的频率稳定控制算法，其特征在于：所述步骤2)中，采用的同步控制算法为：
ki,li,ci,gij是自适应控制增益，分别是的估计，aij是各微电网连接到大电网的连接节点权重。
7.根据权利要求4所述的微电网频率智能控制***的频率稳定控制算法，其特征在于：所述步骤3)中，定义误差为：
式中，Kuramoto网络(1)，使用同步控制算法(2)和以下自适应律进行控制
其中γ＞0表示自适应增益，达到频率同步即
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