CN104578180A - 一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法。通过三次分层控制方法，得到分布式发电机目标频率；将检测得到的分布式发电机出口侧电压频率与得到的分布式发电机目标频率一起通过PI控制，得到有功功率参考值的反馈分量；通过频率-功率倒下垂曲线，得到有功功率参考值的前馈分量；相加得到各台分布式发电机的有功功率参考值，从而对微网进行全分布式自趋优恒功率控制。本发明可使分布式发电机在不借助微网中央控制器和通信系统的情况下，按照等微增率准则来分摊负荷，可应用于孤岛微网的经济调度，使微网运行于最优的方式。

Description

一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种微网孤岛运行的控制方法，尤其是涉及一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，分布式发电作为接纳新能源、提高电力系统可靠性的一种重要解决方案，近年来受到人们的广泛关注。分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。分布式电源位置灵活、分散，能与大电网互为备用，在一定程度上分担了输电网从电厂向用户远距离和大功率输电的功能。然而，分布式发电在具有优势的同时，也会产生一些不良影响，为了尽可能利用分布式发电的优势，微电网的概念应运而生。微电网是将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时提供电能和热量的系统。相比于传统电网，微网具有诸多优势，其中之一就是为接纳新能源、提高电力系统效率和可靠性提供了新思路。

目前，交流微网系统广泛采用三层分层控制(Three-level Hierarchical Control，简称为TLHC)，即一次控制、二次控制和三次控制。其中，一次控制所采用的下垂控制方法通常是按照各台分布式发电机容量来分摊负荷，这种控制方法只能实现系统频率和电压的有差调节。为实现微网系统频率和电压的无差调节以及微网系统的全局控制，必须引入二次控制。三次控制一般考虑各台发电机出力的优化问题，为微网系统提供了一种经济最优的运行方式。

对于电流源型分布式发电机，目前通常以最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，简称为MPPT)控制模式或者普通恒功率控制模式运行，这样要使分布式发电机参与经济调度，通常要依靠集中式控制。对于集中式控制方式，二次控制而三次控制的实现通常要依靠微网中央控制器(Microgrid CentralizedControl，简称为MGCC)和集中通信系统，这样的控制方式需要建立庞大的通信网络来传递中央控制器和各台发电机之间的信息，增加了整个系统的成本和复杂程度。为了解决集中式控制所带来的问题，分散控制和分布式控制相继被提出，目前也已经成为微网系统控制中典型的控制方式。采用分散控制方式的微网中，不包含中央控制器和集中通信系统，仅依靠各台发电机的信息实现控制方法，这种控制方式虽然降低了系统成本和复杂程度，但只适用于规模较小的微网系统，并且通常无法实现经济调度功能。分布式控制方式可结合集中式控制和分散控制的优势，只在相邻的发电机之间建立通信网络，并且只有部分发电机能够直接接收中央控制器发送的控制信息，这样既能降低系统复杂程度，又可以实现各台发电机出力的优化。然而，分布式控制对于控制算法的要求较高，通信网络设计复杂度较高，故难以实现各台发电机之间的协同控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，可使采用恒功率控制的分布式发电机在不借助中央控制器和集中通信系统的情况下，按照等微增率准则来分摊负荷。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)通过三次分层控制方法，得到分布式发电机目标频率f_i；

2)将检测得到的分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas与步骤1)得到的分布式发电机目标频率f_i一起通过PI控制，得到分布式发电机有功功率参考值的反馈分量

3)通过频率-功率倒下垂曲线，得到分布式发电机有功功率参考值的前馈分量

4)最后由分布式发电机有功功率参考值的前馈分量和有功功率参考值的反馈分量相加得到各台分布式发电机的有功功率参考值P_i,ref，使得分布式发电机输出的有功功率与分布式发电机有功功率参考值相等，因此该控制方法的输出量即为输入量，形成了闭环反馈，从而对微网进行全分布式自趋优恒功率控制。

所述的步骤1)中的分布式发电机目标频率f_i是采用以下公式得到的：

f_i＝f_pri(P_i)+f_sec(α,f_i)/(1+T₂s)+(f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))-f_pri(P_i))/(1+T₃s)

其中，f_pri(P_i)、f_sec(α,f_i)和f_ter(β,P_i,λ_i(P))分别通过分布式一次控制方法、分布式二次控制方法和分布式三次控制方法得到；s表示复频域中的复变量，i为分布式发电机的序数，α为分布式二次控制方法的增益系数，β为分布式三次控制方法的系数，P_i为第i台分布式发电机输出的有功功率，λ_i(P_i)为第i台分布式发电机的成本微增率函数，若不失一般性，它是一个单调递增的凸函数，T₂和T₃为第一、第二低通滤波器的时间常数。第一低通滤波器为连接在分布式二次控制输出端的低通滤波器，以减弱分布式一次控制和分布式二次控制之间的联系；第二低通滤波器为连接在分布式一次控制和分布式三次控制共同输出端的低通滤波器，以避免分布式三次控制的非线性特性可能带来的不稳定，改善微网的动态特性。

所述的分布式一次控制方法采用以下公式表示的线性下垂控制方法：

$f_{\mathrm{pri}}=\left(P_i\right)=f_{\max }-\frac{f_{\max }-f_{\min }}{S_i}{P}_i$

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机输出的有功功率。采用分布式一次控制方法的目的是使微网能够保持线性下垂曲线良好的动态特性。

所述的分布式二次控制方法采用以下公式：

f_sec(α,f_i)＝α(50-f_i)

其中，α为分布式二次控制方法的增益系数，f_i为分布式发电机目标频率。采用分布式二次控制方法的目的是通过选择合适的α值使分布式发电机目标频率f_i能够快速跟踪上分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas。

所述的分布式三次控制方法采用以下公式表示的考虑成本的非线性下垂控制方法：

f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))＝f_max-(f_max-f_min)βλ_i(P_i)

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，λ_i(P_i)为各台分布式发电机的成本微增率(CIV)函数，P_i为第i台分布式发电机的输出有功功率，β为分布式三次控制方法的系数。为了避免分布式发电机接近满载时微网无法稳定运行的问题，将分布式三次控制方法所表示的非线性下垂曲线接近满载的部分修正为一条线性曲线，以保证当分布式发电机出力达到最大值时，微网频率也能同时达到下限。采用分布式三次控制方法的目的是使各台分布式发电机按照等微增率准则分摊负荷，使微网处于最优的运行状态。

所述的步骤2)中的分布式发电机有功功率参考值的反馈分量是采用以下公式表示的PI控制得到的：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{back}}=K_P(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})+K_I\∫(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})\mathrm{dt}$

其中，K_P和K_I为PI控制的第一、第二可调参数，t为积分变量。

所述的步骤3)中的分布式发电机有功功率参考值的反馈分量是采用以下公式得到的：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{forward}}=S_i-\frac{S_i}{f_{\max }-f_{\min }}(f_i-f_{\min })$

其中，S_i是分布式发电机的视在功率容量，f_i为分布式发电机目标频率，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限。步骤3)的作用是加速PI控制的响应。

本发明由于分布式发电机输出的有功功率由分布式发电机有功功率参考值决定，并且与之相等，因此该控制方式的输出量即为输入量，由此形成了闭环反馈。

本发明的有益效果是：

本发明可使恒功率控制的分布式发电机在不借助微网中央控制器和通信系统的情况下，按照等微增率准则来分摊负荷，即使各台发电机的成本微增率相等，实现了微网全分布式自趋优，可应用于孤岛微网的经济调度，也可以拓展到微网的其他应用方面。

并且采用本发明提出的控制方法的微网能够具有较好的稳态和动态性能。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的仿真验证中微网模型图。

图3为本发明实施例仿真验证中所设三台分布式发电机的成本微增率曲线。

图4为本发明实施例仿真验证中分布式三次控制方法所采用的修正后的非线性下垂曲线。

图5为本发明实施例仿真验证中微网频率变化曲线。

图6为本发明实施例仿真验证中分布式发电机稳定运行时的成本微增率的变化曲线。

图7为本发明实施例仿真验证中分布式发电机稳定运行时输出的有功功率。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1)通过三次分层控制方法，得到分布式发电机目标频率f_i；

2)将分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas与步骤1)得到的分布式发电机目标频率f_i一起通过PI控制，得到分布式发电机有功功率参考值的反馈分量分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas可由锁相环检测得到；

3)通过频率-功率倒下垂曲线，得到分布式发电机有功功率参考值的前馈分量

4)最后由分布式发电机有功功率参考值的前馈分量和有功功率参考值的反馈分量相加得到各台分布式发电机的有功功率参考值P_i,ref，使得分布式发电机输出的有功功率与分布式发电机有功功率参考值相等，因此该控制方法的输出量即为输入量，形成了闭环反馈，从而对微网进行全分布式自趋优恒功率控制。

图1中，Q_i,ref为第i台分布式发电机无功功率参考值，Q_i为第i台分布式发电机输出的无功功率。

步骤1)中的分布式发电机目标频率f_i是采用以下公式得到的：

f_i＝f_pri(P_i)+f_sec(α,f_i)/(1+T₂s)+(f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))-f_pri(P_i))/(1+T₃s)

其中，f_pri(P_i)、f_sec(α,f_i)和f_ter(β,P_i,λ_i(P))分别通过分布式一次控制(DistributedPrimary Control，简称为DPC)方法、分布式二次控制(Distributed SecondaryControl，简称为DSC)方法和分布式三次控制(Distributed Tertiary Control，简称为DTC)方法得到；s表示复频域中的复变量，i为分布式发电机的序数，α为分布式二次控制方法的增益系数，β为分布式三次控制方法的系数，P_i为第i台分布式发电机的输出有功功率，λ_i(P_i)为第i台分布式发电机的成本微增率(CIV)函数，T₂和T₃为第一、第二低通滤波器的时间常数，滤波器的作用是使三次控制能在时间尺度上实现解耦，同时改善系统的动态特性。

分布式一次控制(Distributed Primary Control，简称为DPC)方法采用以下公式：

$f_{\mathrm{pri}}\left(P_i\right)=f_{\max }-\frac{f_{\max }-f_{\min }}{S_i}{P}_i$

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机输出的有功功率。

分布式二次控制(Distributed Secondary Control，简称为DSC)方法采用以下公式：

f_sec(α,f_i)＝α(50-f_i)

其中，α为分布式二次控制方法的增益系数，f_i为分布式发电机目标频率。

分布式三次控制(Distributed Tertiary Control，简称为DTC)方法采用以下公式表示的考虑成本的非线性下垂控制方法，分布式三次控制是一种非线性下垂控制，用于实现分布式经济调度：

f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))＝f_max-(f_max-f_min)βλ_i(P_i)

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，λ_i(P_i)为各台分布式发电机的成本微增率(CIV)函数，P_i为第i台分布式发电机的输出有功功率，β为分布式三次控制方法的系数。为了避免分布式发电机接近满载时微网无法稳定运行的问题，将分布式三次控制方法所表示的非线性下垂曲线接近满载的部分修正为一条线性曲线，以保证当分布式发电机出力达到最大值时，微网频率也能同时达到下限。

步骤2)中的分布式发电机有功功率参考值反馈分量是采用以下公式表示的PI控制得到的：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{back}}=K_P(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})+K_I\∫(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})\mathrm{dt}$

其中，K_P和K_I为PI控制的第一、第二可调参数，t为积分变量。

步骤3)中的分布式发电机有功功率参考值的前馈分量是采用以下公式得到的，以加速PI控制的响应：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{forward}}=S_i-\frac{S_i}{f_{\max }-f_{\min }}(f_i-f_{\min })$

其中，S_i是分布式发电机的视在功率容量，f_i为分布式发电机目标频率，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限。

采用本发明方法进行控制，当微网系统运行到稳态时，各台分布式发电机的目标频率f_i等于分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas，而同一微网中各台分布式发电机的出口侧电压频率f_i,meas均相等，因此，各台发电机的目标频率都相等，进而各台发电机的成本微增率λ_i(P_i)也相等，即遵循等微增率准则，微网处于经济最优的运行状态。

本发明由于分布式发电机输出的有功功率由分布式发电机有功功率参考值决定，并且与之相等，因此该控制方式的输出量即为输入量，由此形成了闭环反馈。

本发明的具体实施例如下：

在Matlab软件的Simulink组件中建立一个典型的孤岛交流微网，包括三台容量为1MW的分布式发电机，两台同步发电机；三台分布式发电机采用本发明提出的控制方法，同步发电机的作用是为分布式发电机提供频率支持，如图2所示，其中R₁,L₁,C₁,R₂,L₂,C₂均为线路阻抗。微网系统参数如下：

S_i＝1MW,T₂＝2s,T₃＝2.5s,α＝20,β＝1/3,f_min＝49Hz,f_max＝51Hz

图3给出了各台分布式发电机的成本微增率曲线，图4给出了分布式三次控制方法所采用的修正后的非线性下垂曲线。微网系统初始总负荷为2.5MW，实施例考虑两种情况：

在第30s时投入负荷，将系统总负荷提高到3.0MW；在第45s时投入负荷，将系统总负荷提高到3.5MW；

图5-图7为仿真结果。图5为微网频率变化情况，图6为分布式发电机稳定运行时的成本微增率的变化曲线，图7为分布式发电机稳定运行时输出的有功功率。

从图5可以看出，微网系统频率偏差只有在负荷投切时稍大，但很快能恢复到±0.05Hz以内。从图6和图7中可以看出，采用本文提出的控制方法时，在前45s内，三台分布式发电机的全部达到了等微增率点。当负荷在第45s后再次增加时，只有分布式发电机1和分布式发电机2达到了等微增率点，因为分布式发电机3已经接近了满载，当分布式发电机输出的有功功率接近最大值时，其成本微增率比等微增率点的值小。总体来说，成本低的分布式发电机输出的有功功率较大，微网系统按照等微增率准则达到最优的运行状态。由此，本发明无须借助微网中央控制器和通信系统，即可按照等微增率准则来分摊负荷，实现了微网全分布式自趋优，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过三次分层控制方法得到分布式发电机目标频率f_i；

2)将检测得到的分布式发电机出口侧电压频率f_i,meas与步骤1)得到的分布式发电机目标频率f_i一起通过PI控制，得到分布式发电机有功功率参考值的反馈分量

3)通过频率-功率倒下垂曲线，得到分布式发电机有功功率参考值的前馈分量

4)最后由分布式发电机有功功率参考值的前馈分量和有功功率参考值的反馈分量相加得到各台分布式发电机的有功功率参考值P_i,ref，使得分布式发电机输出的有功功率与分布式发电机有功功率参考值相等，形成了闭环反馈，从而对微网进行全分布式自趋优恒功率控制。

2.根据权利要求1所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的分布式发电机目标频率f_i是采用以下公式得到的：

f_i＝f_pri(P_i)+f_sec(α,f_i)/(1+T₂s)+(f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))-f_pri(P_i))/(1+T₃s)

其中，f_pri(P_i)、f_sec(α,f_i)和f_ter(β,P_i,λ_i(P))分别通过分布式一次控制方法、分布式二次控制方法和分布式三次控制方法得到；s表示复频域中的复变量，i为分布式发电机的序数，α为分布式二次控制方法的增益系数，β为分布式三次控制方法的系数，P_i为第i台分布式发电机输出的有功功率，λ_i(P_i)为第i台分布式发电机的成本微增率函数，T₂和T₃为第一、第二低通滤波器的时间常数。

3.根据权利要求2所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的分布式一次控制方法采用以下公式表示的线性下垂控制方法：

$f_{\mathrm{pri}}\left(P_i\right)=f_{\max }-\frac{f_{\max }-f_{\min }}{S_i}{P}_i$

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机输出的有功功率。

4.根据权利要求2所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的分布式二次控制方法采用以下公式：

f_sec(α,f_i)＝α(50-f_i)

其中，α为分布式二次控制方法的增益系数，f_i为分布式发电机目标频率。

5.根据权利要求2所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的分布式三次控制方法采用以下公式表示的考虑成本的非线性下垂控制方法：

f_ter(β,P_i,λ_i(P_i))＝f_max-(f_max-f_min)βλ_i(P_i)

其中，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限，λ_i(P_i)为各台分布式发电机的成本微增率(CIV)函数，P_i为第i台分布式发电机的输出有功功率，β为分布式三次控制方法的系数。

6.根据权利要求1所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的分布式发电机有功功率参考值的反馈分量是采用以下公式表示的PI控制得到的：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{back}}=K_P(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})+K_I\∫(f_i-f_{i,\mathrm{meas}})\mathrm{dt}$

其中，K_P和K_I为PI控制的第一、第二可调参数，t为积分变量。

7.根据权利要求1所述的一种微网孤岛运行的全分布式自趋优恒功率控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中的分布式发电机有功功率参考值的前馈分量是采用以下公式得到的：

$P_{i,\mathrm{ref}}^{\mathrm{forward}}=S_i-\frac{S_i}{f_{\max }-f_{\min }}(f_i-f_{\min })$

其中，S_i是分布式发电机的视在功率容量，f_i为分布式发电机目标频率，f_max和f_min分别为微网频率的上限和下限。