CN104779607A - 直流微网中的一种分布式协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流微网中的一种分布式协调控制方法，包括a.根据直流微网中的两个关键节点将该直流微网划分成第一微网和第二微网；b.对第一微网，利用电压调节器产生第一电压矫正项以恒定整个直流微网的电压；c.对第二微网，利用电流调节器产生第二电压矫正项用于实现将负荷按比例分配给各个微源。本发明采用的是分布式协调控制策略，而不是简单的下垂控制，这样既可避免由于线路传输阻抗对下垂控制的影响，同时可以避免逆变器之间的相互影响，因为分布式协调控制的最终目标是使得整个微网的状态达到一致。这有利于提高控制器的性能，降低噪声的影响，同时由于微网结构的划分是时变的，这对于微网结构的即插即用性是有利的。

Description

直流微网中的一种分布式协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及微网控制领域，具体涉及直流微网的电压控制，应用于分布式发电、微网的协调控制中。

背景技术

随着现代工业化的进步，人类对能源的需求也越来越大，这就加剧了对传统化石能源的开发。传统发电方式往往是以燃烧化石能源为代价的，但化石能源是自然界中的有限资源，而且燃烧化石能源会带来一系列的环境问题。在新形势下，面对新的挑战，人们不得不寻求一些新的发电方式来满足人们对能源的需求与环境问题之间的矛盾。

为了解决这个问题，不少学者提出了分布式发电与微电网的概念。微电网是指由分布式电源、储能变换装置、相关负荷和监控状态、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自制系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。其中分布式电源可以是太阳能、风能、燃料电池、核能、同步发电机发电等等，这一概念的提出有利于新能源发电技术的实际应用。

微网可以运行于孤岛模式，这对于一些偏远地区传统配电方式不方便而且风能或太阳能丰富的地区是非常有利的；同时微网还可以与大电网并网运行，与大电网同时对负载供电。

虽然微网有许多的优点，但对微网的控制还有许多问题有待解决，比如微网的电压与频率应该恒定在某个固定的值，在与大电网并网运行时，还应该抑制其功率流向大电网，最后对于微网的上层控制还有优化调度与控制的问题。

由于现在的大电网是交流电，所以现在往往也把微电网设计成交流微网，但是我们考虑若把微网设计成直流微网也有许多优点。比如现在的可再生能源(比如太阳能)和储能单元(如电池)本身就是直流源，这样一来可以减少DC/AC逆变这一环节，而换成DC/DC就可以了。还有直流微网的模型和控制更简单，因为没有频率和无功功率的控制，因此直流微网与交流微网相比具有更高的可靠性和稳定性。

对于微电网的控制现在有许多的专利和技术文献都对此进行了阐述，比如申请号为201310594821.8，发明名称为《一种微网的离网控制方法》；申请号为201320775103.6，发明名称为《一种直流微网控制系统》；申请号为201310132584.3，发明名称为《基于智能多代理的直流微网能量协调控制方法》；申请号为201310156966.X，发明名称为《一种光电直流微网电源装置及控制方法》等等。

上述专利或是针对交流微网设计的控制方法，或是仅对直流微网系统进行了设计，而没有针对具体的控制策略进行论述，或是针对某种微源的控制方法进行了论述，这些都没有直接考虑直流微网的电压控制以及负载分配。

发明内容

鉴于此，本发明的目的之一是提供一种直流微网中的一种分布式协调控制方法，该方法对直流微网的电压控制和负载分配具有一般性，即直流微网采用该方法后可以保证整个微网的电压恒定在某个常值，并且可以将负载按比例的分配给各个微源。与此同时，本发明还提供一种直流微网中的一种分布式协调控制系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的，一种直流微网中的一种分布式协调控制方法，包括

a.根据直流微网中的两个关键节点将该直流微网划分成第一微网和第二微网；

b.对第一微网，利用电压调节器产生第一电压矫正项以恒定整个直流微网的电压；

c.对第二微网，利用电流调节器产生第二电压矫正项用于将负荷按一定比例分配给各个微源。

优选的，电压调节器根据邻居节点的信息估计第一直流微网的动态平均电压并根据该平均电压产生第一电压矫正项。

优选的，电流调节器将自身逆变器的单位电流与邻居节点的单位电流相比较，将比较后的结果输入到第三PI控制器中并产生第二电压矫正项。

优选的，所述电压调节器包括电压观测器和第一PI控制器，所述电压观测器用于估计直流微网中的动态平均电压然后将与额定电压相比较，将比较后的结果经第一PI控制器后产生第一电压矫正项

优选的，所述电压观测器包括分布式动态电压观测模块和噪声抑制模块，所述分布式动态电压观测模块包括分布式动态电压观测器和积分器，所述分布式动态电压观测器为其中，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，v_i是微源i的实际电压输出值，是微源i的电压观测器的输出值，为邻居节点电压观测器的输出值，注意观测器估计微网的动态平均电压，电压协调控制器的输出经积分器输入到比较器中，所述噪声抑制模块包括噪声指示器和第二PI控制器，所述噪声指示器为其中，b为噪声指示器与电压协调控制的耦合增益，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，w_i是微源i的实际噪声输出值，且 是微源i的噪声指示器的输出值，为邻居节点噪声指示器的输出值，噪声指示器本质上也是观测器，观测的是噪声的平均值，噪声指示器的输出经第二PI控制器输入到比较器中。

优选的，所述电流调节器包括电流不匹配产生模块和第三PI控制器，电流不匹配产生模块将本节点的单位电流与其邻居节点的单位电流相比较，并产生电流不匹配项，然后将该不匹配项输入到PI控制器中，产生第二电压矫正项，所述电流不匹配定义为：其中参数c为电流调节器与电压调节器的耦合增益常数，a_ij为网络通讯拓扑图的权重值，为邻居节点的单位电流，为本节点的单位电流。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：一种直流微网中的一种分布式协调控制系统，包括第一微网、第二微网、电压调节器和电流调节器，所述第一微网具有一个关键节点和若干个普通节点；所述第二微网具有一个关键节点和若干个普通节点；所述电压调节器根据邻居节点的信息估计第一直流微网的动态平均电压并根据该平均电压产生第一电压矫正项，用于恒定整个直流微网的电压；所述电流调节器将自身逆变器的单位电流与邻居节点的单位电流相比较，将比较后的结果输入到PI控制器中并产生第二电压矫正项，用于将负荷按一定比例分配给各个微源。

优选的，所述电压调节器包括电压观测器和第一PI控制器，所述电压观测器用于估计第一直流微网中的动态平均电压然后将与额定电压相比较，将比较后的结果经第一PI控制器后产生第一电压矫正项

优选的，所述电压观测器包括分布式动态电压观测模块和噪声抑制模块，所述分布式动态电压观测模块包括分布式动态电压观测器和积分器，所述分布式动态电压观测器为其中，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，v_i是微源i的实际电压输出值，是微源i的电压观测器的输出值，为邻居节点电压观测器的输出值，注意观测器估计微网的动态平均电压，电压协调控制器的输出经积分器输入到比较器中；所述噪声抑制模块包括噪声指示器和第二PI控制器，所述噪声指示器为其中，b为噪声指示器与电压协调控制的耦合增益，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，w_i是微源i的实际噪声输出值，且 是微源i的噪声指示器的输出值，为邻居节点噪声指示器的输出值，噪声指示器本质上也是观测器，观测的是噪声的平均值，噪声指示器的输出经第二PI控制器输入到比较器中。

优选的，所述电流调节器包括电流不匹配产生模块和第三PI控制器，电流不匹配产生模块将本节点的单位电流与其邻居节点的单位电流相比较，并产生电流不匹配项，然后将该电流不匹配项输入到第三PI控制器中，产生第二电压矫正项，所述电流不匹配定义为：其中参数c为电流调节器与电压调节器的耦合增益常数，a_ij为网络通讯拓扑图的权重值，为邻居节点的单位电流，为本节点的单位电流。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

①可以保证直流微网的电压恒定在某个固定的值，同时可以很好的将负载按一定比例分配给各个微源；

②由于采用的是分布式协调控制策略，可以有效的避免传统下垂控制的弊端，比如受线路阻抗的影响，受各个逆变器之间的相互影响；

③由于对微网的划分是时变的，因此，当微网结构发生变化时，即负载波动或微源波动，此时所提出的分布式的协调控制策略仍然有效，同时，还可以对负载或微源实现即插即用的特性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为两种常选择的关键节点，(a)关键负载处选为关键节点，(b)馈线终端点选为关键节点；

图2为微网划分示意图；

图3为网络通讯拓扑图；

图4为微网分层结构图；

图5为四种网络通讯拓扑图；

图6为电压调节器框图；

图7为电压观测器框图；

图8为第一微网协调控制框图；

图9为电流调节器控制框图；

图10为第二微网协调控制框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

传统的电压控制和负载分配一般采用分层控制实现，即初级控制和二次控制。初级控制根据逆变器的下垂特性输出合适的功率，用于负载分配，由于初级控制会导致电压发生波动，为保证电压恒定，采用二次控制使电压恒定。这种分层控制策略在有些情况下性能并不理想，主要原因是下垂控制受虚拟阻抗的影响，另外一个原因是下垂控制只是针对单个逆变器来说的，在实际情况下，逆变器之间是会相互影响的，即下垂特性往往与整个系统有关，而不仅仅是针对单个逆变器而言的。

为了解决传统方法的不足，本发明首先将直流微电网划分成两个小的微电网，其中一个小的微电网恒定电压，另一个小的微电网则实现按一定比例分配负载；然后针对每个小的微网系统设计相应的协调控制策略，以保证实现电压恒定与负载分配。

首先，根据微网的线路连接状况，定义一些关键点，然后取其中两个关键点，并根据这两个关键点将这直流微网划分成两个小的微网(即第一微网和第二微网)，并且关键点的选取是时变的，即为了更好的对直流微网进行控制，当微网的拓扑结构发生了变化时，此时相应的微网结构划分也发生了变化，这显然对于提高微网系统的稳定性和可靠性更有益。

其次，根据划分的微网结构，对第一微网采用分布式协调控制策略，用于恒定直流微网的电压。主要做法是：设计电压调节器，利用邻居节点的信息，并估计第一直流微网的动态平均电压，然后电压调节器利用观测器估计的平均电压并产生第一电压矫正项以恒定整个直流微网的电压。

最后，对第二微网采用类似的分布式协调控制策略，用于实现负载分配。主要做法：利用电流调节器，将自身逆变器的单位电流与邻居节点的单位电流相比较，将比较后的结果输入到PI控制器中，并产生第二电压矫正项，这个电压矫正项将负荷按一定比例分配给各个微源。

由于采用的是分布式协调控制策略，而不是简单的下垂控制，这样既可避免由于线路传输阻抗对下垂控制的影响，同时可以避免逆变器之间的相互影响，因为分布式协调控制的最终目标是使得整个微网的状态达到一致。这有利于提高控制器的性能，降低噪声的影响，同时由于微网结构的划分是时变的，这对于微网结构的即插即用性是有利的。

微网划分形式

首先，根据所选择的关键点，将微网划分成两个小的微网，其中一个用于恒定整个直流微网的电压，另一个用于实现负载按比例分配，而这关键点的选择是关键。通常一般以关键负载或者馈线终端点选取为关键点，如图1所示。

图1给出了两种常用的关键点选取方式，下面考虑如下图所示的直流微网，并根据常用的关键点选取方式，将该直流微网划分成两个小的微网。如图2所示。

如图2所示，将馈线终端处的节点选为第一个关键点，将剩余微源、负载等选为第一微网，将其中一个关键负载处的节点选为第二个关键点，并将其临近的微源、负载等选为第二微网。第一微网实现整个系统的电压恒定，第二微网控制微网的负载分配。

相关图论知识

作为基本知识，首先对图论知识作个简单的介绍。如图3所示的网络通讯拓扑图，该图为有向图并且没有领导节点，其中有些节点间的通讯是单向的，有些是双向的。并且，在实际的系统中，网络通讯图是可以独立于实际的物理系统连接的，即物理系统中有连接的节点，网络通讯图不一定有连接，同理，物理系统中无连接的节点网络通讯图可能有连接。

定义有向图G＝(V,ε,A)，这里的V＝[v₁,…v_n]为有限的非空节点的集合，是图中有向边的集合。边(v_j,v_i)∈ε代表的是节点i能获得节点j的信息。当且仅当节点i能获得节点j的信息，则称节点j是节点i的邻居。A＝[a_ij]为权值矩阵，a_ij是描述边(i,j)的权重，当(v_j,v_i)∈ε时，a_ij＞0，否则，a_ij＝0。节点i的入度和出度分别定义为和类似的可以定义无向图，无向图是由有限的节点集合一个无向边集合和权重矩阵构成，它是有向图的一种特例。拉普拉斯矩阵L＝D-A是描述系统拓扑结构的矩阵，A＝[a_ij]为邻接矩阵，为入度矩阵，则拉普拉斯矩阵L满足： $l_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}},i=j\\ -a_{\mathrm{ij}},i\≠j\end{array}\right..$

如图4所示，实际微网控制系统通常包含有三层，即实际物理层、网络通讯层和控制层。

物理层指的是微网系统中各个微源、负载、母线、储能单元等各个器件之间的实际连接图，与实际物理系统相对应；通讯层是抽象出来的一个概念，指的是微网中各个微源之间的信息交互层，通过此层，将整个微网系统形成了一个整体，而不是各个单独的单元；控制层是为了保证整个微网系统的电压恒定在某个值，并且负载按一定比例分配给各个微源。

由相关文献可知，网络拓扑图的拉普拉斯矩阵L的特征值决定了系统的动态性能，也即当拉普拉斯矩阵L平衡时，设计相应的协调控制律能够使系统达到全局一致性。考虑如图5所示的四种网络拓扑图。

对这四种拓扑图分析可知，这四种拓扑图所对应的拉普拉斯矩阵都是平衡的，但是进一步分析可知，对于图(a)所示的拓扑图当其中任意一条通信线路的断开都会导致有些单元之间无法进行通信，因此这种拓扑图虽然可以达到全局一致性，但不可取；对于图(c)，其中的红色通信线路的断开会导致单元3和单元4无法和其邻居节点通讯；对于图(b)所示的通讯拓扑，任何通讯链路的断开都不影响全局通讯，且仍能保持拉普拉斯矩阵平衡，因此这是一种最优的拓扑结构；对于图(d)，这种拓扑图是全连通的，连通性比较强，各单元之间的信息交流较复杂，但是这种通讯太复杂，耗费较大，也不是可选的拓扑图。为了在通讯与耗费之间平衡，本发明选用图(b)所示的通讯拓扑图连接结构。

对于直流微电网的控制，主要有两个目标，即实现全局电压一致和负载分配。通常，为了对微网中逆变器进行控制，在初级控制中采用下垂控制，但是，下垂机制通常具有局部性，即下垂特性只是针对单个逆变器来进行的，没有考虑各个逆变器之间的相互影响；采用了下垂特性后，当各逆变器对应的微源或负载发生小的波动后都会导致电压发生波动，并且不能够很好的实现负载分配。为了解决这个问题，通常会采用二次控制。本发明在采用二次控制的基础上，再结合分布式的协调控制策略，通过各个逆变器之间的协调合作以实现电压一致和负载分配的目标。

由于是针对的直流微电网的设计，因此不必考虑有功无功功率的平衡以及系统频率特性等性能指标，因此相对来说要比设计交流微电网要简单些。

本发明的直流微网中的一种分布式协调控制系统主要包含电压调节器和电流调节器，下面针对这两个模块的功能进行详细的阐述。

针对图2所示的微网划分形式，由于第一微网的关键点是馈线终端，电压下降较严重，因此，将第一微网选为电压恒定组。

为了抑制电压波动，二次控制为初级控制提供电压参考值，本发明中，第一微网的电压参考值的表达式为：其中为电压调节器产生的电压调节项，为初级控制的额定电压参考值，r_ii_i为考虑线路阻抗的产生的压降项。

电压调节器中包含电压观测器和一个PI控制器，电压观测器用来估计第一直流微网中每个节点处的微网动态平均电压然后将与额定电压相比较，将比较后的结果经PI控制器后产生第一电压矫正项这个过程的框图如图6所示。

其中邻居点信息包括邻居点的实际输出电压v_j，电压观测器所估计的平均电压邻居点的单位电流等信息，并通过观测器的处理后产生平均电压

电压观测器估计值采用动态平均一致性的方法，所述电压观测器包括分布式动态电压观测器，分布式动态电压观测器设计为并且，为了抑制噪声对电压观测器的影响，在观测器里引入了噪声抑制模块，噪声抑制模块包括两部分，一部分是噪声指示器，噪声指示用表示，并且其估计值也采用动态平均一致性策略实现，即为b为噪声抑制模块与电压观测器的耦合增益；另一部分是PI控制器对噪声进行抑制，电压观测器的框图如图7所示。因此，第一微网的分布式协调控制框图如图8所示。

电流调节器的目的是为了实现负载按一定比例分配，如图2所示微网划分形式，第二微网目标是实现负载分配，并且其电压设置值为其中为电流调节器产生的电压补偿项，另外两项与电压调节器中所述的含义一致。电流调节器包括电流不匹配产生模块和PI控制器，电流调节器将本节点的单位电流与其邻居节点的单位电流相比较，并产生电流不匹配项，然后将该不匹配项输入到PI控制器中，产生第二电压矫正项。通过此电流调节器产生的电压补偿项，能够很好的实现负载按一定比例分配。定义此电流不匹配项为其中参数c为电流调节器与电压调节器的耦合增益常数，a_ij为网络通讯拓扑图的权重值。电流调节器的框图如图9所示。

第二微网的初级控制与第一微网的初级控制相同，因此，第二微网的协调控制框图如图10所示。

本部分对电压调节器和电流调节器进行了详细的阐述，针对如图2所示的微网划分形式，第一微网引入电压调节器，第二微网引入电流调节器，通过所引入的电压调节器和电流调节器，使得整个微网系统的电压恒定在某个固定的值，并实现了负载按一定比例分配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：包括

a.根据直流微网中的两个关键节点将该直流微网划分成第一微网和第二微网；

b.对第一微网，利用电压调节器产生第一电压矫正项以恒定整个直流微网的电压；

c.对第二微网，利用电流调节器产生第二电压矫正项用于实现将负荷按比例分配给各个微源。

2.根据权利要求1所述的直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：电压调节器根据邻居节点的信息估计第一直流微网的动态平均电压并根据该平均电压产生第一电压矫正项。

3.根据权利要求1所述的直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：电流调节器将自身逆变器的单位电流与邻居节点的单位电流相比较，将比较后的结果输入到第三PI控制器中并产生第二电压矫正项，单位电流是指逆变器的实际电流输出值与额定电流的比值。

4.根据权利要示1或2所述的直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：所述电压调节器包括电压观测器和第一PI控制器，所述电压观测器用于估计第一直流微网中的动态平均电压然后将与额定电压相比较，将比较后的结果经第一PI控制器后产生第一电压矫正项。

5.根据权利要求4所述的直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：所述电压观测器包括分布式动态电压观测器和噪声抑制模块，

所述分布式动态电压观测模块包括分布式动态电压观测器和积分器，所述分布式动态电压观测器为其中，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，v_i是微源i的实际电压输出值，是微源i的电压观测器的输出值，为邻居节点电压观测器的输出值，分布式动态电压观测器的输出经积分器输入到比较器中；

所述噪声抑制模块包括噪声指示器和第二PI控制器，所述噪声指示器为 其中，b为噪声指示器与电压协调控制的耦合增益，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，w_i是微源i的实际噪声输出值，且 是微源i的噪声指示器的输出值，为邻居节点噪声指示器的输出值，噪声指示器的输出经第二PI控制器输入到比较器中。

6.根据权利要求1或3所述的直流微网中的一种分布式协调控制方法，其特征在于：所述电流调节器包括电流不匹配产生模块和第三PI控制器，电流不匹配产生模块将本节点的单位电流与其邻居节点的单位电流相比较，并产生电流不匹配项，然后将该不匹配项输入到PI控 制器中，产生第二电压矫正项，所述电流不匹配定义为：其中参数c为电流调节器与电压调节器的耦合增益常数，a_ij为网络通讯拓扑图的权重值，为邻居节点的单位电流，为本节点的单位电流。

7.一种直流微网中的一种分布式协调控制系统，其特征在于：包括第一微网、第二微网、电压调节器和电流调节器，

所述第一微网具有一个关键节点和若干个普通节点；

所述第二微网具有一个关键节点和若干个普通节点；

所述电压调节器根据邻居节点的信息估计第一直流微网的动态平均电压并根据该平均电压产生第一电压矫正项，用于恒定整个直流微网的电压；

所述电流调节器将自身逆变器的单位电流与邻居节点的单位电流相比较，将比较后的结果输入到PI控制器中并产生第二电压矫正项，用于实现将负荷按比例分配给各个微源。

8.根据权利要求7所述的直流微网中的一种分布式协调控制系统，其特征在于：所述电压调节器包括电压观测器和第一PI控制器，所述电压观测器用于估计第一微网中的动态平均电压然后将与额定电压相比较，将比较后的结果经第一PI控制器后产生第一电压矫正项

9.根据权利要求8所述的直流微网中的一种分布式协调控制系统，其特征在于：所述电压观测器包括分布式动态电压观测模块和噪声抑制模块，

所述分布式动态电压观测模块包括分布式动态电压观测器和积分器，所述分布式动态电压观测器为其中，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，v_i是微源i的实际电压输出值，是微源i的电压观测器的输出值，为邻居节点电压观测器的输出值，分布式动态电压观测器的输出经积分器输入到比较器中；

所述噪声抑制模块包括噪声指示器和第二PI控制器，所述噪声指示器为 其中，b为噪声指示器与电压协调控制的耦合增益，a_ij为微源间网络通讯拓扑的权值，w_i是微源i的实际噪声输出值，且 是微源i的噪声指示器的输出值，为邻居节点噪声指示器的输出值，噪声指示器的输出经第二PI控制器输入到比较器中。

10.根据权利要求7所述的直流微网中的一种分布式协调控制系统，其特征在于：所述电流 调节器包括电流不匹配产生模块和第三PI控制器，电流不匹配产生模块将本节点的电流与其邻居节点的电流相比较，并产生电流不匹配项，然后将该电流不匹配项输入到第三PI控制器中，产生第二电压矫正项，所述电流不匹配定义为：其中参数c为电流调节器与电压调节器的耦合增益常数，a_ij为网络通讯拓扑图的权重值，为邻居节点的单位电流，为本节点的单位电流。