CN104821604B - 一种基于事件触发机制的多光伏发电机群协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对采用解耦d‑q控制模型描述的具有连通通信拓扑的多光伏发电机群系统，提供了一种基于事件触发机制的多光伏发电机群协调控制方法，属于电力系统控制领域。每个光伏发电机利用自身信息及群组中能够与其进行信息交互的其他光伏发电机的信息，构建相应的事件触发机制及基于此机制的分布式协调控制策略，使得群组中所有光伏发电机的有功功率输出率和无功功率输出率分别趋于一致，同时使得电力系统的枢纽节点电压和输电线路上的有功功率潮流分别达到预设值。本发明的优点在于在保证控制任务有效完成的基础上，实现各光伏发电机间信息的按需发送，降低网络通信压力，从而保障电力系统运行的稳定与安全。

Description

一种基于事件触发机制的多光伏发电机群协调控制方法

技术领域：

本发明涉及一种基于事件触发机制的多光伏发电机群协调控制方法，属于电力系统控制领域。

背景技术：

进入21世纪以来，世界面临着能源紧缺问题，经济可靠的高质量化石燃料供应能力正在逐步衰减，为此，可再生能源的利用方法受到日益广泛的关注。太阳能作为人类可使用的可再生能源的重要组成部分，相比于传统能源，其具有低污染、可再生及分布广等诸多优点，在新能源开发中将具有非常重要的作用。正因如此，未来将拥有越来越多的光伏发电机并入电力系统。然而，在传统的电力系统调控策略下，大量光伏发电机的并网将给电力系统带来诸如频率波动、电压波动甚至崩溃等负面影响，为此需要针对光伏发电机群研究一种新的协调控制策略，使得电力系统中每个光伏发电机的输出能够满足电网运行要求。

截至目前，针对光伏发电机群的输出调控策略分为集中式控制、分散式控制与分布式控制模式三大类。在集中式控制模式下，中央控制器经由通信链路收集电力系统中所有光伏发电机的信息，计算每台光伏发电机的控制指令，再经由通信链路将控制指令下发至对应的光伏发电机以执行控制策略，集中式控制模式仅适合处理少量光伏发电机的调控问题，且其实施成本高昂、可扩展性差；在分散式控制模式下，每台光伏发电机的控制指令的计算与实施均在本地完成，其具有较强的可扩展性与鲁棒性，然而，由于在分散式控制模式下各光伏发电机之间缺乏必要的信息交互，随着电力系统中光伏发电机数量的增加，这种控制模式难以协调各发电机的输出，进而导致电网运行要求无法满足；分布式控制模式综合上述两类控制模式的优点，在分布式控制模式下，每台光伏发电机通过局部通讯获知自身及与其相邻的光伏发电机信息，在本地进行自身调控策略的计算并予以实施，分布式控制模式兼具集中式与分散式控制模式的优势，成本低廉，可扩展性强，针对具有大量光伏发电机的群组具有较好的控制效果。

为执行分布式控制策略，各光伏发电机通常经由无线网络完成信息交互。在未来电力系统中光伏发电机的数量将变得越来越庞大，然而无线通信网络的带宽资源是有限的，为此在工程应用中通常对每个光伏发电机信息进行高频率等周期采样发送以达到理论设计控制器中信息连续传输的要求，对于个体数量庞大的多光伏发电机群，这种过于保守的信息传递方式会使得网络通信压力增大，进而出现通信时滞及丢包，并最终导致控制任务的失败，严重影响电力系统的稳定与安全，目前尚缺乏对此类问题的有效解决方案。

发明内容：

有鉴于此，本发明的目的在于解决目前多光伏发电机群分布式协调控制方法中网络通信压力过大的问题，提供了一种基于事件触发机制的多光伏发电机群分布式协调控制方法，适用于采用解耦d-q控制模型描述的光伏发电机所构成的具有连通通信拓扑的多光伏发电机群系统,使得群组中所有光伏发电机的有功功率输出率和无功功率输出率分别趋于一致，同时使得电力系统的枢纽节点电压和输电线路上的有功功率潮流分别达到预设值，在保证上述控制任务有效完成的基础上，实现各光伏发电机间信息的按需发送，降低网络通信压力，从而保障电力系统运行的稳定与安全。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括如下具体步骤：

1.系统参数设置：根据电力系统情况，给定光伏发电机个数n，枢纽节点电压预设值V_ref，输电线路有功功率潮流预设值P_ref；

2.设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机在t时刻的有功功率输出率为：

其中，P_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的有功功率,P_i,max为其最大有功功率；

同时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机在t时刻的无功功率输出率为：

其中，Q_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的无功功率，Q_i,max为其最大无功功率；

3.设群组中所有光伏发电机需达到的有功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

其中K＞0为一常数，sign()表示符号函数，P_tran(t)表示在t时刻输电线路上的有功功率潮流，并标记z₀(t)为期望有功功率输出率；

4.设群组中所有光伏发电机需达到的无功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

其中，V_c(t)表示在t时刻的枢纽节点电压，并标记z₀'(t)为期望无功功率输出率；

5.描述多光伏发电机组通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机与第j(j＝1,2,...,n)个光伏发电机之间能够经行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；同时，约定a_ii＝0；

6.在初始时刻t₀，令群组中所有光伏发电机均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出率，并设置触发时刻

7.对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其有功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第k次触发时刻，标记其为在时刻t，若如下事件触发条件：

满足，其中，K_p＞K为一常数，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出率的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个光伏发电机进行信息通信的发电机数量，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望有功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其有功功率输出率的第k+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身的有功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

8.当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机有功功率控制策略为：

其中U_i(t)为第i个光伏发电机在时刻t的终端电压幅值。

9.步骤7与步骤8需同时执行，以确保基于事件触发机制的光伏发电机有功功率分布式控制策略的实施；

10.对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其无功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第m次触发时刻，标记为在时刻t，若如下事件触发条件：

满足，其中，K_V＞K为一常数，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出率的触发时刻，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望无功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其无功功率输出率的第m+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身关于无功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

11.当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机无功功率控制策略为：

12.步骤10与步骤11需同时执行，以确保基于事件触发机制的光伏发电机无功功率分布式控制策略的实施。

所述方法使得群组中所有光伏发电机的有功功率输出率和无功功率输出率分别趋于一致，同时使得电力系统的枢纽节点电压和输电线路上的有功功率潮流分别达到预设值。在保证控制任务有效完成的基础上，各光伏发电机间信息按照所设置的事件触发机制以离散非等周期的形式发送至群组中能够与其通信的其它光伏发电机，实现了各光伏发电机间信息的按需发送，有效降低网络通信压力。

本发明针对解耦d-q控制模型描述的光伏发电机所构成的具有连通通信拓扑的多光伏发电机群系统，提供了一种基于事件触发机制的多光伏发电机群分布式协调控制方法。使得群组中所有光伏发电机的有功功率输出率和无功功率输出率分别趋于一致，同时使得电力系统的枢纽节点电压和输电线路上的有功功率潮流分别达到预设值。在保证上述控制任务有效完成的基础上，各光伏发电机间信息按照所设置的事件触发机制以离散非等周期的形式发送至群组中与其相邻的其他光伏发电机。在事件触发机制下，对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，其有功功率输出率的发送时刻为时间序列其无功功率输出率的发送时刻为时间序列相比于传统的信息连续发送及周期采样离散发送方式，本发明实现了各光伏发电机间信息的按需发送，有效降低网络通信压力。

其次，本发明中所设计的事件触发机制及基于此机制的协调控制策略的执行均仅需利用本光伏发电机及群组中能够与本发电机进行信息交互的其他光伏发电机的信息，整体设计架构采用分布式控制模式，具有成本低廉，可扩展性强，且针对具有大量光伏发电机的群组具有较好的控制效果。

本发明的与其研究成果可以为通信网络带宽有限情况下多光伏发电机群的分布式协调控制问题提供解决之道。

附图说明：

图1是多光伏发电机群的信息网络拓扑图；

图2是输电线路上的有功功率变化图；

图3是枢纽节点电压变化图；

图4是群组中所有光伏发电机有功功率输出率变化图；

图5是群组中所有光伏发电机无功功率输出率变化图；

图6是光伏发电机4的有功功率输出率触发时间间隔示意图；

图7是光伏发电机3的无功功率输出率触发时间间隔示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细描述。

考虑一个具有n个光伏发电机的群组，其动态特征由如下模型描述：

g(P₁,...,P₄,Q₁,...,Q₄,χ,X)＝0

其中，和分别为第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机在d轴和q轴上的输出电流，U_i为其终端电压幅值，P_i和Q_i分别表示其输出的有功和无功功率，χ表示电力系统的内部动态，X表示电力系统的代数变量，上述最后一个代数方程为电力系统潮流方程。

本实例考虑一个由4个光伏发电机构成的群组，其通信网络拓扑如附图1所示，本发明所设计方法具体实现步骤如下：

1.系统参数设置：根据电力系统情况，给定光伏发电机个数n＝4，枢纽节点电压预设值V_ref＝220V，输电线路有功功率潮流预设值P_ref＝6650W；

2.设计第i(i＝1,...,4)个光伏发电机在t时刻的有功功率输出率为：

其中，P_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的有功功率,P_i,max为其最大有功功率；

同时，设计第i(i＝1,...,4)个光伏发电机在t时刻的无功功率输出率为：

其中，Q_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的无功功率，Q_i,max为其最大无功功率；

3.设群组中所有光伏发电机需达到的有功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

此处设定K＝1，sign()表示符号函数，P_tran(t)表示在t时刻输电线路上的有功功率潮流，并标记z₀(t)为期望有功功率输出率；

4.设群组中所有光伏发电机需达到的无功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

其中，V_c(t)表示在t时刻的枢纽节点电压，并标记z₀'(t)为期望无功功率输出率；

5.描述多光伏发电机组通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机与第j(j＝1,2,...,n)个光伏发电机之间能够经行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；同时，约定a_ii＝0；

6.在初始时刻t₀＝0，令群组中所有光伏发电机均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出率，并设置触发时刻

7.对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其有功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第k次触发时刻，标记其为在时刻t，若如下事件触发条件：

满足，其中，K_p＝4，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出率的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个光伏发电机进行信息通信的发电机数量，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望有功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其有功功率输出率的第k+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身的有功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

8.当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机有功功率控制策略为：

其中U_i(t)为第i个光伏发电机在时刻t的终端电压幅值。

9.步骤7与步骤8需同时执行，以确保基于事件触发机制的光伏发电机有功功率分布式控制策略的实施；

10.对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其无功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第m次触发时刻，标记为在时刻t，若如下事件触发条件：

满足，其中，K_V＝3为一常数，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出率的触发时刻，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望无功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其无功功率输出率的第m+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身关于无功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

11.当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机无功功率控制策略为：

12.步骤10与步骤11需同时执行，以确保基于事件触发机制的光伏发电机无功功率分布式控制策略的实施。

为了验证本发明的有效性，进行了仿真实验。附图2和附图3分别表示是输电线路上的有功功率变化和枢纽节点电压变化情况，可以看出两者在控制策略作用下均快速达到了预设值；附图4和附图5表示群组中所有光伏发电机有功功率和无功功率输出率变化情况，两者最终分别趋于一致；附图6描述了光伏发电机4的有功功率输出率触发时间间隔，附图7则描述了光伏发电机3的无功功率输出率的触发时间间隔，图中‘+’号的横坐标表示相应变量的触发时间，纵坐标表示本次触发据上次触发的时间间隔。可以看出信息触发时刻是离散的，且具有不等的触发周期。这说明了事件触发机制可以根据系统状态的变化情况动态的调整触发周期，实现数据的按需发送，从而减少通信网络压力。

Claims (1)

1.一种基于事件触发机制的多光伏发电机群协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)系统参数设置：根据电力系统情况，给定光伏发电机个数n，枢纽节点电压预设值V_ref，输电线路有功功率潮流预设值P_ref；

2)设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机在t时刻的有功功率输出率为：

$z_i\left(t\right)=\frac{P_i\left(t\right)}{P_{i,max}}$

其中，P_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的有功功率,P_i,max为其最大有功功率；

同时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机在t时刻的无功功率输出率为：

${z_i}^{\′}\left(t\right)=\frac{Q_i\left(t\right)}{Q_{i,max}}$

其中，Q_i(t)为第i个光伏发电机在t时刻所输出的无功功率，Q_i,max为其最大无功功率；

3)设群组中所有光伏发电机需达到的有功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d}{dt}{z}_0\left(t\right)=K*sign(P_{ref}-P_{tran}(t\left)\right)\\ {\mathrm{\α}}_P^0\left(t\right)=z_0\left(t\right)\end{array}\right.$

其中K>0为一常数，sign()表示符号函数，P_tran(t)表示在t时刻输电线路上的有功功率潮流，并标记z₀(t)为期望有功功率输出率；

4)设群组中所有光伏发电机需达到的无功功率输出率为并设计其具有如下动态特征：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d}{dt}{z_0}^{\′}\left(t\right)=K*sign(V_{ref}-V_c(t\left)\right)\\ {\mathrm{\α}}_Q^0\left(t\right)={z_0}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right.$

其中，V_c(t)表示在t时刻的枢纽节点电压，并标记z₀'(t)为期望无功功率输出率；

5)描述多光伏发电机组通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机与第j(j＝1,2,...,n)个光伏发电机之间能够经行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；同时，约定a_ii＝0；

6)在初始时刻t₀，令群组中所有光伏发电机均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出率，并设置触发时刻

7)对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其有功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第k次触发时刻，标记其为在时刻t，若如下事件触发条件：

$\left|\right|z_i\left(t\right)-z_i\left(t_i^k\right)\left|\right|>\frac{K_p\[\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left(z_i\right(t_i^k)-z_j\left(t_j^{k^{\′}\left(t\right)}\right)){\]}^2}{2\[K_p\left|\right|\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left(\underset{s=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{js}\right(z_s\left(t_s^{k^{\′}\left(t\right)}\right)-z_j\left(t_j^{k^{\′}\left(t\right)}\right))-\underset{s=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{is}\left(z_s\right(t_s^{k^{\′}\left(t\right)})-z_i\left(t_i^k\right))\left)\right||+2K_p|N_i|+a_{i0}K\]}$

满足，其中，K_p>K为一常数，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出率的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个光伏发电机进行信息通信的发电机数量，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望有功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其有功功率输出率的第k+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身的有功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

8)当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机有功功率控制策略为：

$u_{1i}\left(t\right)=\frac{K_p{P}_{i,\max }}{U_i\left(t\right)}\[\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left(z_j\right(t_j^{k^{\′}\left(t\right)})-z_i(t_i^k\left)\right)+sign\left(\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left(z_j\left(t_j^{k^{\′}\left(t\right)}\right)-z_i\left(t_i^k\right)\right)\right)\]-\frac{d}{dt}{U}_i\left(t\right)*\frac{P_i\left(t\right)}{U_i{\left(t\right)}^2}$

其中U_i(t)为第i个光伏发电机在时刻t的终端电压幅值；

9)步骤7与步骤8需同时执行，以确保基于事件触发机制的光伏发电机有功功率分布式控制策略的实施；

10)对于第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机，若关于其无功功率输出率的最近一次事件触发时刻为第m次触发时刻，标记为在时刻t，若如下事件触发条件：

$\left|\right|{z_i}^{\′}\left(t\right)-{z_i}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_i^m\right)\left|\right|>\frac{K_V\[\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left({z_i}^{\′}\right({\mathrm{\τ}}_i^m)-{z_j}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_j^{m^{\′}\left(t\right)}\right)){\]}^2}{2\[K_V\left|\right|\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left(\underset{s=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{js}\right({z_s}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_s^{m^{\′}\left(t\right)}\right)-{z_j}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_j^{m^{\′}\left(t\right)}\right))-\underset{s=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{is}\left({z_s}^{\′}\right({\mathrm{\τ}}_s^{m^{\′}\left(t\right)})-{z_i}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_i^m\right))\left)\right||+2K_V|N_i|+a_{i0}K\]}$

满足，其中，K_V>K为一常数，与分别表示第j个和第s个光伏发电机距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出率的触发时刻，a_i0＝1表示第i个光伏发电机能够获取期望无功功率输出率，反之a_i0＝0，则标记时刻t为第i个光伏发电机关于其无功功率输出率的第m+1次触发时刻，记为并且第i个光伏发电机将其自身关于无功功率输出率的触发信息存储并发送至群组中能够与其通信的其他光伏发电机；

11)当时，设计第i(i＝1,2,...,n)个光伏发电机无功功率控制策略为：

$u_{2i}\left(t\right)=-\frac{K_V{Q}_{i,\max }}{U_i\left(t\right)}\[\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left({z_j}^{\′}\right({\mathrm{\τ}}_j^{m^{\′}\left(t\right)})-{z_i}^{\′}({\mathrm{\τ}}_i^m\left)\right)+sign\left(\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{ij}\left({z_j}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_j^{m^{\′}\left(t\right)}\right)-{z_i}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_i^m\right)\right)\right)\]+\frac{d}{dt}{U}_i\left(t\right)*\frac{Q_i\left(t\right)}{U_i{\left(t\right)}^2}.$