CN105634020A - 基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，该控制方法包括下述步骤：步骤10）进行一次下垂控制：当微电网发生功率扰动时，基于下垂控制的分布式发电单元和储能，自动控制输出端的频率和电压，调整功率输出，维持微电网的功率平衡：步骤20）进行二次分布式控制：在分布式的控制架构下，同时进行有功频率控制和无功电压控制，以实现各分布式单元按照可调容量承担微电网功率缺额及频率和电压的分布式恢复。该控制方法利用有限时间一致性方法，实现了频率电压的分布式二次恢复，保证了基于下垂控制的各分布式单元和储能根据功率容量承担功率缺额，维持微电网的频率和电压稳定，改善了微电网控制的可靠性和鲁棒性。

Description

基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法

技术领域

本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法。

背景技术

能源是经济社会发展的基础和动力。在过去的一百多年，传统能源，如煤炭、石油、天然气等的开发带来了人类社会的巨大进步。但随着世界工业和经济的继续发展，传统能源的储量耗尽问题以及伴随能源利用产生的生态环境问题使得学者逐渐将能源发展的视角转向以风光为主的可再生能源，以期恢复和建立生态友好的生存环境，维持人类社会的可持续发展。

目前，可再生能源的利用主要以风能和太阳能为主，以分布式发电为主要形式，发展迅速。2015年国内新增风电装机容量3050万千瓦，同比上升31.5％；累计装机1.45亿千瓦，同比上升26.6％。为了提高可再生能源的利用效率，加快可再生能源的分布式消纳，微电网作为一种组织分布式发电单元和负荷的独立系统得到广泛的研究和实践。由于风光等可再生能源受自然条件的影响较大，具有一定的间歇性和随机性，加之微电网中的电源大多以电力电子器件接入，具有惯性小的特点，这对微电网频率和电压的稳定控制提出了较大的挑战。

目前，微电网的控制方案主要以集中式的主从控制为主，通过中央控制器协调调度所有分布式单元和负荷，实现微电网稳定经济运行。但集中式的主从控制对于中央控制器的依赖性较大，并且对于通信线路的可靠性要求较高，一旦中央控制器或通信线路发生故障，微电网可能崩溃，将给用户造成较大的经济损失，也会引起负面的社会效应。而以对等控制模式为基础的微电网分布式控制方式建立在邻居相互通信的基础上，不需要中央控制器，很好的适应了分布式电源分散的地理特性，降低了微电网的通信成本，提高了控制的可靠性，有利于实现分布式电源的即插即用。各分布式单元和储能根据本地信息和邻居信息实现分布式决策制定和本地控制，共同保证微电网频率和电压的稳定，维持微电网经济安全稳定运行。因此，建立分布式通信框架下，微电网的频率电压控制以及功率控制策略，有利于提高微电网控制的鲁棒性，发挥可再生能源的经济效益和环境效益。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，该控制方法可以在微电网发生功率扰动后，根据一次下垂控制维持微电网的功率平衡，并通过次分布式协调控制策略保证各分布式单元和储能根据各自的可调容量承担微电网的功率缺额，消除一次下垂控制产生的频率电压偏差，保证孤岛微电网的频率电压协调恢复到标准值附近，提高微电网控制的可靠性和鲁棒性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采取一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，该控制方法包括下述步骤：

步骤10)进行一次下垂控制：当微电网发生功率扰动时，基于下垂控制的分布式发电单元和储能，根据式(1)自动控制输出端的频率和电压，调整功率输出，维持微电网的功率平衡：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{pri\_i}=f_{ref}-m_i(P_i-P_{0\_i})\\ E_{pri\_i}=E_{ref}-n_i(Q_i-Q_{0\_i})\end{array}\right.$ 式(1)

式(1)中，基于下垂控制的分布式单元和储能单元为DBDG，f_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的频率参考值；f_ref表示微电网频率控制的标准值；m_i表示第i个DBDG的有功频率下垂系数；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率；P_{0_i}表示第i个DBDG输出有功功率的初始值；E_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的电压参考值；E_ref表示微电网电压控制的标准值；n_i表示第i个DBDG的无功电压下垂系数；Q_i表示第i个DBDG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个DBDG输出无功功率的初始值；

步骤20)进行二次分布式控制：在分布式的控制架构下，同时进行有功频率控制和无功电压控制，以实现各分布式单元按照可调容量承担微电网功率缺额及频率和电压的分布式恢复。

作为优选方案，所述的步骤20)中，进行有功频率控制的具体过程为：各DBDG根据本地频率测量值与标准值的偏差以及邻居一次频率下垂控制器输出值，按照式(2)实现频率的分布式恢复，以确保频率的恢复控制不影响有功功率均分的精度：

f_{sec_i}＝K_p1(f_ref-f_i)+K_i1∫[f_ref-f_i+f_{FTC_i}]dt式(2)

式中，f_{sec_i}表示第i个DBDG的二次频率控制器输出值；K_p1表示频率恢复的比例控制器参数；f_i表示第i个DBDG的本地频率测量值；K_i1表示频率恢复的积分控制器参数；f_{FTC_i}表示第i个DBDG有功功率均分的有限时间控制器输出值，f_{FTC_i}由式(3)确定；

$f_{\mathrm{FTC}\_i}={\mathrm{\β}}_1\mathrm{sign}\left(\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{pri}\_i}\right)|\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{pri}\_i}{|}^{{\mathrm{\α}}_1}+{\mathrm{\γ}}_1\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{pri}\_i}$ 式(3)

式中，β₁表示有限时间控制器第一参数，sign表示符号函数，γ₁表示有限时间控制器第二参数，α₁均表示有限时间控制器第三参数，其中，0<α₁<1，β₁>0，γ₁≥0；Δf_{pri_i}表示第i个DBDG一次频率控制器输出值的偏差，Δf_{pri_i}由式(4)确定：

${\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(4)

式中，N_i表示与第i个DBDG相邻的分布式单元DG的集合；a_ij表示第i个DBDG与第j个DG间的通信耦合系数；若编号为j的单元为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元不为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值。

作为优选方案，所述的步骤20)中，进行无功电压控制的具体过程为：各DBDG根据本地电压测量值和邻居一次电压控制器的输出值，按照式(5)实现电压的分布式恢复和无功功率均分：

E_{sec_i}＝K_p2(E_ref-E_i)+K_i2∫[b_i(E_ref-E_i)+E_{FTC_i}]dt式(5)

式中，E_{sec_i}表示第i个DBDG的二次电压控制器输出值；K_p2表示电压恢复的比例控制器参数；E_ref表示微电网电压控制的标准值；E_i表示第i个DBDG本地电压幅值的测量值；K_i2表示电压恢复的积分控制器参数；b_i表示第i个DBDG的电压参考系数，若DBDG为参考节点，b_i为1；若DBDG为非参考节点，则b_i为0；E_{FTC_i}表示第i个DBDG无功功率均分的有限时间控制器输出值，由式(6)确定；

$E_{\mathrm{FTC}\_i}={\mathrm{\&beta;}}_2\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}\right)|\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}{|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}$ 式(6)

式中，β₂表示有限时间控制器第四参数，γ₂表示有限时间控制器第五参数，α₂表示有限时间控制器第六参数，其中，0<α₂<1，β₂>0，γ₂≥0；ΔE_{pri_i}表示第i个DBDG一次电压下垂控制器输出值的偏差，ΔE_{pri_i}由式(7)确定：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(7)

式中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

作为优选方案，所述的步骤10)中，n_i和m_i依照式(8)确定：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{P_{i\_\max }}\\ n_i=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}\end{array}\right.$ 式(8)

式中，f_max表示微电网频率的最大允许值；f_min表示微电网频率的最小允许值；P_{i_max}表示第i个DBDG输出有功功率的最大值；E_max表示微电网电压的最大允许值；E_min表示微电网电压的最小允许值；Q_{i_max}表示第i个DBDG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个DBDG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率。

作为优选方案，所述的步骤20)中，所述的进行无功电压控制中，基于PQ控制或MPPT控制的DG，本地二次无功输出调整控制器按照式(9)进行：

$Q_{\sec \_i}=\frac{1}{n_i}\&Integral;\&lsqb;{\mathrm{\&beta;}}_{2}sign\left({\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right)|{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}{|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\&rsqb;dt$ 式(9)

式中，Q_{sec_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的无功功率参考值的调整值；n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟下垂系数，按照式(15)进行设定；ΔE_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值的偏差，按照式(16)进行设定：

$n_i=\frac{E_{max}-E_{min}}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{max}-E_{min}}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}$ 式(15)

式(15)中，Q_{i_max}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的有功功率；

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(16)

式(16)中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

作为优选方案，所述的步骤20)中，进行有功频率控制中，式(4)中，当编号为j的单元不为DBDG时，f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值，如式(10)所示，

$\frac{{\mathrm{df}}_{pri\_i}}{dt}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(10)

式(10)中，单元为基于PQ控制或MPPT控制的DG，f_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元为DBDG，f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值，否则表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；

当编号为j的单元不为DBDG时，E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器的输出值，如式(11)所示：

E_{pri_i}＝E_ref-n_i(Q_i-Q_{0_i})式(11)

式(11)中，E_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值；E_ref表示微电网电压控制的标准值，n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟无功电压下垂系数，按照式(15)设置；Q_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的初始值。

作为优选方案，所述的步骤20)中，a_ij依据式(12)、式(13)确定，符号函数sign定义如式(14)所示：

式(12)

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Sigma;}}_i{a}_{ij}=1\\ {\mathrm{\&Sigma;}}_j{a}_{ij}=1\end{array}\right.$ 式(13)

式中，Num_i为与第i个DG相邻的DG数目；Num_j为与第j个DG相邻的DG数目；θ是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<θ<1；N_i表示与第i个DBDG相邻的DG的集合；

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x<0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.$ 式(14)

式(14)中，x为变量。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，基于微电网的对等控制模式和分布式通信架构，利用有限时间一致性以分布式控制的方式协调各分布式单元和储能按照容量承担功率缺额，充分发挥了风光分布式发电单元的无功支撑能力。同时，在无中央控制器的情况下，通过各分布式单元间的分布式协调控制消除了一次下垂控制产生的频率电压偏差，将微电网的频率和电压恢复到标准值附近，保证了微电网的安全稳定运行，提高了微电网控制的可靠性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明实施例中微电网仿真结构图。

图3是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的有功功率线条图。

图4是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出有功功率变化占有功可调容量的比例线条图。

图5是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的无功功率线条图。

图6是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出无功功率变化占无功可调容量的比例线条图。

图7是本发明实施例中微电网的频率线条图。

图8是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出电压的标幺值线条图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本发明实施例的一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，包括下述步骤：

步骤10)进行一次下垂控制：当微电网发生功率扰动时，基于下垂控制的分布式发电单元和储能，根据式(1)自动控制输出端的频率和电压，调整功率输出，维持微电网的功率平衡：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{pri\_i}=f_{ref}-m_i(P_i-P_{0\_i})\\ E_{pri\_i}=E_{ref}-n_i(Q_i-Q_{0\_i})\end{array}\right.$ 式(1)

式中，基于下垂控制的分布式单元和储能单元为DBDG(Droop-BasedDistributedGeneratorandEnergyStorage，简称DBDG)，f_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的频率参考值；f_ref表示微电网频率控制的标准值；m_i表示第i个DBDG的有功频率下垂系数；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率；P_{0_i}表示第i个DBDG输出有功功率的初始值；E_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的电压参考值；E_ref表示微电网电压控制的标准值；n_i表示第i个DBDG的无功电压下垂系数；Q_i表示第i个DBDG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个DBDG输出无功功率的初始值。

所述的步骤10)中，n_i和m_i依照式(8)确定：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{P_{i\_\max }}\\ n_i=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}\end{array}\right.$ 式(8)

式中，f_max表示微电网频率的最大允许值；f_min表示微电网频率的最小允许值；P_{i_max}表示第i个DBDG输出有功功率的最大值；E_max表示微电网电压的最大允许值；E_min表示微电网电压的最小允许值；Q_{i_max}表示第i个DBDG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个DBDG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率。

步骤20)进行二次分布式控制：在分布式的控制架构下，同时进行有功频率控制和无功电压控制，以实现各分布式单元按照可调容量承担微电网功率缺额及频率和电压的分布式恢复。微电网的电压分布式恢复控制和无功功率均分控制是同时进行和相互关联的。由于微电网中的线路以阻性和阻感性为主，线路电压降与有功和无功均相关，所有节点电压并不能均恢复到标准值。当以参考节点进行电压恢复控制时，其无功功率的变化所导致的功率均分控制带动了所有节点的电压恢复，从而在稳态情况下，所有DBDG共同承担功率缺额，并且电压均分布在参考节点周围。

所述的步骤20)中，进行有功频率控制的具体过程为：各DBDG根据本地频率测量值与标准值的偏差以及邻居一次频率下垂控制器输出值，按照式(2)实现频率的分布式恢复，以确保频率的恢复控制不影响有功功率均分的精度：

f_{sec_i}＝K_p1(f_ref-f_i)+K_i1∫[f_ref-f_i+f_{FTC_i}]dt式(2)

式中，f_{sec_i}表示第i个DBDG的二次频率控制器输出值；K_p1表示频率恢复的比例控制器参数；f_i表示第i个DBDG的本地频率测量值；K_i1表示频率恢复的积分控制器参数；f_{FTC_i}表示第i个DBDG有功功率均分的有限时间控制器输出值，f_{FTC_i}由式(3)确定；

$f_{\mathrm{FTC}\_i}={\mathrm{\&beta;}}_1\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{pri}\_i}\right)|\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{pri}\_i}{|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+{\mathrm{\&gamma;}}_1\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{pri}\_i}$ 式(3)

式中，β₁表示有限时间控制器第一参数，sign表示符号函数，γ₁表示有限时间控制器第二参数，α₁均表示有限时间控制器第三参数，其中，0<α₁<1，β₁>0，γ₁≥0；Δf_{pri_i}表示第i个DBDG一次频率控制器输出值的偏差，Δf_{pri_i}由式(4)确定：

${\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(4)

式中，N_i表示与第i个DBDG相邻的分布式单元DG的集合；a_ij表示第i个DBDG与第j个DG间的通信耦合系数；若编号为j的单元为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元不为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值。

所述的步骤20)中，进行无功电压控制的具体过程为：各DBDG根据本地电压测量值和邻居一次电压控制器的输出值，按照式(5)实现电压的分布式恢复和无功功率均分：

E_{sec_i}＝K_p2(E_ref-E_i)+K_i2∫[b_i(E_ref-E_i)+E_{FTC_i}]dt式(5)

式中，E_{sec_i}表示第i个DBDG的二次电压控制器输出值；K_p2表示电压恢复的比例控制器参数；E_ref表示微电网电压控制的标准值；E_i表示第i个DBDG本地电压幅值的测量值；K_i2表示电压恢复的积分控制器参数；b_i表示第i个DBDG的电压参考系数，若DBDG为参考节点，b_i为1；若DBDG为非参考节点，则b_i为0；E_{FTC_i}表示第i个DBDG无功功率均分的有限时间控制器输出值，由式(6)确定；

$E_{\mathrm{FTC}\_i}={\mathrm{\&beta;}}_2\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}\right){\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}\right|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{pri}\_i}$ 式(6)

式中，β₂表示有限时间控制器第四参数，γ₂表示有限时间控制器第五参数，α₂表示有限时间控制器第六参数，其中，0<α₂<1，β₂>0，γ₂≥0；ΔE_{pri_i}表示第i个DBDG一次电压下垂控制器输出值的偏差，ΔE_{pri_i}由式(7)确定：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(7)

式中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

所述的步骤20)中，所述的进行无功电压控制中，基于PQ控制或MPPT控制的DG，本地二次无功输出调整控制器按照式(9)进行：

$Q_{\sec \_i}=\frac{1}{n_i}\&Integral;\&lsqb;{\mathrm{\&beta;}}_{2}sign\left({\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right)|{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}{|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\&rsqb;dt$ 式(9)

式中，Q_{sec_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的无功功率参考值的调整值；n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟下垂系数，按照式(15)进行设定；ΔE_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值的偏差，按照式(16)进行设定：

$n_i=\frac{E_{max}-E_{min}}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{max}-E_{min}}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}$ 式(15)

式(15)中，Q_{i_max}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的有功功率；

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(16)

式(16)中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

所述的步骤20)中，进行有功频率控制中，式(4)中，当编号为j的单元不为DBDG时，f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值，如式(10)所示，

$\frac{{\mathrm{df}}_{pri\_i}}{dt}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(10)

式(10)中，单元为基于PQ控制或MPPT控制的DG，f_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元为DBDG，f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值，否则表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；

当编号为j的单元不为DBDG时，E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器的输出值，如式(11)所示：

E_{pri_i}＝E_ref-n_i(Q_i-Q_{0_i})式(11)

式(11)中，E_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值；E_ref表示微电网电压控制的标准值，n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟无功电压下垂系数，按照式(15)设置；Q_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的初始值。

所述的步骤20)中，a_ij依据式(12)、式(13)确定，符号函数sign定义如式(14)所示：

式(12)

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Sigma;}}_i{a}_{ij}=1\\ {\mathrm{\&Sigma;}}_j{a}_{ij}=1\end{array}\right.$ 式(13)

式中，Num_i为与第i个DG相邻的DG数目；Num_j为与第j个DG相邻的DG数目；θ是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<θ<1；N_i表示与第i个DBDG相邻的DG的集合；

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x<0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.$ 式(14)

式(14)中，x为变量。

本发明实施例的控制方法中，首先进行一次下垂控制：孤岛模式下微电网发生功率扰动时，所有基于下垂控制方法的分布式发电单元和储能根据预定的下垂参数自动调整功率输出，按照比例承担系统功率缺额，维持微电网的功率平衡；其次进行二次分布式控制：在有功频率控制方面，各分布式发电单元和储能根据输出频率与标准值的差值控制实现频率分布式恢复，同时利用邻居一次频率下垂控制器输出信息根据有限时间一致性方法保证有功功率均分；在无功电压控制方面，以参考节点电压恢复为目标，各分布式发电单元和储能根据本地信息和邻居二次电压控制器输出值信息，利用有限时间一致性方法实现无功输出占无功可调容量比例的一致性和电压的分布式恢复，保证微电网电压恢复到标准值附近和各分布式单元按照无功容量承担无功缺额。

本发明实施例的控制方法基于微电网的对等控制模式和分布式通信架构，各分布式单元和储能能够在微电网发生扰动时迅速反应，充分发挥风光分布式发电单元的无功支撑能力，协调不同分布式单元和储能的输出特性，实现分布式决策制定，共同按照可调容量承担系统功率缺额，消除一次下垂控制产生的频率电压偏差，维持微电网的频率和电压稳定，提高了微电网控制的可靠性、经济性和鲁棒性。

本发明实施例的控制方法在功率扰动发生后，各基于下垂控制的分布式单元根据预定的下垂参数自发动作，调整功率输出，维持微电网功率平衡。对于一次下垂控制产生的频率偏差，在二次分布式控制中，各DBDG根据本地采集的频率信息进行分布式频率恢复，同时根据邻居的信息利用有限时间控制器调整有功功率输出。当微电网在有限时间内达到有限时间一致性时，所有DBDG均能根据可调有功容量承担有功功率缺额，保证微电网的频率维持在标准值附近。对于一次下垂控制产生的电压偏差，参考节点的DBDG进行电压恢复控制，确保电压恢复到标准值附近，同时各DBDG和基于PQ控制或MPPT控制的DG根据邻居信息利用有限时间控制器调整功率输出，当微电网在有限时间内达到有限时间一致性时，参考节点的DBDG电压输出恢复到标准值附近，其余DBDG和基于PQ控制或MPPT控制的DG根据功率均分一致性控制方法带动电压恢复到标准值附近，既实现了各DBDG和基于PQ控制或MPPT控制的DG根据无功可调容量承担无功功率缺额，充分发挥风光分布式发电单元的无功支撑能力，又实现了各DG输出电压的恢复，维持了微电网的电压稳定，保证了微电网供电质量。

为充分利用风光分布式发电单元的无功支撑能力，提高电压恢复质量，减少系统网损，因此风光分布式发电单元也按照可调度无功容量与基于下垂控制的DG共同承担无功负载。由于风光分布式发电单元一般采用恒功率控制(PQ控制)或最大功率跟踪控制(MPPT控制)，对于无功输出的调节一般通过调整无功功率参考值，因此设计该类DG具有与基于下垂控制的DG相同形式的虚拟下垂系数和虚拟一次下垂控制方程，其虚拟下垂系数和虚拟一次下垂控制方程的输出值，用于与邻居的信息交互和本地无功功率参考值的调整。

下面例举一个实施例。

根据欧盟低压微电网的结构建立了仿真算例，如图2所示。该仿真微电网由微型燃气轮机(简称MT，图中用DG1表示)、储能系统(简称ESS，图中用DG2表示)、燃料电池(简称FB，图中用DG3表示)、光伏系统(简称PV，图中用DG4表示)四个DG及5个负荷单元(Load1、Load2、Load3、Load4、Load5)组成，各分布式单元经过电力电子器件接入0.38kV低压配电网。系统含4个分布式智能体(Agent)，分别用A1，A2，A3，A4表示。分布式智能体负责实现分布式单元和储能的本地控制以及与邻居的信息交互。基于电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真(英文简称：PSCAD/EMTDC)平台搭建仿真微电网模型，说明本发明实施例所提方法的有效性。

在仿真微电网中，DG1，DG2，DG3工作在下垂控制模式，初始有功功率分别为10kW，30kW，20kW，初始无功功率均为0kVar，视在功率容量均为50kVA。DG4工作在PQ控制模式下，有功功率设定值为20kW，无功功率设定值为0kVar。Load1、Load2、Load3、Load4、Load5的负荷量分别为5.13kW+j2.48kVar，22.5kW+j10.9kVar，54.72kW+j15.96kVar，5.13kW+j2.48kVar，22.5kW+j10.9kVar，共计109.98kW+j42.72kVar。在t＝4s，微电网启动频率电压恢复控制和功率均分控制，在t＝7s，Load3处负荷增加45kW+j21.8kVar，观察各DG的功率输出及微电网的频率电压变化，仿真结果见图3至图8。

图3表示本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的有功功率线条图。图4表示本发明实施例中微电网的各分布式电源输出有功功率变化占有功可调容量的比例线条图。由图3和图4可知，各DBDG均能在初始有功功率的基础上，按照各自的容量调整功率输出，承担有功功率缺额，最后各DBDG的有功变化占比趋于一致。在t＝7s，当有功负载突增近50％时，各DBDG仍能迅速反应，按照可调有功容量的比例增发有功功率，维持微电网功率平衡。其中，光伏电池由于采用PQ控制，输出恒定的功率，不承担功率缺额。

图5表示本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的无功功率线条图。图6表示本发明实施例中微电网的各分布式电源输出无功功率变化占无功可调容量的比例线条图。由图可知，在t＝4s进行分布式协调控制策略后，各DG的无功功率输出均逐渐按照各自的容量进行调整，最后所有DG输出无功占无功可调容量的比例趋于一致。在t＝7s，当无功负载突增近50％时，各DG仍能按照各自的容量迅速增发功率，最后按照比例承担无功功率缺额。值得说明的是，在t＝7s以后，光伏电池由于有功输出较低，因此无功容量较大，相对于其他有功输出较多，无功容量小的DBDG，承担了更多的无功功率，充分发挥了光伏电池在有功输出较小时的无功支撑能力，维持了微电网的功率平衡。

图7是本发明实施例中微电网的频率线条图。由图7可知，在t＝4s前，微电网的一次下垂控制维持了微电网的功率平衡，也导致了频率偏离了标准值。t＝4s后，微电网分布式协调控制策略发挥效果后，微电网的频率在不到2s的时间迅速恢复到标准值。在t＝7s，负载突增近50％时，在分布式协调控制策略的作用下，微电网频率的最大偏移值也仅为0.02，完全满足用户对于频率稳定的需求。

图8是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出电压的标幺值线条图。由图8可知，在t＝4s前，微电网的一次下垂控制在维持功率平衡的同时也导致了电压偏差，t＝4s后，微电网的分布式协调控制策略发挥效果后，在无功功率均分的带动下，微电网的电压也逐渐恢复到标准值，在t＝7s后，虽然无功负载突增近50％，但微电网电压最终也恢复到标准值附近，最大电压偏差仅为标准值的2％左右，在电压的合理变化范围内。

值得说明的是，本发明实施例中所有线路均为强阻性，从理论上来说，无法保证所有DG的输出电压均恢复到标准值。事实上，基于网损优化和运行成本的考虑，仅需将电压维持在标准值一定范围内即可，不需要所有DG的输出电压均恢复到标准值。

从本实施例可以看出，本发明的分布式协调控制方法可以在分布式通信架构下，基于微电网的对等控制模式和有限时间一致性控制方法，在微电网发生扰动时，仅依赖本地信息和邻居信息，充分发挥风光分布式单元的无功支撑能力，协调不同分布式单元和储能调整功率输出，按照可调容量承担系统功率缺额，并将微电网的频率电压恢复到标准值附近，保证微电网供电的可靠性和安全性。

Claims (7)

1.一种基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，该控制方法包括下述步骤：

步骤10)进行一次下垂控制：当微电网发生功率扰动时，基于下垂控制的分布式发电单元和储能，根据式(1)自动控制输出端的频率和电压，调整功率输出，维持微电网的功率平衡：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{pri\_i}=f_{ref}-m_i(P_i-P_{0\_i})\\ E_{pri\_i}=E_{ref}-n_i(Q_i-Q_{0\_i})\end{array}\right.$ 式(1)

式(1)中，基于下垂控制的分布式单元和储能单元为DBDG，f_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的频率参考值；f_ref表示微电网频率控制的标准值；m_i表示第i个DBDG的有功频率下垂系数；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率；P_{0_i}表示第i个DBDG输出有功功率的初始值；E_{pri_i}表示第i个DBDG一次下垂控制产生的电压参考值；E_ref表示微电网电压控制的标准值；n_i表示第i个DBDG的无功电压下垂系数；Q_i表示第i个DBDG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个DBDG输出无功功率的初始值；

步骤20)进行二次分布式控制：在分布式的控制架构下，同时进行有功频率控制和无功电压控制，以实现各分布式单元按照可调容量承担微电网功率缺额及频率和电压的分布式恢复。

2.按照权利要求1所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤20)中，进行有功频率控制的具体过程为：各DBDG根据本地频率测量值与标准值的偏差以及邻居一次频率下垂控制器输出值，按照式(2)实现频率的分布式恢复，以确保频率的恢复控制不影响有功功率均分的精度：

f_{sec_i}＝K_p1(f_ref-f_i)+K_i1∫[f_ref-f_i+f_{FTC_i}]dt式(2)

式中，f_{sec_i}表示第i个DBDG的二次频率控制器输出值；K_p1表示频率恢复的比例控制器参数；f_i表示第i个DBDG的本地频率测量值；K_i1表示频率恢复的积分控制器参数；f_{FTC_i}表示第i个DBDG有功功率均分的有限时间控制器输出值，f_{FTC_i}由式(3)确定；

$f_{FTC\_i}={\mathrm{\&beta;}}_{1}sign\left({\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}\right){\left|{\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}\right|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}+{\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}$ 式(3)

式中，β₁表示有限时间控制器第一参数，sign表示符号函数，γ₁表示有限时间控制器第二参数，α₁均表示有限时间控制器第三参数，其中，0<α₁<1，β₁>0，γ₁≥0；Δf_{pri_i}表示第i个DBDG一次频率控制器输出值的偏差，Δf_{pri_i}由式(4)确定：

${\mathrm{\&Delta;f}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(4)

式中，N_i表示与第i个DBDG相邻的分布式单元DG的集合；a_ij表示第i个DBDG与第j个DG间的通信耦合系数；若编号为j的单元为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元不为DBDG，则f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值。

3.按照权利要求2所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤20)中，进行无功电压控制的具体过程为：各DBDG根据本地电压测量值和邻居一次电压控制器的输出值，按照式(5)实现电压的分布式恢复和无功功率均分：

E_{sec_i}＝K_p2(E_ref-E_i)+K_i2∫[b_i(E_ref-E_i)+E_{FTC_i}]dt式(5)

式中，E_{sec_i}表示第i个DBDG的二次电压控制器输出值；K_p2表示电压恢复的比例控制器参数；E_ref表示微电网电压控制的标准值；E_i表示第i个DBDG本地电压幅值的测量值；K_i2表示电压恢复的积分控制器参数；b_i表示第i个DBDG的电压参考系数，若DBDG为参考节点，b_i为1；若DBDG为非参考节点，则b_i为0；E_{FTC_i}表示第i个DBDG无功功率均分的有限时间控制器输出值，由式(6)确定；

$E_{FTC\_i}={\mathrm{\&beta;}}_{2}sign\left({\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right){\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}$ 式(6)

式中，β₂表示有限时间控制器第四参数，γ₂表示有限时间控制器第五参数，α₂表示有限时间控制器第六参数，其中，0<α₂<1，β₂>0，γ₂≥0；ΔE_{pri_i}表示第i个DBDG一次电压下垂控制器输出值的偏差，ΔE_{pri_i}由式(7)确定：

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(7)

式中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

4.按照权利要求1所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤10)中，n_i和m_i依照式(8)确定：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{P_{i\_\max }}\\ n_i=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{\max }-E_{\min }}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}\end{array}\right.$ 式(8)

式中，f_max表示微电网频率的最大允许值；f_min表示微电网频率的最小允许值；P_{i_max}表示第i个DBDG输出有功功率的最大值；E_max表示微电网电压的最大允许值；E_min表示微电网电压的最小允许值；Q_{i_max}表示第i个DBDG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个DBDG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个DBDG输出的有功功率。

5.按照权利要求3所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤20)中，所述的进行无功电压控制中，基于PQ控制或MPPT控制的DG，本地二次无功输出调整控制器按照式(9)进行：

$Q_{\sec \_i}=\frac{1}{n_i}\&Integral;\&lsqb;{\mathrm{\&beta;}}_{2}sign\left({\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right){\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\right|}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}+{\mathrm{\&gamma;}}_2{\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}\&rsqb;dt$ 式(9)

式中，Q_{sec_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的无功功率参考值的调整值；n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟下垂系数，按照式(15)进行设定；ΔE_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值的偏差，按照式(16)进行设定：

$n_i=\frac{E_{max}-E_{min}}{Q_{i\_\max }}=\frac{E_{max}-E_{min}}{\sqrt{S_i^2-P_i^2}}$ 式(15)

式(15)中，Q_{i_max}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的最大值；S_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG逆变器的额定视在功率；P_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的有功功率；

${\mathrm{\&Delta;E}}_{pri\_i}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(E_{pri\_j}-E_{pri\_i})$ 式(16)

式(16)中，若编号为j的单元为DBDG，E_{pri_j}表示第j个DBDG的一次电压下垂控制器输出值，否则E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值。

6.按照权利要求2所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤20)中，进行有功频率控制中，式(4)中，当编号为j的单元不为DBDG时，f_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值，如式(10)所示，

$\frac{{\mathrm{df}}_{pri\_i}}{dt}=\underset{j\&Element;N_i}{\&Sigma;}{a}_{ij}(f_{pri\_j}-f_{pri\_i})$ 式(10)

式(10)中，单元为基于PQ控制或MPPT控制的DG，f_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；若编号为j的单元为DBDG，f_{pri_j}表示第j个DBDG的一次频率下垂控制器输出值，否则表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次频率下垂控制器输出值；

当编号为j的单元不为DBDG时，E_{pri_j}表示第j个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器的输出值，如式(11)所示：

E_{pri_i}＝E_ref-n_i(Q_i-Q_{0_i})式(11)

式(11)中，E_{pri_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟一次电压下垂控制器输出值；E_ref表示微电网电压控制的标准值，n_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG的虚拟无功电压下垂系数，按照式(15)设置；Q_i表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出的无功功率；Q_{0_i}表示第i个基于PQ控制或MPPT控制的DG输出无功功率的初始值。

7.按照权利要求2所述的基于有限时间一致性的孤岛微电网分布式协调控制方法，其特征在于，所述的步骤20)中，a_ij依据式(12)、式(13)确定，符号函数sign定义如式(14)所示：

式(12)

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Sigma;}}_i{a}_{ij}=1\\ {\mathrm{\&Sigma;}}_j{a}_{ij}=1\end{array}\right.$ 式(13)

式中，Num_i为与第i个DG相邻的DG数目；Num_j为与第j个DG相邻的DG数目；θ是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<θ<1；N_i表示与第i个DBDG相邻的DG的集合；

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x>0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.$ 式(14)

式(14)中，x为变量。