CN106050557B - 考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法。实时采集所有风机输出总功率与所有负荷所需总功率，构建高性能控制器；构建分布式控制器，借助每台风机实时输出功率和高性能控制器的输出值，获得各台风机的跟踪输出功率参考值，实现总功率在所有风机之间快速公平的分配；根据实际风速和额定风速的比较通过变转速控制方法或者变桨距控制方法，使得风机输出为跟踪输出功率参考值运行。本发明实现风机群总功率在每台风机中的快速、公平分配，抑制了通信延时与通信故障。

Description

考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率分配方法，尤其是涉及了一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法。

背景技术

微电网作为分布式电源优化集成的一种方式，对于降低大电网负担、提高供电可靠性、改善环境等具有重要意义。作为一种清洁环保、储量丰富、易于开发的可再生分布式能源，风能发电系统在微电网中得到了广泛的应用^[3]-[4]。然而，大量间歇性、波动性风电系统的加入，导致微电网内部的功率平衡以及风电系统之间的功率分配问题变得十分复杂。此外，微电网通信网络规模的不断增大，对控制方式的鲁棒性提出了更高的要求，同时网络延时和通信故障等运行不确定性因素也对控制方式的稳定性造成了不利的影响。因此，提出一种稳定、快速的功率平衡和分配控制方式，对于提高微电网运行稳定性和鲁棒性，保证功率平衡和公平分配，具有重要的科研价值和现实意义。

本发明针对永磁同步发电机(PMSG)，风机的输出功率如下所示

式中：ρ为空气密度，R为风力机叶片迎风扫掠面积，ν为风力机扫掠面前的风速，ω为风力机转速，Cp(·)为风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数。

风能利用系数曲线图如图3所示，风轮机输出功率与转速关系如图4所示。通过调节叶尖速比及桨距角可以调节风能利用系数；由图4可知，风机输出功率与转速和风机叶片半径有关。本发明通过变转速控制方法和变桨距控制来调节风机输出功率，实现分布式功率分配。

现有的分布式电源功率控制方法主要包括：集中式控制，分散式控制，分布式控制。

集中式控制是一种较为传统的控制方式。在集中式控制中，各分布式电源的稳定运行点控制指令均由控制中心提供，控制中心通过通信线路与各设备相连接，实时监控各设备运行状态，利用其强大的信息处理能力，通过合理规划使各设备运行在最优状态下。然而，当受控对象越来越多时，集中式控制的不足便突显出来，当某一通信线路或设备故障时，控制中心将失去对微电网的稳定控制，甚至当控制中心故障时，整个微电网将会进入失控状态。

分散式控制与集中式控制恰好相反，具有地理分散、简单灵活的优点^[7]-[8]。在分散式控制下，每一台设备均与自身控制系统连接，实现自身的稳定运行，由于不与外部连接，分散式控制的灵活性、抗干扰性、稳定性较高。然而，这种独立性使得各设备无法相互协作，对电网的支撑能力较弱，难以满足电网对于电压稳定、频率稳定的要求。

结合集中式控制体系与分散式控制体系的优点，国内外研究学者提出了一种基于网络控制理论的分布式控制控制方法。在分布式控制下，每一台设备均与其相邻设备相连，通过领域信息交互制定相应的控制方式，在保证微电网中各设备协同出力的同时，很大程度避免了通信网络故障的影响，对电网的支撑能力更强。然而，现有的分布式控制方法存在三个明显的缺点：利用线性积分器控制分布式电源总功率，存在积分饱和、超调等问题；分布式控制算法动态性能较差，各台分布式能源收敛速度较慢；没有考虑通信延时及通信故障对系统的影响。

所以现有技术中缺少一种有效的分布式功率分配方法，以解决现有的控制方法目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，以达到快速稳定的功率分配以及各台分布式能源的快速收敛，并验证控制方式对通信延时及通信故障的抵抗能力。

本发明采用了高性能非线性积分器，同时采用有限时间收敛算法，通过数字大量的仿真得到的一种控制方式，可抑制一定程度范围内的通信延时与通信故障。

如图1所示，本发明的技术方案采用如下步骤：

1)实时采集所有风机输出总功率P与所有负荷所需总功率P^ref，构建高性能控制器；

2)构建分布式控制器u_i，借助每台风机实时输出功率P_i和高性能控制器的输出值ψ，获得各台风机的跟踪输出功率参考值，实现总功率P在所有风机之间快速公平的分配，如图2所示；

3)根据实际风速和额定风速的比较通过变转速控制方法或者变桨距控制方法，使得风机输出为跟踪输出功率参考值运行。即根据风机输出特性，选择变转速控制方法或者变桨距控制方法，实现其输出功率的有效控制。

所述步骤3)具体是：

若实际风速>额定风速时，通过变桨距控制方法对风机的输出进行控制，

若实际风速≤额定风速时，通过变转速控制方法对风机的输出进行控制，

所述的步骤1)中的高性能控制器采用以下公式的非线性积分器来平衡微电网功率：

其中P为所有风机输出总功率P^ref，P_i为每台风机实时输出功率，P^ref为所有负荷所需总功率，λ为可调参数，λ∈[-1,1]，ψ为高层控制器的输出值。

所述的步骤2)具体包括：

采用以下公式定义第i台风机的动态模型：

其中，表示分布式电源的利用率δ_i的导数，u_i表示第i台风机的分布式控制器；利用率δ_i是指。。。风机的实际输出功率与风机在当前风速下的最大输出功率的比值。

第i台风机的分布式控制器u_i采用以下公式进行控制，使得分布式电源的利用率δ_i趋近于每台风机稳定状态下的利用率δ^*：

其中，m代表有m个风机跟随者，风机跟随者通过风机领导者与高层控制器直接通信，n代表风机群中风机总数，a_ij表示风机i和风机j之间通信的可靠性，α^ij表示风机i和风机j之间的协议参数，δ_i为第i台风机的利用率，δ^*代表风机稳定状态下的利用率值，函数sig(r)^α代表sign(r)|r|^α，t^*代表收敛时间，代表风机集合，r表示函数sig(r)^α中的代入量，t表示时间。

在通信网络延时情况下，所述步骤2)的第i台风机的分布式控制器u_i采用以下公式进行控制：

其中，m代表有m个风机跟随者，风机跟随者通过风机领导者与高层控制器直接通信，n代表风机群中风机总数，a_ij表示风机i和风机j之间通信的可靠性，α^ij表示风机i和风机j之间的协议参数，δ_i为第i台风机的利用率，δ^*代表风机稳定状态下的利用率值，函数sig(r)^α代表sign(r)|r|^α，t^*代表收敛时间，代表风机集合，r表示函数sig(r)^α中的代入量，t表示时间，kT代表延时时间。

对于所述每台风机稳定状态下的利用率δ^*：当第i台风机直接与微电网控制中心的高层控制器相连时(风机领导者与高层控制器直接通信时)，δ^*＝ψ；当第i台风机间接与微电网控制中心的高层控制器相连时(风机跟随者通过风机领导者与高层控制器直接通信时)，δ^*＝0。

所述的跟踪输出功率参考值由步骤2)获得的第i台风机的利用率δ_i采用以下公式获得：

(修改公式)

其中，为第i台风机的跟踪输出功率参考值，P_imax为第i台电源输出功率的最大值，δ_i为第i台风机的利用率。

所述风机j是否发生通信故障通过风机i和风机j之间通信的可靠性a_ij判断：

若a_ij＝0，i,j∈{1,2,...n}，则风机j发生通信故障；若a_ij≠0，i,j∈{1,2,...n}，则风机j未发生通信故障。

本发明通过风机群总功率与负载功率的差值，利用非线性积分器控制风机群输出稳定跟踪负荷，每台风机根据风速大小采用两种功率控制方式，最终使每台风机按照给定的跟踪负荷运行，实现微电网功率平衡控制；采用有限时间收敛算法实现风机群总功率在每台风机中的快速、公平分配。

本发明具有的效果是：

本发明极大的减少了分布式系统中存在的积分饱和、超调；提高了分布式控制算法动态性能，提高了分布式能源收敛速度；功率分配方式兼具快速性与稳定性，验证了通信延时及通信故障对系统的影响，可抑制一定程度范围内的通信延时与通信故障。

附图说明

图1为本发明的风机控制结构。

图2为本发明风机群通信拓扑图。

图3为风能利用系数与叶尖速比图。

图4为风轮机输出功率与转速图。

图5为风机群总负载变化时的实验截图。

图6为风机群风速变化时的实验截图。。

图7为风机群通信故障的实验截图。

图8为延时4T的实验截图。

图9为延时8T的实验截图。

图10为延时12T的实验截图。

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。

本发明的步骤1)现有的控制方法一般采用传统线性积分控制器，虽然易于实现，但稳态误差和超调较大，且存在积分饱和。基于此，采取一种高性能非线性积分器应用于微电网功率平衡控制中，该非线性积分器兼顾快速性和稳定性，控制信号稳定，超调量较小，并可以消除稳态误差；与线性积分器相比具有较小的相角滞后，且可调参数λ能够增大控制器设计的自由度，性能明显优于线性积分器。

本发明的步骤2)通过设计分布式电源的利用率来控制风机功率输出，通过有限时间收敛算法设计每台风机的控制率，根据风机的动态模型，保证最终所有风机按照高层控制输出值运行

如图2所示，圆圈中的数字代表第几号风机的序数，图2中的1、2、3号风机为风机领导者，其余风机为风机跟随者，箭头指向代表风机间信息传递方向，箭头旁的数字代表风机间通信的可靠性，即a_ij，ψ为为高层控制器的输出值，传递给风机领导者，当风机领导者直接与微电网控制中心的高层控制器相连时，δ^*＝ψ；当风机领导者与微电网控制中心的高层控制器无连接时，δ^*＝0，风机通过互相之间的信息传递，根据风机的动态模型和根据模型所设计的风机的分布式控制器，最终所有风机达到每台风机稳定状态下的利用率δ^*。

本发明的步骤3)是风机控制结构。本发明根据风速大小采用两种不同的控制结构：首先，风机在风速恒定时的输出功率仅与λ、β有关。由图3可知，λ取一定值时，C_p(·)存在最大值，因此可以通过求解C_p(·)最大值获得输出功率的最大值，通过采集所有风机输出总功率P与所有负荷所需总功率P^ref，通过式(1)得到高层控制输出值，从而获取风机稳定状态下的利用率值δ^*，进而通过式(2)获得每台风机输出功率的参考值，在获得每台风机输出功率参考值后有两种控制模式：

模式1：当实际风速>额定风速时，采用变转速控制方法，由于风机的机械结构在转速过高时可能损坏，所以为了保证风机的安全运行，同时保持一定出力，采用变桨距控制方法，通过功率外环给定风机桨距角参考值，变桨距机构内环实行变桨距操作使风机桨距角跟随桨距角参考值的变化，最终使风机输出跟踪输出功率参考值运行。

模式2：当实际风速≤额定风速时，采用变转速控制方法，风机处于安全运行状态，此时采用更加快速精确地控制方法：通过图4中的功率-转速曲线获取风机转速参考值，通过转速控制器输出电流给定值，经过电流-电压双闭环控制，调节逆变器的开关状态，最终使风机输出跟踪输出功率参考值运行。

本发明的步骤4)是风机群在发生网络延时与通信故障时的变化状况。

本发明是在10台不同出力的风机基础上提出的。

本发明的具体实施例如下：

实验截图如下：

图中：(a)利用率参考值；(b)5台风机的利用率实际值；(c)负荷总功率与风机总功率；(d)5台风机的输出功率；(e)负荷总功率与风机总功率的差值；(f)风机转速设定值。

(1)当负荷总功率变化，而风速、风机之间的通信拓扑不变、无通信故障、无通信延时时，在0～20s时负载为0.2MW，20～40s时负载为0.3MW，40s～60s时负载为0.2MW，60s～80s时负载为0.3MW，80s～100s时负载为0.4MW，仿真结果如图5所示。由实验结果可以看出：当负荷总功率变化时，风机群输出总功率可以快速、精确的跟踪负荷总功率的变化，且每台风机的利用率一致收敛，每台风机的输出功率较为平稳。

(2)在风速变化时，保证负荷总功率、风机之间的通信拓扑不变、无通信故障、无通信延时，其中(g)为实际风速，仿真结果如图6所示。由实验结果可以看出：当风速变化时，风机群输出总功率、每台风机的利用率、每台风机等可以根据实际风速进行调节，并保持稳定，并且由(f)可知在风速高于额定风速时按照模式1运行，即不考虑风速转速设置参考值，且设为0，实验结果表明控制方式与控制结构的有效性。

(3)在通信故障时，保证风速、风机之间的通信拓扑不变、无通信延时时，风机群在0～20s正常运行，在20s～40s内风机10通信故障，40s～60s内风机10、风机4通信故障，60s～80s内风机4通信故障，80s～100s内风机正常运行。实验结果如图7所示。由仿真结果可以看出：0～20s内所有风机均跟随利用率参考值运行，20s～40s内10号风机由于通信故障无法与其他风机通信，仍然按照通信中断前的利用率运行，其他风机分担了10号机通信故障产生的功率差值；40s～60s内10号风机、4号风机均通信中断，对系统其他风机的影响显著变大；60s～80s内4号风机通信故障，对影响变小；80s～100s内所有风机恢复正常运行。经过以上分析和图7可知：在系统出现通信故障时，风机群输出总功率仍然可以快速、精确的跟踪负荷总功率的变化，但是受通信故障影响，单个风机的输出功率会受到影响，甚至损伤风机，但是实验结果表明本文所提出的控制方式可在一定程度上抵消通信故障产生的影响，并且当通信故障风机恢复通信时，风机群系统可恢复正常运行，证明提出的控制方式使风机群系统有着很好的恢复能力，鲁棒性强。

(4)在存在网络延时，根据式(5)对在不同的延时时间下的系统进行了仿真，图8-10分别为风机群在延时4T、8T、12T(T＝0.1s)时的仿真结果。比较无延时和有延时时的风机群系统变化可知：在有延时时，所有风机出力总和趋于稳定的时间变长，稳定后的波动较大，但是基本可以满足负载需求；单个风机的出力明显出现超调，稳定后的波动较大，各风机功率比例值不能准确的跟随功率比例参考值，上述现象在延时时间增长时更加明显。综上所述，通信网络延时使每个风机所接收到的控制不一致，导致每台风机的运行稳定性降低，跟随功率给定参考值的准确性降低，如果网络延时持续增大，风机群系统将变得不可控，所以尽量减少通信网络延时对于整个控制系统的良好运行有极大的意义。

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，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)实时采集所有风机输出总功率P与所有负荷所需总功率P^ref，构建高性能控制器；

步骤2)构建分布式控制器u_i，借助每台风机实时输出功率P_i和高性能控制器的输出值ψ，获得各台风机的跟踪输出功率参考值P_i ^ref，实现总功率P在所有风机之间快速公平的分配；

步骤3)根据实际风速和额定风速的比较通过变转速控制方法或者变桨距控制方法，使得风机输出为跟踪输出功率参考值运行；

所述的步骤2)具体包括：

采用以下公式定义第i台风机的动态模型：

其中，表示分布式电源的利用率δ_i的导数，u_i表示第i台风机的分布式控制器；

第i台风机的分布式控制器u_i采用以下公式进行控制，使得分布式电源的利用率δ_i趋近于每台风机稳定状态下的利用率δ^*：

其中，m代表有m个风机跟随者，n代表风机群中风机总数，a_ij表示风机i和风机j之间通信的可靠性，α^ij表示风机i和风机j之间的协议参数，δ_i为第i台风机的利用率，δ^*代表风机稳定状态下的利用率值，函数sig(r)^α代表sign(r)|r|^α，t^*代表收敛时间，代表风机集合，r表示函数sig(r)^α中的代入量，t表示时间。

2.根据权利要求1所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：所述步骤3)具体是：若实际风速>额定风速时，通过变桨距控制方法对风机的输出进行控制；若实际风速≤额定风速时，通过变转速控制方法对风机的输出进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的高性能控制器采用以下公式的非线性积分器来平衡微电网功率：

其中，P为所有风机输出总功率，P_i为每台风机实时输出功率，P^ref为所有负荷所需总功率，λ为可调参数，λ∈[-1,1]，ψ为高层控制器的输出值，i表示风机的序数，n表示风机总数量。

4.根据权利要求1所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：在通信网络延时情况下，所述步骤2)的第i台风机的分布式控制器u_i采用以下公式进行控制：

其中，m代表有m个风机跟随者，n代表风机群中风机总数，a_ij表示风机i和风机j之间通信的可靠性，a^ij表示风机i和风机j之间的协议参数，δ_i为第i台风机的利用率，δ^*代表风机稳定状态下的利用率值，函数sig(r)^α代表sign(r)|r|^α，t^*代表收敛时间，代表风机集合，r表示函数sig(r)^α中的代入量，t表示时间，kT代表延时时间。

5.根据权利要求4所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：对于所述每台风机稳定状态下的利用率δ^*：当第i台风机直接与高层控制器相连时，δ^*＝ψ；当第i台风机间接与高层控制器相连时，δ^*＝0。

6.根据权利要求1所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：所述的跟踪输出功率参考值P_i ^ref由步骤2)获得的第i台风机的利用率δ_i采用以下公式获得：

P_i ^ref＝δ_i·P_imax

其中，P_i ^ref为第i台风机的跟踪输出功率参考值，P_imax为第i台电源输出功率的最大值，δ_i为第i台风机的利用率。

7.根据权利要求4所述的一种考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制方法，其特征在于：所述风机j是否发生通信故障通过风机i和风机j之间通信的可靠性a_ij判断：若a_ij＝0，i,j∈{1,2,...n}，则风机j发生通信故障；若a_ij≠0，i,j∈{1,2,...n}，则风机j未发生通信故障。