CN106505630A - 基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，适用于具有下垂特性的孤岛微电网分布式能源调频调压的问题，属于电力系统控制领域。基于所构造的分布式事件触发机制和协调控制策略，孤岛微电网中各分布式能源通过与其邻居的信息交互，确定自身的有功及无功功率调节量，使得电网频率及电压幅值在经过扰动后能够重新恢复至预设值，同时确保微电网有功及无功功率需求合理分配于所有分布式能源。本发明的优点在于在保证孤岛微电网频率电压调控任务有效完成的基础上，实现分布式能源间信息的按“需”传输，降低通信网络压力，避免网络拥塞，保障孤岛微电网安全稳定运行。

Description

基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，特别是一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法。

背景技术

近年来，由于分布式能源的环保、可再生、分布广泛等诸多优势，其越来越多的整合入现今的电力网络系统，使得传统的电力系统面临新的转变和挑战，由此诞生出“微电网”的概念。微电网是一种包含分布式能源、储能装置及负荷的低压电力系统，它可工作于并网和孤岛两种模式。当其运行于孤岛模式时，微电网的频率及电压幅值需通过自身的调控机制维持在使系统安全运行的水平，同时还要保证负荷的有功及无功功率需求合理的分配于微电网内部的分布式能源，实现分布式能源的公平利用。为实现上述目标，需对分布式能源设计相应的频率及电压幅值控制方法。

传统的孤岛微电网电压频率控制方法采取集中式控制架构，即在微电网中构建集中式控制中心，集控中心收集微电网内所有设备单元的信息，通过所设计的控制算法计算各设备单元的控制指令，并将控制指令下发至各设备单元执行。面对包含大量分布式电源的孤岛微电网，集中式频率电压控制方式存在诸多缺陷：动态性能较差、需要昂贵的控制与通信中心、较低的鲁棒性和可扩展性。为此，集中式控制架构并不适合孤岛微电网的频率电压控制问题，分布式频率电压控制方法应运而生。在分布式控制架构下，孤岛微电网中的每个分布式电源通过与其相邻的其他分布式电源之间的局部通讯获取相关信息，通过所涉及的分布式控制协议在本地进行自身的频率及电压幅值控制指令并予以实施。分布式控制架构弥补了上述传统的集中式控制架构所存在的各种缺陷，避免了对集控中心的需求，同时具有较好的鲁棒性、可扩展性及控制性能，针对具有大量分布式能源的孤岛微电网具有较好的控制效果。

然而，目前所存在的孤岛微电网分布式频率电压控制策略需要各分布式能源连续不断地经由通信网络与邻居实时交互信息。在未来电力系统发展中，分布式能源的数量将日趋增多，大量分布式单元的实时连续信息交互对通信网络有限的带宽资源带来了严峻的挑战，目前孤岛微电网频率电压协调控制方法中网络通信压力过大的问题，会带来诸如信息延迟、丢包等现象，并可进一步导致控制任务的失败，给微电网的稳定安全运行带来威胁。而目前尚缺乏针对此类问题的有效解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，本方法可使得微电网频率及电压幅值在经过扰动后重新恢复至预设值，同时确保微电网有功及无功功率需求合理分配于所有分布式能源。在保证上述任务有效完成的基础上，实现各分布式能源间信息的按“需”传输，降低通信网络压力，保障孤岛微电网安全稳定运行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，包括如下步骤：

步骤1、系统参数设置：根据孤岛微电网情况，给定分布式能源个数n，第i个分布式能源的额定有功功率和额定无功功率第i个分布式能源的有功及无功下垂系数分别为D_p,i与D_q,i；其中，i＝1,2,...,n；

步骤2、令第i个分布式能源在t时刻的有功功率输出为P_i(t)，无功功率输出为Q_i(t)；

步骤3、令第i个分布式能源在t时刻的有功功率输出调节量为p_i(t)，无功功率输出调节量为q_i(t)；

步骤4、描述孤岛微电网通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i个分布式能源与第j个分布式能源之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；约定a_ii＝0；其中，j＝1,2,...,n；

步骤5、在初始时刻t₀，令微电网中所有分布式能源均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出调节量，并设置触发时刻其中，表示第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的初始触发时刻，表示第i个分布式能源关于其无功功率输出调节量的初始触发时刻；

步骤6、对于第i个分布式能源，若关于其有功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第g次触发时刻，标记其为在时刻t，若满足如下公式(1)中的事件触发条件，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的第g+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的有功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

其中，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出调节的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个分布式能源进行信息通信的其他分布式能源数量，D_p,j为第j个分布式能源的有功下垂系数，为第j个分布式能源在时刻的有功功率输出调节量；

对于第i个分布式能源，若关于其无功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第h次触发时刻，标记其为在时刻t，若满足如下公式(2)中的事件触发条件，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其无功功率输出调节量的第h+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的无功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

其中，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出调节的触发时刻,表示第j个分布式能源在时刻的无功功率输出调节量；

步骤7、当时，第i个分布式能源有功功率调节量动态规律为：

当时，第i个分布式能源无功功率调节量动态规律为：

作为本发明所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法进一步优化方案，n＝6。

作为本发明所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法进一步优化方案，n＝7。

作为本发明所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法进一步优化方案，n＝8。

作为本发明所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法进一步优化方案，n＝9。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明针对具有下垂特性的分布式能源所构成的具有连通通信网络拓扑的孤岛微电网，提供了一种基于事件触发机制的分布式频率及电压幅值调控方法；使得微电网频率及电压幅值在经过扰动后能够重新恢复至预设值，同时确保微电网有功及无功功率需求合理分配于孤岛微电网中的所有分布式能源；在保证上述任务有效完成的基础上，各分布式能源将其自身信息按照所设置的事件触发条件以离散非等周期的形式按“需”发送至微电网中与其相邻的其它分布式能源；本发明能够有效降低通信网络压力，保障孤岛微电网的安全与稳定运行，同时降低通信网络压力，避免因通信故障而导致的控制失效；

(2)本发明中所设计的事件触发机制及基于此机制的频率电压协调控制策略的执行均仅需利用本分布式能源及微电网中能够与本能源进行信息交互的其他分布式的信息，整体设计架构采用分布式控制模式，具有较好的鲁棒性、可扩展性及控制性能，针对具有大量分布式能源的孤岛具有较好的控制效果；

(3)本发明可为通信网络带宽有限情况下孤岛微电网分布式能源的频率及电压幅值分布式协调控制问题提供解决之道。

附图说明

图1是孤岛微电网系统示意图；

图2是各分布式能源的有功功率输出变化图；

图3是各分布式能源的无功功率输出变化图；

图4是各分布式能源的频率变化图；

图5是各分布式能源的电压幅值变化图；

图6是分布式能源1的有功功率输出调节量触发时间间隔示意图；

图7是分布式能源1的无功功率输出调节量触发时间间隔示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本实例考虑一个具有6个分布式能源和1个负荷所构成的孤岛微电网，其系统示意图如图1所示，其中，inverter表示分布式能源逆变器，load表示负荷，实线表示电力网络连接，虚线表示通信网络连接。本发明所设计方法具体实现步骤如下：

1.系统参数设置：给定分布式能源个数n＝6，第i(i＝1,2,...,6)个分布式能源的有功及无功下垂系数分别为D_p,i＝4×10⁴W/rad·s^-1与D_q,i＝160Var/V·s^-1，其额定有功功率额定无功功率

2.令第i(i＝1,2,...,n)个分布式能源在t时刻的有功功率输出为P_i(t)，无功功率输出为Q_i(t)；

3.令第i(i＝1,2,...,n)个分布式能源在t时刻的有功功率输出调节量为p_i(t)，无功功率输出调节量为q_i(t)；

4.描述孤岛微电网通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i(i＝1,2,...,6)个分布式能源与第j(j＝1,2,...,6)个分布式能源之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；同时，约定a_ii＝0；如表1所示：

表1

5.在初始时刻t₀，令微电网中所有分布式能源均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出调节量，并设置触发时刻

6.对于第i(i＝1,2,...,6)个分布式能源，若关于其有功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第g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，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出调节的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个分布式能源进行信息通信的其他分布式能源数量，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的第g+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的有功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

7.当时，设计第i个分布式能源有功功率调节量动态规律为：

8.对于第i(i＝1,2,...,6)个分布式能源，若关于其无功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第h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，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出调节的触发时刻，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的第h+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的无功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

9.当时，设计第i个分布式能源无功功率调节量动态规律为：

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分别表示了各分布式能源的有功及无功功率输出变化，其中，横轴time表示时间，纵轴active power和reactive power分别表示有功功率和无功功率，可以看出所有分布式能源的有功及无功功率输出区域一致，这体现了负荷的有功与无功功率需求合理的分配在了每个能源上；附图4和附图5反映了微电网频率及电压幅值的变化情况，其中，横轴time表示时间，纵轴frequency deviation和voltage magnitude分别表示频率波动和电压幅值，可知在所涉及的分布式调控策略下频率及电压均趋于稳定，能够满足孤岛微电网安全运行需求；附图6和附图7中，横轴time表示时间，纵轴period表示周期，其分别展现了分布式能源1的有功及无功功率输出调节量触发时间间隔变化情况，其中‘。’号的横坐标表示相应调节量的触发时间，纵坐标表示本次触发据上次触发的时间间隔，可以看出各分布式能源间的信息实现了非等周期形式的按“需”发送，由此能够大幅降低通信网络压力，避免通信网络拥塞，保障孤岛微电网安全稳定运行。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、系统参数设置：根据孤岛微电网情况，给定分布式能源个数n，第i个分布式能源的额定有功功率和额定无功功率第i个分布式能源的有功及无功下垂系数分别为D_p,i与D_q,i；其中，i＝1,2,...,n；

步骤2、令第i个分布式能源在t时刻的有功功率输出为P_i(t)，无功功率输出为Q_i(t)；

步骤3、令第i个分布式能源在t时刻的有功功率输出调节量为p_i(t)，无功功率输出调节量为q_i(t)；

步骤4、描述孤岛微电网通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i个分布式能源与第j个分布式能源之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0；约定a_ii＝0；其中，j＝1,2,...,n；

步骤5、在初始时刻t₀，令微电网中所有分布式能源均经由通信网络发送自身的有功及无功功率输出调节量，并设置触发时刻其中，表示第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的初始触发时刻，表示第i个分布式能源关于其无功功率输出调节量的初始触发时刻；

步骤6、对于第i个分布式能源，若关于其有功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第g次触发时刻，标记其为在时刻t，若满足如下公式(1)中的事件触发条件，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其有功功率输出调节量的第g+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的有功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

${\left(p_i\right(t)-p_i(t_g^i\left)\right)}^2>\frac{D_{p,i}^2}{4\left|N_i\right|}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{ij}{(\frac{p_j\left(t_{g^{\′}\left(t\right)}^j\right)}{D_{p,j}}-\frac{p_i\left(t_g^i\right)}{D_{p,i}})}^2+\frac{D_{p,i}}{2\left|N_i\right|}{(P_i^{*}-P_i(t)-p_i(t\left)\right)}^2---\left(1\right)$

其中，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于有功功率输出调节的触发时刻，|N_i|表示能够与第i个分布式能源进行信息通信的其他分布式能源数量，D_p,j为第j个分布式能源的有功下垂系数，为第j个分布式能源在时刻的有功功率输出调节量；

对于第i个分布式能源，若关于其无功功率输出调节量的最近一次事件触发时刻为第h次触发时刻，标记其为在时刻t，若满足如下公式(2)中的事件触发条件，则标记时刻t为第i个分布式能源关于其无功功率输出调节量的第h+1次触发时刻，记为并且第i个分布式能源将其自身的无功功率输出调节量的触发信息存储并发送至孤岛微电网中能够与其通信的其他分布式能源；

${\left(q_i\right(t)-q_i({\mathrm{\τ}}_h^i\left)\right)}^2>\frac{D_{q,i}^2}{4\left|N_i\right|}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{ij}{(\frac{q_j\left({\mathrm{\τ}}_{h^{\′}\left(t\right)}^j\right)}{D_{q,j}}-\frac{q_i\left({\mathrm{\τ}}_h^i\right)}{D_{q,i}})}^2+\frac{D_{q,i}}{2\left|N_i\right|}{(Q_i^{*}-Q_i(t)-q_i(t\left)\right)}^2---\left(2\right)$

其中，表示第j个分布式能源距在时刻t之前的最近一次关于无功功率输出调节的触发时刻,表示第j个分布式能源在时刻的无功功率输出调节量；

步骤7、当时，第i个分布式能源有功功率调节量动态规律为：

$D_{p,i}\frac{d}{dt}{p}_i\left(t\right)=P_i^{*}-P_i\left(t\right)-p_i\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{ij}(\frac{p_j\left(t_{g^{\′}\left(t\right)}^j\right)}{D_{p,j}}-\frac{p_i\left(t_g^i\right)}{D_{p,i}});$

当时，第i个分布式能源无功功率调节量动态规律为：

$D_{q,i}\frac{d}{dt}{q}_i\left(t\right)=Q_i^{*}-Q_i\left(t\right)-q_i\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{ij}(\frac{q_j\left({\mathrm{\τ}}_{h^{\′}\left(t\right)}^j\right)}{D_{q,j}}-\frac{q_i\left({\mathrm{\τ}}_h^i\right)}{D_{q,i}}).$

2.根据权利要求1所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，其特征在于，n＝6。

3.根据权利要求1所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，其特征在于，n＝7。

4.根据权利要求1所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，其特征在于，n＝8。

5.根据权利要求1所述的一种基于事件触发机制的孤岛微电网频率电压协调控制方法，其特征在于，n＝9。