CN106532715A - 一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法 - Google Patents

一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，包括步骤：步骤10)建立微电网中各分布式电源、连接网络和阻抗型负载的大信号模型；步骤20)对各分布式电源建立类龙伯格非线性状态观测器：步骤30)根据各分布式电源本地测量值实时估计其他分布式电源的动态特性；步骤40)基于无功功率均分和电压恢复的控制要求，实现微电网分散式电压控制。该控制方法基于分散式状态观测器实现微电网电压控制，不依赖于通讯传输和远程测量，避免了通讯延迟、数据丢包对控制性能的不利影响，有效提高控制稳定性及动态性能。

Description

一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法
技术领域
本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法。
背景技术
随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(distributed energyresources，DER，包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。
微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。
下垂控制由于可以实现无通讯的功率均分受到关注，但各分布式电源输出电压会出现稳态偏差，同时，由于各分布式电源输出阻抗不同无功功率均分很难达到满意效果。因此，需要采用微电网二次电压控制，提高无功均分及电压性能。目前设计的协同电压控制主要有集中控制方法和分布式控制方法，都依赖于通讯技术，但是通讯过程通常受到信息延时、数据丢包的影响，甚至影响系统稳定性。基于以上原因，有必要研究一套分散式控制系统，不依赖于远程测量和实时通讯，进行无功功率均分和分布式电源输出电压的恢复控制，提高，提升微网稳定性、动态性能，提高电能质量。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，由各分布式电源的状态观测器实时估计出其他分布式电源的输出电压、无功功率值，调节二次电压控制量，实现微电网无功功率均分和平均电压恢复，从而提高微电网的稳定性和控制性能。
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非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，包括下述步骤：
步骤10)建立微电网中各分布式电源、连接网络和阻抗型负载的大信号模型：
各分布式电源通过本地控制器中的下垂控制环设置逆变器输出电压及频率参考指令，如式(1)所示：
式(1)中，ωi表示第i个分布式电源本地角频率；ωn表示分布式电源本地角频率参考值，单位：弧度/秒；mPi表示第i个分布式电源的频率下垂特性系数，单位：弧度/秒·瓦；Pi表示第i个分布式电源实际输出有功功率,单位：瓦；kVi表示第i个分布式电源的下垂控制增益；表示第i个分布式电源输出电压变化率，单位：伏/秒；Vn表示分布式电源输出电压参考值，单位：伏；Vo,magi表示第i个分布式电源输出电压，单位：伏；nQi表示第i个分布式电源的电压下垂特性系数，单位：伏/乏；Qi表示第i个分布式电源实际输出无功功率，单位：乏；
第i个分布式电源的实际输出有功功率Pi、无功功率Qi通过低通滤波器获得，如式(2)所示：
式(2)中，表示第i个分布式电源有功功率变化率，单位：瓦/秒；ωci表示第i个分布式电源低通滤波器剪切频率，单位：弧度/秒；Vodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的d轴分量，单位：伏；Voqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：伏；iodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量，单位：安；ioqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：安；表示第i个分布式电源无功功率变化率，单位：乏/秒；
各分布式电源一次控制通过锁相环控制使输出电压q轴分量为0；基于分布式电源电压的二次控制，得到式(3)：
式(3)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系下，第i个分布式电源输出电压的d轴分量的变化率，单位：伏/秒；Vni表示第i个分布式电源输出电压参考值，ui表示二次电压控制量，单位：伏；
分布式电源输出电流的动态方程如式(4)所示：
式(4)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量的变化率，单位：安/秒；Rci表示第i个分布式电源至母线i的连接电阻，单位：欧姆；Lci表示第i个分布式电源至母线i的连接电感，单位：亨利；Vbusdi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，，母线i电压的d轴分量；表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的q轴分量的变化率，单位：安/秒；Vbusqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，母线i电压的q轴分量，单位：伏；
根据式(1)～式(4)，得到第i个分布式电源动态方程，如式(5)所示：
式中，表示第i个分布式电源的状态变量的变化率， 表示δi的变化率；xinvi表示第i个分布式电源的状态变量，xinvi＝[δi,Pi,Qi,Vodi,iodi，ioqi]T；其中，δi表示第i个分布式电源的dq参考坐标系中dq轴与微电网公共参考坐标系DQ中DQ轴间的相角差，单位：弧度；finvi(xinvi)表示第i个分布式电源状态函数，kinvi(xinvi)表示母线i电压扰动函数；VbusDQi＝[VbusDi,VbusQi]T，VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴的分量，单位：伏；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴的分量，单位：伏；ωcom表示公共参考坐标系角频率，单位：弧度/秒；hinvi表示公共参考坐标系角频率的连接矩阵；ginvi表示第i个分布式电源输入矩阵；ioDQi＝[ioDi,ioQi]T,ioDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在D轴的分量，ioQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在Q轴的分量，单位：安；Cinvci表示第i个分布式电源输出矩阵；
介于母线i和母线j间第i条线路的电流动态方程如式(6)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；rlinei表示第i条线路的线路电阻，单位：欧姆；Llinei表示第i条线路的线路电感，单位：亨利；ilineDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在D轴分量，ilineQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在Q轴分量，单位：安；VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴分量，VbusDj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在D轴分量，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴分量，单位：伏；VbusQj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在Q轴分量，单位：伏；
连接于母线j的第j个负载的电流动态方程，如式(7)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第j个负载电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；Rloadj表示第j个负载的负载电阻，单位：欧姆；Lloadj表示第j个负载的负载电感，单位：亨利；iloadDj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在D轴分量，iloadQj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在Q轴分量，单位：安；表示在公共参考坐标系DQ中，下第j个负载电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒；
根据式(5)～式(7)，包含n个分布式电源，s条支路，p个负载的微电网大信号模型，如式(8)所示：
其中，x＝[xinv1、...、xinvn，ilineDQ1、...、ilineDQs，iloadDQ1、...、iloadDQ p]T，xinv1表示第1个分布式电源的状态变量，xinvn表示第n个分布式电源的状态变量，ilineDQ1＝[ilineD1,ilineQ1]T，ilineD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在D轴分量，ilineQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在Q轴分量，ilineDQs＝[ilineDs,ilineQs]T，ilineDs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在D轴分量，ilineQs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在Q轴分量，iloadDQ1＝[iloadD1,iloadQ1]T，iloadD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在D轴分量，iloadQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在Q轴分量，iloadDQp＝[iloadDp,iloadQp]T，iloadDp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在D轴分量，iloadQp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在Q轴分量；u＝[u1....un]T，u1表示第1个分布式电源二次控制量，un表示第n个分布式电源二次控制量；f(x)表示微电网状态函数；g表示输入矩阵，yi表示第i个分布式电源输出值；hi(x)表示第i个分布式电源输出函数；
步骤20)对各分布式电源建立类龙伯格非线性状态观测器：
根据步骤10)所建立的微电网大信号模型，对各分布式电源建立本地龙伯格非线性状态观测器，如式(9)所示：
式中，表示式(8)中微电网所有状态x的估计值，表示微电网中所有状态x的估计值的变化率；表示在估计值作用下微电网连接矩阵；L表示龙伯格状态观测器矩阵；表示第i个分布式电源对应于状态估计值的输出函数；
步骤30)根据各分布式电源本地测量值实时估计其他分布式电源的动态特性：基于步骤20)各分布式电源所建立的状态观测器，采集本地输出电压Vodi、输出电流iodi、ioqi运行数据，实时估计其他分布式电源输出电压和输出功率；
步骤40)基于无功功率均分和电压恢复的控制要求，实现微电网分散式电压控制：
无功功率均分是指各分布式电源输出无功功率按功率容量进行分配，实现过程如式(10)所示：
式中，δQi表示每个计算周期的无功功率控制信号；kPQ表示无功功率比例积分控制器中比例项系数；表示第i个分布式电源无功功率参考值；kiQ表示无功功率比例积分控制器中积分项系数；nQj表示第j个分布式电源的电压下垂特性系数；表示第j的分布式电源的无功功率估计值；
电压恢复指分布式电源输出电压平均值恢复至额定值，实现过程如式(11)所示：
式中，δVi表示每个计算周期的平均电压恢复控制信号；kPE表示平均电压比例积分控制器中比例项系数；V*表示电压额定值；表示第i个分布电源估计的所有分布式电源输出电压平均值；kiE表示平均电压比例积分控制器中积分项系数；表示第j个分布式电源的dq参考坐标系中，第j个分布式电源输出电流的d轴分量的估计值；
结合式(10)和式(11)，各分布式电源的二次电压控制量如式(12)所示：
ui＝δQi+δVi 式(12)
作为优选例，所述的公共参考坐标系DQ是指第1个分布式电源的dq参考坐标系，其余分布式电源、支路电流、负载电流的状态变量通过坐标变换转换到公共参考坐标系DQ中。
作为优选例，所述的步骤10)中，负载为阻抗型负载。
作为优选例，所述的步骤10)中，按照各分布式电源有功容量确定频率下垂特性系数mPi；按照各分布式电源无功容量确定电压下垂特性系数nQi。
作为优选例，所述的步骤40)中，实现无功功率均分和平均电压恢复的分散电压控制是基于各分布式电源对其他分布式电源实时状态的估计值，不需要依赖于通讯。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明实施例的控制方法采用分散式电压控制方法，不依赖于远程测量和通信线路，基于状态观测器估计实时状态实现无功功率均分和各分布式电源平均电压恢复，从而提高微电网的电压动态特性。本发明实施例的微电网分散式电压控制方法，根据所建立的微电网大系统模型对每个分布式电源设计类龙伯格状态观测器，通过采集本地输出电压、电流运行数据估计出其他分布式电源的输出电压、无功功率，避免了常规控制方法中依赖于远程方法和通讯技术。此外，由于状态观测器基于微网大信号模型，并不是在某些运行点处进行小信号线性化获取，所以本发明实施例的微电网电压控制适应大范围操作过程，并不需要提前知道稳态运行点，实现简便。相比现有的方法，本发明实施例不受通讯延时和数据丢包的影响，提高微电网的稳定性和控制性能，有利于提升功率均分和电压质量。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例中微电网分布式电源控制框图；
图3是本发明实施例中分散式控制结构图；
图4是本发明实施例中采用的微电网仿真系统图；
图5(a)是采用无延迟的传统集中式控制方法的微电网输出有功功率的控制效果图；
图5(b)是采用无延迟的传统集中式控制方法的微电网输出无功功率的控制效果图；
图5(c)是采用无延迟的传统集中式控制方法的微电网输出电压幅值的控制效果图；
图6(a)是采用本发明实施例的控制方法中微电网输出有功功率的控制效果图；
图6(b)是采用本发明实施例的控制方法中微电网输出无功功率的控制效果图；
图6(c)是采用本发明实施例的控制方法中微电网输出电压幅值的控制效果图；
图7(a)是采用有延迟的传统集中式控制方法的微电网输出无功功率的控制效果图；
图7(b)是采用有延迟的传统集中式控制方法的微电网输出电压幅值的控制效果图。
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非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，包括下述步骤：
步骤10)建立微电网中各分布式电源、连接网络和负载的大信号模型。作为优选，所述负载为阻抗型负载。步骤10)具体包括：
各分布式电源通过本地控制器中的下垂控制环设置逆变器输出电压及频率参考指令，如式(1)所示：
式(1)中，ωi表示第i个分布式电源本地角频率；ωn表示分布式电源本地角频率参考值，单位：弧度/秒；mPi表示第i个分布式电源的频率下垂特性系数，单位：弧度/秒·瓦；Pi表示第i个分布式电源实际输出有功功率,单位：瓦；kVi表示第i个分布式电源的下垂控制增益；表示第i个分布式电源输出电压变化率，单位：伏/秒；Vn表示分布式电源输出电压参考值，单位：伏；Vo,magi表示第i个分布式电源输出电压，单位：伏；nQi表示第i个分布式电源的电压下垂特性系数，单位：伏/乏；Qi表示第i个分布式电源实际输出无功功率，单位：乏。
第i个分布式电源的实际输出有功功率Pi、无功功率Qi通过低通滤波器获得，如式(2)所示：
式(2)中，表示第i个分布式电源有功功率变化率，单位：瓦/秒；ωci表示第i个分布式电源低通滤波器剪切频率，单位：弧度/秒；Vodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的d轴分量，单位：伏；Voqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：伏；iodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量，单位：安；ioqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：安；表示第i个分布式电源无功功率变化率，单位：乏/秒。
各分布式电源一次控制通过锁相环控制使输出电压q轴分量为0；基于分布式电源电压的二次控制，得到式(3)：
式(3)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系下，第i个分布式电源输出电压的d轴分量的变化率，单位：伏/秒；Vni表示第i个分布式电源输出电压参考值，ui表示二次电压控制量，单位：伏。
分布式电源输出电流的动态方程如式(4)所示：
式(4)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量的变化率，单位：安/秒；Rci表示第i个分布式电源至母线i的连接电阻，单位：欧姆；Lci表示第i个分布式电源至母线i的连接电感，单位：亨利；Vbusdi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，，母线i电压的d轴分量；表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的q轴分量的变化率，单位：安/秒；Vbusqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，母线i电压的q轴分量，单位：伏。
根据式(1)～式(4)，得到第i个分布式电源动态方程，如式(5)所示：
式中，表示第i个分布式电源的状态变量的变化率， 表示δi的变化率；xinvi表示第i个分布式电源的状态变量，xinvi＝[δi,Pi,Qi,Vodi,iodi，ioqi]T；其中，δi表示第i个分布式电源的dq参考坐标系中dq轴与微电网公共参考坐标系DQ中DQ轴间的相角差，单位：弧度；finvi(xinvi)表示第i个分布式电源状态函数，kinvi(xinvi)表示母线i电压扰动函数；VbusDQi＝[VbusDi,VbusQi]T，VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴的分量，单位：伏；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴的分量，单位：伏；ωcom表示公共参考坐标系角频率，单位：弧度/秒；hinvi表示公共参考坐标系角频率的连接矩阵；ginvi表示第i个分布式电源输入矩阵；ioDQi＝[ioDi,ioQi]T,ioDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在D轴的分量，ioQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在Q轴的分量，单位：安；Cinvci表示第i个分布式电源输出矩阵。
介于母线i和母线j间第i条线路的电流动态方程如式(6)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；rlinei表示第i条线路的线路电阻，单位：欧姆；Llinei表示第i条线路的线路电感，单位：亨利；ilineDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在D轴分量，ilineQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在Q轴分量，单位：安；VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴分量，VbusDj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在D轴分量，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴分量，单位：伏；VbusQj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在Q轴分量，单位：伏。
连接于母线j的第j个负载的电流动态方程，如式(7)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第j个负载电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；Rloadj表示第j个负载的负载电阻，单位：欧姆；Lloadj表示第j个负载的负载电感，单位：亨利；iloadDj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在D轴分量，iloadQj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在Q轴分量，单位：安；表示在公共参考坐标系DQ中，下第j个负载电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒。
根据式(5)～式(7)，包含n个分布式电源，s条支路，p个负载的微电网大信号模型，如式(8)所示：
其中，x＝[xinv1、...、xinvn，ilineDQ1、...、ilineDQs，iloadDQ1、...、iloadDQ p]T，xinv1表示第1个分布式电源的状态变量，xinvn表示第n个分布式电源的状态变量，ilineDQ1＝[ilineD1,ilineQ1]T，ilineD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在D轴分量，ilineQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在Q轴分量，ilineDQs＝[ilineDs,ilineQs]T，ilineDs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在D轴分量，ilineQs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在Q轴分量，iloadDQ1＝[iloadD1,iloadQ1]T，iloadD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在D轴分量，iloadQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在Q轴分量，iloadDQp＝[iloadDp,iloadQp]T，iloadDp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在D轴分量，iloadQp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在Q轴分量；u＝[u1....un]T，u1表示第1个分布式电源二次控制量，un表示第n个分布式电源二次控制量；f(x)表示微电网状态函数；g表示输入矩阵，yi表示第i个分布式电源输出值；hi(x)表示第i个分布式电源输出函数。
步骤20)对各分布式电源建立类龙伯格非线性状态观测器。所述步骤20)具体包括：
根据步骤10)所建立的微电网大信号模型，对各分布式电源建立本地龙伯格非线性状态观测器，如式(9)所示：
式中，表示式(8)中微电网所有状态x的估计值，表示微电网中所有状态x的估计值的变化率；表示在估计值作用下微电网连接矩阵；L表示龙伯格状态观测器矩阵；表示第i个分布式电源对应于状态估计值的输出函数。
步骤30)根据各分布式电源本地测量值实时估计其他分布式电源的动态特性：基于步骤20)各分布式电源所建立的状态观测器，采集本地输出电压Vodi、输出电流iodi、ioqi运行数据，实时估计其他分布式电源输出电压和输出功率。
步骤40)基于无功功率均分和电压恢复的控制要求，实现微电网分散式电压控制。所述步骤40)具体包括：
无功功率均分是指各分布式电源输出无功功率按功率容量进行分配，实现过程如式(10)所示：
式中，δQi表示每个计算周期的无功功率控制信号；kPQ表示无功功率比例积分控制器中比例项系数；表示第i个分布式电源无功功率参考值；kiQ表示无功功率比例积分控制器中积分项系数；nQj表示第j个分布式电源的电压下垂特性系数；表示第j的分布式电源的无功功率估计值。
电压恢复指分布式电源输出电压平均值恢复至额定值，实现过程如式(11)所示：
式中，δVi表示每个计算周期的平均电压恢复控制信号；kPE表示平均电压比例积分控制器中比例项系数；V*表示电压额定值；表示第i个分布电源估计的所有分布式电源输出电压平均值；kiE表示平均电压比例积分控制器中积分项系数；表示第j个分布式电源的dq参考坐标系中，第j个分布式电源输出电流的d轴分量的估计值。
结合式(10)和式(11)，各分布式电源的二次电压控制量如式(12)所示：
ui＝δQi+δVi 式(12)。
在上述实施例中，所述的公共参考坐标系DQ是指第1个分布式电源的dq参考坐标系，其余分布式电源、支路电流、负载电流的状态变量通过坐标变换转换到公共参考坐标系DQ中。在步骤10)中，按照各分布式电源有功容量确定频率下垂特性系数mPi；按照各分布式电源无功容量确定电压下垂特性系数nQi。在步骤40)中，实现无功功率均分和平均电压恢复的分散电压控制是基于各分布式电源对其他分布式电源实时状态的估计值，不需要依赖于通讯。
本实施例通过基于微电网大信号模型的非线性状态观测器实时估计微电网中各分布式电源的状态量，从而实现微电网分散式二次控制。相比于常规的集中式或分布式二次控制方法，本实施例所提控制方法由于通讯无关性避免了通讯时延和信息丢包的问题。本实施例的基于非线性状态观测器的微电网电压控制方法，通过本地输出电压、输出电流等运行数据实时估计其他各分布式电源的输出电压、输出无功功率，实现不依赖于通讯技术的微电网无功均分和平均电压恢复，有效的改善了电能质量，提升了系统稳定性和动态性能。
本发明实施例中的微电网分布式电源控制框图如2所示，该控制框图主要包括三部分，第一部分是功率计算，第二部分是下垂控制，第三部分是电压电流双环控制。功率计算采集本地输出电压、输出电流，计算出输出有功功率、无功功率；将功率计算所得的功率通过低通滤波器，由下垂控制计算分布式电源的输出电压参考值、频率参考值；将输出电压参考值指令下发到电压电流双环控制器，频率参考值作用于逆变器相角转换。
本发明实施例中的微电网分散式控制结构框图如3所示，n个分布式电源通过连接网络形成微电网，各分布式电源采集本地运行数据，根据非线性状态观测器实时估计出其他分布式电源的输出电压、输出无功功率，在本地二次控制器中产生二次电压控制量，并下发至本地一次控制器作用于分布式电源。通过非线性状态观测器的实时估计作用，实现不依赖于高性能传感器和高通带宽的分散式二次控制，避免了通讯过程存在的通讯时延、数据丢包的问题，有效改善电能质量。
下面例举一个实施例。
仿真系统如图4所示，微电网由3个分布式电源，2条连接线路和2个负载组成，负载1连接于母线1，负载2连接于母线2。系统中负载采用阻抗型负载。假设分布式电源1，分布式电源2，分布式电源3容量比为1:1.5:2，设计相应比值的频率下垂系数、电压下垂系数使期望的各分布式电源输出有功功率、无功功率比值为1:1.5:2。基于MATLAB/Simulink平台搭建仿真微电网模型。对微电网电压控制效果进行仿真，比较本发明实施例的微电网控制方法与传统的微电网控制方法的差异。传统的微电网电压控制方法采用集中式控制方式。
图5为微电网采用传统无通讯延迟的集中式控制方法的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.5s时集中式二次控制方法投入，1.5s时母线3新增10kW/5kVar负载，2.5s时切除负载。仿真结果如图5所示，图5(a)为微电网中各分布式电源有功功率输出曲线图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示有功功率，单位：瓦。如图5(a)所示，最初在下垂控制作用下，各分布式电源输出有功功率按照下垂系数的比值分配，即P1:P2:P3＝1:1.5:2。1.5s后各分布式电源按比例增发功率以满足新增负载的功率供给，2.5s后各分布式电源按比例减少功率。由图5(a)可知：不管在下垂控制或二次控制下，各分布式电源都按容量进行有功功率供给。图5(b)为微电网中各分布式电源无功功率输出曲线图，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。由图5(b)可知，最初在下垂作用下无功功率均分效果并不理想，0.5s后不管负载增减，无功功率按下垂系数的比值进行分配，即Q1:Q2:Q3。由图5(b)可知，在二次控制作用下，微电网无功功率均分的效果得到显著改善。图5(c)为微电网中各分布式电源输出电压曲线图，单位：秒，纵坐标表示电压，单位：伏。由图5(c)可知，最初在下垂作用下各分布式电源输出电压存在稳态偏差，0.5s后不管负载增减，电压幅值都得到了提高，平均电压恢复为额定值。由图5(c)可知，在二次控制作用下，微电网输电电压的动态特性得到提高。
图6为微电网采用本发明实施例中的分散式控制方法的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.5s时集中式二次控制方法投入，1.5s时母线3新增10kW/5kVar负载，2.5s时切除负载。仿真结果如图6所示，图6(a)为微电网中各分布式电源有功功率输出曲线图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示有功功率，单位：瓦。如图6(a)所示，最初在下垂控制作用下，各分布式电源输出有功功率按照下垂系数的比值分配，即P1:P2:P3＝1:1.5:2。1.5s后各分布式电源按比例增发功率以满足新增负载的功率供给，2.5s后各分布式电源按比例减少功率。图6(b)为微电网中各分布式电源无功功率输出曲线图，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。由图6(b)可知，最初在下垂作用下无功功率均分效果并不理想，0.5s后不管负载增减，无功功率按下垂系数的比值进行分配。由图6(b)可知，在二次控制作用下，微电网无功功率均分的效果得到显著改善。图6(c)为微电网中各分布式电源输出电压曲线图，单位：秒，纵坐标表示电压，单位：伏。由图6(c)可知，最初在下垂作用下各分布式电源输出电压存在稳态偏差，0.5s后不管负载增减，电压幅值都得到了提高，平均电压恢复为额定值。由图图5(a)-(c)、图6(a)-(c)可知，在不存在通讯条件下，本发明实施例中的分散式控制方法较无延迟集中式控制方法，控制效果稍有下降，但仍然能满足无功功率均分和电压恢复的控制目标。
为了显示本发明实施例中分散式控制方法在避免通讯过程中的优势，图7为采用有200ms通讯延时的微电网仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.5s时集中式二次控制方法投入，1.5s时母线3新增10kW/5kVar负载，2.5s时切除负载。仿真结果如图7所示，图7(a)为微电网中各分布式电源无功功率输出曲线图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。图7(b)为微电网中各分布式电源电压输出曲线图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示电压幅值，单位：伏。如图7(a)和7(b)所示，在200ms通讯延迟下，无功功率、输出电压都出现了增幅振荡，最终系统失稳。由此，通讯延时对系统动态性能产生了重要影响，而本发明实施例中由于采用分散式控制方法，如图6(a)-6(c)所示，可以避免通讯过程的影响。
本发明实施例的控制方法是基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，由本地分布式电源的状态观测器实时估计出其他分布式电源的输出电压、无功功率，进行二次电压控制，实现无功功率均分和平均电压恢复。本实施例的方法由于采用分散式控制方法，不依赖于远程测量和通信线路，避免了传统微电网电压控制中通讯延迟和数据丢包问题，从而提高微电网的电压动态特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，其特征在于，该控制方法包括下述步骤：
步骤10)建立微电网中各分布式电源、连接网络和阻抗型负载的大信号模型：
各分布式电源通过本地控制器中的下垂控制环设置逆变器输出电压及频率参考指令，如式(1)所示：
式(1)中，ωi表示第i个分布式电源本地角频率；ωn表示分布式电源本地角频率参考值，单位：弧度/秒；mPi表示第i个分布式电源的频率下垂特性系数，单位：弧度/秒·瓦；Pi表示第i个分布式电源实际输出有功功率,单位：瓦；kVi表示第i个分布式电源的下垂控制增益；表示第i个分布式电源输出电压变化率，单位：伏/秒；Vn表示分布式电源输出电压参考值，单位：伏；Vo,magi表示第i个分布式电源输出电压，单位：伏；nQi表示第i个分布式电源的电压下垂特性系数，单位：伏/乏；Qi表示第i个分布式电源实际输出无功功率，单位：乏；
第i个分布式电源的实际输出有功功率Pi、无功功率Qi通过低通滤波器获得，如式(2)所示：
式(2)中，表示第i个分布式电源有功功率变化率，单位：瓦/秒；ωci表示第i个分布式电源低通滤波器剪切频率，单位：弧度/秒；Vodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的d轴分量，单位：伏；Voqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：伏；iodi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量，单位：安；ioqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电压的q轴分量，单位：安；表示第i个分布式电源无功功率变化率，单位：乏/秒；
各分布式电源一次控制通过锁相环控制使输出电压q轴分量为0；基于分布式电源电压的二次控制，得到式(3)：
式(3)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系下，第i个分布式电源输出电压的d轴分量的变化率，单位：伏/秒；Vni表示第i个分布式电源输出电压参考值，ui表示二次电压控制量，单位：伏；
分布式电源输出电流的动态方程如式(4)所示：
式(4)中，表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的d轴分量的变化率，单位：安/秒；Rci表示第i个分布式电源至母线i的连接电阻，单位：欧姆；Lci表示第i个分布式电源至母线i的连接电感，单位：亨利；Vbusdi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，，母线i电压的d轴分量； 表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，第i个分布式电源输出电流的q轴分量的变化率，单位：安/秒；Vbusqi表示在第i个分布式电源的dq参考坐标系中，母线i电压的q轴分量，单位：伏；
根据式(1)～式(4)，得到第i个分布式电源动态方程，如式(5)所示：
式中，表示第i个分布式电源的状态变量的变化率， 表示δi的变化率；xinvi表示第i个分布式电源的状态变量，xinvi＝[δi,Pi,Qi,Vodi,iodi，ioqi]T；其中，δi表示第i个分布式电源的dq参考坐标系中dq轴与微电网公共参考坐标系DQ中DQ轴间的相角差，单位：弧度；finvi(xinvi)表示第i个分布式电源状态函数，kinvi(xinvi)表示母线i电压扰动函数；VbusDQi＝[VbusDi,VbusQi]T，VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴的分量，单位：伏；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴的分量，单位：伏；ωcom表示公共参考坐标系角频率，单位：弧度/秒；hinvi表示公共参考坐标系角频率的连接矩阵；ginvi表示第i个分布式电源输入矩阵；ioDQi＝[ioDi,ioQi]T,ioDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在D轴的分量，ioQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i个分布式电源输出电流在Q轴的分量，单位：安；Cinvci表示第i个分 布式电源输出矩阵；
介于母线i和母线j间第i条线路的电流动态方程如式(6)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；rlinei表示第i条线路的线路电阻，单位：欧姆；Llinei表示第i条线路的线路电感，单位：亨利；ilineDi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在D轴分量，ilineQi表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路的电流在Q轴分量，单位：安；VbusDi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在D轴分量，VbusDj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在D轴分量，表示在公共参考坐标系DQ中，第i条线路电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒；VbusQi表示在公共参考坐标系DQ中，母线i在Q轴分量，单位：伏；VbusQj表示在公共参考坐标系DQ中，母线j在Q轴分量，单位：伏；
连接于母线j的第j个负载的电流动态方程，如式(7)所示：
式中，表示在公共参考坐标系DQ中，第j个负载电流D轴分量的变化率，单位：安/秒；Rloadj表示第j个负载的负载电阻，单位：欧姆；Lloadj表示第j个负载的负载电感，单位：亨利；iloadDj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在D轴分量，iloadQj为在公共参考坐标系DQ中，第j个负载的电流在Q轴分量，单位：安；表示在公共参考坐标系DQ中，下第j个负载电流Q轴分量的变化率，单位：安/秒；
根据式(5)～式(7)，包含n个分布式电源，s条支路，p个负载的微电网大信号模型，如式(8)所示：
其中，x＝[xinv1、...、xinvn，ilineDQ1、...、ilineDQs，iloadDQ1、...、iloadDQp]T，xinv1表示第1个分布式电源的状态变量，xinvn表示第n个分布式电源的状态变量，ilineDQ1＝[ilineD1,ilineQ1]T，ilineD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在D 轴分量，ilineQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1条线路的电流在Q轴分量，ilineDQs＝[ilineDs,ilineQs]T，ilineDs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在D轴分量，ilineQs表示在公共参考坐标系DQ中，第s条线路的电流在Q轴分量，iloadDQ1＝[iloadD1,iloadQ1]T，iloadD1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在D轴分量，iloadQ1表示在公共参考坐标系DQ中，第1个负载的电流在Q轴分量，iloadDQp＝[iloadDp,iloadQp]T，iloadDp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在D轴分量，iloadQp表示在公共参考坐标系DQ中，第p个负载的电流在Q轴分量；u＝[u1....un]T，u1表示第1个分布式电源二次控制量，un表示第n个分布式电源二次控制量；f(x)表示微电网状态函数；g表示输入矩阵，yi表示第i个分布式电源输出值；hi(x)表示第i个分布式电源输出函数；
步骤20)对各分布式电源建立类龙伯格非线性状态观测器：
根据步骤10)所建立的微电网大信号模型，对各分布式电源建立本地龙伯格非线性状态观测器，如式(9)所示：
式中，表示式(8)中微电网所有状态x的估计值，表示微电网中所有状态x的估计值的变化率；表示在估计值作用下微电网连接矩阵；L表示龙伯格状态观测器矩阵；表示第i个分布式电源对应于状态估计值的输出函数；
步骤30)根据各分布式电源本地测量值实时估计其他分布式电源的动态特性：基于步骤20)各分布式电源所建立的状态观测器，采集本地输出电压Vodi、输出电流iodi、ioqi运行数据，实时估计其他分布式电源输出电压和输出功率；
步骤40)基于无功功率均分和电压恢复的控制要求，实现微电网分散式电压控制：
无功功率均分是指各分布式电源输出无功功率按功率容量进行分配，实现过程如式(10)所示：
式中，δQi表示每个计算周期的无功功率控制信号；kPQ表示无功功率比例 积分控制器中比例项系数；表示第i个分布式电源无功功率参考值；kiQ表示无功功率比例积分控制器中积分项系数；nQj表示第j个分布式电源的电压下垂特性系数；表示第j的分布式电源的无功功率估计值；
电压恢复指分布式电源输出电压平均值恢复至额定值，实现过程如式(11)所示：
式中，δVi表示每个计算周期的平均电压恢复控制信号；kPE表示平均电压比例积分控制器中比例项系数；V*表示电压额定值；表示第i个分布电源估计的所有分布式电源输出电压平均值；kiE表示平均电压比例积分控制器中积分项系数； 表示第j个分布式电源的dq参考坐标系中，第j个分布式电源输出电流的d轴分量的估计值；
结合式(10)和式(11)，各分布式电源的二次电压控制量如式(12)所示：
ui＝δQi+δVi 式(12) 。
2.按照权利要求1所述的基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，其特征在于，所述的公共参考坐标系DQ是指第1个分布式电源的dq参考坐标系，其余分布式电源、支路电流、负载电流的状态变量通过坐标变换转换到公共参考坐标系DQ中。
3.按照权利要求1所述的基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，其特征在于，所述的步骤10)中，负载为阻抗型负载。
4.按照权利要求1所述的基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，其特征在于，所述的步骤10)中，按照各分布式电源有功容量确定频率下垂特性系数mPi；按照各分布式电源无功容量确定电压下垂特性系数nQi。
5.按照权利要求1所述的基于非线性状态观测器的微电网分散式电压控制方法，其特征在于，所述的步骤40)中，实现无功功率均分和平均电压恢复的分散电压控制是基于各分布式电源对其他分布式电源实时状态的估计值，不需要依赖于通讯。
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