CN107069812B - 并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，采用分布式控制方法协调多个储能单元的充放电行为，抑制微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率波动。首先，将各储能单元抽象成二阶多智能体系统模型；然后，利用分布式协调控制方法设计出各储能单元的控制算法。本发明所公开的并网型微电网多储能单元分布式协调控制方法，可以使得各个储能单元具有相同的充电状态和功率输出比率，从而达到公平利用各储能单元和防止储能单元不均衡老化的目的。另外，这种分布式协同控制方法还可以为微电网控制中心节约通信和计算资源，并且具有较好的鲁棒性、自适应性和可扩展性。

Description

并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，属于电力系统控制与调度技术领域。

背景技术

微电网系统控制问题已成为电力工业界关注的热点。微电网中分布式电源(如光伏、风电等)、负荷的波动性给电力系统安全经济运行带来诸多隐患。例如，由于分布式电源和负荷的不稳定，在微电网与配电网之间的公共耦合点处的功率会产生较大的波动，从而给大电网带来额外的功率平衡负担。

近年来，随着储能技术的快速发展，储能设备在微电网中已经得到广泛应用。对于储能单元而言，如何通过有效的控制手段使得储能设备经济高效地运行至关重要。在控制模式方面，由于微电网中分布式资源容量小、数量多、地域分散，若采用传统的集中控制模式，则难以在有限的通信和计算资源条件下实现预期的控制目标和控制性能。因此，微电网控制还需采用新的控制模式。

对于并网型微电网而言，储能设备的控制须结合微电网实际需求制定合理的控制目标，采用适用于微电网分布式资源特点的控制结构和控制算法，实现储能设备经济高效利用，从而保证微电网安全稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，该方法可以使得各个储能单元具有相同的充电状态和功率输出比率，从而达到公平利用各储能单元和防止储能单元不均衡老化的目的。另外，这种方法还可以为微电网控制中心节约通信和计算资源，并且具有较好的鲁棒性、自适应性和可扩展性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，包括以下步骤：

步骤1，为了公平合理地利用多个储能单元以及避免多个储能单元不均匀老化问题，制定多个储能单元具有相同的充电状态和功率输出率的控制目标；

步骤2，为了平抑微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率波动，减少微电网给电力系统带来的额外调节负担，制定微电网总有功功率跟踪上级调度部门给定参考功率的控制目标；

步骤3，为实现步骤1中的控制目标，将多储能单元的充电状态和功率输出率描述成一个二阶的多智能体数学模型；

步骤4，为实现步骤2中的控制目标，在微电网控制中心设计一个二阶动态数学模型作为虚拟领导者模型，用于产生各储能单元充电状态和功率输出率的参考值；

步骤5，根据步骤3中的多智能体数学模型，采用基于变结构控制的分布式控制方法，给每个储能单元设计分布式协同控制算法，以实现步骤1和2中所制定的两个控制目标。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中将多个储能单元具有相同的充电状态和功率输出率的控制目标表示为：

s₁＝s₂＝…＝s_n＝s₀

p₁＝p₂＝…＝p_n＝p₀

其中，s_i、p_i分别表示第i个储能单元的充电状态和功率输出率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量，s₀、p₀分别表示s_i和p_i的参考值。

作为本发明的进一步技术方案，步骤2中将微电网总有功功率跟踪上级调度部门给定参考功率的控制目标表示为：

其中，P_pcc和分别表示微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率和上级调度部门下发的功率参考值。

作为本发明的进一步技术方案，步骤3中多智能体数学模型表示为：

其中，和分别表示s_i和p_i的导数，K_soc表示负的常系数，μ_i表示第i个储能单元的虚拟的控制输入，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量。

作为本发明的进一步技术方案，步骤4中虚拟领导者模型表示为：

其中，和分别表示s₀和p₀的导数，K_p是正比例系数。

作为本发明的进一步技术方案，步骤5中每个储能单元的分布式协同控制算法为：

其中，u_i是第i个储能单元的积分器输入信号，是第i个储能单元的最大功率，s_j、p_j分别表示第j个储能单元的充电状态和功率输出率，a_ij表示第i个储能单元与第j个储能单元之间的通信拓扑邻接关系，α、β、γ均为正常数，sgn(·)表示符号函数。

作为本发明的进一步技术方案，若第i个储能单元与第j个储能单元之间有通信连接，则a_ij＝1，否则a_ij＝0。

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)可实现微电网的总功率跟踪调度部门下发的功率指令；

1)可实现多个储能单元的公平利用，防止储能单元不均衡老化；

2)可为微电网控制中心节约通信资源和计算资源；

3)技术方法具有较好的鲁棒性、自适应性和可扩展性。

附图说明

图1是本发明实施例中并网型微电网系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

微电网示例包括风电、光伏、储能单元、负载。本发明实施例的并网型微电网系统如图1所示，针对该微电网系统示例，运用本发明方法实施分布式协同控制的具体步骤如下：

步骤1)，为了公平合理地利用多个储能单元以及避免多个储能单元不均匀老化问题，制定多个储能单元具有相同的充电状态和功率输出率的控制目标。

将步骤1的控制目标表示为：

s₁＝s₂＝…＝s_n＝s₀

p₁＝p₂＝…＝p_n＝p₀

其中，s_i、p_i分别表示第i个储能单元的充电状态和功率输出率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量，s₀、p₀是s_i和p_i的参考值。

步骤2)，为了平抑微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率波动，减少微电网给电力系统带来的额外调节负担，制定微电网总有功功率跟踪上级调度部门给定参考功率的控制目标。

将步骤2的控制目标表示为：

其中，P_pcc和分别表示微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率和上级调度部门下发的功率参考值。

步骤3)，为实现步骤1中的控制目标，将多储能单元系统描述成一个二阶的多智能体数学模型。

首先，根据储能单元充电状态与充电功率的关系，建立储能单元的充电状态数学模型：

这里，SoC_i(t₀)表示第i个储能单元在t₀时刻的充电状态初始值；η_i＝1/(C_iV_dci)，C_i表示第i个储能单元的额定容量，V_dci表示第i个储能单元的直流电压；P_esui表示第i个储能单元储能单元的功率；

在储能单元变流器的解耦控制作用下，储能单元的实际功率等于其参考功率，即：

其中，表示第i个储能单元的参考功率。

为便于调节储能变换器的功率，在储能单元的参考功率前串联接入一个积分器，那么参考功率的动态数学模型为：

其中，u_i是第i个储能单元的积分器输入信号，是的导数。

在上式的左右两边同时除以储能单元的最大功率，得：

其中，是第i个储能单元的最大功率。

定义虚拟控制输入和功率输出率上式可简化为：

定义充电状态s_i＝SoC_i，并对储能单元的充电状态数学方程左右两边同时对时间t求导，得：

其中，为负常数。

对于具有相同参数的多个储能单元系统，则有：

K_soc1＝K_soc2＝…＝K_socn＝K_soc

综合上述建模过程，多个储能单元系统已经被表示成了二阶多智能体数学模型，其充电状态和功率输出率描述为：

步骤4)，为了实现步骤2中的控制目标，在微电网控制中心设计一个虚拟领导者模型，用于产生各储能单元充电状态和功率输出率的参考值。

这个虚拟领导者的数学模型为：

其中，K_p是正比例系数。

步骤5)，根据步骤3中建立的多智能体数学模型，采用基于变结构控制的分布式控制方法，给每个储能单元设计分布式协同控制算法，以实现步骤1和步骤2所制定的两个控制目标。

所设计的分布式协同控制算法表达式如下：

其中，u_i是第i个储能单元的积分器输入信号，是第i个储能单元的最大功率，s_j、p_j分别表示第j个储能单元的充电状态和功率输出率，a_ij是表示储能单元i与j之间通信拓扑邻接关系的常数(如有通信连接a_ij＝1，否则a_ij＝0)，α、β、γ都是正常数，sgn(·)表示符号函数。

为了保证分布式协同控制算法的收敛性，多储能系统的通信网络以及分布式算法中的参数要求满足以下条件：

a.储能单元之间通信拓扑图是连通的；

b.至少有1个储能单元与虚拟领导者通信，即参数a_0i是非零的；

c.参数β大于等于p₀的最大变化率，即

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制定多个储能单元具有相同的充电状态和功率输出率的控制目标，具体为：

s₁＝s₂＝…＝s_n＝s₀

p₁＝p₂＝…＝p_n＝p₀

其中，s_i、p_i分别表示第i个储能单元的充电状态和功率输出率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量，s₀、p₀分别表示s_i和p_i的参考值；

步骤2，制定微电网总有功功率跟踪上级调度部门给定参考功率的控制目标，具体为：

其中，P_pcc和分别表示微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率和上级调度部门下发的功率参考值；

步骤3，将多储能单元的充电状态和功率输出率描述成一个二阶的多智能体数学模型，多智能体数学模型表示为：

其中，和分别表示s_i和p_i的导数，K_soc表示负的常系数，μ_i表示第i个储能单元的虚拟控制输入；

步骤4，在微电网控制中心设计一个二阶动态数学模型作为虚拟领导者模型，用于产生各储能单元充电状态和功率输出率的参考值，虚拟领导者模型表示为：

其中，和分别表示s₀和p₀的导数，K_p是正比例系数；

步骤5，根据步骤3中的多智能体数学模型，采用基于变结构控制的分布式控制方法，给每个储能单元设计分布式协同控制算法，以实现步骤1和2中所制定的两个控制目标；其中，每个储能单元的分布式协同控制算法为：

其中，u_i是第i个储能单元的积分器输入信号，是第i个储能单元的最大功率，s_j、p_j分别表示第j个储能单元的充电状态和功率输出率，a_ij表示第i个储能单元与第j个储能单元之间的通信拓扑邻接关系，α、β、γ均为正常数，sgn(·)表示符号函数。

2.根据权利要求1所述的并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，其特征在于，若第i个储能单元与第j个储能单元之间有通信连接，则a_ij＝1，否则a_ij＝0。