CN107171336A - 基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，步骤如下：给微网系统中每个逆变器进行编号，微网包括N个逆变器。微网中，电力网络可用无向图G_e＝{V,ε_e}表示，通信网络可用无向图G_c＝{V,ε_c}表示，由微网中的电力网络和通信网络分别确定和对微网中的无功功率实行分配控制；建立系统状态的动力学方程以及根据微网系统实现无功功率有效分配的控制目的，对每个逆变器设计基于非线性反馈的控制输入u_i；根据u_i，对每个逆变器实时计算并更新其对应的控制输入u_i，并据此实现对电压V_i的调节。本发明的优点如下：控制过程响应快速，并网时对电压影响很小，能够确保微网系统无功功率有效分配，从而提高微网系统运行的稳定性和品质。

Description

基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法

技术领域

本发明涉及微网系统功率调节及平衡控制领域，涉及一种基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法。

背景技术

微电网是由分布式电源、储能装置、能量装换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型分配电系统，其中分布式电源包括微型燃气轮机，光伏发池，燃料电池、小型风力发电机组等。在微电网中，不同类型的发电机可能有不同的发电能力。通过适当的功率控制策略，制定相应的调整发电机的功率输入，以满足容量约束。建立一个理想的分布的功率输出，以满足微电网的功率分配需求。由于以上的存在的这些需求，有功功率和无功功率的有效分配是微网控制的一个重要的性能标准。

最近，许多学者使用多智能体一致性的方法对功率有效分配问题进行了研究。逆变器被认为是智能体，它可以通过通信网络与相邻逆变器交换信息。由于一致性控制协议可以使多智能体收敛到目标协议点，因此一个全局性的目标可以通过只使用局部控制和智能体到智能体之间的通信实现。有些学者提出闭环电压控制微网稳定性的矩阵分析，它已被证明所提出的基于一致性的下垂控制可以实现无功功率按比例渐近的达到一致。

微网系统的无功功率调节主要存在两个难点：

1)如何建立微网无功功率控制系统模型；

2)如何选取合适的函数Lyapunov证明系统的稳定性。

与本发明相关的现有技术一——一种基于分布式有限时间的微电网功率方法(专利公布号：CN 105470999 A)，该发明中提出了一种基于分布式有限时间控制器的微电网功率分配方法。对微电网有功功率的参考值与实际值经过非线性积分控制器处理得到所有电源的有功功率利用率的参考值；建立连接的微电网内部所有电源的通信网络。该方法消除传统的微电网中心对于微电网可靠性的影响，提高微电网的动态性能。但是，该现有技术一的缺点在于：

1)需要得到所有分布式电源的有功功率的参考值，使用不方便；

2)需要确定许多中间变量。

与本发明相关的现有技术二——一种以大电网为虚拟储能的微电网功率平衡控制方法(专利公布号：CN 103354643 A)，该方法是以与微电网连接的大电网为虚拟储能系统，当微电网内分布式电源供电功率不足时，从大电网中吸收功率为微电网负荷供电；当微电网内分布式电源供电功率超出微电网内部所需功率时，通过微电网功率调节系统，控制分布式电源的出力，从而使得微电网内分布式电源流向大电网的输出功率低于设定阈值。但是，该现有技术二的缺点在于：

1)没有对系统的稳定性作出证明；

2)未给出具体的控制实例。

与本发明相关的现有技术三——一种交直流混合微电网功率平衡控制方法(专利公布号：CN 106451572 A)，该发明给出在因电网发生故障引起电压跌落时，接口变换器可根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值。电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使系统的有功功率达到平衡。但是，该现有技术三的缺点在于：

1)由于包含直流和交流，控制过程较复杂；

2)该发明中只设计了微网有功功率平衡的控制方法，没有给出微网无功功率调节的控制方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种控制过程响应快速，并网时对电压影响很小，并且能够确保微网系统无功功率有效分配，从而提高微网系统运行的稳定性和品质的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，步骤如下：微网中的各种发电设备，如光伏发电设备等，通过直流滤波电路接入逆变器，由逆交器通过交流滤波电路进行滤波，然后接入母线。为方便描述，给微网系统中每个逆变器进行编号i。

微网包括N个逆变器，即V＝{1,2,...,N}，则i∈V；在微网中，逆变器之间的通信是双向的，可由通信网络无向图(如图2所示)G_c＝{V,ε_c}表示，其中表示通信交流图中边的集合；

由微网中的电力网络和通信网络分别确定和其中

与第i个逆变器在电力网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

与第i个逆变器在通信网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

对微网中的无功功率控制实行分级控制，所述控制装置包括依序连接到每个发电设备的输出端的直流滤波电路、逆变器、交流滤波电路、采样器、无功功率计算、非线性反馈控制器、执行器。

采样器对以下的状态进行采样：

V_i：第i个逆变器输出端输出的三相基波电压；

I_i：第i个逆变器输出端输出的三相电流；

对微网中的无功功率控制实行初级和次级融合控制。首先，控制器根据微网对无功功率的需求，对无功功率进行分配，并设定分配比例系数χ_i。以下设计无功功率分配所需的电压控制器：

建立系统状态的动力学方程以及根据微网系统实现无功功率有效分配的控制目的，对每个逆变器设计基于非线性反馈的控制输入u_i；根据u_i，对每个逆变器实时计算并更新其对应的非线性反馈控制输入u_i。

作为优化的技术方案，所述建立的系统状态的动力学方程为：

其中u_i是第i个逆变器的电压控制输入；

设计基于非线性反馈的控制输入u_i为：

其中k∈(0,1]是反馈增益系数，χ_i表示系统中第i个逆变器的无功功率分配权重；Q_i，Q_l可根据测量的电压值V_i、电流值I_i计算得到。

最后，控制器根据控制输入动态调节电压V_i，作为逆变器需求的设定并下发到PWM调制器中。

作为更进一步优化的技术方案，所述基于Lyapunov函数证明系统的稳定性的步骤如下：

选取一个合适的Lyapunov函数W，为了简化分析，使用以下符号

V＝col(V_i),Q＝col(Q_i),u＝col(u_i), (3)

对该Lyapunov函数W求一阶导数可得：

由(2)式可得

则

其中是权重无功功率；

由(7)式可知，根据Lyapunov稳定性定理可得，系统是稳定的。

本发明相比现有技术具有以下优点：控制过程简单，使用方便，能够确保微网系统无功功率有效分配，从而提高微网系统运行的稳定性和品质。并且构造了一个Lyapunov函数，并证明了系统的状态将收敛到期望值，即证明了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明中的微网系统的组成框图；

图2为本发明中的系统非线性反馈控制框图；

图3为传统下垂控制中的无功功率分配图；

图4为本发明中的基于非线性反馈控制的无功功率分配图；

图5为本发明中的电力网络的多逆变器并联运行图；

图6为本发明中的分布式发电机的系统通信网络的交流图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1-6，本发明一种基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法的具体步骤如下所述：

微网中的各种发电设备，如光伏发电设备等，通过直流滤波电路接入逆变器，再由交流滤波器滤除逆交流电信号中的噪声信号，并将所得的交流电接入到微网母线中。为方便描述，给微网系统中每个逆变器进行编号i，i∈{1,2,...,N}。

如图1所示，对微网中的功率控制实行分配控制：

控制器通过动态控制电压V_i获得逆变器PWM控制的设定点，并同时实现对无功功率的按比例分配，其中V_i是第i个逆变器输出端输出的三相基波电压，由采样器对状态V_i进行采样得到。

所述控制装置包括依序连接到每个发电设备的输出端的直流滤波电路、逆变器、交流滤波电路、采样器、无功功率计算、非线性反馈控制器、执行器。

该实施例中，我们考虑微网系统包括6个逆变器。根据微网网络各逆变器的连接情况确定电力网络无向加权图G_e＝{V,ε_e}(如图2)，其中表示电力网络中的连接关系。同样，根据微网逆变器的通信网络确定通信无向图G_c＝{V,ε_c}，其中表示通信交流图中边的集合；如图3所示：每个逆变器i与其它逆变器l(与第i个逆变器有通信联系的其它逆变器)的通信交流是双向的(无向的)，其中i≠l且i,l∈{1,2,...,6}；

由微网中的电力网络和通信网络分别确定和其中

与第i个逆变器在电力网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

与第i个逆变器在通信网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

本发明中，控制器采用的是一种基于非线性反馈的控制方式，并结合了多智能体一致性控制的特点，不仅能实现对所有逆变器无功功率按比例分配并且达到一致，而且减小了并网时对电压的影响；本发明的非线性反馈控制器的结构如图4：第i个逆变器通过通信模块与其它逆变器进行交流，采样器对第i个逆变器的状态进行采样，并计算出Q_i，Q_l；由图4可以看出控制输入u_i是由反馈V_i和Q_l，Q_i的乘积组成的，所以控制输入u_i是非线性的；通过对u_i积分后可得到V_i，再下发到PWM内部控制回路调节后，实现对逆变器的控制。

图5和图6分别是传统下垂控制和本发明中的控制在实现无功功率分配方面的结果图。从控制效果和系统稳定性特性来看，与传统的下垂控制(如图5)相比，本发明具有如下重要优势：

(1)能够在对基波电压影响很小的情况下，实现精确的无功功率按比例分配；

(2)在当逆变器电压突然出现波动时，通过控制器的调节作用，电压能在很短的时间内达到稳定(如图6)，并再次实现无功功率的精确按比例分配。

(3)通过选取合适的Lyapunov函数，可以证明系统的稳定性，且所有的逆变器能实现无功功率按比例分配并达到一致。

以下设计次级控制器中非线性反馈的控制输入u_i：

系统状态的动力学方程为：

其中u_i是第i个逆变器的控制输入；

设计基于非线性反馈的控制输入u_i为：

其中k∈(0,1]是反馈增益系数，表示系统中第i个逆变器的无功功率分配权重；Q_i，Q_l可由测量的电压值、电流值计算得到；由(2)式可知，控制输入u_i不仅与第i个逆变器本身的状态有关，而且还与它有通信联系的其它逆变器的状态有关；

根据(2)式确定的u_i，对每个逆变器实时计算并更新其对应的控制输入u_i，并利用此控制律动态调节电压V_i，下发到逆变器PWM调节控制模块实现无功功率分配控制。

以下是基于该Lyapunov函数证明系统的稳定性的过程：

取Lyapunov函数通过构造该Lyapunov函数对系统的稳定性进行证明。

为了简化分析，使用以下符号

V＝col(V_i),Q＝col(Q_i),u＝col(u_i), (5)

对该Lyapunov函数W求一阶导数可得：

由(2)式可得

则

其中是权重无功功率；

由(9)式可知，根据Lyapunov稳定性定理可得，系统是稳定的。对(9)式利用LaSalle引理可得，由于系统通信网络无向图G_c是连通的，所以Laplace矩阵L的0特征值对应的特征向量为1₆，其中1₆表示6阶全1向量。因此

则可得

由(11)式可知，所有的逆变器将渐进地实现无功功率按比例分配并达到一致，即实现了分布式微网无功功率分配的控制目标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：步骤如下：给微网系统中每个逆变器进行编号i，微网包括N个逆变器，记为集合V＝{1,2,...,N}，则i∈V；微网中，电力网络由无向图G_e＝{V,ε_e}表示，其中表示电力网络中的连接关系；通信网络由无向图G_c＝{V,ε_c}表示，其中表示通信交流图中边的集合；

由微网中的电力网络和通信网络分别确定和其中

与第i个逆变器在电力网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

与第i个逆变器在通信网络上有联系的所有其他逆变器的集合，即

对微网中的无功功率利用初级控制和次级控制相融合的方法实现对其按指定比例的分配控制。每个控制器i接收并计算逆变器的输出端的电压V_i和电流I_i等信息，并对这些状态信息进行采样；

建立系统状态的动力学方程以及根据微网系统实现无功功率有效分配的控制目的，对每个逆变器设计基于非线性反馈的控制控制输入u_i；

根据u_i，对每个逆变器实时计算并更新其对应的控制输入u_i。

2.如权利要求1所述的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：所述控制装置包括依序连接到每个分布式发电机的输出端的直流滤波电路、逆变器、交流滤波电路、采样器、下垂控制器、执行器，次级控制器的输入端连接到采样器，输出端连接到下垂控制器，执行器控制相应的逆变器。

3.如权利要求1所述的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：所述建立的系统状态的动力学方程为：

其中u_i是第i个逆变器的控制输入。

4.如权利要求3所述的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：

设计基于非线性反馈的控制输入u_i为：

其中k∈(0,1]是反馈增益系数，χ_i表示系统中第i个逆变器的无功功率分配权重；Q_i，Q_l可根据测量的电压值V_i、电流值I_i计算得到。

5.如权利要求4所述的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：该控制方法还包括通过Lyapunov函数证明系统的稳定性的步骤。

6.如权利要求5所述的基于非线性反馈的分布式微网无功功率分配控制方法，其特征在于：所述基于Lyapunov函数证明系统的稳定性的步骤如下：

选取一个合适的Lyapunov函数为了简化分析，使用以下符号

V＝col(V_i),Q＝col(Q_i),u＝col(u_i), (5)

对该Lyapunov函数W求一阶导数可得：

由(2)式可得

则

其中是带权重的无功功率；

由(9)式可知，根据Lyapunov稳定性定理可得，系统是稳定的。