CN107294123A - 能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法，能量路由器控制模型获取方法包括建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；根据微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型；定义微网消耗与成本量化标准方程，以及微网内交流母线频率抗干扰标准；求解综合控制系统状态模型中的控制输入，使得微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为能量路由器的控制模型。本发明能够实现微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及微电网控制技术领域，具体涉及一种能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法。
背景技术
随着能源危机，全球变暖等全球性问题的出现，能源互联网的概念被提出。与能源互联网有关的研究在中国乃至全球都受到相关人员的广泛关注。在能源互联网概念被提出之前，针对分布式新能源的研究就已经展开。分布式新能源发电设备包括分布式风力发电机(简称：风机)，分布式光伏发电机(简称：光伏)，等等。早年间，人们对这些可再生清洁能源不重视，甚至不屑一顾，其主要原因如下。他们大多具有不确定性，间歇性，不可持续性，不稳定性，等诸多自身缺陷；之前的科学技术很难将他们与已有的大电网进行完美的融合；他们发电大多取决于天气情况，而天气不受人为控制；为了弥补天气变化这一缺陷，我们需要在多种能源之间自由切换，而这项操作实施起来有一定难度；如何高效合理利用这些可再生能源，不造成不必要的损耗和浪费，也一直没有得到很好的解决。能源互联网概念的提出，巧妙地解决了上述分布式可再生新能源发展的障碍。能源互联网的核心是能量路由器，正是能量路由器这一装置，使得分布式可再生新能源发电得到稳定控制；使得分布式可再生能源与大电网可以有效融合；使得多种分布式可再生能源之间可以根据需要自由切换；使得大量分布式可再生能源得到高效合理利用，降低了发电输电以及系统损耗。目前全球学术界和工业界普遍认为，能量路由器的构造，需要视具体环境而个性化定制，其运行原理也多种多样。例如，有学者提出基于直流母线制造的能量路由器，也有人提出基于交流母线，或者交直流混合母线。
针对能源互联网这一概念，目前全球研究人员正在对未来电力行业进行规划，其中有一种规划是：某一片区域面积较大，不过没有大电网的接入，所有发电都依赖分布式可再生能源；在这片区域中，存在若干个微电网(简称：微网)；每个微网内有至少一个能量路由器，每个微网通过能量路由器互相连接。当这一整片区域与主干网脱离时，我们称之为离网状态，或者孤岛运行模式。在此状态下，电能需要被合理传输，分配，调控，等，这都需要连接每个微网的能量路由器来完成控制。在我国，这个典型场景可以适用于戈壁，沙漠，山地等远离城市，地处偏僻的地域。在这些区域，往往有一定的人员居住生活，但总人数不会很多。如果将大电网从城市地区架设到这些地方，显然建设成本很高，另外远距离输电本身的线路损耗也非常大。因此，针对这种场景，依靠可再生新能源完成区域内供电就显得经济合理。在此，能源互联网的相关技术不可或缺。
我们考虑一个最简化的典型离网状态下的能源互联网场景，假设一片区域内仅存两个微网，我们定义为微网一和微网二。两个微网内分布式可再生能源只有光伏和风机，另外还有分布式储能设备，包括分布式电池储能设备(简称：电池)，分布式飞轮储能设备(简称：飞轮)。微网一和微网二通过各自的能量路由器相连。我们假设两个微网在地理位置上有一定距离，以至于两个微网间电能输送过程中会有不可忽视的能量损耗，尤其是在大量电能传输过程中，传输越多，损耗越大。同时，我们假设微网内负载种类较多，尤其包括敏感负载，即对电能质量要求较高的负载。我们假设微网内母线为交流母线，同时假设能量路由器也是基于交流母线而设计的。微网内交流母线频率发生过大波动会对这些敏感负载带来损坏，甚至对整个微网而言都可能是灾难性的结果，如微网系统崩溃，等等。当某个微网内分布式可再生能源发电量富足时，多余的电能可以被储存进电池和飞轮。当某个微网内分布式可再生能源发电量不足时，电池和飞轮可以为微网系统提供电能。鉴于客观存在的区域内输电损耗，在这种场景下，我们更偏向于两个微网各自通过自己的分布式可再生能源发电，和储能设备的充放电，来完成微网内的全部供电。有一种特殊场景值得注意，即某个微网内分布式可再生能源发电量不足时，同时储能设备也无法提供足够电能时，那么，此微网就必须从其相邻微网获取电能。这将由两个微网各自的能量路由器控制并完成。此时，一套合理的控制策略就显得尤为重要。如果控制策略不得当，有可能发生如下场景：当微网一内分布式可再生能源发电量不足，但微网一内储能设备储存的电能很丰富，此刻微网一内的能量路由器依然从微网二内调取电能，电能从微网二传输到微网一会产生线路损耗，显然这样做是不合理的。此刻的控制策略就应该是从微网一内的储能设备获取电能，而不是通过能量路由器从微网二获取电能。由此可见，微网系统在运行时，主要面临的困难和挑战有：
1，如何在使用微网内储能设备充放电的前提下，尽量使微网可以满足电能的自我生产与消纳，即尽量少的使用能量路由器通过外部微网传输电能，将线路上的输电损耗最小化。
2，由于本微网内风机，光伏发电取决于气候状况，虽然可以预测，但预测总有误差。另外风的大小方向，以及光照的强度角度都具有一定的随机性以及不可控性。因此风机，光伏必然对微网内母线频率造成一定扰动。另外，在用户端随机地接入和拔出负载也会对微网内交流母线频率造成一定的波动，尤其是当大量插电式混动汽车和纯电动汽车接入和拔出时。如何确保微网系统在存在客观外界扰动输入的前提下依然可以稳定抗干扰运行，也是亟待解决的问题。
3，任何控制器的施加都会对系统造成一定成本上的上升。有时候一个很强大的控制器虽然可以有效对系统进行降低线路损耗或抗干扰控制，但是很可能这个控制器会对系统带来巨大的成本或代价。如何设计一个合理的控制器，既能达到降低线路损耗或抗干扰的需要，同时保证它本身给系统带来的成本或代价较小，也是需要考虑的问题。但目前并没有能够符合上述要求的能量路由器的控制器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法；能够实现微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种能量路由器的控制模型的获取方法，所述获取方法包括：
建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；
根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入；
定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准；
求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
进一步地，所述建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组，包括：
测量得到微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数；
根据所述微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数，以线性常微分方程建立微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程；
以及，根据所述微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程，得到所述微网运行状态方程组；其中，所述微网中各设备包括：风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮；
相应的，所述微网运行状态方程组如公式一所示：
在公式一中，x1为风机功率变化值；x2为光伏功率变化值；x3为能量路由器连接外部微网端口功率变化值；x4为电池功率变化值；x5为飞轮功率变化值；x6为交流母线频率变化值；x7为负载功率变化值； 和分别为x1、x2、x3、x4、x5和x6对时间的导数；a1、a2、a3、a4和a5分别为风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮的时间惯性常数的倒数；v1为微网覆盖区域内的风量值；v2为微网覆盖区域内的太阳光照强度；u为所述控制输入；b为控制器参数；D为阻尼系数；M为惯性常数。
进一步地，所述根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，包括：
对所述微网运行状态方程组进行矩阵变换，得到微网的综合控制系统状态模型，所述微网的综合控制系统状态模型如公式二所示：
在公式二中，x为综合控制系统状态，且x＝[x’1,x'2,x'3,x'4,x'5,x'6]'；v为综合控制系统扰动输入，且v＝[v’1,v'2]'；A、B和C均为综合控制系统参数矩阵，其中，
以及，将交流母线频率变化值x6定义为综合控制系统的被控输出，并将x6记为z，且z＝[0 0 0 0 0 1]x。
进一步地，所述定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准，包括：
根据所述微网的综合控制系统状态模型，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准定义为微网消耗与成本量化标准方程；
以及，根据所述微网的综合控制系统状态模型，定义能量路由器所连接的交流母线频率抗干扰标准。
进一步地，所述根据所述微网的综合控制系统状态模型，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准定义为微网消耗与成本量化标准方程，包括：
将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准J1定义为公式三：
在公式三中，ε为线路传输损耗的放大系数；R为运行控制模型给微网系统运行带来成本的放大系数；
将公式三变换为公式四，所述公式四即为所述微网消耗与成本量化标准方程：
在公式四中，
进一步地，所述能量路由器所连接的交流母线频率抗干扰标准如公式五所示：
||z(t)||<γ||v(t)|| 公式五
在公式五中，||z(t)||为输出的范数，定义γ为扰动衰减系数且γ>0。
进一步地，所述求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型，包括：
根据控制理论中的最优和鲁棒控制原理，通过纳什均衡的方法，对所述综合控制系统状态模型中的控制输入u进行求解，得到使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，以及使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准的混合H2/H∞控制的控制模型u*。
第二方面，本发明提供一种能量路由器的控制模型的获取系统，所述获取系统包括：
微网运行状态方程组建立单元，用于建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；
综合控制系统状态模型建立单元，用于根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入；
标准方程定义单元，用于定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准方程；
能量路由器的控制模型获取单元，用于求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制输入信号。
第三方面，本发明提供一种能量路由器的控制器，所述控制器中存储有能量路由器的控制模型；
所述能量路由器的控制模型根据所述的获取方法获得。
第四方面，本发明提供一种能量路由器的控制方法，所述控制方法包括：
应用所述的能量路由器的控制器对微网中的能量路由器的运行状态进行控制。由上述技术方案可知，本发明提供的种能量路由器控制模型获取方法及系统、控制器及控制方法，能量路由器控制模型获取方法包括建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；根据微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型；定义微网消耗与成本量化标准方程，以及微网内交流母线频率抗干扰标准；求解综合控制系统状态模型中的控制输入，并将使得微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化和微网内交流母线频率抗干扰标准方程的控制输入作为能量路由器的控制模型。本发明能够实现微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种能量路由器的控制模型的获取方法的流程示意图；
图2是离网状态下两个能源微网的示意图；
图3是微网内设备连接示意图；
图4是本发明的能量路由器的控制模型的获取方法中步骤100的流程示意图；
图5是本发明的能量路由器的控制模型的获取方法中步骤200的流程示意图；
图6是本发明的能量路由器的控制模型的获取方法中步骤300的流程示意图；
图7是本发明的一种能量路由器的控制模型的获取系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例一提供了一种能量路由器的控制模型的获取方法的具体实施方式，参见图1，所述能量路由器的控制模型的获取方法具体包括如下内容：
步骤100：建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组。
在步骤100中，微网运行状态方程组建立单元建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组。可以理解的是，在能源互联网场景中，当一定区域内的两个微网均处于离网状态时，假设两个微网都是基于交流母线设计的，典型的离网状态下两个微网通过能量路由器相连的模型示意图如图2所示。其中，两个微网间存在一定距离，会造成显著的输电线路损耗。这可以被认为是一种最典型的微网布局，具有一定的普适性。微网一内设备连接如图3所示，其中分布式发电装置包括：光伏、风机；分布式储能装置包括电池、飞轮；能量路由器负责整个区域内系统电能路由和控制。其中，风机，光伏和负载都会对微网一内交流母线频率带来不稳定性并造成一定的干扰。电池和储能负责吸收多余的电能，以及当风机、光伏发电量不足时释放电能。能量路由器负责如下几点：微网一内部电能路由；确保微网一内交流母线频率稳定且抗干扰；当微网一内动用储能放电后供电还不足时，从微网二调取电能(假设微网二可以有多余电能供调度)；当微网一内储能吸纳足够多电能后还有富余电能被生产出来时，将多余的电能从微网一输送到微网二。
步骤200：根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入。
在步骤200中，综合控制系统状态模型建立单元根据所述微网的功率变化方程组，建立微网的综合控制系统状态模型。
步骤300：定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准。
在步骤300中，标准方程定义单元定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准方程。
步骤400：求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
在步骤400中，能量路由器的控制模型获取单元求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内能量路由器内部交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
可以理解的是，通过设计一种能量路由器的最优和鲁棒控制器，能够使得某个微网尽量完成能源的自我生产与消纳，也就是说，控制微网尽量不要向相邻微网输送或获取电能，使得这片区域内电能调度时线路上能量损耗最小，并且控制器本身给微网带来的运行成本最小；同时使得此微网本身交流母线频率得到稳定且具有一定的抗干扰性。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制模型的获取方法，通过一系列数学建模方法，将能源互联网下离网状态的微网场景，建模成一个线性的控制系统，并针对上述综合模型，通过一系列数学方法，根据控制理论中最优和鲁棒(即，混合H2/H∞)控制原理，运用纳什均衡(Nash Equilibrium)的原理，获取能量路由器的控制模型，实现了微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
在一种具体实施方式中，参见图4，上述能量路由器的控制模型的获取方法中的步骤100具体包括如下内容：
步骤101：测量得到微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数。
步骤102：根据所述微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数，以线性常微分方程的建立微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程。
步骤103：根据所述微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程，得到微网运行状态方程组；其中，所述微网中各设备包括：风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮。
在步骤103中，所述微网运行状态方程组如公式一所示：
在公式一中，x1为风机功率变化值；x2为光伏功率变化值；x3为能量路由器连接外部微网端口功率变化值；x4为电池功率变化值；x5为飞轮功率变化值；x6为交流母线频率变化值；x7为负载功率变化值； 和分别为x1、x2、x3、x4、x5和x6对时间的导数；a1、a2、a3、a4和a5分别为风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮的时间惯性常数的倒数；v1为微网覆盖区域内的风量值；v2为微网覆盖区域内的太阳光照强度；u为所述控制输入；b为控制器参数；D为阻尼系数；M为惯性常数。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制模型的获取方法，能够有效对能源互联网中处于离网状态下的微网中的各设备的功率变化及交流母线的频率变化进行模拟，保证了后续控制模型获取的准确性。
在一种具体实施方式中，参见图5，上述能量路由器的控制模型的获取方法中的步骤200具体包括如下内容：
步骤201：对所述微网运行状态方程组进行矩阵变换，得到微网的综合控制系统状态模型。
所述微网的综合控制系统状态模型如公式二所示：
在公式二中，x为综合控制系统状态，且x＝[x’1,x'2,x'3,x'4,x'5,x'6]'；v为综合控制系统扰动输入，且v＝[v’1,v'2]'；A、B和C均为综合控制系统参数矩阵，其中，
步骤202：将交流母线频率变化值x6定义为综合控制系统的被控输出。
在步骤202中，将x6记为z，且z＝[0 0 0 0 0 1]x。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制模型的获取方法，能够有效根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，为后续控制模型获取的提供了准确的数据基础。
在一种具体实施方式中，参见图6，上述能量路由器的控制模型的获取方法中的步骤300具体包括如下内容：
步骤301：根据所述微网的综合控制系统状态模型，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准定义为微网消耗与成本量化标准方程。
在步骤301中，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准J1定义为公式三：
在公式三中，ε为线路传输损耗的放大系数；R为运行控制模型给微网系统运行带来成本的放大系数；
将公式三变换为公式四，所述公式四即为所述微网消耗与成本量化标准方程：
在公式四中，
步骤302：根据所述微网的综合控制系统状态模型，定义能量路由器内部交流母线频率抗干扰标准。
在步骤302中，所述能量路由器内部交流母线频率抗干扰标准如公式五所示：
||z(t)||<γ||v(t)|| 公式五
在公式五中，||z(t)||为输出的范数，定义γ为扰动衰减系数且γ>0。
在一种具体实施方式中，上述能量路由器的控制模型的获取方法中的步骤400具体包括如下内容：
根据控制理论中的最优和鲁棒控制原理，通过纳什均衡的方法，对所述综合控制系统状态模型中的控制输入u进行求解，得到使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，以及使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准的混合H2/H∞控制的控制模型u*。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制模型的获取方法，通过一系列数学建模方法，将能源互联网下离网状态的微网场景，建模成一个线性的控制系统，并针对上述综合模型，通过一系列数学方法，根据控制理论中最优和鲁棒(即，混合H2/H∞)控制原理，运用纳什均衡(Nash Equilibrium)的原理，设计一种能量路由器的控制模型，使得微网系统可以满足低成本低损耗且抗干扰的特性。
为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种能量路由器的控制模型的获取方法的应用实例，该能量路由器的控制模型的获取方法的应用实例具体包括如下内容：
S1：用线性常微分方程模拟风机发电时电能功率变化。关键在于测量其时间惯性常数。得到风机功率变化的线性常微分方程，如
其中a1为风机时间常数的倒数，x1为风机功率变化，为x1对时间的导数，v1为区域内风量大小。
S2：用线性常微分方程模拟光伏发电时电能功率变化。关键在于测量其时间惯性常数。得到光伏功率变化的线性常微分方程，如
其中a2为光伏时间常数的倒数，x2为光伏功率变化，为x2对时间的导数，v2为区域内太阳光照强度。
S3：用线性常微分方程模拟能量路由器内连接外部微网端口电能功率变化。关键在于测量其时间惯性常数。得到风机功率变化的线性常微分方程，如
其中a3为能量路由器内连接外部微网端口时间常数的倒数，x3为能量路由器内连接外部微网端口功率变化，为x3对时间的导数，u为本发明需要设计的控制器，b为控制器参数。
S4：用线性常微分方程模拟电池充放电时电能功率变化。关键在于测量其时间惯性常数。得到电池功率变化的线性常微分方程，如
其中a4为电池时间常数的倒数，x4为电池功率变化，为x4对时间的导数，x6为微网一内交流母线的频率变化。
S5：用线性常微分方程模拟飞轮充放电时电能功率变化。关键在于测量其时间惯性常数。得到飞轮功率变化的线性常微分方程，如
其中a5为飞轮时间常数的倒数，x5为飞轮功率变化，为x5对时间的导数，x6为微网一内交流母线的频率变化。
S6：用线性常微分方程模拟微网一内交流母线的频率变化。关键在于测量其阻尼系数与惯性常数。得到风机功率变化的线性常微分方程，如
其中D为阻尼系数，M为惯性常数，同上，x6为微网一内交流母线的频率变化，x7为微网一系统内负载功率变化，满足
x1+x2+x3+x4+x5+χ6+x7＝0
这充分体现了微网一内电能的供需平衡。
S7：联列等式(1)-(6)，如
通过矩阵变换，将以上微分方程组改写为一个综合的控制系统状态方程：
其中x＝[x’1,x'2,x'3,x'4,x'5,x'6]'为系统状态，这里′为矩阵转置；
v＝[v’1,v'2]'为系统扰动输入；u为系统控制输入，也是本发明需要设计的能量路由器的控制器；矩阵A，B，C为系统参数，其中，
将线性常微分方程模拟微网一内交流母线的频率变化x6定义系统被控输出，记为z，则有z＝[0 0 0 0 0 1]x。
S8：定义电能在两个微网间输送的线路损耗以及运行成本的一个量化标准为：
其中，参数ε(标量)为线路传输损耗的放大系数。参数R(标量)为控制器给微网系统运行带来的成本的放大系数。定义矩阵：
则上述J1可以改写为：
这样，线路损耗以及运行成本最小化的问题被转化为数学上LQ最优控制的问题(Linear Quadratic Optimal Control Problem)，即：根据给定的系统状态等式(7)，求解一种控制器u，使得J1最小化。这类LQ最优控制问题也叫做H2控制问题。
S9：定义电能路由器内部交流母线频率抗干扰标准为：
||z(t)||<γ||v(t)|| (8)
其中定义范数：
其中，常数γ＞0是扰动衰减系数。需要求解一种控制器u，使得系统(7)得到稳定，且满足(8)。这样，电能路由器内部交流母线频率稳定且抗干扰的问题被转化为数学上的H无穷(H∞)控制问题。值得注意的是，数学求解此H∞控制问题时，会有不止一个控制器u满足(8)。
S9：至此，需要求解一个唯一的控制器能够同时满足步骤8和步骤9的要求。这种耦合的数学问题被命名为混合H2/H∞问题。即设计一个控制器u*使得系统在满足稳定性条件和H∞抗干扰表现的前提下，且当最坏情况下的扰动输入v*发生时，此控制器u*还能够使得J1被最小化。在数学领域，这被看作一个纳什均衡求解的问题。可以直接使用文献【1】中的方法，通过最优和鲁棒控制理论，进行求解该混合H2/H∞问题。求解过程中，计算机软件Matlab被用来求解耦合的黎卡迪微分方程(Riccatti Differential Equation)，从而得到与系统状态x线性相关的控制器u*的系数。最终求得得到最坏情况下的扰动输入v*，还有期望的H2/H∞控制器u*。此控制器算法u*可以直接以信号方式输入系统。其中，文献【1】为D.J.N.Limebeer,B.D.O.Anderson,and B.Hende,A Nash Game Approach to Mixed H2/H∞Control(1994)IEEE Transactions on Automatic Control,vol.39,no.1,pp.69-82.
从上述描述可知，本发明的应用实例的能量路由器的控制模型的获取方法的有益效果如下：
(1)提出了能源互联网场景中，离网状态下的基于交流母线的微网系统的物理模型，并将其近似建模改写为数学上的线性常微分方程组，简洁明了。
(2)将能源互联网场景下，离网状态的微网运行时遇到的三个困难和挑战分别用数学表达式来表示，其中要求控制器带来的成本最低，以及线路损耗最小的问题被建模成最优控制(H_2)的问题，系统稳定抗干扰的问题被建模成H_∞控制问题。求解的控制器同时满足上述三个问题。至此，本发明将电力系统内的实际工程问题，建模转换成了数学问题，即求解一个混合H_2/H_∞控制策略的问题。
(3)通过纳什均衡的办法求解数学上的混合H_2/H_∞控制问题。结论既满足最优控制的需求，也满足鲁棒控制的需求，是同时兼顾两者的最佳策略解。
(4)通过最优和鲁棒控制理论，和计算机软件Matlab，成功解决该复杂的数学控制问题。本发明得到的控制器算法可以直接以信号方式输入系统。
(5)本发明成功地控制了系统本身的稳定性，使得系统交流母线频率有一定抗干扰性，可以满足用户端一些敏感负载的用电需求。同时，微网可以最大限度地完成电能的自我生产和消纳，即可以最小化地通过能量路由器向外部微网传输或接收电能，线路运行成本和输电损耗可以达到最小。
(6)本发明虽然只针对两个微网做出分析和结论，但这个方法具有一定的普适性，可以适用于多个微网。
本发明的实施例二提供了一种能量路由器的控制模型的获取系统的具体实施方式，参见图7，所述能量路由器的控制模型的获取系统具体包括如下内容：
微网运行状态方程组建立单元10，用于建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组。
综合控制系统状态模型建立单元20，用于根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入。
标准方程定义单元30，用于定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准方程。
能量路由器的控制模型获取单元40，用于求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制模型的获取系统，通过一系列数学建模方法，将能源互联网下离网状态的微网场景，建模成一个线性的控制系统，并针对上述综合模型，通过一系列数学方法，根据控制理论中最优和鲁棒(即，混合H2/H∞)控制原理，运用纳什均衡(Nash Equilibrium)的原理，获取能量路由器的控制模型，实现了微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
本发明的实施例三提供了一种能量路由器的控制器的具体实施方式，所述能量路由器的控制器具体包括如下内容：
所述控制器中存储有能量路由器的控制模型；
所述能量路由器的控制模型根据上述能量路由器的控制模型的获取方法获得，例如：
步骤100：建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组。
步骤200：根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入。
步骤300：定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准方程。
步骤400：求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制器实现了微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
本发明的实施例四提供了一种能量路由器的控制方法的具体实施方式，所述能量路由器的控制方法具体包括如下内容：
应用所述的能量路由器的控制器对微网中的能量路由器的运行状态进行控制。
从上述描述可知，本发明的实施例的能量路由器的控制方法实现了微网电能的自我生产与消纳，并有效降低了相邻微网之间的输电损耗，提高了微网系统的稳定性和抗干扰性，并有效降低了微网系统的运行成本。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种能量路由器的控制模型的获取方法，其特征在于，所述获取方法包括：
建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；
根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入；
定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准；
求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型。
2.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组，包括：
测量得到微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数；
根据所述微网中各设备的时间惯性常数，以及交流母线的阻尼系数与惯性常数，以线性常微分方程建立微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程；
以及，根据所述微网中各设备功率变化方程和交流母线频率变化方程，得到所述微网运行状态方程组；其中，所述微网中各设备包括：风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮；
相应的，所述微网运行状态方程组如公式一所示：
在公式一中，x1为风机功率变化值；x2为光伏功率变化值；x3为能量路由器连接外部微网端口功率变化值；x4为电池功率变化值；x5为飞轮功率变化值；x6为交流母线频率变化值；x7为负载功率变化值； 和分别为x1、x2、x3、x4、x5和x6对时间的导数；a1、a2、a3、a4和a5分别为风机、光伏、能量路由器、电池和飞轮的时间惯性常数的倒数；v1为微网覆盖区域内的风量值；v2为微网覆盖区域内的太阳光照强度；u为所述控制输入；b为控制器参数；D为阻尼系数；M为惯性常数。
3.根据权利要求2所述的获取方法，其特征在于，所述根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，包括：
对所述微网运行状态方程组进行矩阵变换，得到微网的综合控制系统状态模型，所述微网的综合控制系统状态模型如公式二所示：
在公式二中，x为综合控制系统状态，且x＝[x′1,x'2,x'3,x'4,x'5,x'6]'；v为综合控制系统扰动输入，且v＝[v′1,v'2]'；A、B和C均为综合控制系统参数矩阵，其中，
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以及，将交流母线频率变化值x6定义为综合控制系统的被控输出，并将x6记为z，且z＝[0 0 0 0 0 1]x。
4.根据权利要求3所述的获取方法，其特征在于，所述定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准，包括：
根据所述微网的综合控制系统状态模型，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准定义为微网消耗与成本量化标准方程；
以及，根据所述微网的综合控制系统状态模型，定义能量路由器所连接的交流母线频率抗干扰标准。
5.根据权利要求4所述的获取方法，其特征在于，所述根据所述微网的综合控制系统状态模型，将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准定义为微网消耗与成本量化标准方程，包括：
将电能在两个微网间输送的线路损耗以及施加控制器后对系统带来的额外运行成本的量化标准J1定义为公式三：
在公式三中，ε为线路传输损耗的放大系数；R为运行控制模型给微网系统运行带来成本的放大系数；
将公式三变换为公式四，所述公式四即为所述微网消耗与成本量化标准方程：
在公式四中，
6.根据权利要求5所述的获取方法，其特征在于，所述能量路由器所连接的交流母线频率抗干扰标准如公式五所示：
||z(t)||<γ||v(t)|| 公式五
在公式五中，||z(t)||为输出的范数，定义γ为扰动衰减系数且γ>0。
7.根据权利要求6所述的获取方法，其特征在于，所述求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制模型，包括：
根据控制理论中的最优和鲁棒控制原理，通过纳什均衡的方法，对所述综合控制系统状态模型中的控制输入u进行求解，得到使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，以及使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准的混合H2/H∞控制的控制模型u*。
8.一种能量路由器的控制模型的获取系统，其特征在于，所述获取系统包括：
微网运行状态方程组建立单元，用于建立能源互联网中处于离网状态下的微网运行状态方程组；
综合控制系统状态模型建立单元，用于根据所述微网运行状态方程组，建立微网的综合控制系统状态模型，其中，所述综合控制系统状态模型中包括微网中的能量路由器的控制输入；
标准方程定义单元，用于定义微网消耗与成本量化标准方程，以及，微网内交流母线频率抗干扰标准方程；
能量路由器的控制模型获取单元，用于求解所述综合控制系统状态模型中的控制输入，使得所述微网消耗与成本量化标准方程的取值被最小化，且使得微网内交流母线频率满足抗干扰标准，将该控制输入作为所述能量路由器的控制输入信号。
9.一种能量路由器的控制器，其特征在于，所述控制器中存储有能量路由器的控制模型；
所述能量路由器的控制模型根据权利要求1至7任一项所述的获取方法获得。
10.一种能量路由器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
应用如权利要求9所述的能量路由器的控制器对微网中的能量路由器的运行状态进行控制。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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