CN107317337A

CN107317337A - 交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法

Info

Publication number: CN107317337A
Application number: CN201710583868.2A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 连攀杰; 陈安伟; 郭天宇; 汪乐天
Original assignee: State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2037-07-18
Also published as: CN107317337B

Abstract

一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法：在分布于交直流混合微网的直流母线和交流母线之间的多个潮流控制器中，选择一个作为基准潮流控制器，其余均作为从属潮流控制器；将基准潮流控制器的控制单元作为基准控制单元，使用自适应逆反下垂的控制方法设计基准控制单元，使基准潮流控制器的输出电压稳定在设定电压值，将基准潮流控制器的反下垂系数和输出有功功率作为输出端，输出到从属控制单元中；将每一个从属潮流控制器的控制单元作为一个从属控制单元，从属控制单元根据接收到的基准潮流控制器输出的反下垂系数和有功功率，计算出对应的反下垂系数，并进行反下垂控制。本发明使各潮流控制器按照额定容量进行功率的分配，提高了功率分配的精度。

Description

交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种交直流混合微网潮流控制器。特别是涉及一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法。

背景技术

微网可以有效整合各种分布式发电技术，为新能源及可再生能源分布式发电的规模化应用提供了有效的技术途径。随着分布式电源种类的增加和数量的增长、直流负荷的普及，配电网结构的复杂多样，交流微网难以全面满足日益增长的供用电需求，为保证新能源及可再生能源的高效利用，以及更好地满足用户的多元化电力需求，交直流混合微网技术应运而生，已成为微网技术发展的必然趋势之一。

对于低压微网，其线路阻抗特性不再满足输电网中电阻远小于电抗的特性，相反，其满足电抗远小于电阻的性质。所以，传统的下垂控制在低压微网中不再使用，根据传统下垂控制的建立思路和低压微网的特点，利用反下垂来进行控制器的设计。

线路阻抗对微网系统的功率分配的影响较大。当考虑线路阻抗时，各潮流控制器的输出电压并不完全一样，这样有可能导致负荷功率分配的不精确，而且能够导致系统发生环流。微网中的负荷也在不断地波动，按照传统的反下垂控制，潮流控制器的输出电压也会不断地变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够使交直流混合微网中的潮流控制器能够在负荷不断波动的情况下实现功率的精确分配，维持各潮流控制器的输出电压恒定的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，包括如下步骤：

1)在分布于交直流混合微网的直流母线和交流母线之间的多个潮流控制器中，选择一个潮流控制器作为基准潮流控制器，其余的潮流控制器均作为从属潮流控制器；

2)将基准潮流控制器的控制单元作为基准控制单元，使用自适应逆反下垂的控制方法设计基准控制单元，使基准潮流控制器的输出电压稳定在设定电压值，将基准潮流控制器的反下垂系数和输出有功功率作为输出端，输出到从属控制单元中；

3)将每一个从属潮流控制器的控制单元作为一个从属控制单元，从属控制单元根据接收到的基准潮流控制器输出的反下垂系数和有功功率，计算出对应的反下垂系数，并进行反下垂控制。

步骤2)中，采用自适应逆反下垂的控制方法，通过检测基准潮流控制器的输出电压和输出电流信号，通过计算得到相应的有功功率，再将设定电压值与输出电压相减，得到的差值再与通过自适应逆控制器获得的反下垂系数相乘，得到相应的有功功率差值，再依次经过比例积分控制和电流内环控制构成输出，达到基准潮流控制器的输出电压与设定电压值相等。

所述的自适应逆反下垂的控制方法，具体如下：

(1)给定基准潮流控制器输出电压的设定值，通过设定电压和检测到潮流控制器输出的电压，得到电压的偏差值，同时，设定电压值的信号通过自适应逆控制器输出反下垂系数kp1；

(2)将得到的基准潮流控制器输出的电压偏差与反下垂系数kp1相乘，得到相对应的有功功率偏差，有功功率偏差与额定功率相加之后得到功率的设定值，也就是外环控制部分的输出值，再将外环得到的输出信号作为内环电流的设定信号，经过内环控制之后构成输出，从而控制基准潮流控制器；

(3)通过对基准潮流控制器输出电压的检测，将基准潮流控制器输出电压的信号作为滤波器的输入，滤波器的输出为对应的反下垂系数kp2，在检测到基准潮流控制器输出电压与设定电压值相一致的情况下，反下垂系数kp1和反下垂系数kp2的差值小于设定值；否则，反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值大于设定值，进入下一步骤；

(4)在负荷有功功率波动时，反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值大于设定值，此时输出反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值，将差值作为自适应算法的输入，通过调整自适应逆控制器和滤波器的权重系数，使反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值小于设定值，基准潮流控制器输出的电压等于设定电压值。

所述的自适应逆控制器，是由权重系数的抽头延迟线、一个加法器和一个自适应过程所构成的；调节权重系数的输入信号，即调整在延迟线上的各抽头的信号，用一个加法器将每一次的输入信号与对应的权重系数相乘得到的信号相加，再由自适应过程自动搜索权重系数，获得一个使均方误差最小的最优脉冲响应，所述的自适应过程是由自适应算法来调节自适应滤波器的权重系数，以使均方误差最小，滤波器与自适应逆控制器的结构完全相同。

所述的自适应算法是采用最小均方差法，或递归最小二次方算法，或仿射投影算法。

步骤3)所述的计算出对应的反下垂系数是采用如下公式得到：

其中，k_p1表示基准潮流控制器的反下垂系数，P_ref1表示基准潮流控制器的额定有功功率值，P₁表示基准潮流控制器实际输出的有功功率值，R₁表示基准潮流控制器与交流母线之间的线路电阻值；k_pi表示第i台从属潮流控制器的反下垂系数，P_refi表示第i台从属潮流控制器的额定有功功率值，P_i表示第i台从属潮流控制器按额定容量比实际输出的有功功率值，R_i表示第i台从属潮流控制器与交流母线之间的线路电阻值，E_ref表示潮流控制器的设定电压值。

本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，在有效抑制潮流控制器的环流的前提下，使各个潮流控制器按照额定容量进行功率的分配，提高了功率分配的精度。在负荷波动的情况下，各潮流控制器能够在保持输出电压一致的情况下，达到了按照额定容量百分比进行功率的精确分配的目的。

附图说明

图1是可调节反下垂系数的原理图；

图2是本发明中自适应逆反下垂控制结构图；

图3是本发明中自适应逆控制器结构图；

图4是本发明中交直流混合微网内潮流控制器的控制策略图；

图5是本发明实施例中全部潮流控制器输出有功功率图；

图6是本发明实施例中潮流控制器1和潮流控制器2输出有功功率之比；

图7是本发明实施例中潮流控制器1和潮流控制器3输出有功功率之比；

图8是本发明实施例中交流母线电压有效值；

图9是本发明实施例中潮流控制器2在0.5s的输出电压波形；

图10是本发明实施例中潮流控制器2在1.0s的输出电压波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法做出详细说明。

本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，是在多个潮流控制器中选择一个潮流控制器作为基准潮流控制器，其余的潮流控制器均作为从属潮流控制器，将基准潮流控制器的输出电压和设定电压作为输入，基准控制单元起到稳定基准潮流控制器输出电压的作用，而基准控制单元的输出端为基准潮流控制器的有功功率和反下垂系数。将基准控制单元输出的基准潮流控制器的有功功率和反下垂系数作为从属控制单元的输入，从属控制单元输出相应的反下垂系数，从而从属潮流控制器通过得到的反下垂系数进行反下垂控制

本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，包括如下步骤：

1)如图4所示，在分布于交直流混合微网的直流母线和交流母线之间的多个潮流控制器中，选择一个潮流控制器作为基准潮流控制器，其余的潮流控制器均作为从属潮流控制器；

2)将基准潮流控制器的控制单元作为基准控制单元，使用自适应逆反下垂的控制方法设计基准控制单元，如图1所示，在负荷有功功率波动时，基准潮流控制器的输出功率也会变化，利用潮流控制器中有功功率和电压之间的反下垂关系，与传统反下垂控制相比，可以通过对基准潮流控制器反下垂系数的调节，使基准潮流控制器的输出电压稳定在设定电压值而不产生电压偏差值，将基准潮流控制器的反下垂系数和输出有功功率作为输出端，输出到从属控制单元中。其中，

所述的采用自适应逆反下垂的控制方法，通过检测基准潮流控制器的输出电压和输出电流信号，通过计算得到相应的有功功率，再将设定电压值与输出电压相减，得到的差值再与通过自适应逆控制器获得的反下垂系数相乘，得到相应的有功功率差值，再依次经过比例积分控制(PI)和电流内环控制构成输出，达到基准潮流控制器的输出电压与设定电压值相等。

如图2所示，所述的自适应逆反下垂的控制方法，其实施方式是在传统反下垂控制策略的基础上调整，通过自适应逆控制器来改变反下垂系数，从而实现在负荷有功功率变化的情况下，保证基准潮流控制器的输出电压为设定电压。具体如下：

(1)给定基准潮流控制器输出电压的设定值，通过设定电压和检测到基准潮流控制器输出的电压，得到电压的偏差值，同时，设定电压值的信号通过自适应逆控制器输出反下垂系数kp1。

(2)将得到的基准潮流控制器输出的电压偏差与反下垂系数kp1相乘，得到相对应的有功功率偏差，有功功率偏差与额定功率相加之后得到功率的设定值，也就是外环控制部分的输出值，再将外环得到的输出信号作为内环电流的设定信号，经过内环控制之后构成输出，从而控制基准潮流控制器。

(3)通过对基准潮流控制器输出电压的检测，将基准潮流控制器输出电压的信号作为滤波器的输入，滤波器的输出为对应的反下垂系数kp2。在检测到基准潮流控制器输出电压与设定电压值相一致的情况下，反下垂系数kp1和反下垂系数kp2的差值小于设定值；否则，反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值大于设定值，进入下一步骤；

(4)在负荷有功功率波动时，基准潮流控制器输出的电压将偏离设定电压值，不但产生了电压的偏差，而且造成了反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的不等，反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值大于设定值，此时输出反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值，将差值作为自适应算法的输入，通过自适应算法调整自适应逆控制器和滤波器的权重系数，权重系数的变化引起反下垂系数kp1的变化，因此可以调整基准潮流控制器的输出功率，从而调整基准潮流控制器输出的电压，基准潮流控制器输出电压的变化也引起了kp2发生了改变，只有在kp1与kp2的差值非常小的前提下，自适应算法调整结束，此时基准潮流控制器输出的电压为设定电压值。通过调整自适应逆控制器和滤波器的权重系数，使反下垂系数kp1与反下垂系数kp2的差值小于设定的值，基准潮流控制器输出的电压等于设定电压值。

如图3所示，所述自适应逆控制器，是由权重系数的抽头延迟线、一个加法器和一个自适应过程所构成的。调节权重系数的输入信号，即调整在延迟线上的各抽头的信号，用一个加法器将每一次的输入信号与对应的权重系数相乘得到的加权信号相加，再由自适应过程自动搜索权重系数，获得一个使均方误差最小的最优脉冲响应，所述自适应过程是由自适应算法来调节自适应滤波器的权重系数，以使均方误差最小，滤波器与自适应逆控制器的结构完全相同。所述的自适应算法是采用最小均方差法，或递归最小二次方算法，或仿射投影算法。

在自适应逆反下垂控制中，自适应算法直接影响了反下垂系数的获得。在自适应逆控制器中，给一组n个输入信号加权并加以形成一个输出信号，在输入信号和输出信号都是平稳的条件下，计算第k次采样的误差，并将所得的误差平方。可以得到均方差性能函数是权重系数的二次型函数，具有“碗状形”的曲面。自适应算法就是连续不断地调节这些权重系数，以寻找碗的底部。最速下降法就是利用性能曲面的梯度来搜寻它的最小值，使得权向量的每一步变化都正比于梯度向量的负值，本发明实施例可采用最小均方差算法，最小均方差算法是利用测量或估计梯度的最速下降的一种实现。

3)将每一个从属潮流控制器的控制单元作为一个从属控制单元，从属控制单元根据接收到的基准潮流控制器输出的反下垂系数和有功功率作，计算出对应的反下垂系数，并进行反下垂控制。所述的计算出对应的反下垂系数是采用如下公式得到：

其中，k_p1表示基准潮流控制器的反下垂系数，P_ref1表示基准潮流控制器的额定有功功率值，P₁表示基准潮流控制器实际输出的有功功率值，R₁表示基准潮流控制器与交流母线之间的线路电阻值。k_pi表示第i台从属潮流控制器的反下垂系数，P_refi表示第i台从属潮流控制器的额定有功功率值，P_i表示第i台从属潮流控制器按额定容量比实际输出的有功功率值，R_i表示第i台从属潮流控制器与交流母线之间的线路电阻值，E_ref表示潮流控制器的设定电压值(请给出式中各字母的含意)。

具体是：将步骤2)得到的基准潮流控制器的反下垂系数和输出功率作为输入信号，输入到交直流混合微网的其他从属潮流控制器中，将基准潮流控制器的额定容量与输出功率相减，差值与基准潮流控制器的反下垂系数相乘，得到信号1。而基准潮流控制器的输出功率先与从属潮流控制器的额定功率的从属潮流控制器的输出电阻相乘，再与基准潮流控制器的额定功率相除之后，同基准潮流控制器的输出功率与从属潮流控制器的输出阻抗的乘积做差，差值再与空载电压相乘，得到信号2。将信号1与信号2相加得信号3。从属潮流控制器的额定容量与输出功率信号相减，差值做分母，与信号3相除，所得信号就是从属控制器得反下垂系数。使用得到的反下垂控制信号，进行反下垂控制。

交直流混合微网在功率波动时，在基准潮流控制器的带动和从属潮流控制器的配合下，交直流混合微网的潮流控制器不断的调整相应的反下垂系数。最终达到稳定各潮流控制器输出电压的同时，潮流控制器可以按照相应额定容量的百分比进行功率分配的目的。

本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，在交直流混合微网线路电阻大于电抗的情况下，采用反下垂控制，利用潮流控制器中有功和电压的关系，在保证基准潮流控制器输出电压稳定在设定电压的情况下，使各潮流控制器按照额定容量的百分比进行功率的精确分配。计算反下垂系数公式的推导过程如下：

为了实现潮流控制器能够按照额定容量进行功率分配，各从属潮流控制器的输出有功功率需满足：

式中，P_i表示第i台从属潮流控制器按照额定容量比实际输出的有功功率，P所有潮流控制器的实际输出有功功率的总和，P_refi表示第i台潮流控制器的额定有功功率

基准潮流控制器的输出有功功率需满足：

式中，P₁表示基准潮流控制器按照额定容量比实际输出的有功功率，P_ref1表示基准潮流控制器的额定有功功率。

联立公式(1)和(2)，可得：

再根据传统的反下垂关系式：

E₁-E_ref＝k_p1(P_ref1-P₁) (4)

E_i-E_ref＝k_pi(P_refi-P_i) (5)

式中，k_p1表示基准潮流控制器的反下垂系数，P_ref1表示基准潮流控制器的额定有功功率值，P₁表示基准潮流控制器实际输出的有功功率值，E₁表示基准潮流控制器的输出电压值，k_pi表示第i台从属潮流控制器的反下垂系数，P_refi表示第i台潮流控制器的额定有功功率值，E_i表示从属潮流控制器的输出电压值，E_ref表示潮流控制器的设定电压值。

上式为潮流控制器输出有功功率与输出电压的关系式，式中，R_i表示第i台潮流控制器与交流母线之间的线路电阻值，U₀表示交流母线的电压值。因为E_i与E_ref的值差别很小，所以公式进行简化可得：

联立公式(1)、(2)、(4)和(5)，在保证潮流控制器输出有功按额定容量比分配的情况下，可得：

将公式(7)进行整理，可得：

为了确保有功功率分配精度，第i个从属潮流控制器的反下垂系数与基准潮流控制器的反下垂系数的关系应当满足上面的关系式。利用基准潮流控制器的反下垂系数和输出功率，可以得到相应的从属潮流控制器的反下垂系数。所以，第i台潮流控制器只要得到基准潮流控制器的反下垂系数和输出功率，就可以确定本台潮流控制器的反下垂系数，从而确定输出电压，保证有功功率按额定容量比精确分配。

下面给出实例：

本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，应用在交直流混合微网中，在交流母线和直流母线之间，往往存在着一个或者多个潮流控制器，为了交直流混合微网的经济性和可扩建性，各潮流控制器的额定容量可能存在差异。为了验证本发明方法的通用性，考虑最一般的情况，假设各潮流控制器的额定容量均不相同，且到交流母线的线路阻抗也不一致。在这种情况下，使用基于自适应逆反下垂的协调控制方法，通过对各台潮流控制器的设计，使得交直流混合微网在负荷有功功率波动的情况下，基准潮流控制器能在保证输出电压等于电压设定值的同时，所有潮流控制器都能按照额定容量的百分比进行功率的精确分配。

设计一个交直流混合微网，在微网的交流母线和直流母线之间，设计三台潮流控制器，三台潮流控制器的额定容量不同，输出端到交流母线侧的线路阻抗也不同。考虑交直流混合微网在离网条件下，负荷有功功率先突然上升，再突然下降，使用本发明的潮流控制器的控制方法，观测基准潮流控制器的输出电压和所有潮流控制器的输出有功功率。

在三台潮流控制器中，任意选择一台潮流控制器作为基准潮流控制器，假设选择编号为2的潮流控制器作为基准潮流控制器。将基准潮流控制器的输出电压和设定电压作为输入量，设定电压与输出电压的差值乘以反下垂系数之后就构成了有功功率的差值，有功功率差值在加上初始有功功率，就形成参考(设定)电流，形成的参考(设定)电流经过电流内环控制之后构成输出，基准潮流控制器输出三相交流电。而对于基准潮流控制器中反下垂系数的获取，需要将基准潮流控制器的参考电压作为输入量，经过逆控制之后得到反下垂系数k_p1，使用得到的反下垂系数进行以上控制之后，可以得到基准潮流控制器的实际输出电压，将此电压信号经过滤波器，可以得到反下垂系数k'_p1，将这两个反下垂系数作差，将差值作为自适应算法的输如，自适应算法通过不断计算调整权重系数，从而影响自适应逆控制器的输出信号。在负荷功率波动的情况下，迅速调节反下垂系数，达到基准潮流控制器的输出电压保持在设定电压的目的。

将交直流混合微网中的其它潮流控制器设计为从属潮流控制器，从属控制单元的设计如下：将基准潮流控制器的反下垂系数和输出有功功率作为从属控制单元的输入量，通过反下垂系数公式，计算出从属潮流控制器的反下垂系数。再将从属潮流控制器的输出电压作为输入量，将设定电压和输出电压相减，其差值与反下垂系数相乘之后就得到了有功功率的偏差，偏差值在加上初始有功功率形成电流内环的输入信号，在经过电流内环控制之后构成输出，从而从属潮流控制器输出三相交流电。

为验证本发明的交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法的正确性和可行性，建立交直流混合微网，其中直流母线电压为560V，交流母线的电压等级为380V(线电压)。在交流母线和直流母线之间，安置了三台潮流控制器，其额定容量分别为100KVA、150KVA和50KVA。各台潮流控制器的滤波装置均选择LC滤波器，其中参数分别设计为L＝56mH，C＝50μF。各台潮流控制器到交流母线的线路电阻为0.6Ω，0.48Ω，0.36Ω。线路电感分别为2.04×10^-4H、1.632×10^-4H和1.224×10^-4H。各潮流控制器交流母线的并网点间阻抗分别0.06+j0.0094Ω。仿真在0.5s时再投入30kw的负荷，在1.0s时退出60kw的负荷。观察并分析基准潮流控制器的输出电压和所有潮流控制器的输出有功功率。

图5为三台潮流控制器输出的有功功率，可以看到，在三台潮流控制器的输出有功功率均按照额定容量的百分比进行功率的精确分配，在负荷波动之后，输出有功功率在经过0.22s波动之后，也能够达到功率精确分配的目的。图6为第二台潮流控制器与第一台潮流控制器输出有功功率之比，图7为第三台潮流控制器与第一台潮流控制器输出有功功率之比。从以上两图可以更加有效地验证本发明方法的正确性。图8为潮流控制器2输出电压的有效值，可以看到，输出相电压的峰值都保持在220V附近，而且三台潮流控制器的输出电压基本保持一致，在负荷发生波动的情况下，输出电压也发生了波动，但是在波动0.16s之后，潮流控制器2的输出电压又保持在了设定电压值附近。图9和图10为潮流控制器2分别在0.5s和1.0s时刻的输出电压波形。可以验证，在负荷波动的情况下，基准潮流控制器的输出电压经过波动之后达到之前的设定状态。

由仿真结果可知，应用本发明的方法，在负荷波动的情况下，基准潮流控制器能够在保持输出电压等于电压设定值，而且达到了按照额定容量百分比进行功率的精确分配的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，步骤2)中，采用自适应逆反下垂的控制方法，通过检测基准潮流控制器的输出电压和输出电流信号，通过计算得到相应的有功功率，再将设定电压值与输出电压相减，得到的差值再与通过自适应逆控制器获得的反下垂系数相乘，得到相应的有功功率差值，再依次经过比例积分控制和电流内环控制构成输出，达到基准潮流控制器的输出电压与设定电压值相等。

3.根据权利要求2所述的一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，所述的自适应逆反下垂的控制方法，具体如下：

4.根据权利要求2所述的一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，所述的自适应逆控制器，是由权重系数的抽头延迟线、一个加法器和一个自适应过程所构成的；调节权重系数的输入信号，即调整在延迟线上的各抽头的信号，用一个加法器将每一次的输入信号与对应的权重系数相乘得到的信号相加，再由自适应过程自动搜索权重系数，获得一个使均方误差最小的最优脉冲响应，所述的自适应过程是由自适应算法来调节自适应滤波器的权重系数，以使均方误差最小，滤波器与自适应逆控制器的结构完全相同。

5.根据权利要求4所述的一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，所述的自适应算法是采用最小均方差法，或递归最小二次方算法，或仿射投影算法。

6.根据权利要求1所述的一种交直流混合微网潮流控制器的分散协调控制方法，其特征在于，步骤3)所述的计算出对应的反下垂系数是采用如下公式得到：