CN107910898A - 一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法 - Google Patents

一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法 Download PDF

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CN107910898A CN201711352235.7A CN201711352235A CN107910898A CN 107910898 A CN107910898 A CN 107910898A CN 201711352235 A CN201711352235 A CN 201711352235A CN 107910898 A CN107910898 A CN 107910898A
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Abstract

本发明涉及供电微电网控制技术领域，具体公开了一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法：获取本地电源的输出电感电流和母线电压,并计算最优潮流电压，获取本地电源的通信出度；获取邻居电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压；对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估计；算出母线参考电压与全局平均母线电压的误差，和全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压的误差，并分别生成控制信号；将控制信号通过下垂控制得到电压控制环的电压设定值，并调节设定值传输。本发明通过算出电压控制环的电压设定值，并调节压控制环的电压至设定值传输，可避免求算导纳矩阵、负荷矩阵，和单点故障，且具有即插即用的特性。

Description

一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法
技术领域
本发明涉及供电微电网控制技术领域，具体公开了一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法。
背景技术
无人艇是一种自动驾驶和执行任务的水面舰艇，艇上搭载了各种传感器和执行模块，可在一定水域范围内进行搜索和营救等复杂任务。无人艇供电微电网作为无人艇执行任务的强力保障，系统的安全性、灵活性和经济性都需得到重视和解决。
微电网是包含分布式电源、储能装置、电力电子设备和本地负荷的小型电力系统，可运行于孤岛和并网模式。相比于传统集中式发电系统，一方面，微电网具有更强的灵活性和安全性；另一方面，微电网中采用的可再生能源发电技术具有污染小和利用率高等优点。
微电网最基本的控制目标之一是将各本地母线电压控制在额定值附近，同时调节全局平均母线电压至母线电压参考值，并以最优潮流传输以减小微电网传输损耗，进而提高微电网的传输效率。然而，传统的集中式最优潮流控制方法需要获取微电网全局信息如负荷矩阵，导纳矩阵等，比较繁杂，且易发生单点故障。
因此，需要一种可避免求算导纳矩阵、负荷矩阵，和单点故障的微电网传输损耗最小化分布式控制方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下方案。
一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，包括：
获取本地供电电源的输出电感电流和母线电压,并计算最优潮流电压，获取本地供电电源的通信出度；
获取邻居供电电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压；
依据获取的最优潮流电压、通信出度、母线电压，对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估计；
算出母线参考电压与全局平均母线电压的误差，和全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压的误差，并分别生成控制信号；
将控制信号通过下垂控制得到电压控制环的电压设定值，并调节电压控制环至电压设定值传输。
进一步地，计算最优潮流电压，获取本地供电电源的通信出度，具体为：
通过电流和电压互感器获取本地供电电源的输出电感电流和母线电压；
依据获取的本地供电电源的输出电感电流、母线电压和电力电子转换器损耗系数，计算本地最优潮流电压：
其中，si表示第i个供电电源的本地最优潮流电压，表示第i个供电电源的本地母线电压，表示第i个供电电源的输出电感电流，ai和bi表示第i个供电电源的电力电子转换器的损耗系数；表示对输出电感电流进行符号函数运算，当时，当时，
识别并获取接收本地供电电源信息的邻居供电电源数目，作为本地供电电源的通信出度
进一步地，通过通信线路接收邻居供电电源发送的信息，以获取邻居供电电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压。
进一步地，其特征在于，依据获取的最优潮流电压、通信出度、母线电压，采用分布式有限时间平均一致性算法，对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估计，具体为：
第i个供电电源运行离散迭代算法：
其中，当第j个供电电源为第i个供电电源邻居时，否则pij＝0；和si(0)均取决于当前采样时刻的采样值；ωi为辅助状态，且其初始状态ωi(0)＝1；
计算迭代值之间的差值：
计算汉克尔矩阵和
计算汉克尔矩阵的核：
令
得：
其中，和分别表示全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压的估计值。
进一步地,算出母线参考电压与全局平均母线电压的误差，和全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压的误差，并分别生成控制信号，具体为：
计算母线电压参考值与全局平均母线电压之间的误差值，并通过PI控制器生成控制信号：
其中，表示生成的控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数，表示母线电压参考值；
计算全局平均最优潮流电压和本地最优潮流电压之间的误差值，并通过PI控制器生成控制信号：
其中，δOPFi表示生成的控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数。
进一步地，将控制信号通过下垂控制得到电压控制环的电压设定值，并调节电压控制环至电压设定值传输，具体为：
将控制信号通过下垂控制得到电压控制环电压设定值：
其中，和分别表示电压设定值和下垂系数；
调节电压控制环至电压设定值传输。
进一步地，无人艇供电微电网各电源均由DC/DC变换器驱动。
进一步地，无人艇供电微电网通信拓扑设计为有向强连通通信网络。
本发明的有益效果：提供一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，通过算出电压控制环的电压设定值，并调节电压控制环的电压至设定值传输，可避免求算导纳矩阵、负荷矩阵，和单点故障，且具有即插即用的特性。
附图说明
图1为本发明实施例的具体流程图。
图2为本发明实施例的流程框图。
图3为本发明实施例的供电微电网物理电路图。
图4为本发明实施例的供电微电网传输线路网络拓扑图。
图5为本发明实施例的供电微电网通信拓扑图。
图6为本发明实施例的本地母线电压波形图。
图7为本发明实施例的全局平均母线电压波形图。
图8为本发明实施例的本地最优潮流电压波形图。
图9为本发明实施例的传输损耗波形图。
图10为本发明实施例的传输效率波形图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，如图1和图2所示，包括：
通过电流和电压互感器，获取本地供电电源的输出电感电流和母线电压,并计算最优潮流电压：
其中，si表示第i个供电电源的本地最优潮流电压，表示第i个供电电源的本地母线电压，表示第i个供电电源的输出电感电流，ai和bi表示第i个供电电源的电力电子转换器的损耗系数；表示对输出电感电流进行符号函数运算，当时，当时，
识别并获取接收本地供电电源信息的邻居供电电源数目，作为本地供电电源的通信出度
由于邻居供电电源自身也会作为本地供电电源，算出通信出度、母线电压和最优潮流电压，并发送至邻居供电电源。因此，通过通信线路接收邻居供电电源发送的信息，便可获取邻居供电电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压。
依据获取的本地和邻居最优潮流电压、通信出度、母线电压，采用分布式有限时间平均一致性算法，对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估算：
第i个供电电源运行离散迭代算法：
其中，当第j个供电电源为第i个供电电源邻居时，否则和si(0)均取决于当前采样时刻的采样值；ωi为辅助状态，且其初始状态ωi(0)＝1；
计算迭代值之间的差值：
计算汉克尔矩阵和
计算汉克尔矩阵的核：
令
得：
其中，和分别表示全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压的估计值。
将算出的全局平均母线电压与母线参考电压(行业标准电压)比较，算出两者之间的误差，并通过PI控制器生成母线电压控制信号：
其中，表示生成的母线电压控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数，表示母线电压参考值；
将算出的全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压作比较，并算出两者之间的误差，并通过PI控制器生成最优潮流电压控制信号：
其中，δOPFi表示生成的最优潮流电压控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数。
将母线电压控制信号和最优潮流电压控制信号通过下垂控制，得到电力电子转换器内部的电压控制环电压设定值：
其中，和分别表示电压设定值和下垂系数；
调节电压控制环至电压设定值，使控制供电系统的全局平均母线电压至母线电压参考值，同时各供电电源的本地最优潮流电压趋于全局平均最优潮流电压，以此使微电网的传输损耗最小化，即微电网的传输效率最大化。
本实施例中，如图3所示，无人艇供电微电网各电源均由DC/DC变换器驱动。
本实施例中，如图4所示，微电网为环形孤岛微电网，包含6个供电电源，且额定电压为48V。其中，表示本地负荷，表示传输线路电阻。微电网中各供电电源不仅为本地负荷供电，还可通过传输线路为其他远程负荷供电。通过采用本发明提出的无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制，微电网的传输损耗可实现最小化，从而使得微电网传输效率实现最大化。
本实施例中，如图5所示，无人艇微电网通信拓扑设计为有向强连通通信网络。
本实施例中，如图6至图10所示，在0-0.1s内，微电网工作于基本模式，即母线电压被控制于额定电压附近，全局平均母线电压被控制于母线电压参考值。在0.1-0.2s内，无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制处于工作状态，而系统的全局平均母线电压仍被控制于母线电压参考值，同时各供电电源的本地最优潮流电压趋于全局平均最优潮流电压，从而使得微电网的传输损耗最小化，即微电网的传输效率最大化。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，包括：
获取本地供电电源的输出电感电流和母线电压,并计算最优潮流电压，获取本地供电电源的通信出度；
获取邻居供电电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压；
依据获取的本地和邻居供电电源的最优潮流电压、通信出度、母线电压，对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估算；
计算出母线参考电压与全局平均母线电压的误差，和全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压的误差，并分别生成控制信号；
将控制信号通过下垂控制得到电压控制环的电压设定值，并调节电压控制环至电压设定值传输。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，计算最优潮流电压，获取本地供电电源的通信出度，具体为：
通过电流和电压互感器获取本地供电电源的输出电感电流和母线电压；
依据获取的本地供电电源的输出电感电流、母线电压和电力电子转换器损耗系数，计算本地最优潮流电压：
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其中，si表示第i个供电电源的本地最优潮流电压，表示第i个供电电源的本地母线电压，表示第i个供电电源的输出电感电流，ai和bi表示第i个供电电源的电力电子转换器的损耗系数；表示对输出电感电流进行符号函数运算，当时，当时，
识别并获取接收本地供电电源信息的邻居供电电源数目，作为本地供电电源的通信出度
3.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，通过通信线路接收邻居供电电源发送的信息，以获取邻居供电电源的通信出度、母线电压和最优潮流电压。
4.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，依据获取的最优潮流电压、通信出度、母线电压，采用分布式有限时间平均一致性算法，对全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压进行估算，具体为：
第i个供电电源运行离散迭代算法：
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其中，当第j个供电电源为第i个供电电源邻居时，否则和si(0)均取决于当前采样时刻的采样值；ωi为辅助状态，且其初始状态ωi(0)＝1；
计算迭代值之间的差值：
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计算汉克尔矩阵和
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计算汉克尔矩阵的核：
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令
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得：
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其中，和分别表示全局平均母线电压和全局平均最优潮流电压的估算值。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于,计算出母线参考电压与全局平均母线电压的误差，和全局平均最优潮流电压与本地最优潮流电压的误差，并分别生成控制信号，具体为：
计算母线电压参考值与全局平均母线电压之间的误差值，并通过PI控制器生成控制信号：
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其中，表示生成的控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数，表示母线电压参考值；
计算全局平均最优潮流电压和本地最优潮流电压之间的误差值，并通过PI控制器生成控制信号：
<mrow> <msub> <mi>&amp;delta;OPF</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>K</mi> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>OPF</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>K</mi> <mi>I</mi> <mrow> <msub> <mi>OPF</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msubsup> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>s</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
其中，δOPFi表示生成的控制信号，和分别表示PI控制器的比例和积分系数。
6.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，将控制信号通过下垂控制得到电压控制环的电压设定值，并调节电压控制环至电压设定值传输，具体为：
将控制信号通过下垂控制得到电压控制环电压设定值：
<mrow> <msubsup> <mover> <mi>v</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;delta;v</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;delta;OPF</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <msub> <mi>i</mi> <msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
其中，和分别表示电压设定值和下垂系数；
调节电压控制环至电压设定值传输。
7.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，无人艇供电微电网各电源均由DC/DC变换器驱动。
8.根据权利要求1所述的一种无人艇供电微电网传输损耗最小化分布式控制方法，其特征在于，无人艇供电微电网通信拓扑设计为有向强连通通信网络。
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