CN108448597B - 基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，根据孤岛型微网组成单元及其之间的电力电子特性，得到含有n个并联逆变型微源的等效电路图；分析和得出抑制逆变器之间环流的条件；建立基于分布式协同控制的分层控制架构；实现系统的无缝通信；确定一级控制层分布式微源基于下垂控制的补偿参数；基于分布式一致性算法设计二级控制层即协同控制层的补偿控制器，实现孤岛型微网多逆变器的功率均衡和环流抑制；本发明将多源异构分布式能源之间的相互作用及动态特性的变化从层面抽象到点作为模型化参数建立了孤岛型微网分布式协同控制模型，可实现微网多逆变器功率均分与环流抑制的分布式协同控制。
Description
技术领域
本发明属于电力电子、通信及控制领域，特别涉及一种基于分布 式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法。
背景技术
合理开发利用清洁高效的可再生能源和基于灵活经济的分布式 发电DG(Distributed Generation)的微网技术(Microgrid)是解 决未来世纪能源和环境问题的主要出路。微网作为未来智能电网发展 的重要一环，能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入， 实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是传统电网向智能电网过渡的重要而不可缺少的途径。微网集成了多种可再生能源的输入(光、 风、气等)和多种产品的输出(热、电等)，可以通过配电网与大电 网并联运行，也可以独立地为当地负荷提供电力需求。微网技术的发 展对于调整能源结构、保护环境、解决农村用能及边远地区用电、实现“高端、高效、绿色、特色”的能源建设等均具有重要意义。
对于逆变型微网系统而言，内部动态特性复杂、集成了多种能源 的输入(光、风、氢、天然气等)，并在一定区域内分布部署，运行 模态多，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，可以看做是 一类典型的网络控制系统。并网模式下，微网与大电网相连，因此微 网的动态性能主要由大电网决定；而孤岛模式下，微网必须保证自身 内部的能量供需平衡的同时达到电压和频率平稳的目的，图1展现了 微网系统的孤岛模式下的典型结构。这就必然导致了微网在孤岛模式 运行下的设计、控制、管理等方面都面临了诸多问题：
(1)孤岛运行时，多样化的微电源难以保证快速跟踪微网内负 荷的变化，微网内的电压、频率失去电网的支撑会发生较大的波动， 电能质量下降，严重的会损坏配电设备和用户设备；
(2)由于分布式逆变型微源具有即插即用的灵活性以及电网线 路阻抗的不确定性，导致了电网中各个发电单元的参数的不平衡，从 而会有较大的感性电流环流出现在电源之间，因此必须对系统参数的 变化做出迅速响应。
(3)由于分布式微源种类不同，又分散在各个地方，因此微源 自身的电力电子特性不同，连接线路阻抗不同，传统的下垂控制方法 很难保证负载间的功率均分，逆变器之间会有环流出现，造成系统能 源的浪费，严重影响电能质量。
尽管国内外学者在解决复杂动态微网的多种类分布式能源协同 控制问题中做了很多研究工作，开发了多种控制结构和模式，采用了 很多先进的控制思想和技术，取得了很多有重要意义的研究成果。然 而，为了实现多逆变型微网运行的稳定性，保证电能质量，必须解决 由逆变器间环流造成的电能质量恶化问题。因此，针对微网内部动态 特性复杂，运行结构多变的特性，如何基于分布式能源的分布式控制 实现微网多逆变器的稳定运行和功率均分，抑制系统电流环流的出现 减少能量损失是必须要解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于分布 式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，针对传统的下垂控 制所带来的电压和频率偏差问题以及逆变型微源控制单元参数不平 衡带来的系统间环流而造成的能源浪费和电能质量严重下降的问题， 基于通信的二级协同控制方式，研究了具有多源异构特性的分布式能 源层和协同控制逻辑层的参数化模型关系，将多源异构分布式能源之 间的相互作用及动态特性的变化从层面抽象到点作为模型化参数建 立了孤岛型微网分布式协同控制模型，可实现微网多逆变器功率均分 与环流抑制的分布式协同控制。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，包括 以下步骤：
步骤一：根据孤岛型微网组成单元及其之间的电力电子特性，得 到含有n个并联逆变型微源的等效电路图；
含有n个并联逆变型微源的等效电路图由n个逆变型微源单元、 n个等效线路阻抗和一个公共负载组成，每一个逆变型微源单元包含 有一个主要的发电单元、一个三相逆变器和一个LCL滤波器；其中， Zn表示全等效阻抗，包括第n个逆变型微源单元的阻抗和其到公共 母线的线路阻抗；θn是Zn的等效相角；En是逆变器n的输出电压. φn是逆变器n的功率角；In是逆变器n的输出电流，Upcc为公共母 线电压。
步骤二：分析和得出抑制逆变器之间环流的条件；
当有n个逆变型微源并联运行时，为了保证功率均分和逆变器间 无环流出现，每一个逆变型单元的输出电流应满足下面的式子
对于逆变器n得到下面的式子：
InZn(cosθn+jsinθn)+Upcc＝En(cosφn+jsinφn) (2)
根据dq变换，逆变器n的输出电流In分成两个部分：有功电流 Idn和无功电流Iqn,分别用下面的式子表示：
采用下垂控制技术，加入虚拟电感来解决线路阻抗问题，
θn＝90°，定义逆变型微源单元n的等效输出阻抗Zn∠θn＝Rn+jXn,那么 式子(3)则写成
而在实际系统中功率角φn一般很小,所以有下面的近似 cosφn≈1和sinφn≈φn.那么式子(4)进一步写成
从式子(5)中看出，有功电流Idn可以通过控制功率角φn来控制，无 功电流Iqn可以由逆变器输出电压和公共母线之间的电压差来调节，基 于相角和电压的动态特性以及它们与有功电流和无功电流之间的关 系，进一步得到下面基于电流的下垂控制方程
其中，
是参考频率,
是逆变器n的参考输出电压.
逆变 器n的参考输出有功电流,
是逆变器n的参考输出无功电流.mn和nn分别是二者的下垂系数；Idn是逆变器n输出有功电流的实际 值，Iqn是逆变器n输出无功电流的实际值。
为了保证系统频率跟踪参考值，并同时在逆变型微源单元参数不 一致的情况下实现功率均衡和环流抑制，需要设计控制器去补偿参数 不平衡所带来的电压偏差，以保证每个逆变器的输出电流一样，即式 子(1)需要满足，防止逆变器间环流的发生，从基于电流的下垂控制 特性方程(6)可知，逆变器n的输出电流实际测量值要跟踪参考值， 因此，为了防止环流，方程(6)的参考值应该被设置如下：
其中
是逆变器n的期望输出有功电流
是逆变器n的期望 输出无功电流，期望值取负载电流的平均值，保证每个逆变器的输出 电流一样，Id_load是负载总的有功电流，Iq_load是负载总的无功电流。 实际情况中，n个逆变器的有功电流和无功电流还满足下面的式子：
所以，为了实现电流均分，达到功率均衡和环流抑制的目的，需 要设计相应的二级控制器，保证每个逆变器的输出电流的测量值跟踪 期望值，如下式所示
步骤三：根据上述 步骤所做的逆变器之间的环流分析以及实现控制目标需要满足的条 件，建立基于分布式协同控制的分层控制架构，该控制架构内部除了 物理连接之外还加入了通信连接，各个模块之间有信息传输和交换， 分层控制架构可以有效保证功率均衡和环流抑制。所述的分层控制架 构包含两级控制，第一级是基于下垂控制特性的逆变器控制单元，包 含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流的下垂控制 器、电压和电流双闭环控制回路，属于一级控制层；第二级控制是基 于一致性算法的补偿控制器，属于协同控制层。
步骤四：建立基于消息框架的交互式复合通信机制，实现系统的 无缝通信。
分层控制模式的实现需要借助底层微源控制层和二级控制层之 间的通信联系,建立微网系统对象之间相互可识别的数据结构即消息 体，每个微源将自身传感器采集到的每个采样点的瞬时电压、瞬时电 流和瞬时频率封装成独立的消息体，将其作为数据包通过通信线路传 送到和其相连的微源的控制单元，每个微源控制单元接收到其它微源 的信息后，根据平均值调整自身的输出，实现微源和微源之间的无缝 通信。
步骤五：针对上述建立的基于分布式通信的分层控制架构，确定 一级控制层分布式微源基于下垂控制的补偿参数；
两级分层控制架构中的第一级是基于下垂控制特性的逆变器控 制单元，包含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流 的下垂控制器、电压和电流双闭环控制回路，逆变器的输出经过一个 LCL滤波器防止高频干扰，为了准确的达到功率均衡和实现逆变器之 间的环流抑制，采用基于电流的下垂控制器，因此，这里用电流测量 单元取代了传统的功率测量单元将测量值转换为dq坐标系的值，电 流测量单元的输出发送到基于电流的下垂控制器中，下垂控制器的输 出被作为电压和电流双闭环控制器的参考值。
步骤六：根据一级控制层的电力电子输出特性，基于分布式一致 性算法设计二级控制层即协同控制层的补偿控制器，实现孤岛型微网 多逆变器的功率均衡和环流抑制。
所述的一致性算法的特性，对于每一个逆变型微源的任何一个关 心的参数变量，都能够通过一致性算法使各个逆变型微源某一参数的 值最终保持一致，通过不断的采集周围相邻个体的参数信息，根据自 身参数值和相邻个体参数值的差，不断调节自身值，最终使自身值和 周围个体的参数值操持一致，式子(10)是该算法的基本描述
其中xi(t)和xj(t)分别是逆变型微源单元i和逆变型微源单元j所 关心的变量，j∈{1,Kn}代表了和逆变型微源单元i连接的所有微源，aij是加权变量，用来表示系统中各个单元不同的分量，由于各个微源分 量一样，因此有aij＝aji＝1,i,j∈{1,Kn}。
采用基于上述一致性算法的分布式协同控制策略补偿由一级控 制中基于电流的下垂控制所导致的逆变器电压和频率的跟踪偏差，定 义二级控制层的控制输出即作为一级控制层的控制输入为 
这个控制量将作用到一级控制层，因此，加入补偿控制 量后，可以将基于电流的下垂控制方程进一步改进为：
其中
和
分别是一级控制中频率和电压偏差的补偿值，mn和nn分别是二者的下垂系数。基于上述由式子(10)表示的一致性算法 的原理，以及电压和电流之间的关系，可以将
和
的设计方法表 述成下面的式子
其中
和
是相应的控制器增益ΔIdn和ΔIqn分别是经过通信机 制得到的有功电流的输出偏差和无功电流的输出偏差，此偏差是本地 逆变器n的输出电流和与其相连逆变器电流的偏差，如下式所示
当基于一致性算法的分布式协同控制器工作时，逆变器n的有功 电流输出偏差ΔIdn和无功电流输出偏差ΔIqn将会趋近与0，即 ΔIdn＝ΔIqj＝0和ΔIqn＝ΔIqj＝0无偏差发生。在这个趋于一致性的过程中， 二级补偿控制器的输出
和
连续不断的帮助基于下垂控制的一 级控制层抑制环流最终当
和
时完成了精确的功率分配和环 流抑制。
本发明围绕如何确保多种类分布式能源在具有规模高扩展需求 的结构灵活的复杂动态微网环境中快速感知、快速适应、快速协调以 实现孤岛型微网系统的稳定运行从而保证电能质量与可靠性的问题 进行研究，基于分布式协同一致性控制技术研究孤岛型微网多逆变器 功率均衡与环流抑制的控制结构和策略。针对微网这类内部动态特性 复杂多变且对外需保持一致性的矛盾有机体，建立基于分布式协同控 制的分层控制结构，给出微网这类复杂动态环境下分布式异质多微源 快速协同控制的共性问题的分析方法；建立基于消息框架的信控分离 的交互式通信机制，为复杂系统提供快速感知动态性能变化及数据同 步透明化的通道；建立具有多源异构特性的分布式能源层和协同控制 逻辑层的参数化关系模型，基于下垂控制和分布式协同控制建立微网 多逆变器功率均衡与环流抑制的控制方法，为复杂系统分布式协同控 制问题的研究奠定理论基础。
本发明将先进控制理论和方法、信息与通信技术以及复杂网络控 制理论引入到微网的电力电子系统中，从通信的角度解决分布式能源 的协同控制问题，从控制的角度解决微电源之间的分布式协同工作问 题。通过研究模块化的微网层结构体和即插即用的微源体，基于分布 式网络系统的信控分离的复合通信模式，建立微网这类内部动态特性 复杂多变但对外需保持一致性的矛盾有机系统的交互式分层控制结 构，为探索微网这类复杂动态环境下分布式协同控制的共性问题奠定 了理论基础。为了解决传统的下垂控制所带来的电压和频率偏差问 题，基于通信的二级协同控制方式，提出可实现微网多逆变器功率均 分与环流抑制的基于一致性算法的分布式协同控制策略，研究具有多 源异构特性的分布式能源层和协同控制逻辑层的参数化模型关系，将 多源异构分布式能源之间的相互作用及动态特性的变化从层面抽象 到点作为模型化参数建立孤岛型微网分布式协同控制模型，建立可实 现微网多逆变器功率均分与环流抑制的分布式协同控制策略和方法。
附图说明
图1是孤岛型微网系统的典型结构图。
图2是包含n个逆变型微源的孤岛型微网等效电路图。
图3是逆变器n基于电流的下垂控制特性，图3a是有功电流和 频率的动态关系图，图3b是无功功率和电压的动态关系图。
图4是基于分布式协同控制的微网分层控制架构。
图5是带有补偿控制策略的逆变型微源的一级控制结构。
图6是基于一致性算法的分布式协同控制策略控制结构。
图7是线路阻抗相同时的仿真结果，图7a是逆变器1的输出电 压；图7b是逆变器2的输出电压；图7c是逆变器1的输出电流；图 7d是逆变器2的输出电流；图7e是逆变器间环流。
图8是线路阻抗不同且无协同控制策略加入时的仿真结果，图 8a是逆变器1的输出电压；图8b是逆变器2的输出电压；图8c是逆 变器1的输出电流；图8d是逆变器2的输出电流；图8e是逆变器 间环流。
图9是线路阻抗不同且加入协同控制策略加入时的仿真结果。 图9a是逆变器1的输出电压；图9b是逆变器2的输出电压；图9c 是逆变器1的输出电流；图9d是逆变器2的输出电流；图9e是逆变 器间环流；图9f是比例放大后的逆变器间环流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，包括 以下步骤：
步骤一：根据孤岛型微网组成单元及其之间的电力电子特性，得 到含有n个并联逆变型微源的等效电路图；
如图2所示，含有n个并联逆变型微源的等效电路图由n个逆变 型微源单元、n个等效线路阻抗和一个公共负载组成，每一个逆变型 微源单元包含有一个主要的发电单元、一个三相逆变器和一个LCL 滤波器；其中，Zn表示全等效阻抗，包括第n个逆变型微源单元的阻抗和其到公共母线的线路阻抗；θn是Zn的等效相角；En是逆变 器n的输出电压.φn是逆变器n的功率角；In是逆变器n的输出电 流，Upcc为公共母线电压。
步骤二：分析和得出抑制逆变器之间环流的条件；
当有n个逆变型微源并联运行时，理想的运行状态是保证负载功 率均分，避免逆变器之间有环流出现，即当各微源容量相同时出力相 同，容量不同时按比例出力，这样可以保证功率均分，逆变器间无环 流出现，电能不会消耗在逆变器之间。然而实际情况是逆变型微源分 散在不同的地方，离公共母线的距离不同，导致线路阻抗不同，因此 为了解决由各逆变型单元参数不平衡导致的环流问题，为了保证功率 均分和逆变器间无环流出现，每一个逆变型单元的输出电流应满足下 面的式子
根据图2的电路图以及各元件的电力电子特性，对于逆变器n有 下面的式子：
InZn(cosθn+jsinθn)+Upcc＝En(cosφn+jsinφn) (2)
根据dq变换，逆变器n的输出电流In分成两个部分：有功电流 和无功电流,分别用下面的式子表示：
对于一个典型的低电压微网，线路阻抗主要是阻性的。而传统的 下垂控制技术主要用于阻抗呈感性的线路中。所以为了采用下垂控制 技术，加入虚拟电感来解决线路阻抗问题，加入之后在此情况下，电 阻可以被忽略并且θn＝90°.定义逆变型微源单元n的等效输出阻抗 Zn∠θn＝Rn+jXn,那么式子(3)则写成
而在实际系统中功率角φn一般很小,所以有下面的近似 cosφn≈1和sinφn≈φn.那么式子(4)进一步写成
从式子(5)中看出，有功电流Idn可以通过控制功率角φn来控制，无 功电流Iqn可以由逆变器输出电压和公共母线之间的电压差来调节。换 言之，有功电流和无功电流的均分可以通过下垂控制调节逆变器的输 出频率和电压来实现。那么，基于相角和电压的动态特性以及它们与 有功电流和无功电流之间的关系，进一步得到下面基于电流的下垂控 制方程
其中，
是参考频率,
是逆变器n的参考输出电压.
逆变 器n的参考输出有功电流,
是逆变器n的参考输出无功电流.mn和nn分别是二者的下垂系数；Idn是逆变器n输出有功电流的实际 值，Iqn是逆变器n输出无功电流的实际值。图3显示了逆变器n的 基于电流的下垂控制特性。
为了保证系统频率跟踪参考值，并同时在逆变型微源单元参数不 一致的情况下实现功率均衡和环流抑制，需要设计控制器去补偿参数 不平衡所带来的电压偏差，以保证每个逆变器的输出电流一样，即式 子(1)需要满足，防止逆变器间环流的发生，从基于电流的下垂控制 特性方程(6)可知，逆变器n的输出电流实际测量值要跟踪参考值， 因此，为了防止环流，方程(6)的参考值应该被设置如下：
其中
是逆变器n的期望输出有功电流
是逆变器n的期望 输出无功电流，期望值取负载电流的平均值，保证每个逆变器的输出 电流一样，Id_load是负载总的有功电流，Iq_load是负载总的无功电流。 实际情况中，n个逆变器的有功电流和无功电流还满足下面的式子：
所以，为了实现电流均分，达到功率均衡和环流抑制的目的，需 要设计相应的二级控制器，保证每个逆变器的输出电流的测量值跟踪 期望值，如下式所示
步骤三：根据上述 步骤所做的逆变器之间的环流分析以及实现控制目标需要满足的条 件，建立基于分布式协同控制的分层控制架构，以设计二级控制器补 偿每个逆变器电力电子一级控制产生的偏差，所设计的分层控制架构 如图4所示。该控制架构与传统的微网控制架构相比，系统内部除了 物理连接之外还加入了通信连接，各个模块之间有信息传输和交换。 传统的微网逆变型微源的控制主要依赖于每个逆变器的下垂控制特 性进行，逆变器之间没有信息传输，因此系统对参数变化及系统暂态 发生响应慢，并有跟踪偏差。本发明所设计的基于通信连接的分层控 制架构可以有效的补偿这个缺陷，基于此架构设计分布式补偿控制器 来保证功率均衡和环流抑制。所述的分层控制架构包含两级控制，第 一级是基于下垂控制特性的逆变器控制单元，包含dc/ac逆变器、LCL 滤波器、电流测量单元、基于电流的下垂控制器、电压和电流双闭环 控制回路，属于一级控制层；第二级控制是基于一致性算法的补偿控 制器，属于协同控制层。
步骤四：建立基于消息框架的交互式复合通信机制，实现系统的 无缝通信。
分层控制模式的实现需要借助底层微源控制层和二级控制层之 间的通信联系,本发明建立微网系统对象之间相互可识别的数据结构 即消息体，每个微源将自身传感器采集到的每个采样点的瞬时电压、 瞬时电流和瞬时频率封装成独立的消息体，将其作为数据包通过通信 线路传送到和其相连的微源的控制单元，每个微源控制单元接收到其 它微源的信息后，根据平均值调整自身的输出，实现微源和微源之间 的无缝通信，即信息的实效性、交互性以及信息接收后能够得到完全 的理解和消化。
步骤五：针对上述建立的基于分布式通信的分层控制架构，确定 一级控制层分布式微源基于下垂控制的补偿参数；
两级分层控制架构中的第一级是基于下垂控制特性的逆变器控 制单元，包含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流 的下垂控制器、电压和电流双闭环控制回路，由图5所示。逆变器的 输出经过一个LCL滤波器防止高频干扰，为了准确的达到功率均衡 和实现逆变器之间的环流抑制，采用本发明上述提出的基于电流的下 垂控制器，因此，这里用电流测量单元取代了传统的功率测量单元将 测量值转换为dq坐标系的值，电流测量单元的输出发送到基于电流 的下垂控制器中，下垂控制器的输出被作为电压和电流双闭环控制器 的参考值。
与传统的下垂控制相比，本发明所设计的下垂控制器新加入了一 个输入信号即下垂控制器的补偿参数，此信号是从二级控制器输出的 补偿信号，具体在步骤六中说明，即图5所示的在协同控制层中补偿 控制器的输出。这个补偿信号可以很好的解决由逆变器单元之间参数 不平衡带来的电压和频率偏差问题。
步骤六：根据一级控制层的电力电子输出特性，基于分布式一致 性算法设计二级控制层即协同控制层的补偿控制器，实现孤岛型微网 多逆变器的功率均衡和环流抑制。
所述的一致性算法的特性，对于每一个逆变型微源的任何一个关 心的参数变量，都能够通过一致性算法使各个逆变型微源某一参数的 值最终保持一致，一致性算法是一种分布式算法，通过不断的采集周 围相邻个体的参数信息，根据自身参数值和相邻个体参数值的差，不 断调节自身值，最终使自身值和周围个体的参数值操持一致，式子(10 是该算法的基本描述
其中xi(t)和xj(t)分别是逆变型微源单元i和逆变型微源单元j所 关心的变量。j∈{1,Kn}代表了和逆变型微源单元i连接的所有微源. aij是加权变量，用来表示系统中各个单元不同的分量，由于各个微源 分量一样，因此有aij＝aji＝1,i,j∈{1,Kn}。
采用基于上述一致性算法的分布式协同控制策略补偿由一级控 制中基于电流的下垂控制所导致的逆变器电压和频率的跟踪偏差，定 义二级控制层的控制输出即作为一级控制层的控制输入为
其中
和
分别是一级控制中频率和电压偏差的补偿值，mn和nn分别是二者的下垂系数，基于上述由式子(10)表示的一致性算法 的原理，以及电压和电流之间的关系，可以将
和
的设计方法表 述成下面的式子
其中
和
是相应的控制器增益ΔIdn和ΔIqn分别是经过通信机 制得到的有功电流的输出偏差和无功电流的输出偏差，此偏差是本地 逆变器n的输出电流和与其相连逆变器电流的偏差，如下式所示
当基于一致性算法的分布式协同控制器工作时，逆变器n的有功 电流输出偏差ΔIdn和无功电流输出偏差ΔIqn将会趋近与0，即 ΔIdn＝ΔIqj＝0和ΔIqn＝ΔIqj＝0无偏差发生。在这个趋于一致性的过程中， 二级补偿控制器的输出
和
连续不断的帮助基于下垂控制的一 级控制层抑制环流最终当
和
时完成了精确的功率分配和环 流抑制.图6是本发明所提出的基于一致性算法的分布式协同控制策 略的控制结构图。
针对孤岛型微网多逆变器并联运行模式基于本发明所设计的基 于分布式协同控制的微网多逆变器功率均衡和环流抑制策略的有效 性，我们在MATLAB/SIMULINK中搭建微网系统，验证当孤岛型微 网多逆变器并联运行时采用所设计的分布式协同控制器保证微网多 逆变器功率均衡和环流抑制的控制器性能的有效性。
本发明复杂动态微网环境中快速感知、快速适应、快速协调以 实现孤岛型微网系统的稳定运行从而保证电能质量与可靠性的问题 进行研究，基于分布式协同控制技术研究孤岛型微网多逆变器功率均 衡与环流抑制的控制结构和方法。针对微网这类内部动态特性复杂多 变且对外需保持一致性的矛盾有机体，建立基于分布式协同控制的分 层控制结构，给出微网这类复杂动态环境下分布式异质多微源快速协 同控制的共性问题的分析方法；建立基于消息框架的信控分离的交互 式通信机制，为复杂系统提供快速感知动态性能变化及数据同步透明 化的通道；建立具有多源异构特性的分布式能源层和协同控制逻辑层 的参数化关系模型，设计基于下垂控制和分布式协同控制建立微网多 逆变器功率均衡与环流抑制的控制方法，解决孤岛型微网多逆变器并 联的功率均衡和环流抑制问题。
实施例一
下面我们将本发明所设计的控制策略应用到孤岛型微网中进行 实施和操作过程的具体说明，并通过将加入本发明的控制策略和未加 入本发明控制策略的运行结果加以对比，验证本发明的有效性。测试 系统包括两个并联的逆变型微源，具体参数如下表所示：
表1逆变器参数表
情况1：逆变器线路阻抗相同
在这种情况下，设置两个并联逆变器的线路阻抗相同，相应的线 路阻抗参数为R＝1ohm and L＝6mH.公共负载Zload为20ohm.为了 计算简单,我们用IH＝I1-I2检测逆变器之间的环流,图7显示了仿真结 果，分别是逆变器的输出电压、输出电流和逆变器之间的环流轨迹。 从图7中可以看出，输出电压U1和U2的值都为220V,而逆变器 1和逆变器2之间的环流IH为0.这个结果与期望值一致。
情况2：线路阻抗不同无协同控制策略加入
在实际情况中，由于微网中的微源被放在不同的地方，因此，逆 变器到公共母线的线路阻抗不同，所以在这种情况下，我们对逆变器 1和逆变器2取不同的线路阻抗，对于逆变器1，设置其参数为R＝1ohm 和L＝6mH.对于逆变器2，设置其参数为R＝2ohm和L＝10mH.这 种情况下，我们不加入所设计的协同控制策略，图8显示了仿真结果， 分别是逆变器的输出电压、输出电流和逆变器之间的环流轨迹。我们 可以看出逆变器1和逆变器2的输出不同，两个逆变器之间的环流为2.88安。大的环流将造成电能损耗，质量下降，无法完成负载间的功 率均分。
情况3：
在这个情况下，我们将本发明所设计的基于一致性算法的分布式 协同控制策略应用到系统中，逆变器1和逆变器2的线路参数和情况 2一样，在这个情况下，我们将逆变器1的运行时间设置为从t＝0s to t＝0.1s,而将逆变器2的运行时间设置为从t＝0.04s tot＝0.08s.图9显 示了仿真结果，分别是逆变器的输出电压、输出电流和逆变器之间的 环流轨迹。从仿真结果可以看出，本发明所设计的控制策略可以很有 效的抑制由于线路阻抗不同引起的逆变器间环流，验证了本发明的有 效性。
Claims (3)
1.基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据孤岛型微网组成单元及其之间的电力电子特性，得到含有n个并联逆变型微源的等效电路图；
步骤二：分析和得出抑制逆变器之间环流的条件；
步骤三：根据上述步骤所做的逆变器之间的环流分析以及实现控制目标需要满足的条件，建立基于分布式协同控制的分层控制架构；
步骤四：建立基于消息框架的交互式复合通信机制，实现系统的无缝通信；
步骤五：针对上述建立的基于分布式通信的分层控制架构，确定一级控制层分布式微源基于下垂控制的补偿参数；
步骤六：根据一级控制层的电力电子输出特性，基于分布式一致性算法设计二级控制层即协同控制层的补偿控制器，实现孤岛型微网多逆变器的功率均衡和环流抑制；
步骤一所述的n个并联逆变型微源的等效电路图由n个逆变型微源单元、n个等效线路阻抗和一个公共负载组成，每一个逆变型微源单元包含有一个主要的发电单元、一个三相逆变器和一个LCL滤波器；其中，Zn表示全等效阻抗，包括第n个逆变型微源单元的阻抗和其到公共母线的线路阻抗；θn是Zn的等效相角；En是逆变器n的输出电压.φn是逆变器n的功率角；In是逆变器n的输出电流，Upcc为公共母线电压；
步骤二的分析和得出抑制逆变器之间环流的条件具体为：
当有n个逆变型微源并联运行时，为了保证功率均分和逆变器间无环流出现，每一个逆变型单元的输出电流应满足下面的式子
对于逆变器n得到下面的式子：
InZn(cosθn+jsinθn)+Upcc＝En(cosφn+jsinφn) (2)
根据dq变换，逆变器n的输出电流In分成两个部分：有功电流Idn和无功电流Iqn,分别用下面的式子表示：
采用下垂控制技术，加入虚拟电感来解决线路阻抗问题，θn＝90°，定义逆变型微源单元n的等效输出阻抗Zn∠θn＝Rn+jXn,那么式子(3)则写成
而在实际系统中功率角φn一般很小,所以有下面的近似cosφn≈1和sinφn≈φn.那么式子(4)进一步写成
从式子(5)中看出，有功电流Idn通过控制功率角φn来控制，无功电流Iqn由逆变器输出电压和公共母线之间的电压差来调节，基于相角和电压的动态特性以及它们与有功电流和无功电流之间的关系，进一步得到下面基于电流的下垂控制方程
其中，
是参考频率,
是逆变器n的参考输出电压.
逆变器n的参考输出有功电流,
是逆变器n的参考输出无功电流.mn和nn分别是二者的下垂系数；Idn是逆变器n输出有功电流的实际值，Iqn是逆变器n输出无功电流的实际值；
为了保证系统频率跟踪参考值，并同时在逆变型微源单元参数不一致的情况下实现功率均衡和环流抑制，需要设计控制器去补偿参数不平衡所带来的电压偏差，以保证每个逆变器的输出电流一样，即式子(1)需要满足，防止逆变器间环流的发生，从基于电流的下垂控制特性方程(6)可知，逆变器n的输出电流实际测量值要跟踪参考值，因此，为了防止环流，方程(6)的参考值应该被设置如下：
其中
是逆变器n的参考输出有功电流
是逆变器n的参考输出无功电流，期望值取负载电流的平均值，保证每个逆变器的输出电流一样，Id_load是负载总的有功电流，Iq_load是负载总的无功电流；实际情况中，n个逆变器的有功电流和无功电流还满足下面的式子：
所以，为了实现电流均分，达到功率均衡和环流抑制的目的，需要设计相应的二级控制器，保证每个逆变器的输出电流的测量值跟踪期望值，如下式所示
步骤五具体为：两级分层控制架构中的第一级是基于下垂控制特性的逆变器控制单元，包含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流的下垂控制器、电压和电流双闭环控制回路，逆变器的输出经过一个LCL滤波器防止高频干扰，为了准确的达到功率均衡和实现逆变器之间的环流抑制，采用基于电流的下垂控制器，因此，这里用电流测量单元取代了传统的功率测量单元将测量值转换为dq坐标系的值，电流测量单元的输出发送到基于电流的下垂控制器中，下垂控制器的输出被作为电压和电流双闭环控制器的参考值；
步骤六所述的一致性算法的特性，对于每一个逆变型微源的任何一个关心的参数变量，都能够通过一致性算法使各个逆变型微源某一参数的值最终保持一致，通过不断的采集周围相邻个体的参数信息，根据自身参数值和相邻个体参数值的差，不断调节自身值，最终使自身值和周围个体的参数值操持一致，式子(10)是该算法的基本描述
其中xi(t)和xj(t)分别是逆变型微源单元i和逆变型微源单元j所关心的变量，j∈{1,Kn}代表了和逆变型微源单元i连接的所有微源，aij是加权变量，用来表示系统中各个单元不同的分量，由于各个微源分量一样，因此有aij＝aji＝1,i,j∈{1,Kn}；
采用基于上述一致性算法的分布式协同控制策略补偿由一级控制中基于电流的下垂控制所导致的逆变器电压和频率的跟踪偏差，定义二级控制层的控制输出即作为一级控制层的控制输入为
这个控制量将作用到一级控制层，因此，加入补偿控制量后，将基于电流的下垂控制方程进一步改进为：
其中
和
分别是一级控制中频率和电压偏差的补偿值，mn和nn分别是二者的下垂系数；基于上述由式子(10)表示的一致性算法的原理，以及电压和电流之间的关系，将
和
的设计方法表述成下面的式子
其中
和
是相应的控制器增益ΔIdn和ΔIqn分别是经过通信机制得到的有功电流的输出偏差和无功电流的输出偏差，此偏差是本地逆变器n的输出电流和与其相连逆变器电流的偏差，如下式所示
当基于一致性算法的分布式协同控制器工作时，逆变器n的有功电流输出偏差ΔIdn和无功电流输出偏差ΔIqn将会趋近与0，即ΔIdn＝ΔIqj＝0和ΔIqn＝ΔIqj＝0无偏差发生；在这个趋于一致性的过程中，二级补偿控制器的输出
和
连续不断的帮助基于下垂控制的一级控制层抑制环流最终当
和
时完成了精确的功率分配和环流抑制。
2.根据权利要求1所述的基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，其特征在于，步骤三所述的分层控制架构内部除了物理连接之外还加入了通信连接，各个模块之间有信息传输和交换，分层控制架构有效保证功率均衡和环流抑制；所述的分层控制架构包含两级控制，第一级是基于下垂控制特性的逆变器控制单元，包含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流的下垂控制器、电压和电流双闭环控制回路，属于一级控制层；第二级控制是基于一致性算法的补偿控制器，属于协同控制层。
3.根据权利要求1所述的基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，其特征在于，步骤四具体为：分层控制模式的实现需要借助底层微源控制层和二级控制层之间的通信联系,建立微网系统对象之间相互可识别的数据结构即消息体，每个微源将自身传感器采集到的每个采样点的瞬时电压、瞬时电流和瞬时频率封装成独立的消息体，将其作为数据包通过通信线路传送到和其相连的微源的控制单元，每个微源控制单元接收到其它微源的信息后，根据平均值调整自身的输出，实现微源和微源之间的无缝通信。
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