CN108494017B - 一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法 - Google Patents

一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，包括以下步骤：当微电网系统未达到供需平衡时，利用下垂控制作为一次控制来调节各逆变器发电量的值，直至达到供需平衡；当微电网系统达到供需平衡后，采用分布式二次控制方法来调节微电网频率，通过调整逆变器的电压相位角来消除频率偏差。本发明无需改变预先设计的控制参数，仅根据本地结点和相邻结点之间的信息交换就可使得所有的逆变器达成动态一致，实现供需平衡，同时确保将微电网频率恢复至常用的参考值附近，可提升系统的可靠性和鲁棒性。

Description

一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法
技术领域
本发明涉及智能电网控制领域，尤其是一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法。
背景技术
微电网通常是指由分布式电源、负载和储能系统等所形成的小型中低压电力系统，越来越多的可再生能源的分布式电源已被整合到微电网系统中，与传统电网相比，微电网不仅对环境更加友好，而且能够利用分散的资源为边远地区和农村地区提供电力，达到因地制宜的目的，降低了建设运行成本。目前的微电网系统一般通过改变预先设计的控制参数来实现逆变器的动态调节，由于系统参数的修改需要较大的工作量，且参数的临时修改可能会造成系统的自适应性降低，因此在实际中采用这种方法实施调节控制的稳定性不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，无需改变预先设计的控制参数，仅根据本地结点和相邻结点之间的信息交换就可使得所有的逆变器达成动态一致，实现供需平衡。
为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，包括以下步骤：
S1、当微电网系统未达到供需平衡时，利用下垂控制作为一次控制来调节各逆变器发电量的值，直至该值满足系统稳态方程式①，从而达到供需平衡：
ΔPi(t)＝Pgi(t)-Pli(t)-Pi out(t)＝0①
其中，ΔPi(t)表示第i个结点上的供需不匹配值，Pgi(t)表示第i个结点上的发电量，Pli(t)表示第i个结点上的负载需求，Pi out(t)表示第i个结点净流出的有功功率；
在调节过程中的下垂控制调节方程式为：
Figure BDA0001593817620000021
其中，
Figure BDA0001593817620000022
表示第i个逆变器的发电量的变化率，ki表示基于收敛速度和稳定性的调整系数且ki>0，Vi和θi(t)分别表示第i个逆变器的电压幅度和电压相位角,Ni表示第i个逆变器的相邻逆变器的索引集合；Xij表示结点i和结点j之间的传输线阻抗。
S2、当微电网系统达到供需平衡后，采用分布式二次控制方法来调节微电网频率，通过调整第i个逆变器的电压相位角来消除频率偏差，分布式二次频率控制方程为：
Figure BDA0001593817620000023
其中，hi表示第i个逆变器的虚拟惯性，hi>0；wi(t)表示外部控制信号。
进一步，在系统稳态方程式①中，第i个结点净流出的有功功率Pi out(t)由下式确定：
Figure BDA0001593817620000031
进一步，在分布式二次频率控制方程③中，采用分布式PID控制器输出外部控制信号wi(t)，得到由下式所确定的外部控制信号wi(t)：
Figure BDA0001593817620000032
其中
Figure BDA0001593817620000033
表示第i个逆变器的最大发电容量，ui(t)表示第i个逆变器的负载需求和净流出有功功率的总和，即如下式所示：
Figure BDA0001593817620000034
lij表示拉普拉斯矩阵L的第i行第j列的元素；α、β和γ分别表示分布式PID控制器中的比例项、积分项和微分项的系数。
进一步，在⑤式中，所述的拉普拉斯矩阵L的项元素为：
Figure BDA0001593817620000035
本发明的有益效果是：本发明利用下垂控制使系统达到稳态，实际上是利用各逆变器的发电量的改变来实现的，而各逆变器的发电量变化率是基于本地结点与相邻结点间的索引来实现控制的，而无需改变预先设计的控制参数，也就是说，仅根据本地结点和相邻结点之间的信息交换就可使得所有的逆变器达成动态一致，实现供需平衡；同时利用分布式二次控制方法来实现微电网频率偏差的消除，确保将微电网频率恢复至常用的参考值附近，从而提升系统的可靠性和鲁棒性。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的步骤流程图；
图2为本发明的系统拓扑示意图；
图3为本发明在负载扰动下各逆变器的发电量的收敛图。
图4为本发明在负载扰动下各逆变器的相位角的收敛图。
图5为本发明在负载扰动下各逆变器的频率偏差的变化图。
图6为本发明在负载扰动下系统供需不平衡随时间的变化图。
图7为本发明在传输线路故障下各逆变器的发电量的收敛图。
图8为本发明在传输线路故障下各逆变器的相位角的收敛图。
图9为本发明在传输线路故障下各逆变器的频率偏差的变化图。
图10为本发明在传输线路故障下两个子系统供需不平衡随时间的变化图。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明的一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，包括以下步骤：
S1、当微电网系统未达到供需平衡时，利用下垂控制作为一次控制来调节各逆变器发电量的值，直至该值满足系统稳态方程式①，从而达到供需平衡：
ΔPi(t)＝Pgi(t)-Pli(t)-Pi out(t)＝0①
其中，ΔPi(t)表示第i个结点上的供需不匹配值，Pgi(t)表示第i个结点上的发电量，Pli(t)表示第i个结点上的负载需求，Pi out(t)表示第i个结点净流出的有功功率；
在调节过程中的下垂控制调节方程式为：
Figure BDA0001593817620000051
其中，
Figure BDA0001593817620000056
表示第i个逆变器的发电量的变化率，ki表示基于收敛速度和稳定性的调整系数且ki>0，Vi和θi(t)分别表示第i个逆变器的电压幅度和电压相位角,Ni表示第i个逆变器的相邻逆变器的索引集合；Xij表示结点i和结点j之间的传输线阻抗。
S2、当微电网系统达到供需平衡后，采用分布式二次控制方法来调节微电网频率，通过调整第i个逆变器的电压相位角来消除频率偏差，分布式二次频率控制方程为：
Figure BDA0001593817620000052
其中，hi表示第i个逆变器的虚拟惯性，hi>0；wi(t)表示外部控制信号。
进一步，在系统稳态方程式①中，第i个结点净流出的有功功率Pi out(t)由下式确定：
Figure BDA0001593817620000053
进一步，在分布式二次频率控制方程③中，采用分布式PID控制器输出外部控制信号wi(t)，得到由下式所确定的外部控制信号wi(t)：
Figure BDA0001593817620000054
其中
Figure BDA0001593817620000055
表示第i个逆变器的最大发电容量，ui(t)表示第i个逆变器的负载需求和净流出有功功率的总和，即如下式所示：
Figure BDA0001593817620000061
lij表示拉普拉斯矩阵L的第i行第j列的元素；α、β和γ分别表示分布式PID控制器中的比例项、积分项和微分项的系数。
进一步，在⑤式中，所述的拉普拉斯矩阵L的项元素为：
Figure BDA0001593817620000062
具体地，本发明利用下垂控制使系统达到稳态，实际上是利用各逆变器的发电量的改变来实现的，而各逆变器的发电量变化率是基于本地结点与相邻结点间的索引来实现控制的，而无需改变预先设计的控制参数，也就是说，仅根据本地结点和相邻结点之间的信息交换就可使得所有的逆变器达成动态一致，实现供需平衡；同时利用分布式二次控制方法来实现微电网频率偏差的消除，确保将微电网频率恢复至常用的参考值附近，从而提升系统的可靠性和鲁棒性。
下面详细阐述本发明的工作原理，推导出系统方程：
当系统处于稳态时，①式成立，其向量形式可表示为：
ΔP[t]＝Pg[t]-Pl[t]-Pout[t]＝0⑦
其中，ΔP[t]表示供需不匹配值；Pg[t]表示本地结点上逆变器的发电量的向量形式；Pl[t]表示本地结点上的负载需求的向量形式；Pout[t]表示本地结点净流出的有功功率的向量形式。
Pi out(t)由④式确定，其向量形式可表示为：
Pout[t]＝Lθ[t]⑧
其中的L为拉普拉斯矩阵；
对于步骤S1，微电网处于非稳态，一般是由负载扰动或传输线路故障等原因造成的，此时结点上的负载需求Pli、第i个逆变器的电压相位角θi等将发生突变，供需平衡被打破，因此需要恢复供需平衡，采用下垂控制作为初级控制，通过调整各逆变器的发电量来实现:当净流出量Pi out大于0的时候，发电量Pgi(t)将减少；当净流出量Pi out小于0的时候，相应的发电量Pgi(t)将增加，直到本地总线达到供需平衡。
在这过程中，下垂控制调节方程式②的向量形式可以表示为：
Figure BDA0001593817620000074
其中K＝diag[k1,k2,...,kn]。
对于步骤S2，主要通过调节外部控制信号wi(t)来达到消除频率偏差的目的，在本实施例中，优选采用分布式PID控制器来达到目的，具体方程式为⑤式，其向量形式可以表示为：
Figure BDA0001593817620000071
并且
Figure BDA0001593817620000075
式相应的向量形式可表示为：
Figure BDA0001593817620000072
对上述方程进行分析运算，将
Figure BDA0001593817620000076
式代入到⑨式中，可以得到
Figure BDA0001593817620000073
一般情况下，负载需求在短时间内会保持相对恒定，仅会在某一时刻发生突变，所以负载需求可以被建模为阶梯函数，因此Pl[t]的导数为0。
对式
Figure BDA0001593817620000083
两边同时求导，得
Figure BDA0001593817620000081
同时③式的向量形式可表示为：
Figure BDA0001593817620000084
其中，H＝diag[h1,h2,...,hn]。
由⑩式、
Figure BDA0001593817620000085
式和
Figure BDA0001593817620000086
式可得：
Figure BDA0001593817620000087
其中In＝diag[1,1,...,1]T。
将
Figure BDA0001593817620000088
式代入
Figure BDA0001593817620000089
式中，可以得到
Figure BDA00015938176200000810
在实际中，为了确保(H+γL2Q)是一个非奇异矩阵，需要选择合适的参数γ，同时令
Figure BDA00015938176200000811
可以得到系统方程：
Figure BDA0001593817620000082
式
Figure BDA00015938176200000812
即为逆变器的发电量、电压相位角的向量调节方程，通过此方程即可实现供需平衡及频率偏差的消除。
参照图2-图10，为了证明上述结论，本发明利用仿真软件MATLAB进行实验验证。
其中，图2所示的是优选采用的9结点系统拓扑图，具有结点1-9，对应逆变器1-9，本发明的实验验证基于此系统进行，分析了负载扰动和传输线故障所引起的干扰，以及所采用的分布式协调控制算法在其中所起的作用。
图3所示的是负载扰动下各逆变器发电量的收敛图。由图3可以看出，启动系统的时候，需要120s达到稳定状态，在200s的时候，发生负载扰动，系统能够自适应的调整发电量，系统经过40s左右达到平衡。
图4所示的是负载扰动下各逆变器的电压相位角的收敛图。因为功率流动取决于两个结点之间的相位角差，而不是一个结点上的相位角幅度，所以一般情况下，都是以结点1上的电压相位角作为基准，即为0。由图中可以看出，在200s的时候，发生负载扰动，相位角突变，然后在分布式协调控制方法的作用下，结点之间的相位角差基本保持不变。
图5所示的是在负载扰动下各逆变器的频率偏差的变化图。在200s，发生负载扰动时，频率偏差出现扰动，最大偏差为0.08，符合系统要求，其他时间基本保持为0。
图6所示的是在负载扰动下系统的供需不平衡变化图。由图6可以看出，在120s的时候，供需平衡。但是在200s的时候，发生负载扰动，供需失配，分布式协调控制方法启动，系统经过50s左右达到平衡。
其中图7-图10仅分析了在图2所示的拓扑图中，总线5和总线7之间的R5-R7以及总线6和总线9之间的R6-R9发生线路故障的情况，但其它线路发生故障的话，可进行类似的分析，因此不作赘述。由图2可知，R5-R7和R6-R9发生线路故障时，系统会分成两个子系统。一个是由逆变器1、4、5和6组成，另一个是由2、3、7、8和9组成。
图7所示的是在传输线路故障下各逆变器发电量的收敛图。由图7可知，传输线路发生故障，逆变器的发电量会根据供需失配的情况发生变化，在40s时，各逆变器的发电量基本保持稳定。
图8所示的是在传输线路故障下各逆变器相位角的收敛图。由图8可以看出，相位角在40s左右保持稳定。
图9所示的是在传输线路故障下各逆变器的频率偏差变化图。由可知，在传输线故障发生时，频率发生偏差，最大频率偏差为0.08，符合系统要求，其他时间基本为0。
图10所示的是在传输线路故障下两个子系统的供需不平衡随时间的变化图。由图中所示，发生传输线故障时，系统分为两个子系统，供需不平衡，在50s左右，供需不平衡基本为0，系统达到稳定状态。
以上仿真结果表明，在微电网系统发生负载扰动或因传输线路故障改变拓扑结构时，不需要改变预先设计的控制参数，只需依托所设计的分布式协调控制方法，根据相邻结点之间的信息交换，使所有的本地逆变器都能够自适应的调整发电量，以适应负载需求的变化，并且保证频率稳定在参考值附近，提高了微电网系统的可靠性和鲁棒性。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当微电网系统未达到供需平衡时，利用下垂控制作为一次控制来调节各逆变器发电量的值，直至该值满足系统稳态方程式①，从而达到供需平衡：
ΔPi(t)＝Pgi(t)-Pli(t)-Pi out(t)＝0①
其中，ΔPi(t)表示第i个结点上的供需不匹配值，Pgi(t)表示第i个结点上的发电量，Pli(t)表示第i个结点上的负载需求，Pi out(t)表示第i个结点净流出的有功功率；
在调节过程中的下垂控制调节方程式为：
Figure FDA0002367287040000011
其中，
Figure FDA0002367287040000012
表示第i个逆变器的发电量的变化率，ki表示基于收敛速度和稳定性的调整系数且ki>0，vi和θi(t)分别表示第i个逆变器的电压幅度和电压相位角,Ni表示第i个逆变器的相邻逆变器的索引集合；Xij表示结点i和结点j之间的传输线阻抗；
S2、当微电网系统达到供需平衡后，采用分布式二次控制方法来调节微电网频率，通过调整第i个逆变器的电压相位角来消除频率偏差，分布式二次频率控制方程为：
Figure FDA0002367287040000013
其中，hi表示第i个逆变器的虚拟惯性，hi>0；wi(t)表示外部控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，其特征在于，在系统稳态方程式①中，第i个结点净流出的有功功率Pi out(t)由下式确定：
Figure FDA0002367287040000021
3.根据权利要求2所述的一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，其特征在于，在分布式二次频率控制方程③中，采用分布式PID控制器输出外部控制信号wi(t)，得到由下式所确定的外部控制信号wi(t)：
Figure FDA0002367287040000022
其中
Figure FDA0002367287040000023
表示第i个逆变器的最大发电容量，ui(t)表示第i个逆变器的负载需求和净流出有功功率的总和，即如下式所示：
Figure FDA0002367287040000024
lij表示拉普拉斯矩阵L的第i行第j列的元素；α、β和γ分别表示分布式PID控制器中的比例项、积分项和微分项的系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于逆变器的自治型微电网系统分布式协调控制方法，其特征在于，在⑤式中，所述的拉普拉斯矩阵L的项元素为：
Figure FDA0002367287040000025
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