CN108512253A - 基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，该方法包括：步骤1：制定多个储能单元的一致性为控制目标，以便于合理利用多个储能单元并且解决多个储能单元不均匀老化问题；步骤2：为实现步骤1中的控制目标，将多储能单元的充电状态和功率输出率描述成一个二阶的多智能体数学模型；步骤3：根据步骤2中的多智能体数学模型，给每个储能单元设计的分布式控制器以实现步骤1的控制目标；步骤4：给出事件触发机制以减少微电网中心的通讯资源和计算资源；步骤5：引入动态事件触发机制的概念，进一步减少微电网中心的通讯资源和计算资源，并达到提高微电网系统达到一致性的速度，即电能调度速度。

Description

基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制与调度技术领域，尤其涉及一种基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法。

背景技术

微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制等结合，形成一个单一可控的独立供电系统，它采用大量现代电力电子技术，将微型电源和储能设备一起，直接接在用户侧。将分布式电源以微电网形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一。对大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，可在数秒内动作以满足外部输配电网络需求。对用户来说，微电网可满足他们特定需求，如降低馈线损耗、增加本地可靠性、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用效率等。微电网或与配电网互联运行，或独立运行，当配电网出现故障而微电网与其解列时，仍能维持微电网自身正常运行。

由于微电网中分布式资源容量小、数量多、地域分散，若采用传统的集中控制模式，则难以在有限的通信资源和计算资源下实现预期的控制目标和控制性能。而现使用的微电网的控制技术有多种，基于多智能体系统的微电网控制就是其中之一。该方法将控制领域的多智能体技术应用到微电网，智能体的自治性、自发性等特点能够很好地适应和满足微电网分散控制的要求。

储能技术在微电网中是特别重要的一项技术，它具有削峰填谷的作用从而提高了间歇式能源的利用效率，该技术的关键在于超导储能技术，超级电容等方面。对于储能单元来言，如何通过有效的控制手段使得储能装备经济高效的运行至关重要。

如何节约通信资源在微电网研究中同样重要。在很多户外的现实网络条件下，由于受到网络通讯环境的限制，网络通信带宽和传输速率有限，甚至在部分时间段无法进行有效的信息传输，因此微电网各个装置之间精确的信息难以实现实时连续的相互交换。

基于此，本发明引入事件触发机制，事件触发机制是一种节约能源、降低通信宽带要求的有效方法。事件触发机制是一种非周期采样，不同于周期采样每次采样并发送采样信号，它只在事件触发时才传递采样信号。所以它能降低通讯频次，进而减少计算处理负荷、通信能源。本发明将动态事件触发机制引入二阶多智能体一致性控制方法中，从而降低微电网处理器的计算处理负荷，降低网络传输负载，并在降低多储能单元之间通讯频次的前提下，同时确保微电网的一致性控制的有效性。本发明能在保留事件触发机制优势的同时进一步的提高多智能体系统一致性的收敛速度。

专利申请号为：201610654541.5的一种微电网中储能电池管理方法，该发明公布了一种电池管理方法用于微电网中储能单元的管理。该方法依据微电网系统内的分布式电源的输出功率、配电网的发出功率和储能电池的荷电状态确定功率流向；计算储能电池的寿命，通过储能电池寿命的管理成本和储能电池的购电成本控制储能电池的放电。该方法可实现储能电池寿命的延长，并降低成本。该专利具有以下缺点：(1)只考虑了配电网及大电网的要求，忽略了储能单元之间的互动；(2)因为只计算了单个储能单元的寿命，故微电网中各储能单元的更换是相互独立的，增加了人工成本。

专利申请号为：201510183388.8的一种微电网储能调度方法，该方法所设计的微电网储能调度方法需要实时获取微电网内负荷以及各电源功率和容量状况，将其传送到主网管理系统，并且接受主网管理系统的信息和指令：主网管理系统实时测量主网电压和主网频率，来确定多个微电网并网或者离网运行方式。该专利具有以下缺点：(1)需要在大电网、微电网、储能单元之间建立该管理系统，增加了成本；(2)该管理系统需要实时采集、通讯、计算大电网、微电网、储能单元的多种信息，耗费大量通讯能源、计算资源。

专利申请号为201710240229.6的并网型微电网中多储能单元的分布式协同控制方法，该方法采用采用分布式协调控制方法来控制并网型微电网多储能单元，通过控制储能单元的充放电行为来抑制微电网与配电网之间公共耦合点处的有功功率波动。同时，通过协调控制使得各储能单元具有相同的储能状态和功率输出比率，可以达到公平利用各储能单元和防止储能单元不均匀老化的目的。该专利具有以下缺点：(1)需要实时采集充电状态和功率输出率来更新控制率，这中间将耗费通讯与计算资源；(2)虽然基于二阶多智能体的分布式协同控制方法能达到调度微电网、大电网和储能单元之间电能的效果，但受限于其收敛速度，存在调度较缓慢的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，以解决以上背景技术中提出的缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：制定多个储能单元的一致性为控制目标，以便于合理利用多个储能单元并且解决多个储能单元不均匀老化问题；

步骤2：为实现步骤1中的控制目标，将多储能单元的充电状态和功率输出率描述成一个二阶的多智能体数学模型；

步骤3：根据步骤2中的多智能体数学模型，给每个储能单元设计的分布式控制器以实现步骤1的控制目标；

步骤4：给出事件触发机制以减少微电网中心的通讯资源和计算资源；

步骤5：引入动态事件触发机制的概念，进一步减少微电网中心的通讯资源和计算资源，并达到提高微电网系统达到一致性的速度，即电能调度速度。

作为本发明的优选方式之一，所述控制目标可表示为：

其中，分别代表储能单元i的充电状态和输出功率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤2中的二阶的多智能体数学模型的建模过程为：

首先，根据储能单元充电状态与充电功率的关系，建立储能单元的充电状态数字模型：

这里SoC_i(t₀)表示第i个储能单元在t₀时刻的充电状态初始值η_i＝1/(C_iV_dci)，C_i表示第i个储能单元的额定容量，V_dci表示第i个储能单元的直流电压，P_esui表示第i个储能单元的功率；

为便于调节储能变换器的功率，在储能单元的功率前串联接入一个积分器，即：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，是P_esui的导数。

在上式的左右两边同时除以储能单元的最大功率，得：

其中，表示第i个储能单元的最大功率；

定义虚拟控制输入和功率输出率上式可简化为：

定义充电状态s_i＝SoC_i，并对储能单元的充电状态数字方程左右两边同时对时间求导，得：

其中，为负常数；

对于具有相同常数的多储能单元系统，则有：

K_soc1＝K_soc2＝…＝K_socn＝K_soc；

综上所述建模过程，多储能单元系统已经被表示成了二阶多智能体数字模型，其充电状态和功率输出率描述为：

为保证该二阶多智能体模型的收敛性，微电网多储能之间的通信拓扑图应联通的。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤3中给每个储能单元设计的分布式控制器如下：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，k是控制增益为正常数，表示第i个储能单元的最大功率，s_j(t)、p_j(t)分别代表储能单元j的充电状态和输出功率，a_ij表示储能单元i与j之间的通讯拓扑邻接关系的常数，当有通讯连接a_ij＝1，否则a_ij＝0。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤4中事件触发机制具体包括如下：首先引入误差变量

e_i,s＝s_i(τ_s)-s_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1)

e_i,p＝p_i(τ_s)-p_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1),；

其中τ_s为第s次采样时刻，在基于事件触发机制的控制方法中，控制输入只在事件触发时更新，故

其中L为图的Laplacian矩阵，可以看出，控制输入在事件触发之间保持；

设计触发函数为

其中满足

为由Λ分隔的子系统，满足I为单位矩阵，M满足Q满足Q＝-(F^TM+MF)，

选定选取Lyapunov函数V(ε)＝ε^TMε，运用Lyapunov第二法可得系统是稳定的，并且触发时刻为

t₀＝0

作为本发明的优选方式之一，所述步骤5动态事件触发机制为：引入内部动态变量γ，满足

η(0)＝η₀,；

其中，β为Lipschitz连续K_∞函数；

定义动态触发时刻为

t₀＝0

其中静态事件触发机制可以看作其θ→∞的特殊情况；

引入动态事件触发机制的Lyapunov函数W(ε,γ)＝V(ε)+γ，由此可得是稳定的。

本发明相比现有技术的优点在于：本发明的优点在于提出分布式的基于动态事件触发机制的二阶多智能体系统一致性方法，能在不增添额外设备的前提下，提高微电网电能调度速度，并减轻微电网控制中心的运算负荷和网络通道的传输负载。

附图说明

图1是本发明的微电网结构框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1：

步骤1：

为了公平合理地利用多个储能单元以及避免多个储能单元不均匀老化问题，制定多个储能单元的一致性为控制目标；

该控制目标可表示为

其中，分别代表储能单元i的充电状态和输出功率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量。

步骤2：

为了达到一致性的控制目标，将多储能单元描述为一个二阶的多智能体模型；

首先，根据储能单元充电状态与充电功率的关系，建立储能单元的充电状态数字模型：

这里SoC_i(t₀)表示第i个储能单元在t₀时刻的充电状态初始值η_i＝1/(C_iV_dci)，C_i表示第i个储能单元的额定容量，V_dci表示第i个储能单元的直流电压，P_esui表示第i个储能单元的功率。

为便于调节储能变换器的功率，在储能单元的功率前串联接入一个积分器，即：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，是P_esui的导数。

在上式的左右两边同时除以储能单元的最大功率，得：

其中，表示第i个储能单元的最大功率。

定义虚拟控制输入和功率输出率上式可简化为：

定义充电状态s_i＝SoC_i，并对储能单元的充电状态数字方程左右两边同时对时间求导，得：

其中，为负常数。

对于具有相同常数的多储能单元系统，则有：

K_soc1＝K_soc2＝…＝K_socn＝K_soc

综上所述建模过程，多储能单元系统已经被表示成了二阶多智能体数字模型，其充电状态和功率输出率描述为：

为保证该二阶多智能体模型的收敛性，微电网多储能之间的通信拓扑图应联通的；

步骤三：

给每个储能单元设计分布式控制器如下：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，k是控制增益为正常数，表示第i个储能单元的最大功率，s_j(t)、p_j(t)分别代表储能单元j的充电状态和输出功率，a_ij表示储能单元i与j之间的通讯拓扑邻接关系的常数(如有通讯连接a_ij＝1，否则a_ij＝0)；

步骤四：

为了节约微电网中心的通讯和计算资源，我们引进事件触发机制。

首先引入误差变量

e_i,s＝s_i(τ_s)-s_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1)

e_i,p＝p_i(τ_s)-p_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1),

其中τ_s为第s次采样时刻。在基于事件触发机制的控制方法中，控制输入只在事件触发时更新，故

其中L为图的Laplacian矩阵。可以看出，控制输入在事件触发之间保持。

设计触发函数为

其中满足

为由Λ分隔的子系统，满足I为单位矩阵，M满足满足Q＝-(F^TM+MF)，

选定选取Lyapunov函数V(ε)＝ε^TMε，运用Lyapunov第二法可得系统是稳定的，并且触发时刻为

t₀＝0

步骤五：

为了提高微电网电能调度的速度，并进一步节约微电网中心的通讯与计算资源，引入内部动态变量γ，满足

η(0)＝η₀,

其中，β为Lipschitz连续K_∞函数。

定义动态触发时刻为

t₀＝0

其中静态事件触发机制可以看作其θ→∞的特殊情况。

引入动态事件触发机制的Lyapunov函数W(ε,γ)＝V(ε)+γ，易得也是稳定的。

综上，本发明提出了一种基于动态事件触发机制的分布式一致性控制方法，能够在微电网电能调度的前提下提高微电网电能调度速度，并减轻微电网控制中心的运算负荷和网络通道的传输负载。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：制定多个储能单元的一致性为控制目标，以便于合理利用多个储能单元并且解决多个储能单元不均匀老化问题；

步骤2：为实现步骤1中的控制目标，将多储能单元的充电状态和功率输出率描述成一个二阶的多智能体数学模型；

步骤3：根据步骤2中的多智能体数学模型，给每个储能单元设计的分布式控制器以实现步骤1的控制目标；

步骤4：给出事件触发机制以减少微电网中心的通讯资源和计算资源；

步骤5：引入动态事件触发机制的概念，进一步减少微电网中心的通讯资源和计算资源，并达到提高微电网系统达到一致性的速度，即电能调度速度。

2.根据权利要求1所述的基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，所述控制目标可表示为：

其中，分别代表储能单元i的充电状态和输出功率，i＝1,2,…,n，n表示储能单元的数量。

3.根据权利要求1所述的基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤2中的二阶的多智能体数学模型的建模过程为：

首先，根据储能单元充电状态与充电功率的关系，建立储能单元的充电状态数字模型：

这里SoC_i(t₀)表示第i个储能单元在t₀时刻的充电状态初始值η_i＝1/(C_iV_dci)，C_i表示第i个储能单元的额定容量，V_dci表示第i个储能单元的直流电压，P_esui表示第i个储能单元的功率；

为便于调节储能变换器的功率，在储能单元的功率前串联接入一个积分器，即：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，是P_esui的导数。

在上式的左右两边同时除以储能单元的最大功率，得：

其中，表示第i个储能单元的最大功率；

定义虚拟控制输入和功率输出率上式可简化为：

定义充电状态s_i＝SoC_i，并对储能单元的充电状态数字方程左右两边同时对时间求导，得：

其中，为负常数；

对于具有相同常数的多储能单元系统，则有：

K_soc1＝K_soc2＝…＝K_socn＝K_soc；

综上所述建模过程，多储能单元系统已经被表示成了二阶多智能体数字模型，其充电状态和功率输出率描述为：

为保证该二阶多智能体模型的收敛性，微电网多储能之间的通信拓扑图应联通的。

4.根据权利要求1所述的基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤3中给每个储能单元设计的分布式控制器如下：

其中u_i表示第i个储能单元的积分器输入信号，k是控制增益为正常数，表示第i个储能单元的最大功率，s_j(t)、p_j(t)分别代表储能单元j的充电状态和输出功率，a_ij表示储能单元i与j之间的通讯拓扑邻接关系的常数，当有通讯连接a_ij＝1，否则a_ij＝0。

5.根据权利要求1所述的基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤4中事件触发机制具体包括如下：首先引入误差变量

e_i,s＝s_i(τ_s)-s_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1)

e_i,p＝p_i(τ_s)-p_i(t),t∈[τ_s,τ_s+1),；

其中τ_s为第s次采样时刻，在基于事件触发机制的控制方法中，控制输入只在事件触发时更新，故

其中L为图的Laplacian矩阵，可以看出，控制输入在事件触发之间保持；

设计触发函数为

其中满足

为由Λ分隔的子系统，满足I为单位矩阵，M满足Q满足Q＝-(F^TM+MF)，

选定选取Lyapunov函数V(ε)＝ε^TMε，运用Lyapunov第二法可得系统是稳定的，并且触发时刻为

t₀＝0

6.根据权利要求1所述的基于动态事件触发机制的微电网的分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤5动态事件触发机制为：引入内部动态变量γ，满足

η(0)＝η₀,；

其中，β为Lipschitz连续K_∞函数；

定义动态触发时刻为

t₀＝0

其中静态事件触发机制可以看作其θ→∞的特殊情况；

引入动态事件触发机制的Lyapunov函数W(ε,γ)＝V(ε)+γ，由此可得是稳定的。