CN108879690A - 一种交直流混合微电网数据驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交直流混合微电网数据驱动控制方法，克服在基于逆变器的复杂互联交直流微电网中，存在的不确定动力学和扰动等问题。首先面对难以获得足够精准的系统模型信息，设计一种数据驱动无模型自适应电压控制器，用于互联的交直流混合微电网中的功率变换器中，从而解决交直流微电网之间的比例功率分配问题以及恢复交流频率和直流电压至标称值。同时，针对现有的比例功率分配和电压(频率)同时调节技术的不足，在数据驱动无模型自适应电压控制器的基础上设计一种双下垂控制策略，在任意情况下的负载发生瞬变时，独立电源的变化都会保持很小。而且在微电网孤岛模式运行时，互联功率变换器仍然可以调节电压和频率达到稳定的工作状态。

Description

一种交直流混合微电网数据驱动控制方法

技术领域

本发明涉及互联交直流混合微电网的协调功率分配领域，尤其涉及一种交直流混合微电网数据驱动控制方法。

背景技术

微电网可以将不同类型的分布式电源有效的组合起来为负荷供电，能够使分布式电源获得更高的利用率。随着分布式发电系统的迅速发展，直流负荷的日益增多，单纯的交流微电网或者直流微电网难以全面满足日益增长的用电需求。面对交流用电设备和直流用电设备共存的局势，需要多重的交直流变换来满足分布式电源和负荷的接入需求。为了降低交直流变换带来的输配电损失，提高系统电能质量和供电可靠性，以及更好的满足用户的多元用电需求，交直流混合微电网技术应运而生。将交直流混合微电网与互联功率变换器连接起来，是未来电力网络中一种很有前途的拓扑结构。

现有的交直流混合微电网的相关研究中，多是采用下垂控制方案对交直流混合微电网中的互联功率变换器进行控制。在下垂控制过程中，当系统中存在功率波动时，每个分布式电源都要参加系统的电压和频率调整，并且根据各自的下垂特性实时动态地调整各自的输出功率，在设计控制器时还需对系统进行建模，在复杂的互联电力系统中，获得足够精准的系统模型信息是非常困难的。数据驱动的无模型自适应控制算法通过使用输入、输出数据来实现系统的控制性能，无需对系统进行建模，为解决交直流混合微电网中互联功率变换器的设计提出了新的解决思路。

此外，现有的使用下垂控制研究中比例功率共享和电压频率调节无法同时达到。将功率变换器视为电压源，也不能准确的实现混合交直流混合微电网之间的比例功率共享；将功率变换器视为电流源时，不能参与电压和频率调节。尽管相关研究采用二次控制方案来恢复电压和频率，但是在交直流混合微电网中还没有被考虑。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种交直流混合微电网数据驱动控制方法，从而解决交直流混合微电网之间的比例功率分配问题，并且在微电网运行在孤岛模式时，互联功率变换器仍然可以调节电压和频率达到稳定状态。

本发明提供一种交直流混合微电网数据驱动控制方法包括如下步骤：

步骤1：基于互联功率变换器的数学模型，考虑到直流微电网部分的电压动态，忽略开关器件的导通电阻，对互联功率变换器进行动态线性化数据建模，获得等效的动态线性化数据模型；

步骤2：根据等效的动态线性化数据模型，设计数据驱动无模型自适应电压控制器，在不需要微电网精准模型的情况下，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制；

步骤3、在步骤2设计的数据驱动无模型自适应电压控制器作为控制策略内环的基础上，采用双下垂控制策略，结合有功功率命令管理和分配方法和下垂系数更新方案，通过互联功率变换器实现交直流混合微电网之间的比例功率共享并同时参与电压和频率的调节；

步骤4、采用PI控制器实现交流频率和直流电压的恢复，将微电网参考频率和参考电压与实际频率和实际电压做差之后作为PI控制器的输入，再与步骤3下垂控制器输出频率和输出电压相加得到参考电压产生的给定量，进而实现对互联功率变换器的二次控制。

在本发明的交直流混合微电网数据驱动控制方法中，所述步骤1包括：

步骤1.1：互联功率变换器的数学模型如下所示：

其中，I_IC,f是滤波电感的交流电流，v_IC滤波电容器的交流电压，u_av是互联功率变换器的平均开关信号，I_IC是交流输出电流；V_IC,dc是直流母线电压，i_IC,dc是输入电流；L_IC是滤波器电感，R_IC是滤波器电阻，C_IC是滤波器电容，C_dc是直流母线电容；

步骤1.2：当互联功率变换器从交流微电网吸收功率并注入到直流微电网中或者互联功率变换器向交流微电网注入功率时，将互联功率变换器的数学模型中的直流母线电压V_IC,dc和滤波电容的交流电压v_IC看作是系统的输出，互联功率变换器的平均开关信号u_av则看作为系统的输入，互联功率变换器的数学模型所述的输入输出关系可以表达成如下的离散非线性模型：

v_IC(k+1)＝f₁(v_IC(k),…,v_IC(k-d_y1),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (4)

V_IC,dc(k+1)＝f₂(V_IC,dc(k),…,V_IC,dc(k-d_y2),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (5)

其中，v_IC＝[v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c]^T,u_av＝[u_a-av,u_b-av,u_c-av]^T，v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c分别是a,b,c三相的滤波器交流电压，u_a-av,u_b-av,u_c-av分别是a,b,c三相的开关信号；d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；

令V₁＝v_IC，V₂＝V_IC,dc，u＝u_av和f_i＝(f₁,f₂)，对离散非线性模型进行归一化处理，将离散非线性模型转换为如下所示：

V_i(k+1)＝f_i(V_i(k),…,V_i(k-d_y),u(k),…,u(k-d_u)),i＝1,2 (6)

其中，d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；根据微分中值定理，将式(6)转换为如下所示：

其中，ΔU(k)＝[Δu(k),Δu(k-1),…,Δu(k-L+1)]，表示非线性函数f(·)对输入量u(k)的偏导数，η(k)是使成立的列向量，其中：

可得伪偏导数雅各比矩阵表达式如下所示：

基于数据驱动的局部动态线性化，利用伪偏导数雅各比矩阵，获得等效的动态线性化数据模型如下所示：

其中伪偏导数雅各比矩阵||Ψ_i(k)||≤C_i，C_i是值为正常数，ΔU(k)＝[Δu^T(k),…,Δu^T(k-L+1)]^T，Δu(k-i+1)＝u(k-i+1)-(k-i)，ΔV_i(k+1)＝V_i(k+1)-V_i(k)。

在本发明的交直流混合微电网数据驱动控制方法中，所述步骤2包括：

步骤2.1：根据获得的等效动态线性化数据模型，提出下列参数识别观测器：

其中，为输出量V_i(k+1)的估计值，为伪偏导数雅各比矩阵Ψ_i(k)的估计值；K_i为所设计的参数识别观测器增益，输出估计误差为

得到伪偏导数雅各比矩阵的估计值的更新公式为：

其中，μ_i是变化量的惩罚因子；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的伪偏导数雅各比矩阵的估计值设计数据驱动无模型自适应电压控制器，选取目标函数如下所示：

其中，是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子；

通过目标函数求解得到数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号如下所示：

其中，是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子，δ是有界正数；

步骤2.3：根据所得到的数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制，使系统输出V_i(k)跟踪上期望跟踪轨迹

在本发明的交直流混合微电网数据驱动控制方法中，所述步骤3包括：

步骤3.1：互联功率变换器的动态双下垂控制策略有功功率的数学表达如下所示：

其中，为互联功率变换器传输的有功功率，为互联功率变换器的参考频率，为互联功率变换器的参考直流电压；ω_IC,max为互联功率变换器的最大频率，V_IC,dc,max为互联功率变换器的最大直流电压；为功率向交流电网传输时互联功率变换器的下垂系数，为功率向直流电网传输时互联功率变换器的下垂系数；

由于输出交流频率ω_ac和交流微电网的有功功率P_ac呈线性关系，直流电压V_dc和直流微电网的有功功率P_dc呈线性关系，为了实现直流微电网和交流微电网之间的比例功率共享，交直流混合微电网的统一下垂响应可表示为如下所示：

其中，ω_o是P_ac＝0时的交流频率，V_o是P_dc＝0时的直流电压，k_ac为交流微电网的联合下垂系数和k_dc为直流微电网的联合下垂系数，P_ac和P_dc分别为交流微电网和直流微电网传输的有功功率；

当互联功率变换器开始工作时，通过测量交流频率ω_ac和直流电压V_dc可以获得交流微电网和直流微电网的运行状态，在t＝t₀时刻，交流频率和直流电压的初始值分别为和根据下垂控制策略的基本原理，当ω_ac＝V_dc＝ξ_s，其中ξ_s为常数，实现交流微电网和直流微电网之间的比例功率共享，此时可以得到如下所示：

其中，是在t＝t₀时刻交直流混合微电网为实现比例功率分配通过互联功率变换器传输的有功功率；根据式(16)，可以被重新写成如下所示：

步骤3.2：当功率分配达到稳定状态时(ω_ac＝V_dc＝ξ_s)，通过互联功率变换器实现了交流微电网和直流微电网之间的比例功率分配问题，根据交流微电网和直流微电网中的负载发生改变情况，有功功率按如下公式进行更新：

其中，表示在t＝t_k时刻改变负载时由互联功率变换器传输的有功功率，ΔP_Lac和ΔP_Ldc表示在t＝t_k时刻交直流混合微电网有功功率的增量；和表示在t＝t_k+1时刻测量的终端交流频率和直流电压；

当负载变化偏差足够小时，互联功率变换器不需要传输有功功率，为了避免上述情况，将偏差的阈值引入公式(18)，有功功率的数学表达式被修改成如下所示：

其中，ε(·)是单位阶跃函数，和表示在t＝t_k时刻测量的终端交流频率和直流电压；η是和之间的变换偏差，根据修改后的有功功率的数学表达(19)计算比例功率分配；

步骤3.3：当互联功率变换器的参考频率和参考直流电压满足时，根据式(14)和式(18)得到下垂系数更新方程如下所示：

其中：

ξ_OL是当微电网运行在过载时的ξ_s，ξ_min为微电网运行过程中最小的ξ_s；根据式(14)和(20)实现精确的直流电压和交流频率调节。

在本发明的交直流混合微电网数据驱动控制方法中，所述步骤4具体为：

步骤4.1：将交直流混合微电网参考频率和参考电压与实际频率和电压作差，频率偏差和电压偏差如下所示：

其中，和分别是交流电网的参考频率和直流电网的参考电压，和是通过通信网络获得的平均频率和电压；

步骤4.2：将式(21)所得到的频率偏差和电压偏差作为PI控制器的输入，此时互联功率变换器的分布式二次控制器如下所示：

其中，Δω_IC,ac和Δv_IC,dc是二次控制信号发送到一次控制的电平，k_pV和k_iV是电压恢复时的比例调节系数和积分调节系数，k_pω和k_iω是频率恢复时的比例调节系数和积分调节系数；

步骤4.3：将式(22)获得的Δω_IC,ac和Δv_IC,dc分别与步骤3.1式(15)双下垂控制器输出频率和电压相加作为参考电压产生的给定量，用于无模型自适应电压控制器设计。

本发明提出一种基于无模型自适应控制和双下垂控制的互联交直流混合微电网数据驱动控制，来实现交直流微电网之间的比例功率分配，同时能够快速恢复直流电压和交流频率至标称值。在对混合交直流微电网互联功率变换器控制器设计过程中，提出的数据驱动无模型自适应控制框架不需要系统任何的模型信息和结构信息，仅通过使用输入输出数据既可以达到所需要的控制性能。在复杂的互联微电网系统中，充分利用过程数据，不仅具有良好的性能和较强的鲁棒性，而且使成本降低；与现有的传统下垂控制方案相比，本发明所提出的动态双下垂控制方案，在实现交直流混合微电网之间的比例功率共享的同时，与电压控制器结合可实现像微电网中分布式发电单元一样的功能，同时实现比例功率共享和电压、频率调节；借助本发明提出的二次控制策略，依据集成电路和二次控制器的配合，以及数据驱动的方法，可以相对独立地控制直流电压和交流频率，其优点是控制相对灵活，提供更好性能的交流频率和直流电压。

附图说明

图1为交直流混合微电网的系统结构图；

图2为交直流混合微电网中互联功率变换器的二层控制结构图；

图3为提出的互联功率变换器的双下垂功率特性图；

图4为直流微电网和交流微电网之间的比例功率共享关系图；

图5为双下垂控制流程图；

图6为二次控制的逻辑信号发生器的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对背景技术中的问题，本发明实施例提出一种交直流混合微电网基于无模型自适应控制和双下垂控制的数据驱动控制方法，所考虑的混合互联交直流微电网如图1所示，利用电压源型互联功率变换器将交流微电网和直流微电网连接在一起，每个微电网都有独立的电源、储能装置和负载，详见下文描述。

本发明的一种交直流混合微电网数据驱动控制方法，所述控制方法的整体框架如图2所示，该控制方法包括以下步骤：

步骤1：基于互联功率变换器的数学模型，考虑到直流微电网部分的电压动态，忽略开关器件的导通电阻，对互联功率变换器进行动态线性化数据建模，获得等效的动态线性化数据模型；

所述步骤1包括：

步骤1.1：互联功率变换器的数学模型如下所示：

其中，I_IC,f是滤波电感的交流电流，v_IC滤波电容器的交流电压，u_av是互联功率变换器的平均开关信号，I_IC是交流输出电流；V_IC,dc是直流母线电压，i_IC,dc是输入电流；L_IC是滤波器电感，R_IC是滤波器电阻，C_IC是滤波器电容，C_dc是直流母线电容。

互联功率变换器的三种工作方式为：

模式1：当互联功率变换器发出的有功功率为负值时，则互联功率变换器运行在有功-电压下垂方式，意味着互联功率变换器将从交流微电网吸收功率，然后注入到直流微电网中；

模式2：当互联功率变换器发出的有功功率为正值时，则互联功率变换器运行在无功-频率下垂方式，意味着互联功率转换器将向交流微电网注入功率；

模式3：当交流电和直流微电网均处于空载或过载、或出现故障、或单位直流电压和交流频率偏差小于阈值时，互联功率变换器将不进行功率传输。

步骤1.2：当互联功率变换器运行模式1和模式2时，即当互联功率变换器从交流微电网吸收功率并注入到直流微电网中或者互联功率变换器向交流微电网注入功率时，将互联功率变换器的数学模型中的直流母线电压V_IC,dc和滤波电容的交流电压v_IC看作是系统的输出，互联功率变换器的平均开关信号u_av则看作为系统的输入，互联功率变换器的数学模型所述的输入输出关系可以表达成如下的离散非线性模型：

v_IC(k+1)＝f₁(v_IC(k),…,v_IC(k-d_y1),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (4)

V_IC,dc(k+1)＝f₂(V_IC,dc(k),…,V_IC,dc(k-d_y2),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (5)

其中，v_IC＝[v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c]^T,u_av＝[u_a-av,u_b-av,u_c-av]^T，v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c分别是a,b,c三相的滤波器交流电压，u_a-av,u_b-av,u_c-av分别是a,b,c三相的开关信号；d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；

令V₁＝v_IC，V₂＝V_IC,dc，u＝u_av和f_i＝(f₁,f₂)，对离散非线性模型进行归一化处理，将离散非线性模型转换为如下所示：

V_i(k+1)＝f_i(V_i(k),…,V_i(k-d_y),u(k),…,u(k-d_u)),i＝1,2 (6)

其中，d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；根据微分中值定理，将式(6)转换为如下所示：

其中，ΔU(k)＝[Δu(k),Δu(k-1),…,Δu(k-L+1)]，表示非线性函数f(·)对输入量u(k)的偏导数，η(k)是使成立的列向量，其中：

可得伪偏导数雅各比矩阵表达式如下所示：

基于数据驱动的局部动态线性化，利用伪偏导数雅各比矩阵，获得等效的动态线性化数据模型如下所示：

其中伪偏导数雅各比矩阵||Ψ_i(k)||≤C_i，C_i是值为正常数，ΔU(k)＝[Δu^T(k),…,Δu^T(k-L+1)]^T，Δu(k-i+1)＝u(k-i+1)-(k-i)，ΔV_i(k+1)＝V_i(k+1)-V_i(k)。

步骤2：根据等效的动态线性化数据模型，设计数据驱动无模型自适应电压控制器，在不需要微电网精准模型的情况下，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制；

所述步骤2包括：

步骤2.1：根据获得的等效动态线性化数据模型，提出下列参数识别观测器：

其中，为输出量V_i(k+1)的估计值，为伪偏导数雅各比矩阵Ψ_i(k)的估计值；K_i为所设计的参数识别观测器增益，输出估计误差为

得到伪偏导数雅各比矩阵的估计值的更新公式为：

其中，μ_i是变化量的惩罚因子；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的伪偏导数雅各比矩阵的估计值设计数据驱动无模型自适应电压控制器，选取目标函数如下所示：

J(u(k))＝||V_i ^*(k+1)-V_i(k+1)||²+λ_i||u(k)-u(k-1)||² (12)

其中，是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子；

通过目标函数求解得到数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号如下所示：

其中，是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子，δ是有界正数；

步骤2.3：根据所得到的数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制，也就是说使系统输出V_i(k)跟踪上期望跟踪轨迹

步骤3、在步骤2设计的数据驱动无模型自适应电压控制器作为控制策略内环的基础上，采用双下垂控制策略，结合有功功率命令管理和分配方法和下垂系数更新方案，通过互联功率变换器实现交直流混合微电网之间的比例功率共享并同时参与电压和频率的调节；

所述步骤3包括：

步骤3.1：通过分别控制互联功率变换器的交流频率和直流电压来控制互联功率变换器传输的有功功率，根据图3所示的互联功率变换器的双下垂功率特性，则互联功率变换器的动态双下垂控制方案有功功率的数学表达如下所示：

其中，为互联功率变换器传输的有功功率，为互联功率变换器的参考频率，为互联功率变换器的参考直流电压；ω_IC,max为互联功率变换器的最大频率，V_IC,dc,max为互联功率变换器的最大直流电压；为功率向交流电网传输时互联功率变换器的下垂系数，为功率向直流电网传输时互联功率变换器的下垂系数；

为了更好的解释所提出的下垂控制策略的基本原理，图4阐述了直流微电网和交流微电网之间的比例功率共享关系，由于输出交流频率ω_ac和交流微电网的有功功率P_ac呈线性关系，直流电压V_dc和直流微电网的有功功率P_dc呈线性关系，为了实现直流微电网和交流微电网之间的比例功率共享，交直流混合微电网的统一下垂响应可表示为如下所示：

其中，ω_o是P_ac＝0时的交流频率，V_o是P_dc＝0时的直流电压，k_ac为交流微电网的联合下垂系数和k_dc为直流微电网的联合下垂系数，P_ac和P_dc分别为交流微电网和直流微电网传输的有功功率；

当互联功率变换器开始工作时，通过测量交流频率ω_ac和直流电压V_dc可以获得交流微电网和直流微电网的运行状态，如图4所示，在t＝t₀时刻，交流频率和直流电压的初始值分别为和根据下垂控制策略的基本原理，当ω_ac＝V_dc＝ξ_s时实现交流微电网和直流微电网之间的比例功率共享，此时可以得到如下所示：

其中，是在t＝t₀时刻交直流混合微电网为实现比例功率分配通过互联功率变换器传输的有功功率；根据式(16)，可以被重新写成如下所示：

步骤3.2：当功率分配达到稳定状态时(ω_ac＝V_dc＝ξ_s)，通过互联功率变换器实现了交流微电网和直流微电网之间的比例功率分配问题，如图4所示，根据交流微电网和直流微电网中的负载发生改变情况，有功功率按如下公式进行更新：

其中，表示在t＝t_k时刻改变负载时由互联功率变换器传输的有功功率，ΔP_Lac和ΔP_Ldc表示在t＝t_k时刻交直流混合微电网有功功率的增量；和表示在t＝t_k+1时刻测量的终端交流频率和直流电压；

当负载变化偏差足够小时，互联功率变换器不需要传输有功功率，为了避免上述情况，将偏差的阈值引入步骤3.2公式(18)，表达如下所示：

其中，ε(·)是单位阶跃函数，和表示在t＝t_k时刻测量的终端交流频率和直流电压；η是和之间的变换偏差，根据修改后的有功功率的数学表达(19)计算比例功率分配；

步骤3.3：为了参与电压和频率的调节，本发明提出了一种数据驱动的无模型自适应电压控制器，因此，双下垂线的动态调谐是必不可少的；当互联功率变换器的参考频率和参考直流电压满足时，根据式(14)和式(18)得到所述下垂系数更方程如下所示：

其中：

ξ_OL是当微电网运行在过载时的ξ_s，ξ_min为微电网运行过程中最小的ξ_s。根据式(14)和(20)实现精确的直流电压和交流频率调节。

综上，双下垂控制策略的流程图如图5所示。双下垂控制策略主要包括两个阶段：第一阶段是根据每个微电网的负载情况获得直流电压V_dc和交流频率ω_ac，通过式(19)计算出比例功率分配进行判断的正负，在第二阶段利用式(14)和(20)实现精确的直流电压和交流频率调节。

步骤4、采用PI控制器实现交流频率和直流电压的恢复，将微电网参考频率和参考电压与实际频率和实际电压做差之后作为PI控制器的输入，再与步骤3下垂控制器输出频率和输出电压相加得到参考电压产生的给定量，进而实现对互联功率变换器的二次控制。该二次控制方案克服传统下垂控制引起的交流频率和直流电压的偏差，提高比例功率分配的可靠性和控制性能。混合微电网中互联功率变换器的二次控制的详细信息如图6所示。

传统下垂控制方法会使电压和频率产生偏差，微电网孤岛运行时不能将电压和频率恢复到额定值，通过引入电压和频率恢复控制环，在微电网处于孤岛运行时负荷变动的情况下能够将频率、电压恢复到额定运行值。

电压和频率的恢复可以通过比例积分(PI)控制器实现，微电网设定频率和设定电压与实际频率和电压作差之后作为比例积分(PI)控制器的输入，其输出分别与步骤3式(15)双下垂控制器输出频率和电压相加作为参考电压产生的给定量。

所述步骤4具体为：

步骤4.1：将交直流混合微电网参考频率和参考电压与实际频率和电压作差，频率偏差和电压偏差如下所示：

其中，和分别是交流电网的参考频率和直流电网的参考电压，和是通过通信网络获得的平均频率和电压；

步骤4.2：将式(21)所得到的频率偏差和电压偏差作为PI控制器的输入，此时互联功率变换器的分布式二次控制器(电压和频率恢复控制器)如下所示：

其中，Δω_IC,ac和Δv_IC,dc是二次控制信号发送到一次控制的电平，k_pV和k_iV是电压恢复时的比例调节系数和积分调节系数，k_pω和k_iω是频率恢复时的比例调节系数和积分调节系数；

步骤4.3：将式(22)获得的Δω_IC,ac和Δv_IC,dc分别与步骤3.1式(15)双下垂控制器输出频率和电压相加作为参考电压产生的给定量，用于无模型自适应电压控制器设计。

互联功率变换器可以与每个微电网中的分布式发电单元的二次控制器协作，由二次控制器的逻辑信号发生器产生的逻辑信号确定。

二次控制逻辑信号发生器流程图如图6所示，如果直流和交流微电网通过互联功率变换器通信，当每个微电网以孤岛模式运行或者互联功率变换器传输有功功率时，则通过式(19)计算出比例功率分配当时，直流电网的参考电压发送到交直流微电网；当时，将交流电网的参考频率发送到交直流微电网，当直流电压和交流频率差值则微电网中的分布式发电单元的二次控制器将启动以恢复直流电压和交流频率到其标称值。当每个微电网以孤岛模式运行或者互联功率变换器没有传输有功功率时，分布式发电单元的二次控制器将继续工作。当负载变化时，下垂控制将引入直流电压和交流频率的偏差，导致功率分配恶化。通过二次控制器恢复直流电压和交流频率可以改善功率分配。

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

Claims (5)

1.一种交直流混合微电网数据驱动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于互联功率变换器的数学模型，考虑到直流微电网部分的电压动态，忽略开关器件的导通电阻，对互联功率变换器进行动态线性化数据建模，获得等效的动态线性化数据模型；

步骤2：根据等效的动态线性化数据模型，设计数据驱动无模型自适应电压控制器，在不需要微电网精准模型的情况下，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制；

步骤3、在步骤2设计的数据驱动无模型自适应电压控制器作为控制策略内环的基础上，采用双下垂控制策略，结合有功功率命令管理和分配方法和下垂系数更新方案，通过互联功率变换器实现交直流混合微电网之间的比例功率共享并同时参与电压和频率的调节；

步骤4、采用PI控制器实现交流频率和直流电压的恢复，将微电网参考频率和参考电压与实际频率和实际电压做差之后作为PI控制器的输入，再与步骤3下垂控制器输出频率和输出电压相加得到参考电压产生的给定量，进而实现对互联功率变换器的二次控制。

2.如权利要求1所述的交直流混合微电网数据驱动控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1：互联功率变换器的数学模型如下所示：

其中，I_IC,f是滤波电感的交流电流，v_IC滤波电容器的交流电压，u_av是互联功率变换器的平均开关信号，I_IC是交流输出电流；V_IC,dc是直流母线电压，i_IC,dc是输入电流；L_IC是滤波器电感，R_IC是滤波器电阻，C_IC是滤波器电容，C_dc是直流母线电容；

步骤1.2：当互联功率变换器从交流微电网吸收功率并注入到直流微电网中或者互联功率变换器向交流微电网注入功率时，将互联功率变换器的数学模型中的直流母线电压V_IC,dc和滤波电容的交流电压v_IC看作是系统的输出，互联功率变换器的平均开关信号u_av则看作为系统的输入，互联功率变换器的数学模型所述的输入输出关系可以表达成如下的离散非线性模型：

v_IC(k+1)＝f₁(v_IC(k),…,v_IC(k-d_y1),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (4)

V_IC,dc(k+1)＝f₂(V_IC,dc(k),…,V_IC,dc(k-d_y2),u_av(k),…,u_av(k-d_u)) (5)

其中，v_IC＝[v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c]^T,u_av＝[u_a-av,u_b-av,u_c-av]^T，v_IC-a,v_IC-b,v_IC-c分别是a,b,c三相的滤波器交流电压，u_a-av,u_b-av,u_c-av分别是a,b,c三相的开关信号；d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；

令V₁＝v_IC，V₂＝V_IC,dc，u＝u_av和f_i＝(f₁,f₂)，对离散非线性模型进行归一化处理，将离散非线性模型转换为如下所示：

V_i(k+1)＝f_i(V_i(k),…,V_i(k-d_y),u(k),…,u(k-d_u)),i＝1,2 (6)

其中，d_u和d_y是未知的阶数，并且f_i(·)为未知的非线性函数；根据微分中值定理，将式(6)转换为如下所示：

其中，ΔU(k)＝[Δu(k),Δu(k-1),…,Δu(k-L+1)]，表示非线性函数f(·)对输入量u(k)的偏导数，η(k)是使成立的列向量，其中：

可得伪偏导数雅各比矩阵表达式如下所示：

基于数据驱动的局部动态线性化，利用伪偏导数雅各比矩阵，获得等效的动态线性化数据模型如下所示：

其中伪偏导数雅各比矩阵||Ψ_i(k)||≤C_i，C_i是值为正常数，ΔU(k)＝[Δu^T(k),…,Δu^T(k-L+1)]^T，Δu(k-i+1)＝u(k-i+1)-(k-i)，ΔV_i(k+1)＝V_i(k+1)-V_i(k)。

3.如权利要求1所述的交直流混合微电网数据驱动控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：根据获得的等效动态线性化数据模型，提出下列参数识别观测器：

其中，为输出量V_i(k+1)的估计值，为伪偏导数雅各比矩阵Ψ_i(k)的估计值；K_i为所设计的参数识别观测器增益，输出估计误差为

得到伪偏导数雅各比矩阵的估计值的更新公式为：

其中，μ_i是变化量的惩罚因子；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的伪偏导数雅各比矩阵的估计值设计数据驱动无模型自适应电压控制器，选取目标函数如下所示：

J(u(k))＝||V_i ^*(k+1)-V_i(k+1)||²+λ_i||u(k)-u(k-1)||² (12)

其中，V_i ^*(k)是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子；

通过目标函数求解得到数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号如下所示：

其中，V_i ^*(k)是期望跟踪轨迹，λ_i是u(k)变化量的惩罚因子，δ是有界正数；

步骤2.3：根据所得到的数据驱动无模型自适应电压控制器的最优输入控制信号，以实现交直流混合微电网中互联功率变换器的电压跟踪控制，使系统输出V_i(k)跟踪上期望跟踪轨迹V_i ^*(k)。

4.如权利要求1所述的交直流混合微电网数据驱动控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：互联功率变换器的动态双下垂控制策略有功功率的数学表达如下所示：

其中，为互联功率变换器传输的有功功率，为互联功率变换器的参考频率，为互联功率变换器的参考直流电压；ω_IC,max为互联功率变换器的最大频率，V_IC,dc,max为互联功率变换器的最大直流电压；为功率向交流电网传输时互联功率变换器的下垂系数，为功率向直流电网传输时互联功率变换器的下垂系数；

由于输出交流频率ω_ac和交流微电网的有功功率P_ac呈线性关系，直流电压V_dc和直流微电网的有功功率P_dc呈线性关系，为了实现直流微电网和交流微电网之间的比例功率共享，交直流混合微电网的统一下垂响应可表示为如下所示：

其中，ω_o是P_ac＝0时的交流频率，V_o是P_dc＝0时的直流电压，k_ac为交流微电网的联合下垂系数和k_dc为直流微电网的联合下垂系数，P_ac和P_dc分别为交流微电网和直流微电网传输的有功功率；

当互联功率变换器开始工作时，通过测量交流频率ω_ac和直流电压V_dc可以获得交流微电网和直流微电网的运行状态，在t＝t₀时刻，交流频率和直流电压的初始值分别为和根据下垂控制策略的基本原理，当ω_ac＝V_dc＝ξ_s，其中ξ_s为常数，实现交流微电网和直流微电网之间的比例功率共享，此时可以得到如下所示：

其中，是在t＝t₀时刻交直流混合微电网为实现比例功率分配通过互联功率变换器传输的有功功率；根据式(16)，可以被重新写成如下所示：

步骤3.2：当功率分配达到稳定状态时(ω_ac＝V_dc＝ξ_s)，通过互联功率变换器实现了交流微电网和直流微电网之间的比例功率分配问题，根据交流微电网和直流微电网中的负载发生改变情况，有功功率按如下公式进行更新：

其中，表示在t＝t_k时刻改变负载时由互联功率变换器传输的有功功率，ΔP_Lac和ΔP_Ldc表示在t＝t_k时刻交直流混合微电网有功功率的增量；和表示在t＝t_k+1时刻测量的终端交流频率和直流电压；

当负载变化偏差足够小时，互联功率变换器不需要传输有功功率，为了避免上述情况，将偏差的阈值引入公式(18)，有功功率的数学表达式被修改成如下所示：

其中，ε(·)是单位阶跃函数，和表示在t＝t_k时刻测量的终端交流频率和直流电压；η是和之间的变换偏差，根据修改后的有功功率的数学表达(19)计算比例功率分配；

步骤3.3：当互联功率变换器的参考频率和参考直流电压满足时，根据式(14)和式(18)得到下垂系数更新方程如下所示：

其中：

k_IC＝k_ac+k_dc，

ξ_OL是当微电网运行在过载时的ξ_s，ξ_min为微电网运行过程中最小的ξ_s；根据式(14)和(20)实现精确的直流电压和交流频率调节。

5.如权利要求1所述的交直流混合微电网数据驱动控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

步骤4.1：将交直流混合微电网参考频率和参考电压与实际频率和电压作差，频率偏差和电压偏差如下所示：

其中，和分别是交流电网的参考频率和直流电网的参考电压，和是通过通信网络获得的平均频率和电压；

步骤4.2：将式(21)所得到的频率偏差和电压偏差作为PI控制器的输入，此时互联功率变换器的分布式二次控制器如下所示：

其中，Δω_IC,ac和Δv_IC,dc是二次控制信号发送到一次控制的电平，k_pV和k_iV是电压恢复时的比例调节系数和积分调节系数，k_pω和k_iω是频率恢复时的比例调节系数和积分调节系数；

步骤4.3：将式(22)获得的Δω_IC,ac和Δv_IC,dc分别与步骤3.1式(15)双下垂控制器输出频率和电压相加作为参考电压产生的给定量，用于无模型自适应电压控制器设计。