CN108964150A - 一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，包括以下步骤：步骤1：建立计及交直流互动支撑的交直流混合微电网控制构架；步骤2：建立交直流混合微电网的无功控制模型；步骤3：采集交直流混合微电网的无功功率变化，量；步骤4：基于有限时间一致性交直流无功均分策略；本发明构建了计及交直流互动的混合微电网分布式控制模型，建立了无功控制的一次控制模型，满足了分布式电源即插即用的需求，提高了系统控制的可靠性。

Description

一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法

技术领域

本发明涉及交直流混合微电网分布式电源无功控制领域，具体涉及一种基于有限时间一致性控制的交直流混合微电网无功均分方法。

背景技术

随着电网规模的日益扩大，直流微电网络在我国日益增多，电力需求的不断增长，电力市场化程度的不断提高，在交流微电网和交直流混合微电网中，如何在满足用户需要的前提下，充分利用系统的无功调节手段，保证系统的电能质量和稳定经济运行，多年来一直是国内外电力工作者们致力研究的问题。

电压是衡量电能质量的重要指标，系统的运行电压取决于无功功率的平衡。实际电网的电压无功管理要求实现分层分区调节与就地无功平衡原则。如果系统内无功功率不能均分，将使电压水平降低，此时一旦系统发生扰动，就有可能使系统各处电压不同，从而产生环流，导致系统不正常运行，危害系统和设备的安全。

下垂技术能够调节分布式电源的无功功率，是常用的无功功率分配方法。但是，传统下垂控制对无功功率分配具有局限性。由于受自然条件等限制，微电网中的分布式电源地理位置相对分散，馈线距离长，馈线阻抗较大，并且馈线阻抗通常同时具有感性和阻性成分。采用Q-V下垂控制的逆变器在阻抗不匹配时，无法实现无功功率的精确分配。因此常规下垂控制无法实现无功功率均分。

在交流微电网无功功率均分的研究中，考虑各分布式电源间无功电压的协调能保证均分结果的可操作性；在交直流混合微电网中，实现交直流微电网的无功功率均分控制是保证系统稳定运行的前提。因此，对交直流混合微电网的无功功率均分的研究具有重要的实际意义和理论意义。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的各分布式电源间的无功均分方法。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：：

一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，包括以下步骤：

步骤1：建立计及交直流互动支撑的交直流混合微电网控制构架；

步骤2：建立交直流混合微电网的无功控制模型；

步骤3：采集交直流混合微电网的无功功率变化量；

步骤4：基于有限时间一致性交直流无功均分策略。

更进一步的，所述步骤1具体为：

步骤1-1：结合微电网电压等级、功率配置容量、负荷功率需求因数，分析分布式电源接入直流母线的DC/DC变流器、接入交流母线常用的DC/AC逆变器以及直流微电网并入交流母线的双向AC/DC变流器的拓扑结构，针对交流子网与直流子网不同类型的分布式电源接入微电网不同类型母线的需求，建立相应的仿真模型；

步骤1-2：研究分布式电源以及直流微电网的并网变流器的控制方法，使得分布式电源在微电网运行不同场景下发挥相应的作用，维持系统的稳定运行，在建立变流器仿真模型的基础上，使用下垂控制的控制方式对各分布式电源进行控制。

更进一步的，所述步骤2具体为：

通过对无功-电压下垂控制中设置的电压最小值进行控制，使分布式电源的无功输出对系统变化作出相应的响应；

由下垂控制得：

ΔQ＝Δu*d

式中，ΔQ为系统无功变化，Δu为系统电压变化量，d为下垂系数，

式中，Qmax为无功最大值，Qref为无功参考值，uref为电压参考值，umin为电压最小值，则可得出响应系统无功变化的umin为：

更进一步的，所述步骤3具体为：

基于步骤1和步骤2建立的交直流混合微电网模型，对系统无功负荷变化的场景进行仿真，采集在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量；

步骤3-1：在微电网稳定运行时，记录各分布式电源实际输出的无功功率；

步骤3-2：在系统稳定后的某个时间点改变系统无功负荷，模拟无功负荷变化的场景；

步骤3-3：待系统再次稳定后，记录各分布式电源此时发出的实际无功功率，从而计算出系统无功负荷变化时，各分布式电源发出的无功变化量；

更进一步的，所述步骤4具体为：

系统描述如下：

式中，x_i为代理i的状态变量(该变量可以为系统的功率、电压、电流等实际物理量)，Q_i为代理i的控制输入量，各代理只能与其邻居通信，交互状态信息；

利用有限时间Lyapunov稳定性判据，得到如下形式的一致性协议：

式中，a、b、c为有限时间控制参数，且0<a<1，b>0，c≥0；w_ij是权重因子，w_ij≥0，代理i和j之间没有通信线路连接时，w_ij＝0；sign为符号函数，定义如下：

一致性算法中，系统的通信拓扑由权重因子w_ij反应，通过一种优化的Metropolis算法，对w_ij进行自适应调节；

式中，n_i和n_j分别为与代理i和代理j相邻的代理数目，n_i和n_j均是本地信息，可根据通信拓扑变化自动调整；v是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<v<1；

把定义函数sign(x)|x|a用sig(x)a表示，将上式简化为：

步骤4-1：将采集的无功变化量输入有限时间控制中进行迭代，得到无功迭代值；

步骤4-2：将无功迭代值与步骤3中采集的各分布式电源无功变化量的差值作为二次控制的补偿值输入到各分布式电源中，最终使系统在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量相同，实现无功均分。

有益效果

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明构建了计及交直流互动的混合微电网分布式控制模型，建立了无功控制的一次控制模型，满足了分布式电源即插即用的需求，提高了系统控制的可靠性；

2、本发明提出一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的各分布式电源间的无功均分方法，在下垂控制的基础上，提出无功控制的分布式二次控制，使系统具有较快的收敛速率，可以在有限时间内达到收敛，实现时间优化上的最优控制，各分布式电源仅与邻居交互输出无功信息，通过有限时间一致性协议，完成各分布式电源的输出无功增量均分。

附图说明

图1为本发明交直流混合微电网无功负荷增加的无功功率曲线；

图2为本饭交直流混合微电网无功负荷减少的无功功率曲线；

图3为本发明的流程图；

图4是本发明实施案例中采用的仿真系统结构图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，建立交直流混合微电网仿真系统，系统中含有4个交流微源，3个直流分布式电源，微电网中各分布式电源采用下垂控制。

1.微电网参数设置

根据步骤1搭建的交直流混合微电网的仿真系统，在各分布式电源的下垂控制中设置相应的电压、功率等参数，相关数据如下：

表1交直流混合微电网各分布式电源参数

2.数据采集

基于搭建的仿真模型，对系统无功负荷变化的场景进行仿真，采集在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量。

在微电网稳定运行时，记录各分布式电源实际输出的无功功率；

在系统稳定后的某个时间点投上一定的无功负荷，模拟无功负荷变化的场景；

待系统再次稳定后，记录各分布式电源此时发出的实际无功功率，从而计算出系统无功负荷变化时，各分布式电源发出的无功变量。

3.利用有限时间一致性对无功变化量进行迭代

将采集的无功变化量输入有限时间控制中进行迭代，得到无功迭代值

将无功迭代值与采集的各分布式电源无功变化量的差值作为二次控制的补偿值输入到各分布式电源中，最终使系统在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量相同，从而达到无功均分的目的。

1.无功负荷增加

t＝3s时，交流子网无功负荷增加10kvar，分布式电源进行下垂控制增发无功功率。此时，双向变流器IC启动运行于逆变状态，交流子网对于直流子网相当于一个负荷。直流子网二次控制启动，各分布电源协同增发功率，为交流子网提供功率支持，交直流子网间进行协调控制，系统增加的无功功率如图1所示。

0-3s内系统正常运行，3s时系统无功负荷增加，启动一次控制策略，交流子网内的各分布电源增发无功功率，直流子网通过变流器向交流子网提供无功支撑，交直流子网间进行协调控制；此时系统增加的无功功率均有差异，在3.5s时系统二次控制启动，修正各分布式电源发出的无功功率，使系统实现无功均分。

2.无功负荷减少

t＝3s时，交流子网无功负荷减少5kvar，分布式电源进行下垂控制减发无功功率。此时，双向变流器IC启动运行于逆变状态，交流子网对于直流子网相当于一个负荷。直流子网二次控制启动，各分布电源协同减发功率，为交流子网提供功率支持，交直流子网间进行协调控制，系统减少的无功功率如图2所示。

0-3s内系统正常运行，3s时系统无功负荷减少，启动一次控制策略，交流子网内的各分布电源减发无功功率，直流子网通过变流器向交流子网提供无功支撑，交直流子网间进行协调控制；此时系统减少的无功功率均有差异，在3.5s时系统二次控制启动，修正各分布式电源发出的无功功率，使系统实现无功均分。

Claims (5)

1.一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立计及交直流互动支撑的交直流混合微电网控制构架；

步骤2：建立交直流混合微电网的无功控制模型；

步骤3：采集交直流混合微电网的无功功率变化量；

步骤4：基于有限时间一致性交直流无功均分策略。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

步骤1-1：结合微电网电压等级、功率配置容量、负荷功率需求因数，分析分布式电源接入直流母线的DC/DC变流器、接入交流母线常用的DC/AC逆变器以及直流微电网并入交流母线的双向AC/DC变流器的拓扑结构，针对交流子网与直流子网不同类型的分布式电源接入微电网不同类型母线的需求，建立相应的仿真模型；

步骤1-2：研究分布式电源以及直流微电网的并网变流器的控制方法，使得分布式电源在微电网运行不同场景下发挥相应的作用，维持系统的稳定运行，在建立变流器仿真模型的基础上，使用下垂控制的控制方式对各分布式电源进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

通过对无功-电压下垂控制中设置的电压最小值进行控制，使分布式电源的无功输出对系统变化作出相应的响应；

由下垂控制得：

ΔQ＝Δu*d

式中，ΔQ为系统无功变化，Δu为系统电压变化量，d为下垂系数，

式中，Qmax为无功最大值，Qref为无功参考值，uref为电压参考值，umin为电压最小值，则可得出响应系统无功变化的umin为：

4.根据权利要求1所述的一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

基于步骤1和步骤2建立的交直流混合微电网模型，对系统无功负荷变化的场景进行仿真，采集在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量；

步骤3-1：在微电网稳定运行时，记录各分布式电源实际输出的无功功率；

步骤3-2：在系统稳定后的某个时间点改变系统无功负荷，模拟无功负荷变化的场景；

步骤3-3：待系统再次稳定后，记录各分布式电源此时发出的实际无功功率，从而计算出系统无功负荷变化时，各分布式电源发出的无功变化量。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限时间控制的交直流混合微电网的无功均分方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

系统描述如下：

式中，x_i为代理i的状态变量(该变量可以为系统的功率、电压、电流等实际物理量)，Q_i为代理i的控制输入量，各代理只能与其邻居通信，交互状态信息；

利用有限时间Lyapunov稳定性判据，得到如下形式的一致性协议：

式中，a、b、c为有限时间控制参数，且0<a<1，b>0，c≥0；w_ij是权重因子，w_ij≥0，代理i和j之间没有通信线路连接时，w_ij＝0；sign为符号函数，定义如下：

一致性算法中，系统的通信拓扑由权重因子w_ij反应，通过一种优化的Metropolis算法，对w_ij进行自适应调节；

式中，n_i和n_j分别为与代理i和代理j相邻的代理数目，n_i和n_j均是本地信息，可根据通信拓扑变化自动调整；v是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<v<1；

把定义函数sign(x)|x|a用sig(x)a表示，将上式简化为：

步骤4-1：将采集的无功变化量输入有限时间控制中进行迭代，得到无功迭代值；

步骤4-2：将无功迭代值与步骤3中采集的各分布式电源无功变化量的差值作为二次控制的补偿值输入到各分布式电源中，最终使系统在无功负荷变化时各分布式电源的无功变化量相同，实现无功均分。