CN109066765A - 基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，首先在负荷频率控制(LFC)相关技术基础上，针对区域互联微电网(MG)组成的电力系统，提出新的广义动态LFC模型、鲁棒分散式LFC控制策略。描述单区域、多区域控制系统的LFC机制，将经典的LFC方法应用于运行场景多变、多区域互联MG组成的电力系统中。然后，针对多区域互联电力系统，提出一种基于一致性策略的LFC算法，该算法通过控制涡轮‑调速器以及管理ESS的电能传输，实现多区域中分散式孤岛MG的自适应同步控制。最后，通过搭建6个区域随机互联MG组成的电力系统仿真模型验证本发明算法的正确性与有效性，所得到的控制器能够使干扰的影响最小化并保持鲁棒的性能。

Description

基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法

技术领域

本发明涉及一种微电网，具体涉及一种微电网频率控制方法。

背景技术

电网频率是电能质量的三大指标之一，反映了发电出力和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数。如何维持系统发电和负荷及损耗之间的平衡，并保持频率稳定和联络线交换功率恒定，是一直以来备受关注的问题。对于两区域互联的电力系统来说，电力系统负荷频率控制(LFC)的任务就是根据其区域控制偏差(ACE)来对两系统的机组进行控制调整，使得各自的频率偏差、联络线交换功率偏差和ACE在机组有功功率连续调整的情况下逐渐趋于零，并使整个系统的发电出力和负荷功率重新获得平衡。由于电力系统负荷变化具实时性和随机性，依靠系统自然频率特性自动进行的一次调节只能实现频率的有差调节，只有通过自动发电控制(AGC)调整指定发电机的出力，才能实现发电功率对负荷功率的及时跟踪并维持频率在许可范围内。当电力系统存在负荷扰动时，AGC可以尽可能地减小频率偏差，保证电网频率维持在允许的范围内。随着互联电网规模的不断扩大，负荷类型越来越复杂，如何优化AGC系统控制方法也成为一个值得研究的课题。为了充分利用分布式发电的优势，减小其对电网的影响，微电网(MG)作为一种新的供电模式应运而生。MG具有并网和孤岛两种运行模式，不但可以提高供电可靠性及电能质量，而且还可以缓冲能源短缺问题并改善环境质量。但是其控制原理相当复杂，尤其是孤岛模式下系统的电压及频率不易控制，必须选择合理的实时控制方法来保证系统的正常运行。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，通过控制涡轮-调速器以及管理储能系统(ESS)的电能传输，实现多区域中分散式孤岛MG的自适应同步控制，所得到的控制器能够使干扰的影响最小化并保持鲁棒的性能。

技术方案：本发明提供了一种基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，包括以下步骤：

(1)输入多区域互联MG组成的电力系统信息，包括互联MG拓扑信息、每个MG的发电机单元类型及数量、发电机单元的参数数据；

(2)基于负荷频率控制原理，建立发电机单元负荷频率控制数学模型；

(3)对各类型发电机单元建模，包括柴油发电机、蒸汽发电机、水轮发电机；

(4)根据步骤(1)的电力系统信息、步骤(3)中建立的各类型发电机单元模型，得到每个MG模型；

(5)对多区域互联电力系统建模；

(6)根据输入多区域电力系统的互联MG拓扑信息、步骤(4)中得到的每个MG模型、步骤(5)中建立多区域互联电力系统模型，得到多区域互联MG组成的电力系统模型；

(7)基于一致性策略的LFC算法，进行多区域互联MG自适应同步控制设计，设计自适应同步控制器，将得到的控制器应用到多区域互联MG组成的电力系统中，在负荷扰动、并网/离网下，实现多区域孤岛MG的频率自适应同步；

(8)输出多区域互联MG组成的电力系统系统信息，包括每个MG的频率偏差、ESS充放电量、主控回路的耦合信号。

进一步，步骤(2)所述负荷频率控制原理为：频率随负荷变化经历瞬时变化，辅控控制回路通过频率偏差执行反馈，并通过动态控制器把信号耦合到主控回路上用于调节系统频率；

建立发电机单元负荷频率控制数学模型，发电机的功率增量ΔP_m(t)-ΔP_L(t)与频率偏差Δf之间的整体动态关系为：

式中，Δf为频率偏差，ΔP_m为机械功率的变化量，ΔP_L为负荷的变化量，H为惯性常数，D为负荷阻尼系数。

进一步，步骤(3)每个发电机都具有主控制回路，k＝{di,st,hy}为发电机类型,di表示柴油机、st表示蒸汽发电机、hy表示水轮发电机；

柴油发电机的调速器和涡轮机线性模型如上式所示，其中T_gk＞0为描述柴油发动机的瞬态时间常数，T_tk＞0为交流发电机的反应时间常数，ΔP_c为耦合到调速器上的功率信号，ΔP_g为调节涡轮机的功率，s为复变量，柴油发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_di；

水轮发电机的调速器和涡轮机线性模型如上式所示，其中调速器被认为是调节水流的伺服电机，它的机械时间常数为T_gh＞0，与水轮发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数T_t1＞0以及下垂常数h＞0来降低控制器的初始响应，为简洁起见，涡轮时间常数T_th也被称为水的起始时间，水轮发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_hy；

上式描述了非再热/再加热蒸汽发电机的调速器和涡轮机线性模型，控制信号和伺服电动机的反应时间由T_gs＞0表示，使用伺服电机和控制阀打开的过程时间用发电时间常数T_t表示，与蒸汽发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数为T_tr，T_r为与涡轮机阀门有关时间常数，蒸汽发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_st。

进一步，步骤(4)每个MG模型的建模过程为：

在每一个MG中，发电机单元并联工作；控制策略输出的信号与主控回路输出的信号耦合在一起作为发电机单元的输入信号，发电机单元与ESS的连接关系为：

式中，为第I个MG中的第Ii台发电机单元的ΔP_m，为第I个MG中注入功率到ESS或从ESS吸收功率信号，为第I个MG的ΔP_L，MD^I为第I个MG的旋转质量和负载常数，Δf_I为第I个MG的输出Δf，n为每个MG中的发电机单元的总数；

每个MG的Δf_I作为ESS、控制策略、每个发电机单元反馈控制器回路的输入信号。

进一步，步骤(5)从控制区域1到控制区域2的联络线上的功率P_tie,12为：

式中，X₁₂为控制区域1和控制区域2之间线路连接电抗，δ₁、δ₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的功率角，V₁、V₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的终端电压；

在平衡点处，对上式进行线性化处理得到：

ΔP_tie,12＝T₁₂(Δδ₁-Δδ₂)

式中，ΔP_tie,12、Δδ₁、Δδ₂分别为进行线性化处理后的P_tie,12、δ₁、δ₂记号；

其中同步转矩系数T₁₂由下式确定：

考虑到区域功率角和频率之间的关系，上式可写成：

ΔP_tie,12＝2πT₁₂(∫Δf₁-∫Δf₂)

式中，Δf₁、Δf₂分别是控制区域1和控制区域2的频率偏差；上式经拉普拉斯变换，可得到下式：

同理可以得到，控制区域1和控制区域3的联络线上的功率：

由此可得到区域1与其他两个区域2和3之间的总联络线功率变化为：

同理可知，对具有N个控制区域的电力系统中，区域1与其它区域之间的总联络线功率变化为：

进一步，步骤(6)中建立多区域互联MG组成的电力系统模型过程为：

考虑一组含有IN个独立MG的区域互联电力系统，其中第I个具有ESS的分布式发电MG模型用表示；在一个MG中，所有发电机的贡献通过一个具有惯性时间常数为M_Ij、阻尼系数常数为D_Ij、总负荷为∑_IjP_L,Ij单机等效模型来替代，MG中央控制器利用信号在采样瞬间k和一个采样周期δ提供的信息计算出两个控制信号：涡轮调速器的控制输入信号ΔP_cIi和注入功率到ESS或从ESS吸收的功率信号将多区域互联电力系统中的每一个区域电力系统用MG替换，得到区域MG，区域MG的互联原理与多区域互联电力系统互联原理相同，由此到多区域互联MG组成的电力系统模型。

进一步，步骤(7)考虑NI个不同的多主体系统模型，其中每个主体都可由连续线性时不变方程描述：

式中，ii＝1,2,…,NI、x_ii∈Rⁿ、u_ii∈R^m、y_ii∈R^m为第ii个主体系统的状态量、第ii个主体系统的控制输入、第ii个主体系统的输出，A_ii∈R^n×n、B_ii∈R^n×m、C_ii∈R^m×n为第ii主体的状态矩阵、控制输入矩阵、输出矩阵；

u_ii＝-K_iie_ii,1≤ii≤NI

式中，K_ii为自适应增益向量，e_ii为频率偏差向量；

式中，d_ii是一个与ESS有关的非负常数；

对于第ii个主体系统，可得到：

已经定义一个无向图其中υ是顶点集或节点，ε是边的集合，对有IN个MG组成的区域互联电力系统，具有普遍共识的同步控制协议为：

式中，K_ii值随频率偏差的变化而变化，a_iijj为关联矩阵的元素，称外耦合矩阵。

有益效果：本发明首先在负荷频率控制(LFC)相关技术基础上，针对区域互联微电网(MG)组成的电力系统，提出新的广义动态LFC模型、鲁棒分散式LFC控制策略。描述单区域、多区域控制系统的LFC机制，将经典的LFC方法应用于运行场景多变、多区域互联MG组成的电力系统中。然后，针对多区域互联电力系统，提出一种基于一致性策略的LFC算法，该算法通过控制涡轮-调速器以及管理ESS的电能传输，实现多区域中分散式孤岛MG的自适应同步控制。最后，通过搭建6个区域随机互联MG组成的电力系统仿真模型验证本发明算法的正确性与有效性，所得到的控制器能够使干扰的影响最小化并保持鲁棒的性能。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为具有N个控制区域的电力系统图；

图3为由6个互联MG组成的电力系统架构图；

图4为场景1下系统同步时各个MG的Δf变化；

图5为场景1下系统同步时各个MG的U_ESS变化；

图6为场景2下系统同步时各个MG的Δf变化；

图7为场景2下系统同步时各个MG的U_ESS变化；

图8为场景3下系统同步时各个MG的Δf变化；

图9为场景3下系统同步时各个MG的U_ESS变化。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，如图1所示：

(1)负荷频率控制原理与数学模型

大多数大型同步发电机除有主频率控制回路外，都还配有辅助频率控制回路。调速器通过主频率控制回路和辅助频率控制回路检测转速的变化。在互联的电力系统中，主控制回路通常不足以恢复系统频率，需要辅助控制回路中的变速器来调整负荷基准设定点。频率随负荷变化ΔP_L经历瞬时变化Δf，辅控控制回路通过频率偏差执行反馈，并通过动态控制器把信号ΔP_c耦合到主控回路上用于调节系统频率。发电机的功率增量ΔP_m(t)-ΔP_L(t)与频率偏差Δf之间的整体动态关系为：

式中，Δf为频率偏差，ΔP_m为机械功率的变化量，ΔP_L为负荷的变化量，H为惯性常数，D为负荷阻尼系数。

对上式进行拉普拉斯变换，得到：

ΔP_m(s)-ΔP_L(s)＝2HsΔf(s)+DΔf(s)。

(2)多区域电力系统频率响应建模

A.发电机单元模型

本发明考虑了三种类型的同步发电机，即柴油机(diesel，di)、蒸汽发电机(steam，st)及水轮发电机(hydro，hy)，这些发电机通常用于中小型MG中。每个发电机都具有主控制回路，k＝{di,st,hy}为发电机类型(即di表示柴油机、st表示蒸汽发电机、hy表示水轮发电机)。

柴油发电机的调速器和涡轮机线性模型如上式所示，其中T_gk＞0为描述柴油发动机的瞬态时间常数，T_tk＞0为交流发电机的反应时间常数，ΔP_c为耦合到调速器上的功率信号，ΔP_g为调节涡轮机的功率，s为复变量，柴油发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_di,柴油发电机主要包括柴油发动机和发电机两部分。

水轮发电机的调速器和涡轮机的线性模型如上式所示，其中调速器被认为是调节水流的伺服电机，它的机械时间常数为T_gh＞0，与水轮发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数T_t1＞0以及下垂常数h＞0来降低控制器的初始响应，为简洁起见，令涡轮时间常数T_th也被称为水的起始时间,水轮发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_hy。

上式描述了非再热/再加热蒸汽发电机的调速器和涡轮机线性模型，蒸汽发电机由锅炉和涡轮机两部分组成。锅炉产生的高压蒸汽带动涡轮叶片产生动能，发电机将动能转化为电能。控制信号和伺服电动机的反应时间由T_gs＞0表示，使用伺服电机和控制阀打开的过程时间用发电时间常数T_t表示，与蒸汽发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数为T_tr，T_r为与涡轮机阀门有关时间常数,蒸汽发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_st。

B.多区域互联系统模型

多区域互联电力系统中每个控制区域的LFC系统应该控制本区域与其他控制区域的交换功率以及本地频率，因此动态LFC系统模型必须考虑联络线功率信号。下面对如图2表示具有N个控制区域互联组成的电力系统进行分析，其中f₁、δ₁、V₁、表示控制区域1的频率、相角、电压；f₂、δ₂、V₂、表示控制区域2的频率、相角、电压；f₃、δ₃、V₃、表示控制区域3的频率、相角、电压；f_N、δ_N、V_N、表示控制区域N的频率、相角、电压；P_tie,12、P_tie,13、P_tie,1N表示控制区域1与控制区域2、控制区域1与控制区域3、控制区域1与控制区域N的联络线传输功率；X₁₂、X₁₃、X_1N表示控制区域1与控制区域2、控制区域1与控制区域3、控制区域1与控制区域N的联络线电抗；黑色箭头表示联络线传输功率流动方向；

从控制区域1到控制区域2的联络线上的功率P_tie,12为：

式中，X₁₂为控制区域1和控制区域2之间线路连接电抗，δ₁、δ₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的功率角，V₁、V₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的终端电压；

在平衡点处，对上式进行线性化处理可得到：

ΔP_tie,12＝T₁₂(Δδ₁-Δδ₂)

式中，ΔP_tie,12、Δδ₁、Δδ₂分别为进行线性化处理后的P_tie,12、δ₁、δ₂记号；

其中同步转矩系数T₁₂由下式确定：

考虑到区域功率角和频率之间的关系，上式可以写成：

ΔP_tie,12＝2πT₁₂(∫Δf₁-∫Δf₂)

式中，Δf₁、Δf₂分别是控制区域1和控制区域2的频率偏差；上式经过拉普拉斯变换，可得到下式：

同理可以得到，控制区域1和控制区域3的联络线上的功率：

由此可得到区域1与其他两个区域2和3之间的总联络线功率变化为：

同理可知，对具有N个控制区域的电力系统中，区域1与其它区域之间的总联络线功率变化为：

在多区域电力系统中，除了调节区域频率外，辅助控制应按照预定值保持与相邻区域交换功率，这通常通过在辅助控制反馈回路中将频率偏差叠加到联络线功率偏差上来实现。区域i的频率和联络线上功率变化的线性组合称为ACE：

ACE＝ΔP_tie,i+BΔf

式中，B是偏置因子，其合适的值可由下式计算：

(3)多区域互联MG自适应同步控制设计

通过对每个MG建模，使其成为具有通信能力和多源的线性时不变系统，以此解决多个孤岛MG频率同步的问题。在多主体系统同步概念的基础上，设计一种基于一致性算法的分布式控制器。控制器从与它互联MG获得信息，在计算信息后处理由涡轮-调速器产生的机械应力，并同时管理可以向MG注入/吸收电能的ESS。

A.微电网自适应同步控制模型架构

首先给出一些必要的数学符号的定义：表示无向图，υ＝{1,2,…,Ni}是顶点集，ε＝{(in,jn)|in,jn∈υ}是一组称为边的对。如果存在一对(in,jn)∈ε，那么in、jn是相邻的，其中相邻矩阵是对称的Ni×Ni矩阵，当(in,jn)是相邻的，则a_injn＝1，否则a_injn＝0。对于任意in∈υ都，有a_inin＝0。对于第in个节点，与它相邻的节点可以表示为N_in＝{jn|(in,jn)∈ε}，与节点in相邻的节点数，用d_in来表示，也即是一个序列(in₁,in₂)，(in₂,in₃)，…，(in_r-1,in_r)称为节点in₁到节点in_r的路径。对任意的in,jn∈υ，如果存在从节点in到节点jn的路径，那么无向图是连通。定义无向图拉普拉斯矩阵定义为其中D＝diag(d₁,d₂,…,d_Ni)，具有行可加性。一个向量1_Ni是1×Ni的[1,1,…,1]行向量。有Ni个矩阵模块组成的模块对角矩阵为R＝diag{R₁,R₂,…,R_Ni}，一个Ni个标量元素组成的对角矩阵为T＝diag(T₁,T₂,…,T_Ni)。

这里，考虑一组含有IN个独立MG的区域互联电力系统，其中第I个具有ESS的分布式发电MG模型用表示；在一个MG中，所有发电机的贡献通过一个具有惯性时间常数为M_Ij、阻尼系数常数为D_Ij、总负荷为∑_IjP_L,Ij单机等效模型来替代，MG中央控制器利用信号在采样瞬间k和一个采样周期δ提供的信息计算出两个控制信号：涡轮调速器的控制输入信号ΔP_cIi和注入功率到ESS或从ESS吸收的功率信号将多区域互联电力系统中的每一个区域电力系统用MG替换，得到区域MG，区域MG的互联原理与多区域互联电力系统互联原理相同，由此到多区域互联MG组成的电力系统模型。

在每一个MG中，发电机单元并联工作；控制策略输出的信号与主控回路输出的信号耦合在一起作为发电机单元的输入信号，发电机单元与ESS的连接关系为：

式中，为第I个MG中的第Ii台发电机单元的ΔP_m，为第I个MG中注入功率到ESS或从ESS吸收功率信号，为第I个MG的ΔP_L，MD^I为第I个MG的旋转质量和负载常数，Δf_I为第I个MG的输出Δf，n为每个MG中的发电机单元的总数；每个MG的Δf_I作为ESS、控制策略、每个发电机单元反馈控制器回路的输入信号。在此基础上，将区域互联电力系统中的每一个区域电力系统用MG替换，得到区域MG，区域MG的互联原理同区域互联电力系统互联原理，由此到多区域互联MG组成的电力系统模型。

B.动态网络的自适应同步

这里考虑NI个不同的多主体系统模型，其中每个主体都可由连续线性时不变方程描述：

式中，ii＝1,2,…,NI、x_ii∈Rⁿ、u_ii∈R^m、y_ii∈R^m为第ii个主体系统的状态量、第ii个主体系统的控制输入、第ii个主体系统的输出，A_ii∈R^n×n、B_ii∈R^n×m、C_ii∈R^m×n为第ii主体的状态矩阵、控制输入矩阵、输出矩阵；

u_ii＝-K_iie_ii,1≤ii≤NI

式中，K_ii为自适应增益向量，e_ii为频率偏差向量；

式中，d_ii是一个与ESS有关的非负常数；

对于第ii个主体系统，可得到：

已经定义一个无向图其中υ是顶点集或节点，ε是边的集合，对有IN个MG组成的区域互联电力系统，具有普遍共识的同步控制协议为：

式中，K_ii值随频率偏差的变化而变化，a_iijj为关联矩阵的元素，称外耦合矩阵。

如果那么由连续线性时不变方程所描述的动态网络实现了同步，这也等价于收敛矩阵x＝(x₁,x₂,…,x_NI)^T输出达到输出同步流行M＝{x|y₁(x₁)＝y₂(x₂)＝…＝y_N(x_NI)}。

对一个系统，其形式如下：

式中：为拉普拉斯矩阵；R为一个对角矩阵，如果有一个向υ＝α1_N，那么有系统解的形式为如果R的元素为正数，而且拉普拉斯矩阵的特征值也是一个正数，至多有一个零特征值，那么

为使非同步主体达到同步，需要考虑非同步节点的同步，其中主体的动态方程如上文所描述，输入控制协议如上文所描述。定义三个矩阵为K＝diag{K₁,K₂,…,K_NN}，A＝diag{A₁,A₂,…,A_NN}，C＝diag{C₁,C₂,…,C_NN}，通信图的拉普拉斯算子用表示，如果通信图是连通的，(A,B)是可控的，并且那么系统实现了同步，这也是线性系统同步和稳定的条件。

对任意一个主体系统，可以将控制协议推广到如下形式：

因此，动态系统可以变为如下形式：

当y＝Cx＝(C₁x₁,C₂x₂,…,C_NNx_NN)，时系统是稳定的，因为是Hurwitz阵，即它的特征值实部为负。另一方面，系统解的形式如下式所示：

由于控制器是一致的，无向图是连通的，并且有线性系统同步和稳定的条件可知，系统将趋向于同步。由于这一项，系统将趋于平衡状态，由于e^At这一项，X^eq＝0。

(4)仿真算例

通过案例仿真来验证本发明所提出控制策略的有效性以及受饱和限制的ESS对孤岛MG频率同步的影响。如图3所示，算例中考虑6个孤岛MG的电力网络，其中每个电力网络都可以将其相关的状态信息分享给互联的其它区域。表1给出了发电机的数量和类型及仿真参数。

表1仿真参数

场景1：系统在阶跃负荷扰动场景下运行

第2s时分别给MG1-MG6如表1所示的负荷扰动，第50s时再给MG5加0.1p.u.负荷扰动。每个MG的发电机类型及发电机数目在表1中已经给出了说明，场景1的仿真结果如图4-图5所示。

从图4可以看出，系统在受到负荷扰动时，可以很快的达到稳定，即各个MG的Δf很快等于0，满足自适应同步的要求；从图5可以看到，在MG5受到0.1p.u.的负荷扰动后，MG5的ESS迅速的向电力系统中注入功率，同时MG1和MG6中的ESS从电力系统中吸收电能，其它MG的ESS变化不是特别明显。

场景2：系统在孤岛MGs场景下运行

第2s时分别给MG1-MG6如表格1所示的负荷扰动，第50s时再给MG5加0.1p.u.的负荷扰动。第100s时断开MG1和MG5的联络线，第150s时断开MG1和MG2的联络线，第180s时断开MG3和MG4的联络线。场景2的仿真结果如图6-图7所示。

从图6可以看出，第2s时、第50s时系统在负荷扰动下的频率偏差Δf波动比第100s时、第150s时、第180s时联络线突然断开系统频率偏差Δf波动更大，总体上来看，系统Δf变化都很小，在±0.01Hz范围内，系统能够很快的达到同步；从图7可以看到，ESS注入或吸收功率主要受负荷扰动的影响，MG之间联络线断开对ESS充放电几乎没有影响。第50s时，MG5受负荷扰动，MG5的ESS迅速向系统注入功率，以平衡负荷的增加。

场景3：系统在ESS饱和约束场景下运行

在这里，考虑在各个MG中增加输入饱和限制，本发明假设对每个MG的饱和限制都是一样，即：

为了体现饱和限制在场景3中的作用，假设第2s时各个MG受到的负荷扰动情况如表2所示，MG2，MG5在第50s时分别受到0.22p.u.和0.25p.u.的负荷扰动，其它参数数据同场景2，此时场景3的仿真结果如图8-图9所示。

表2场景3仿真参数

图8所示的仿真结果表明，MG实现了频率自适应同步。由图8可以知道，饱和约束限制了ESS和辅助控制的能力，ESS的注入或吸收功率能力限定在±0.1p.u.范围内、辅助控制的调节能力限制在±1p.u.范围内。此外，图9中ESS快速地注入或吸收电能，这可能导致电池的快速劣化，在实际电力系统中，由于信息的采样，传递等物理条件限制，电池很难执行这么快速变化。

Claims (7)

1.一种基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)输入多区域互联MG组成的电力系统信息，包括互联MG拓扑信息、每个MG的发电机单元类型及数量、发电机单元的参数数据；

(2)基于负荷频率控制原理，建立发电机单元负荷频率控制数学模型；

(3)对各类型发电机单元建模，包括柴油发电机、蒸汽发电机、水轮发电机；

(4)根据步骤(1)的电力系统信息、步骤(3)中建立的各类型发电机单元模型，得到每个MG模型；

(5)对多区域互联电力系统建模；

(6)根据输入多区域电力系统的互联MG拓扑信息、步骤(4)中得到的每个MG模型、步骤(5)中建立多区域互联电力系统模型，得到多区域互联MG组成的电力系统模型；

(7)基于一致性策略的LFC算法，进行多区域互联MG自适应同步控制设计，设计自适应同步控制器，将得到的控制器应用到多区域互联MG组成的电力系统中，在负荷扰动、并网/离网下，实现多区域孤岛MG的频率自适应同步；

(8)输出多区域互联MG组成的电力系统系统信息，包括每个MG的频率偏差、ESS充放电量、主控回路的耦合信号。

2.根据权利要求1所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(2)所述负荷频率控制原理为：频率随负荷变化经历瞬时变化，辅控控制回路通过频率偏差执行反馈，并通过动态控制器把信号耦合到主控回路上用于调节系统频率；

建立发电机单元负荷频率控制数学模型，发电机的功率增量ΔP_m(t)-ΔP_L(t)与频率偏差Δf之间的整体动态关系为：

式中，Δf为频率偏差，ΔP_m为机械功率的变化量，ΔP_L为负荷的变化量，H为惯性常数，D为负荷阻尼系数。

3.根据权利要求2所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(3)每个发电机都具有主控制回路，k＝{di,st,hy}为发电机类型,di表示柴油机、st表示蒸汽发电机、hy表示水轮发电机；

柴油发电机的调速器和涡轮机线性模型如上式所示，其中T_gk＞0为描述柴油发动机的瞬态时间常数，T_tk＞0为交流发电机的反应时间常数，ΔP_c为耦合到调速器上的功率信号，ΔP_g为调节涡轮机的功率，s为复变量，柴油发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_di；

水轮发电机的调速器和涡轮机线性模型如上式所示，其中调速器被认为是调节水流的伺服电机，它的机械时间常数为T_gh＞0，与水轮发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数T_t1＞0以及下垂常数h＞0来降低控制器的初始响应，为简洁起见，涡轮时间常数T_th也被称为水的起始时间，水轮发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_hy；

上式描述了非再热/再加热蒸汽发电机的调速器和涡轮机线性模型，控制信号和伺服电动机的反应时间由T_gs＞0表示，使用伺服电机和控制阀打开的过程时间用发电时间常数T_t表示，与蒸汽发电机相关的瞬时下降补偿器通过电时间常数为T_tr，T_r为与涡轮机阀门有关时间常数，蒸汽发电机的主控制回路上的增益系数的倒数为R_st。

4.根据权利要求3所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(4)每个MG模型的建模过程为：

在每一个MG中，发电机单元并联工作；控制策略输出的信号与主控回路输出的信号耦合在一起作为发电机单元的输入信号，发电机单元与ESS的连接关系为：

式中，为第I个MG中的第Ii台发电机单元的ΔP_m，为第I个MG中注入功率到ESS或从ESS吸收功率信号，为第I个MG的ΔP_L，MD^I为第I个MG的旋转质量和负载常数，Δf_I为第I个MG的输出Δf，n为每个MG中的发电机单元的总数；

每个MG的Δf_I作为ESS、控制策略、每个发电机单元反馈控制器回路的输入信号。

5.根据权利要求4所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(5)从控制区域1到控制区域2的联络线上的功率P_tie,12为：

式中，X₁₂为控制区域1和控制区域2之间线路连接电抗，δ₁、δ₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的功率角，V₁、V₂为等价单机模型下的控制区域1与控制区域2的终端电压；

在平衡点处，对上式进行线性化处理得到：

ΔP_tie,12＝T₁₂(Δδ₁-Δδ₂)

式中，ΔP_tie,12、Δδ₁、Δδ₂分别为进行线性化处理后的P_tie,12、δ₁、δ₂记号；

其中同步转矩系数T₁₂由下式确定：

考虑到区域功率角和频率之间的关系，上式可写成：

ΔP_tie,12＝2πT₁₂(∫Δf₁-∫Δf₂)

式中，Δf₁、Δf₂分别是控制区域1和控制区域2的频率偏差；上式经拉普拉斯变换，可得到下式：

同理可以得到，控制区域1和控制区域3的联络线上的功率：

由此可得到区域1与其他两个区域2和3之间的总联络线功率变化为：

同理可知，对具有N个控制区域的电力系统中，区域1与其它区域之间的总联络线功率变化为：

6.根据权利要求5所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(6)中建立多区域互联MG组成的电力系统模型过程为：

考虑一组含有IN个独立MG的区域互联电力系统，其中第I个具有ESS的分布式发电MG模型用表示；在一个MG中，所有发电机的贡献通过一个具有惯性时间常数为M_Ij、阻尼系数常数为D_Ij、总负荷为∑_IjP_L,Ij单机等效模型来替代，MG中央控制器利用信号在采样瞬间k和一个采样周期δ提供的信息计算出两个控制信号：涡轮调速器的控制输入信号ΔP_cIi和注入功率到ESS或从ESS吸收的功率信号将多区域互联电力系统中的每一个区域电力系统用MG替换，得到区域MG，区域MG的互联原理与多区域互联电力系统互联原理相同，由此到多区域互联MG组成的电力系统模型。

7.根据权利要求6所述的基于一致性策略的孤岛微电网自适应同步频率控制方法，其特征在于：步骤(7)考虑NI个不同的多主体系统模型，其中每个主体都可由连续线性时不变方程描述：

式中，ii＝1,2,…,NI、x_ii∈Rⁿ、u_ii∈R^m、y_ii∈R^m为第ii个主体系统的状态量、第ii个主体系统的控制输入、第ii个主体系统的输出，A_ii∈R^n×n、B_ii∈R^n×m、C_ii∈R^m×n为第ii主体的状态矩阵、控制输入矩阵、输出矩阵；

u_ii＝-K_iie_ii,1≤ii≤NI

式中，K_ii为自适应增益向量，e_ii为频率偏差向量；

式中，d_ii是一个与ESS有关的非负常数；

对于第ii个主体系统，可得到：

已经定义一个无向图其中υ是顶点集或节点，ε是边的集合，对有IN个MG组成的区域互联电力系统，具有普遍共识的同步控制协议为：

式中，K_ii值随频率偏差的变化而变化，a_iijj为关联矩阵的元素，称外耦合矩阵。