CN109687526B - 一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略：首先提出初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式多环控制器，包括外环功率控制器和内环电压电流控制器，实现了分布式电源快速响应，稳定系统电压和频率；然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压—无功下垂系数修正法，分别提出了分布式二级频率控制和二级电压—无功控制策略，修正了初级下垂控制带来的频率和电压偏移，并实现无功功率比例分配；最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，采用拉格朗日对偶分解法进行求解，进一步基于有限时间一致性算法提出孤岛微电网分布式经济调度方法，使各分布式电源在本地独立求解最优输出有功功率。

Description

一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，特别涉及一种孤岛微电网的分层分布式控制方法。

背景技术

随着用户对供电可靠性和电能质量的关注不断提高，以及太阳能、风能等各种形式的可再生能源大量利用，分布式电源(Distributed Generator，DG)因其充分利用各地丰富的清洁和可再生能源而得到大力发展。微电网作为由DG、储能装置、能量转换装置、可控负荷和监控、保护装置等单元汇集而成的小型发配电系统，能够实现自我控制、保护和管理，被公认为解决分布式电源接入配电网最有效的方案。特别地，在孤岛运行模式下，微电网可以给海岛和边防等偏远地区供电，也可以在外部电网故障时继续向重要负荷供电，具有很大的推广价值。

但由于孤岛微电网失去了大电网的支撑，网络结构的改变和负荷的扰动都易造成系统电压和频率的不稳定，并破坏负载分配机制的准确性，因此孤岛微电网的控制问题成为了亟待解决的难题。同时，由于现代电力系统中分布式电源特性各异，数量越来越多且接入具有分散特点。而现有的孤岛微电网分层控制方法多采用传统的集中式，二级控制和三级控制都需要依靠微电网中央控制器。该方法面临计算负担大、通信复杂以及灵活性不足等限制。因此，本领域技术人员需要提供一种新的孤岛微电网分层分布式控制方法，能够克服集中式控制的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种分层分布式协调控制策略，解决含分布式电源的孤岛微电网中电压和频率的控制问题，该方法不仅提高了孤岛微电网系统安全稳定和经济运行水平，而且不需要中央控制器，能够有效地解决集中式控制方式可靠性差及鲁棒性低等缺陷。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，该方法的技术方案如下：

根据孤岛微电网系统的频率和电压调整以及经济优化的不同时间尺度，将控制目标划分为三个层次来实现，即：初级下垂控制、二级频率和电压控制、三级经济调度。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

(1)首先引入初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，包括逆变器的硬件部分、外环功率控制器以及内环电压电流控制器，以实现分布式电源的快速响应，稳定系统电压和频率。

(2)然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压-无功下垂系数修正法，发明了分布式二级频率和电压控制策略，包含分布式二级频率控制和分布式二级电压-无功控制，以去中心化的方式修正初级下垂控制带来的系统频率和电压偏移，并实现无功功率的比例分配。

(3)最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，并采用拉格朗日对偶分解法对该模型进行求解，进一步基于有限时间一致性算法，发明孤岛微电网三级分布式经济调度方法，使各台分布式电源在本地求解最优输出有功功率，实现孤岛微电网的经济运行。

三层控制之间存在着通信联系，共同嵌入在每台DG中，其中初级下垂控制由各台DG自主执行，而分布式二级频率和电压控制以及分布式三级经济调度除了需要本地信息外，还需要通过通信网络与相邻的DG进行信息交换。

进一步的，步骤(1)所述的“初级下垂控制策略”的具体内容为：

下垂控制是利用与传统同步发电机相似的电压-无功和频率-有功的下垂特性将系统不平衡功率动态分配给并联运行的各台DG，从而获取稳定的电压和频率。

进一步的，步骤(2)所述的“分布式二级频率和电压控制策略”的具体内容为：

a.建立分布式二级频率控制

针对初级下垂控制带来的系统频率偏移，二级频率控制旨在实现频率的无差调节。当系统负荷出现正的波动，初级下垂控制动作，使DG输出有功功率增加，系统频率降低，为了使各台DG的输出频率恢复至额定值，采用下垂曲线平移法补偿频率。

传统的频率调节方法是通过实测输出角频率ω_i与额定角频率ω^*比较得到频率补偿量，这种方法可能导致频率响应较慢，并且在干扰情况下会产生较大的频率偏差。而DG的实时输出有功功率P_i可以很容易由功率计算单元计算得到，因此本发明将采集各台DG的实时输出有功功率P_i和三级经济调度下发的最优有功功率参考值P_refi进行计算得到频率补偿量。

此外，若各台DG仅利用本地信息各自计算出频率补偿量Δω_i进行分散式调节，由于功率计算单元可能产生计算误差，会造成并联的各台DG频率补偿量不相等，容易产生振荡和超调，导致系统频率失稳。因此，本发明将各台DG频率补偿量的平均值作为各台DG最终的频率补偿量。

为了使各台DG在本地估算出平均频率补偿量

实现分布式二级频率控制，本发明采用有限时间一致性算法，通过通信网络获取相邻DG的频率补偿量进行迭代计算以获得全局所有DG频率补偿量的平均值。

各台DG将最终估算出的频率补偿量

反馈至P-ω初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级频率控制，使系统频率恢复至额定值。并且由于频率是全局变量，因此采用上述分布式频率控制方法不会破坏各台DG之间有功功率的比例分配。

b.建立分布式二级电压—无功控制

传统的分散式电压调节通过各台DG各自改变励磁调压，将输出电压均恢复至额定值，这种方法将恶化各台DG之间本就不成比例的无功功率分配。因此，为了同时能够实现合理的无功分配，可允许小范围的电压偏差，将DG的输出电压幅值调节至额定值附近即可。

各台DG与相邻DG交换输出相电压幅值信息，采用有限时间一致性算法，各自在本地进行迭代计算，得到所有DG输出相电压幅值平均值。

各台DG将最终估算得到的输出相电压幅值平均值

与输出相电压额定值U_N相减，得到电压偏差量，再将电压偏差量经过PI控制器G_i(s)得到电压幅值补偿量ΔE_i，最后将ΔE_i反馈至Q-E初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级电压控制，使各台DG的输出电压调节至额定电压值附近的允许范围之内，并且给无功功率的比例分配提供了可能性。

进而采用Q-E下垂系数修正法实现无功功率的比例分配，修正过程一直持续到下垂系数偏差量等于零时，Q-E下垂系数便稳定在恒定值，此时各台DG的输出无功功率均调节至与初始下垂系数相匹配，实现了DG之间输出无功功率的比例分配。

进一步的，步骤(3)所述的“三级分布式经济调度方法”的具体内容为：

在初级控制和二级控制保证孤岛微电网安全稳定运行的基础上，三级经济调度旨在实现孤岛微电网的经济运行。

假设微电网系统中含有n台DG，建立第i台DG的发电成本C_i与其有功功率P_i的二次函数：C_i(P_i)＝a_iP_i ²+b_iP_i+c_i，式中：a_i、b_i和c_i为相关的燃料消耗系数；以其所有DG发电成本最小为经济调度的目标函数

同时建立满足供需平衡的等式约束

和DG的发电容量上下限的不等式约束P_i,min≤P_i≤P_i,max，其中：P_L是系统负荷需求功率，P_i,max和P_i,min分别为第i台DG的发电功率上下限。

引入拉格朗日对偶分解法对上述经济调度模型进行求解，可以得到交替求解方程：

式中：i＝1,2,…,n，k为迭代次数；ρ>0为迭代步长；λ为拉格朗日乘子；P_refi ^k+1代表第k+1次迭代下DG_i计算出的有功功率参考值。系统总不平衡功率

和拉格朗日乘子λ均为全局变量，即需要中央控制器收集和处理系统中的负荷信息以及每台DG的有功功率参考值信息。为了消除中央控制器，得到完全分布式的经济调度方法，本发明将利用有限时间一致性算法实现每个DG本地独立迭代求解。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明根据孤岛微电网系统控制优化的不同时间尺度，将控制目标划分初级下垂控制、二级频率和电压控制、三级经济调度三个层次，并区别于传统的集中式控制方式，将采取基于有限时间一致性算法的分布式控制方式以实现上述分层控制结构。

附图说明

图1是本发明所提的分层分布式控制策略整体控制框图；

图2是二级频率控制原理图；

图3是三级分布式经济调度方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，该控制策略包括以下步骤：

(1)通过下垂控制策略向DG逆变器内环控制器提供频率和电压幅值参考值，使DG快速响应系统中的负荷波动，稳定系统频率和电压，实现微电网实时控制，建立初级下垂控制；

(2)调整由初级下垂控制带来的系统频率和电压偏差，同时在DG之间保持精确的有功和无功功率比例分配，建立分布式二级频率控制和分布式二级电压—无功控制；

(3)确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网系统经济运行，建立分布式三级经济调度。

具体的讲，步骤(1)中初级下垂控制的具体方法为：

下垂控制是利用与传统同步发电机相似的电压-无功和频率-有功的下垂特性将系统不平衡功率动态分配给并联运行的各台DG，从而获取稳定的电压和频率。初级下垂控制表达式为：

式中：ω_i和E_i分别为DG_i输出电压角频率和幅值参考值，用于产生逆变器内环控制器的控制信号；ω_i ^*和E_i ^*分别为系统的额定角频率和额定电压幅值；m_i和n_i分别为P-ω和Q-E下垂系数；P_i和Q_i分别为DG_i实时输出的有功和无功功率；P_refi为三级经济调度下达的DG_i最优有功功率参考值。

另外，由于频率为全局变量，即并联运行的各台DG输出角频率ω_i相等，且各台DG的额定角频率ω_i ^*均为100π(rad/s)。为了能够实现二级频率控制，在一级下垂控制中应使各台DG的空载频率ω_i0 ^*相等(其中ω_i0 ^*＝ω_i ^*+m_iP_refi)，需选取P-ω下垂系数m_i，使其满足：m₁P_ref1＝m₂P_ref2＝…＝m_nP_refn＝C，式中：C为常数，即各台DG的P-ω下垂系数需根据三级经济调度下达的最优有功功率参考值确定。为了实现DG间无功功率的比例分配，各台DG的Q-E下垂系数将由二级电压-无功控制确定。

具体的讲，步骤(2)中有限时间一致性算法的具体方法为：

一致性算法的本质是通过本地节点与相邻节点的信息交互，更新本地节点的状态量，使得网络中所有节点的状态量收敛于稳定的共同值。离散时间一致性算法可描述如下：

式中：x_i代表第i个节点v_i的状态量，如系统的电压、频率和功率等；k为迭代次数；w_ij为节点v_i和v_j之间的权重因子。上式也可以写成矩阵形式：x(k+1)＝Wx(k)，式中：W为权重矩阵。

根据一致性算法逐步迭代到当k→∞时，所有节点的状态量都会趋于一致，且最终的收敛结果为节点状态量初始值的平均值，即：

因此一致性算法只需各节点和相邻节点进行通信，便可进行系统状态量平均值的估算，无需中央控制器进行全局状态量的收集和计算，大大减少了计算负担和通信成本，提高了计算速度。

将

改写为

其中：I_n为n阶单位矩阵，J_n＝(1/n)I_nI_n ^T。由公式x(k+1)＝Wx(k)和

可以得出

因此，要想实现在有限的步数之内达到精确收敛，只需找到一组与网络拓扑一致的权重矩阵{W_m}_{m＝1,2,…,K}，满足：

其中K为通信网络的拉普拉斯矩阵的不同非零特征值个数。

因此由有限时间一致性算法可知，通过设置一组权重矩阵W_m可以使得系统中所有节点的状态量在K步迭代之内达到平均一致性收敛，即：

具体的讲，步骤(2)中分布式二级频率控制的具体方法为：

通过两台并联DG的初级下垂控制特性曲线来说明二级频率调节过程，如附图2所示。假设初始时刻DG₁和DG₂均分别运行于功率参考点即A点和B点，此时两台DG的输出频率均稳定在额定频率ω^*。当系统负荷出现正的波动，初级下垂控制动作，使DG输出有功功率增加，DG₁和DG₂运行点分别偏移至C点和D点，系统频率降低至ω。为了使各台DG的输出频率恢复至额定值，采用下垂曲线平移法，使DG₁和DG₂的运行点分别向上平移至E点和F点，即系统的运行频率被修正至额定值。DG₁和DG₂的P-ω下垂特性曲线斜率分别为m₁和m₂，则下垂曲线的平移量即第i台DG的频率补偿量Δω_i可根据下式计算：

传统的频率调节方法是通过实测输出角频率ω_i与额定角频率ω^*比较得到频率补偿量，这种方法可能导致频率响应较慢，并且在干扰情况下会产生较大的频率偏差。而DG的实时输出有功功率P_i可以很容易由功率计算单元计算得到，因此本文将采集各台DG的实时输出有功功率P_i和三级经济调度下发的最优有功功率参考值P_refi进行计算得到频率补偿量。

此外，若各台DG仅利用本地信息各自计算出频率补偿量Δω_i进行分散式调节，由于功率计算单元可能产生计算误差，会造成并联的各台DG频率补偿量不相等，容易产生振荡和超调，导致系统频率失稳。因此，本文将各台DG频率补偿量的平均值作为各台DG最终的频率补偿量，即：

根据有限时间一致性算法的原理，获得权重矩阵，则上式可以在K步迭代之内达到平均一致性收敛，即：

各台DG将最终估算出的频率补偿量

反馈至P-ω初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级频率控制，使系统频率恢复至额定值。并且由于频率是全局变量，因此采用上述分布式频率控制方法不会破坏各台DG之间有功功率的比例分配。

具体的讲，步骤(2)中分布式二级电压—无功控制的具体方法为：

不同于二级频率控制，由于线路阻抗不等及负荷分布不均，将导致各台DG的输出电压水平不相等，DG间较小的电压差就会造成较大的无功偏差，进而DG输出无功功率并不能按Q-E下垂系数比例分配，容易造成DG过载。传统的分散式电压调节通过各台DG各自改变励磁调压，将输出电压均恢复至额定值，这种方法将恶化各台DG之间本就不成比例的无功功率分配。因此，为了同时能够实现合理的无功分配，可允许小范围的电压偏差，将DG的输出电压幅值调节至额定值附近即可。分布式电压控制过程如下：

各台DG与相邻DG交换输出相电压幅值信息U_oj，采用有限时间一致性算法，各自在本地进行迭代计算，即：

与分布式频率控制采用相同的通信网络，则上式同样可在K步迭代之内达到平均一致性收敛，即：

各台DG将最终估算得到的输出相电压幅值平均值

与输出相电压额定值U_N相减，得到电压偏差量，再将电压偏差量经过PI控制器G_i(s)得到电压幅值补偿量ΔE_i，最后将ΔE_i反馈至Q-E初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级电压控制，使各台DG的输出电压调节至额定电压值附近的允许范围之内，并且给无功功率的比例分配提供了可能性。

进而采用Q-E下垂系数修正法实现无功功率的比例分配，分布式无功控制过程如下：

各台DG与相邻DG交换Q-E下垂系数与无功功率的乘积信息，获取下垂系数偏差量Δn_i，即：

式中：b为电压幅值与Q-E下垂系数之间的耦合增益，l_ij为图的拉普拉斯矩阵中的元素。将求得的偏差量Δn_i经过PI控制器H_i(s)得到下垂系数修正项δn_i，并将δn_i反馈至Q-E初级下垂控制环节，更新Q-E下垂系数：n_i(t)＝n_i0+δn_i(t)。

上述修正过程一直持续到下垂系数偏差量Δn_i等于零时，Q-E下垂系数便稳定在恒定值，此时各台DG的输出无功功率均调节至与初始下垂系数相匹配，即满足n₁₀Q₁＝n₂₀Q₂＝…＝n_n0Q_n，实现了DG之间输出无功功率的比例分配。

具体的讲，步骤(3)中分布式三级经济调度的具体方法为：

在初级控制和二级控制保证孤岛微电网安全稳定运行的基础上，三级经济调度旨在实现孤岛微电网的经济运行。假设微电网系统中含有n台DG，DG_i的发电成本一般是其输出有功功率的二次函数：C_i(P_i)＝a_iP_i ²+b_iP_i+c_i，式中：a_i、b_i和c_i为相关的燃料消耗系数。那么微电网系统经济调度目标函数为：

同时，微电网的经济运行需要满足供需平衡约束以及DG的发电容量不等式约束如下(忽略网损)：

式中P_L表示系统总有功负荷，P_i,max和P_i,min分别表示DG_i的出力上下限。

为了得到分布式的经济调度方法，首先引入拉格朗日对偶分解法对上述经济调度模型进行求解，可以得到交替求解方程如下：

式中：i＝1,2,…,n，k为迭代次数；ρ>0为迭代步长；λ为拉格朗日乘子；P_refi ^k+1代表第k+1次迭代下DG_i计算出的有功功率参考值。令：

代表第k+1次迭代下系统的总不平衡功率，进一步可以得到如下迭代求解方程：

考虑到DG输出功率上下限，实际的输出有功功率参考值应满足：

重复以上迭代步骤，当满足r^k+1＝λ^k+1-λ^k＝ρPe^k+1＜ε时，DG有功功率参考值将获得最优解，其中ε是收敛精度。

然而上述过程中使用到的系统总不平衡功率P_e和拉格朗日乘子λ均为全局变量，即需要中央控制器收集和处理系统中的负荷信息以及每台DG的有功功率参考值信息。为了消除中央控制，得到完全分布式的经济调度方法，本发明利用有限时间一致性算法使每台DG在本地独立估算出P_e。估算方法如下：

a.定义第k次迭代下DG_i的不平衡功率为

在初级下垂控制的作用下，各台DG的实时输出有功功率能够满足：

则可以推导出

即第k次迭代下所有DG的不平衡功率总和就等于系统总不平衡功率。

b.各台DG与相邻DG交换不平衡功率

按照有限时间一致性算法各自在本地进行迭代计算，则DG_i的不平衡功率可以在K步迭代之内达到平均一致性收敛，即：

c.则每一台DG都可以估算出第k次迭代下的系统总不平衡功率：

按照如上估算方法，每一台DG只需要本地信息和相邻DG的信息便可估算出系统总不平衡功率，P_e不再是一个全局变量，从而拉格朗日乘子的更新可以由各DG自主完成，则公式

可以本地进行独立迭代计算，分布式求解出每一台DG的最优有功功率参考值。

综上所述，附图3给出了所发明的分布式经济调度方法具体流程。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于设计孤岛微电网分布式三层控制方案，包括：

首先提出初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，包括外环功率控制器和内环电压电流控制器，以实现分布式电源的快速响应，稳定系统电压和频率；然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压—无功下垂系数修正法，分别发明了分布式二级频率控制策略和分布式二级电压—无功控制策略，以去中心化的方式修正初级下垂控制带来的系统频率和电压偏移，并实现无功功率的比例分配；最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，并采用拉格朗日对偶分解法对该模型进行求解，进一步基于有限时间一致性算法，提出孤岛微电网三级分布式经济调度方法，确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网的经济运行；

该方法包括以下步骤：

(1)设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，通过下垂控制策略向DG逆变器内环控制器提供频率和电压幅值参考值，使DG快速响应系统中的负荷波动，稳定系统频率和电压，实现微电网实时控制，建立初级下垂控制；

(2)调整由初级下垂控制带来的系统频率和电压偏差，同时在DG之间保持精确的有功和无功功率比例分配，建立分布式二级频率控制和分布式二级电压—无功控制；

所述的“建立分布式二级频率控制”的具体内容为：

a.采集各台DG的实时输出有功功率P_i和三级经济调度下发的最优有功功率参考值P_refi进行计算得到频率补偿量；

b.将所有DG频率补偿量的平均值作为各台DG最终的频率补偿量；

c.采用有限时间一致性算法，通过通信网络获取相邻DG的频率补偿量即可在本地独立迭代计算出所有DG频率补偿量的平均值，实现分布式二级频率控制；

所述的“分布式二级电压—无功控制”的具体内容为：

a.各台DG与相邻DG交换输出相电压幅值信息，采用有限时间一致性算法，各自在本地独立迭代计算出所有DG输出相电压幅值的平均值；

b.各台DG将最终估算得到的输出相电压幅值平均值与输出相电压额定值相减，得到电压偏差量，再将电压偏差量经过PI控制器G_i(s)得到电压幅值补偿量，最后将该电压幅值补偿量反馈至Q-E初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级电压控制，使各台DG的输出电压调节至额定电压值附近的允许范围之内；

c.采用Q-E下垂系数修正法实现无功功率的比例分配，修正过程一直持续到下垂系数偏差量等于零时，Q-E下垂系数便稳定在恒定值，此时各台DG的输出无功功率均调节至与初始下垂系数相匹配，实现了DG之间输出无功功率的比例分配；

采用Q-E下垂系数修正法实现无功功率的比例分配，分布式无功控制过程如下：

各台DG与相邻DG交换Q-E下垂系数与无功功率的乘积信息，获取下垂系数偏差量Δn_i；将求得的偏差量Δn_i经过PI控制器得到下垂系数修正项δn_i，并将δn_i反馈至Q-E初级下垂控制环节，更新Q-E下垂系数：n_i(t)＝n_i0+δn_i(t)；修正过程一直持续到下垂系数偏差量Δn_i等于零时，Q-E下垂系数稳定在恒定值，各台DG的输出无功功率均调节至与初始下垂系数相匹配，实现DG之间输出无功功率的比例分配；

(3)由分布式控制方法确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网系统经济运行，建立分布式三级经济调度。

2.根据权利要求1所述的基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于：步骤(3)所述的“建立分布式三级经济调度”的具体内容为：

a.以所有DG发电总成本最小为目标函数，并且满足系统功率平衡约束以及DG的发电容量不等式约束建立经济调度模型，引入拉格朗日对偶分解法对该经济调度模型进行求解，得到交替求解方程；

b.分解后的求解方程中系统总不平衡功率和拉格朗日乘子为全局变量，利用有限时间一致性算法使每台DG只需与相邻DG交换信息，即可在本地独立计算出系统总不平衡功率和拉格朗日乘子，从而实现分布式三级经济调度。

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