CN109818372A - 微电网延时稳定裕度的控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种微电网延时稳定裕度的控制方法及设备，其中方法包括：根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。本发明实施例能够提升微电网对通信网络延时的承受能力，使其能够在更大的通信网络延时下保持稳定运行。

Description

微电网延时稳定裕度的控制方法及设备

技术领域

本发明实施例涉及电网技术领域，尤其涉及一种微电网延时稳定裕度的控制方法及设备。

背景技术

近年来随着化石能源的枯竭和环境问题的日益严重，可再生能源在能源系统中的占比逐年增大，大量可再生能源并网也对电网的稳定性和可靠性带来了挑战。微电网是一种能够实现可再生能源本地消纳的技术，通过在中低电压等级互联大量的分布式可再生电源、负荷、储能以及其他的附加设备，形成一个相对独立的子系统，通过配电网接入主电网。风电、光伏等可再生能源与传统能源相比具有随机性和波动性，以可再生能源为主的微电网，其电压、频率的稳定性和可靠性都比传统电网更低，需要针对微电网的这些特点设计控制策略。

目前用于微电网二次控制的策略中，基于一致性的分布式控制策略是应用较广的一种。一致性控制策略是一类典型的分布式控制策略，该控制策略下，各个个体仅仅通过与相邻个体进行交流，最终实现整个群体某种状态的一致。分布式节点之间通过一个稀疏通信网络进行信息交流，最终实现各电源有功、无功出力按容量比例分配同时将微电网整体频率、电压控制在额定值。

微电网一致性二次控制系统基于分布式节点之间的通信网络实现，其中的延时会对系统的性能造成显著的影响，过大的延时可能导致微电网失稳。目前针对微电网中延时问题的相关研究中大多致力于给出延时下微电网一致性控制系统的稳定性判据，根据模型的不同(例如假设网络各处延时均相等或各处延时相互独立等)，稳定性判据也具有不同的形式。现有技术存在的问题包括：一方面很多情况下微电网的稳定性判据具有相当复杂的数学形式，在实际工程中应用起来具有一定的困难；另一方面微电网稳定性判据仅能用于判断已有的微电网控制系统的稳定性，没能对于不稳定的微电网提出改进方案，在微电网由于延时而失稳时不能提供策略对其进行修正。

发明内容

本发明实施例提供一种微电网延时稳定裕度的控制方法及设备，用以解决现有技术中微电网的稳定性控制困难的缺陷，实现不改变通信网络拓扑结构的前提下提升了控制系统的暂态响应速度，使微电网在更大的延时下保持稳定。

本发明实施例提供一种微电网延时稳定裕度的控制方法，包括：

根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

本发明实施例提供一种微电网延时稳定裕度的控制设备，包括：

顶层策略模块，用于根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

底层策略模块，用于根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

本发明实施例提供的微电网延时稳定裕度的控制方法及设备，通过顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值，根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力，能够提升微电网对通信网络延时的承受能力，使其能够在更大的通信网络延时下保持稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微电网延时稳定裕度的控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例使用的Nyquist稳定判据的示意图；

图3为本发明实施例的微电网延时稳定裕度的控制设备的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种微电网延时稳定裕度的控制方法的流程示意图，如图1所示，包括：

S101、根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

S102、根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

需要说明的是，本发明实施例的下垂控制通过令逆变器模拟旋转电机的P-f、Q-V下垂特性，维持微电网电压和频率的静态稳定；顶层为分布式电源(distributedgenerator，DG)之间的一致性控制策略，该策略下各DG通过稀疏通信网络进行信息交互，实现各DG有功、无功出力按容量比例分配并使微电网频率、电压维持在额定值。本发明实施例通过引入附加控制项，能够提升微电网对通信网络延时的承受能力，使其能够在更大的通信网络延时下保持稳定运行。

底层控制策略中，各逆变器通过模拟旋转电机的P-f、Q-V下垂特性，维持了微电网频率、电压的静态稳定。逆变器下垂控制的表达式如下所示，其中P_i、Q_i为第i个DG应当输出的有功、无功出力；P_i ^set、为DG_i的有功、无功出力设定值，该值由顶层一致性控制策略给定；D_p,i、D_q,i为DG_i的有功、无功下垂系数，通常与其容量成正比；ω_i、V_i为逆变器输出的频率、电压幅值；ω_b、V_b为微电网的额定角频率和额定电压。

下垂控制策略包括：

各分布式电源测量对应的逆变器输出的角频率和电压幅值；

根据所述角频率、电压赋值以及有功出力和无功出力的设定值，计算各逆变器应当输出的有功出力和无功出力；

调整逆变器输出的电压相位，以使得逆变器实际输出的有功出力和无功出力与应当输出的有功出力和无功出力一致。

顶层控制策略主要负责底层下垂控制中有功、无功出力设定值P_i ^set、的给定，该部分的主要控制目标是实现各DG的有功、无功出力按其额定容量成比例分配，同时还应确保微电网功率平衡，即其频率、电压维持在额定值。该一致性控制策略基于DG之间的双向通信网络实现，通信网络可表述为无向图G(V,E)，其中V＝{v₁,…,v_n}为微电网中全部DG构成的集合，代表所有的通信线路，{v_i,v_j}∈E表示DG_i和DG_j之间存在通信连接。通信网络可用其邻接矩阵A＝(a_ij)_n×n表示，a_ij表示DG_i和DG_j之间通信连接的强弱程度。可以理解的是，邻接矩阵是图论中用于描述图的拓扑结构的一个矩阵，对于n节点构成的图，邻接矩阵是n*n方阵，对角线元素恒为0，非对角线元素都是非负数，若节点i、j之间存在一条边，则a_ij>0，若节点i、j没有直接相连，则a_ij＝0。如果邻接矩阵描述的图不是加权图，即所有边的地位相同，那么可规定a_ij只能根据图的拓扑结构取0、1两个数值；若用于描述一个加权图，即不同的边可能有不同的权重，那么可根据其权重设定a_ij的具体数值。

对于定义a_ii＝0。基于邻接矩阵A可定义通信网络的拉普拉斯矩阵L＝(l_ij)_n×n，如下所示：

可以证明，若通信网络满足连通性(在图中，一组首尾相连但无环的边的集合称之为一个路径，例如节点1和2之间存在连接，2和3也存在连接，则节点1和3之间存在一个由两条吧构成路径，若图中任意两个节点之间都存在至少一个路径，则图为连通图，不一定要求a_ij大于0)，则矩阵L为半正定矩阵。基于以上定义，本发明实施例中一致性控制策略如下所示：

x(t)、y(t)分别是分布式电源的有功、无功出力的控制变量；F＝diag(f₁ … f_n)表示牵制矩阵，若f_i＞0，表示DG_i能够接收到参考值x_ref或y_ref；F是已知量，补充该方程的非矩阵形式，从非矩阵形式方程中可直观看出f_i和参考值之间的关系，若f_i＝0，则包含参考值的部分不起作用；x、y分别对应有功和无功的控制部分，如果DG_i不能接收到参考值相关信息，则f_i＝0；可见f_i只能取非负数。x_ref和y_ref为DG有功、无功出力的参考值，通过电网总功率计算得到，会随电网状态变化而随时变化，不能视作已知量，式3和式4表明，控制变量会逐步趋向于计算得到的参考值；1_n为n维全1列向量；P_L、Q_L为微电网总有功、无功负荷，实际系统中，可通过某种量测装置获得该值，本方程中可视作已知量，但需要注意该值会随电网状态变化而变化，与其余已知参数不同；q＞0为常系数。

需要说明的是，式3和式4中，除x_i(t)、y_i(t)以及两个参考值x_ref、y_ref外，其余均是已知量，而非已知量中x_ref、y_ref通过监测微电网总功率计算得到，xi(t)、y_i(t)使用式3描述的方法计算得到。控制策略中等号右侧的和来自于通信网络，不能合并到等号左侧。这是因为，式3和式4描述了本发明实施例的控制方法，该方法的本质是通过运算得到输入信号，对输入信号进行积分得到电网所需的控制变量，例如式中等号右侧代表输入信号，左侧的导数意思是控制变量通过输入信号积分得到。输入信号中包含控制变量导数的一项形式上与等式左侧相同，从数学上看应当可以将其合并至左侧，但考虑延时后，右侧来自通信网络的输入信号是延时后的信号，左侧仍是未延时的值，因此两者不能合并。

容易验证，若微电网通信网络是连通的且F≠0(若全部DG都不能收到参考值相关信息，也即式3中所有f_i都等于0，则F＝0)，则矩阵L+F的全部特征值都为正实数，记为0≤λ₁≤…≤λ_n(仅仅是标记方式，表示矩阵的n个特征值，从小到大排列)。不考虑通信网络延时的情况下，此时无论x(t)和y(t)初值如何，最终的控制效果都将使其每一个元素分别收敛至x_ref和y_ref，满足一致性收敛(对于式3描述的这一类控制系统，系统稳定当且仅当矩阵L+F特征值均为正实数，此时系统将收敛至一个恒定状态，通过式3可以看出，系统状态不变当且仅当全部节点状态均相同且均与参考值相同)。可以知道，若不计微电网中线路损耗，则该控制策略能够实现合理的微电网DG二次控制

简便起见，考虑控制系统各处即各控制器本地延时和通信网络中每条线路的传输延时均为相同值τ＞0，此时一致性控制系统的方程如下所示：

需要说明的是，本发明实施例所提出的控制策略旨在提升微电网对延时的承受能力，主要目的是提升微电网的延时稳定裕度。从控制方程的角度看，延时导致微电网失稳，主要体现在使得系统一部分极点出现在复平面右半平面上。为分析系统极点随延时的变化情况，对考虑了通信网络延时的控制方程进行拉普拉斯变换，整理得到系统特征方程如下所示，有功功率和无功功率控制系统特征方程是相同的，其中s是复数，代表系统极点。

极点是用于描述控制系统动态特性的一类参数，是系统特征方程(式6)的n个根。对于包含n节点的n阶系统，极点有n个，是n个复数，极点实部的正负与系统稳定性有直接关系，若全部极点实部均小于0，则系统稳定，能够收敛；若任何一个极点具有非负的实部，则系统将发散。极点能够直观衡量系统稳定性，但其计算较为复杂，难以直接得到具体数值，因此通常是未知的。本发明后续部分的主要工作就是在分析系统极点的实部的正负。

记矩阵L+F的特征值为0≤λ₁≤…≤λ_n，则对于每一个系统极点s，必存在i∈{1,…,n}使下式成立。F(s)是一个辅助函数，通过式7定义，没有明确物理意义。由于对于式6的特征方程，可以知道若记lambda为L+F的某一个特征值，则|lambda*I+L+F|＝0，代入即可得到式7

使用Nyquist稳定判据对系统稳定性进行判断，令s在复平面上按-j∞→0→+j∞→+∞→-j∞的规律变化，若f(s)在此过程中的变化轨迹未包含的任何一个，即其轨迹与实轴的最左侧交点位于右侧，则可以证明系统是稳定的。s和f(s)的变化轨迹如图2所示，其中图2为本发明实施例使用的Nyquist稳定判据的示意图。下面对s在复平面不同位置变化时f(s)的变化情况进行分析。

j0^-→0⁺→j0⁺：考虑到f(s)在s＝0处无定义，因此从原点右侧画一个半圆弧，如图2所示。记s＝r∠θ，此时f(s)表达式如下所示。

因此f(s)将趋于无穷远处，从右侧与实轴相交，如图2所示。

+j∞→+∞→-j∞：记s＝r∠θ，此时f(s)表达式如下所示

此时f(s)变化情况可以如此描述：θ＝±0.5π时，f(s)以半径q绕原点画圆，只要s稍向虚轴右侧偏离，f(s)就将趋向原点，Nyquist图上表现为绕原点半径q的渐进螺旋线和原点处一点。

表示实数域；此时有：

只需考虑f(jω)与实轴交点所在位置，因此代入Im(f(jω))＝0，得到

cot(τω)+qω＝0 (1)

记ξ＝τω，可得到微电网稳定所需条件如下

分析可得，微电网稳定对延时τ提出的要求如下所示。

该延时稳定裕度的大小依赖于qλ_n的取值，另一方面，传统控制策略(即q＝0对应的控制策略)的延时稳定裕度如下：

本发明实施例所提出策略的延时稳定裕度与传统策略稳定裕度的比值τ/τ′为qλ_n的单变量函数，即

对该函数进行数值分析可以知道，只要合理选取参数q使得qλ_n∈(0,0.7658)，主要的原因是本发明所提策略的延时稳定裕度和传统策略的比值是一个仅与qλ_n有关的已知函数，如式15所示，因此可以对该函数进行数值分析，qλ_n满足该式时，式15描述的函数的取值大于1，代表本发明策略能够承受更大延时。由此可见，与q＝0所对应的传统控制策略相比，本发明实施例所提出的改进策略都能承受更大的延时。

本发明实施例与传统微电网二次控制策略相比，该策略能够令微电网在更大的延时下保持稳定运行。本发明实施例的控制策略为一种双层控制策略，底层控制策略为分散式下垂控制，顶层控制为分布式一致性控制，通过在传统一致性控制策略中引入附加控制项，在不改变通信网络拓扑结构的前提下提升了控制系统的暂态响应速度，使微电网在更大的延时下保持稳定。

图3为本发明实施例的微电网延时稳定裕度的控制设备的结构示意图，如图3所示，该设备包括：顶层策略模块301和底层策略模块302，其中：

顶层策略模块，用于根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

底层策略模块，用于根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

本发明实施例的下垂控制通过令逆变器模拟旋转电机的P-f、Q-V下垂特性，维持微电网电压和频率的静态稳定；顶层为分布式电源(distributed generator，DG)之间的一致性控制策略，该策略下各DG通过稀疏通信网络进行信息交互，实现各DG有功、无功出力按容量比例分配并使微电网频率、电压维持在额定值。本发明实施例通过引入附加控制项，能够提升微电网对通信网络延时的承受能力，使其能够在更大的通信网络延时下保持稳定运行。

图4为本发明实施例的一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行如下方法：根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的微电网延时稳定裕度的控制方法，例如包括：根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种微电网延时稳定裕度的控制方法，其特征在于，包括：

根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述下垂控制策略包括：

各分布式电源测量对应的逆变器输出的角频率和电压幅值；

根据所述角频率、电压赋值以及有功出力和无功出力的设定值，计算各逆变器应当输出的有功出力和无功出力；

调整逆变器输出的电压相位，以使得逆变器实际输出的有功出力和无功出力与应当输出的有功出力和无功出力一致。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述角频率、电压赋值以及由所述一致性控制策略确定的有功出力和无功出力的设定值，计算各逆变器应当输出的有功出力和无功出力，具体根据以下公式获得：

P_i＝P_i ^set-D_p,i(ω_i-ω_b)

其中，P_i、Q_i分别为第i个分布式电源DG_i的应当输出的有功、无功出力；P_i ^set、分别为DG_i的有功、无功出力设定值；D_p,i、D_q,i为DG_i的有功、无功下垂系数；通常与其容量成正比；ω_i、V_i为逆变器输出的频率、电压幅值；ω_b、V_b为微电网的额定角频率和额定电压。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述一致性控制策略为：

其中，x(t)、y(t)分别是分布式电源的有功、无功出力的控制变量；F＝diag(f₁…f_n)表示牵制矩阵，若f_i＞0，表示DG_i能够接收到参考值x_ref或y_ref；x_ref和y_ref为DG有功、无功出力的参考值；1_n为n维全1列向量；P_L、Q_L为微电网总有功、无功负荷，q＞0为常系数；拉普拉斯矩阵L＝(l_ij)_n×n，a_ij表示DG_i和DG_j之间通信连接的强弱程度。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，若定义矩阵L+F的特征值为0≤λ₁≤…≤λ_n，则qλ_n∈(0,0.7658)。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，所述一致性控制策略的获取方法包括：

根据任意两个分布式电源间的通信连接的强弱程度构建邻接矩阵A＝(a_ij)_n×n；其中，a_ij＞0表示DG_i和DG_j之间存在通信连接，其具体值表示DG_i和DG_j之间通信连接的强弱程度，对于定义a_ii＝0；

基于邻接矩阵A定义通信网络的拉普拉斯矩阵L＝(l_ij)_n×n，

根据所述拉普拉斯矩阵L＝(l_ij)_n×n，确定所述一致性控制策略。

7.一种微电网延时稳定裕度的控制设备，其特征在于，包括：

顶层策略模块，用于根据顶层的一致性控制策略计算逆变器有功出力和无功出力的设定值；

底层策略模块，用于根据所述逆变器有功出力和无功出力的设定值，利用底层的下垂控制策略控制逆变器实际输出的有功出力和无功出力；

其中，所述一致性控制策略中含有与分布式电源的有功和无功出力的控制变量相关的附加控制项。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述微电网延时稳定裕度的控制方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述微电网延时稳定裕度的控制方法的步骤。