CN110401232B - 一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法，该改进型优化控制方法针对带有储能单元和其它可调度的DG单元的交直流混合微电网，进行针对性的改进型的建模和区别控制，针对性的建立了具备内惩函数以及高阶模型的问题描述，并分交直流情况分别对储能单元和可调度的DG单元进行区别控制，从而提高了混合微电网的协调一致性和能量平衡及稳定性，同时降低了控制复杂度，且大大减少了整个系统内各个单元之间的通信量。

Description

一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法

技术领域

本发明涉及混合微电网控制技术领域，更具体地，涉及一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法。

背景技术

微电网由为分布式能源、储能和可控负荷等组成，与纯直流或交流微电网相比，混合微电网将交流微电网与直流微电网结合起来，无需冗余的交直流电力电子转换装置，从而避免了高昂的物理成本，减少了能量转换损失。混合微电网由交流子网、直流子网和双向功率变换器(BPC)组成，其结构如图1所示。交流子网包括交流分布式电源(DG)和交流负载，直流子网包括直流DG和直流负载。双向功率变换器(BPC)可以根据自身的控制目标，实现两个子网之间的适当的功率交互，如容量的比例功率共享、互联功率调度、无功功率支持。

混合微电网存在着电压调整、功率分配和经济优化等研究问题，这些问题可以通过集中式、分散式和分布式控制方法来解决。集中式方式虽然有效地解决了优化问题，但通信成本高，容易造成单点故障。此外，随着网络规模的不断扩大和结构的复杂性，系统的灵活性和可扩展性受到了极大的限制；分散式方式无需通信，但是控制精度不高，存在电压降和频率恶化的缺点；分布式方法结合了集中方法和分散方法的优点，利用多代理技术，仅通过少量邻居信息交换，实现控制目标。该方法易于系统大规模扩展，且通信成本低，成为研究的热点问题。

在微电网中，光伏和风力发电等分布式能源通常以最大功率点跟踪(MPPT)模式运行。它们的运行成本很低，并且往往是不可调度的。而柴油发电机、微型涡轮机等由于燃料消耗、折损等原因而需要发电成本，故带有变换器的DG单元(即分布式电源单元)在运行中是可以调度的并且需要合理的经济优化。然而，由于在混合微电网中带有电池的储能单元往往比较多，常规情况下一般将储能单元等同为普通可调度的DG单元看待，尤其是将储能单元视为带有发电机之类的可调度的DG单元时，在电能或者负荷波动较大情况下，可能会影响混合微电网控制的协调一致性和稳定。

因此，需要适当的协调控制储能单元和其它可调度的DG单元，从而提高混合微电网的协调一致性和能量平衡及稳定性。因此，构造解决上述带有储能单元的分布式混合微电网的优化控制方法，对于提高混合微电网的性能有非常大的意义。

发明内容

基于此，本发明提供一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法，通过对带有储能单元和可调度的DG单元的微电网进行针对性的建模和区别控制，以提高混合微电网的协调一致性和能量平衡及稳定性，同时降低了控制复杂度，且减少了整个系统内各个单元之间的通信量。

根据本发明的一个方面，提供一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法，所述改进型优化控制方法包括以下步骤：

步骤1、对带有储能单元的混合微电网的进行问题描述；

将电网的储能单元与其它可调度的DG单元之间进行区别对待，此时可调度DG的成本函数C_i(P_i)可以表示为：

C_i(P_i)＝a_iP_i ³+b_iP_i ²+c_iP_i+d_i (1)

式中，下标i表示可调度DG的编号，DG_i为第i个可调度DG，P_i是可调度的DG_i的输出有功功率，a_i、b_i、c_i与d_i是DG_i的成本函数系数；

引入内点罚函数后，可将直流或交流子网的经济调度问题表述为如下问题：

最小值目标函数：

约束条件：

其中，P_负载表示整个负荷所需的功率，P_线损表示输电线路中的功率损耗，P_{不可调度微源}表示不可分配的DG能源的总功率，P_imin与P_imax是微源DG单元的功率下限和上限，μ_i与υ_i分别是惩罚因子，当μ_i,υ_i→0时，式(4)中问题的最优解逼近于问题的解；

然后，通过建立拉格朗日函数获得电源成本函数的微增率：

其中，λ_i是电源成本函数的微增率，由上式(7)可知，当目标函数得到最优解时，所有的电源成本函数的微增率都达到了一致；

λ₁＝λ₂＝...＝λ_n (8)

步骤2、设计分布式一致性控制策略

根据通信网络的权重a_ij，设计分布式一致性控制策略；

步骤3、对带有储能单元的直流微电网进行分布式优化控制

将储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时参与经济优化控制，具体控制策略V_ref如下表示：

其中，式(12)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，v_ref为额定电压，v_bus为直流微电网直流母线电压，a_ij是通信网络的权重，k_pi1、k_vi1、k_pi2、k_vi2是第一和第二个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率，N_i为DG的集合；

其它分布式电源单元DG_i单元作为功率源控制，不参与母线电压调整，与临近微源交换信息实现经济成本运行，其DG_i单元的电压电流双闭环控制系统中的功率的具体控制策略P_i*如下：

式(13)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi3、k_vi3是第三个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG和第j个DG的微增率；

步骤4、对带有储能单元的交流微电网进行分布式优化控制

储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时作为电网频率支撑并参与经济优化控制，其具体控制策略如下表示：

其中，式(14)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，a_ij是通信网络的权重，V_ref为额定电压，V_bus为交流子网母线电压，f_ref与f_bus分别为参考频率和总线频率，k_pi4、k_vi4、k_pi5、k_vi5是第四和第五个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率，V_max、V_min分别为交流电压的最大值和最小值，Q为无功功率，Q_rating为无功功率等级；

其它DG_i单元都进行PQ控制，通过与临近微源交换信息，实现成本优化运行，所提出的控制策略如下：

式(15)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi6、k_vi6是第六个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG_i和第j个DG_j的微增率。

步骤5、进行多个双向功率变换器的控制。

进一步的，所述步骤2中还包括：

在强连通的通信网络中，分布式一致性控制策略可表示如下：

其中，a_ij是通信网络的权重，当DG_i与DG_j之间有通信数据连接时，a_ij＝1；否则a_ij＝0，写成矩阵形式为：

其中，状态向量x＝[x₁,x₂,...,x_n]^T，并且拉普拉斯矩阵L为

在有限的时间内，可以实现所有微源的同步，解决所有微源的一致性同步问题。

进一步的，所述步骤5中还包括：

双向功率变换器的总体控制策略结构分为两部分：内环控制和外环控制，内环控制主要用于精确跟踪外环产生的参考有功功率，外环控制是实现所有电源具有相同的增量成本率，且使用PI控制器进行控制，给定的参考功率表示为：

其中m为双向功率变换器数目，λ_di、λ_dj是DG_i和DG_j的微增率，k_pi7、k_vi7是第七个PI控制器的PI系数。

本发明的优点在于，本发明的改进型优化控制方法针对带有储能单元和其它可调度的DG单元的交直流混合微电网，进行针对性的改进型的建模和区别控制，针对性的建立了具备内惩函数以及高阶模型的问题描述，并分交直流情况分别对储能单元和可调度的DG单元进行区别控制，从而提高了混合微电网的协调一致性和能量平衡及稳定性，同时降低了控制复杂度，且减少了整个系统内各个单元之间的通信量。

附图说明

图1为现有技术中混合微电网的结构图；

图2为本发明中混合微电网的物理结构图；

图3为本发明中分布式混合微电网的改进型优化控制方法的流程图；

图4为本发明中直流子网的DGi控制框图；

图5为本发明中交流子网的DGi控制框图；

图6为本发明中系统的BPC控制图；

图7为本发明中改进型优化控制方法的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明在主从控制框架下，提供一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法，用于克服混合微电网经济运行和电压恢复，图2为本发明中混合微电网的物理结构图，图2中将储能单元从一般的DG单元中抽离出来进行区别对待和分析，故交直流电网中除了带有发电机的分布式电源单元(可调度的DG单元)之外，还包括交直流子网中的储能单元，且所述储能单元中都包括电池和对应的变换器。

如图3所示，所述的改进型优化控制方法中包括的具体步骤如下：

步骤1、对带有储能单元的混合微电网进行问题描述

在将交直流电网的储能单元与其它可调度的DG单元进行区别对待时，则需要考虑更高阶的可调度DG的成本函数，此时，这些可调度DG的成本函数C_i(P_i)可以表示为：

C_i(P_i)＝a_iP_i ³+b_iP_i ²+c_iP_i+d_i (1)

式中，下标i表示可调度DG的编号，DG_i为第i个可调度DG，P_i是可调度的DG_i的输出有功功率，a_i、b_i、c_i与d_i是DG_i的成本函数系数。

此外，受电路结构的限制，优化问题的一个制约因素是系统的功率平衡，描述如下:

因此，将直流或交流子网的经济调度问题表述为以下最小化的目标函数和约束条件：

目标函数：

约束条件：

其中，P_负载表示整个负荷所需的功率，P_线损表示输电线路中的功率损耗，P_{不可调度微源}表示不可分配的DG能源的总功率，P_imin与P_imax是微源DG单元的功率下限和上限。

由于式(3)中不等式约束的存在，使得约束问题的求解相对困难。为了优化储能单元与其它各个可调度的DG_i单元之间的关系，本发明中还选择引入了内点罚函数的方法，并同时消除不等式约束对本问题的影响，原式(3)的问题转化为如下问题：

最小值目标函数：

约束条件：

其中，μ_i与υ_i分别是惩罚因子，当μ_i,υ_i→0时，式(4)中问题的最优解逼近于原问题的解。

然后，根据给定的目标函数和约束条件，建立式(5)中的拉格朗日函数L(P₁,P₂,...P_n,λ)：

λ为拉格朗日乘数，由于成本函数是严格的可微凸函数，通过求解方程，得到拉格朗日函数的最小值。

记

其中，λ_i是电源成本函数的微增率，由上式(7)可知，当目标函数得到最优解时，所有的微增率IC都达到了一致:

λ₁＝λ₂＝...＝λ_n (8)

因此，各个可调度的DG单元的微源控制器迫切需要解决各微源之间的一致性问题。

步骤2、设计分布式一致性控制策略

常规方法中，在强连通的通信网络中，分布式一致性控制策略可表示如下：

其中，a_ij是通信网络的权重，当DG_i与DG_j之间有通信数据连接时，a_ij＝1；否则a_ij＝0，写成矩阵形式为：

其中，状态向量x＝[x₁,x₂,...,x_n]^T，并且拉普拉斯矩阵L为

这样，在有限的时间内，可以实现所有微源的同步，解决所有微源的一致性同步问题。

步骤3、对带有储能单元的直流微电网进行分布式优化控制

本发明在此带有储能单元的基础上，设计了直流微电网分布式优化控制策略，储能单元作为电压型主电源控制，剩下的其它分布式电源DG_i作为功率源控制。

储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时参与经济优化控制，具体控制策略V_ref如下表示：

其中，式(12)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，v_ref为额定电压，v_bus为直流微电网直流母线电压，a_ij是通信网络的权重，k_pi1、k_vi1、k_pi2、k_vi2是第一和第二个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率IC，N_i为DG的集合。

其它分布式电源单元DG_i单元作为功率源控制，不参与母线电压调整，与临近微源交换信息实现经济成本运行，其DG_i单元的电压电流双闭环控制系统中的功率的具体控制策略P_i*如下：

式(13)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi3、k_vi3是第三个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG和第j个DG的微增率。

详细的控制框图参见图4所示。储能单元维持母线电压稳定，并参与经济优化调度。每个DG单元通过功率优化模块获得相邻DG单元的微增率IC。基于分布式通信协议，所有分布式电源的增量成本在有限时间内达到一致，实现了成本优化的目的。可见，该改进优化控制后的控制策略更加简单，且通信量更小。

步骤4、对带有储能单元的交流微电网进行分布式优化控制

与直流微电网的分布式优化方法相似，本发明针对带有储能单元的交流微电网也设计了一种交流分布式优化策略，其DG_i单元都进行PQ控制，且功率输出调节为一个频率调节项。

储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时作为电网频率支撑并参与经济优化控制，其具体控制策略如下表示：

其中，式(14)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，a_ij是通信网络的权重，V_ref为额定电压，V_bus为交流子网母线电压，f_ref与f_bus分别为参考频率和总线频率，k_pi4、k_vi4、k_pi5、k_vi5是第四和第五个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率，V_max、V_min分别为交流电压的最大值和最小值，Q为无功功率，Q_rating为无功功率等级。

其它DG_i单元都进行PQ控制，通过与临近微源交换信息，实现成本优化运行，所提出的控制策略如下：

式(15)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi6、k_vi6是第六个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG_i和第j个DG_j的微增率。

其控制框图如图5所示，与直流微电网控制策略不同，交流子网的功率输出调节为一个频率调节项，使用PQ控制。在这种控制策略下，交流微电网在保持母线电压接近额定值的同时，能够更好的维持交流微电网频率稳定，并仍能实现相同的微增率IC。

步骤5、进行多个双向功率变换器(BPC)的控制

如前所述，直流或交流子网的功率优化可以通过统一分布式电源成本函数的等微增率来实现。然而，如何实现交流子网和直流子网的等微增率是一个重要问题。这意味着，无论电源是放置在交流还是直流子网中，都必须同时降低所有电源的发电成本。为满足上述要求，本发明提出了以下多个双向功率变换器BPC的控制策略，以均分功率。

所提出的控制策略框图如图6所示，双向功率变换器的总体控制策略结构分为两部分：内环控制和外环控制。这两个控制回路的功能是不同的。内环控制主要用于精确跟踪外环产生的参考有功功率。外环控制是实现所有电源具有相同的增量成本率，且也使用PI控制器进行控制。给定的参考功率表示为

其中m为双向功率变换器数目，λ_di、λ_dj是DG_i和DG_j的微增率，k_pi7、k_vi7是第七个PI控制器的PI系数，该策略能够实现多台变换器有功功率均分。

此外，由于直流微电网中没有无功功率，q轴上的功率基准为零。通过该方法，直流子网中的DG和交流子网中的DG的IC收敛到相同的状态。根据各自的分布式控制协议，在有限的时间内对混合微电网中的所有IC进行均衡，从而实现交直流混合微电网的统一成本优化。

为了验证所提出的控制策略的有效性，本发明对所提出的改进型优化控制方法进行了仿真模拟，图7为其仿真结果图，仿真中，建立了一个直流子网(包括3个分布式发电单元DG和一个储能装置ESS)，一个交流子网(包括3个分布式发电单元DG和一个储能装置ESS)和2个双向功率变换器组成的混合微电网。本发明中为了减小设计工作量，沿用了之前设置的初始仿真数据，混合微电网的模拟参数如表1所示，各电源的成本函数参数如表2所示。直流微电网的额定电压为600V，交流微电网的额定电压为311V，t＝6s前，直流侧和交流侧的负荷分别为25kw和20kw；t＝6s后，直流侧和交流侧的负荷分别为30kw和20kw。

表1

表2

Item	a(10-<sup>5</sup>)	b(10-<sup>3</sup>)	c
				DC ESS	2	1	1.00
DC DG1	2.125	1	1.50
				DC DG2	2.25	1	1.75
DC DG3	2.5	1	2.00
				AC ESS	1.5	1	2.25
AC DG1	1.625	1	2.50
				AC DG2	1.75	1	2.75
AC DG3	1.825	1	3.00

图7显示了交直流子网的IC、输出功率和总线电压，其子图(a)～(e)中的横坐标表示时间，其时间的单位为秒s，从图7中的(a)可以看出，根据所提出的控制策略，交直流侧的IC可以快速收敛到相同值，实现功率的经济分配。t＝6s后，负载发生变化，仍能快速实现IC的快速收敛。此外，图7中的(d)和(e)表明交流侧和直流侧母线电压始终保持在额定电压附近，故该改进型优化控制方法效果较好。以上结果都表明，本发明提出的方法可以很好地实现混合微电网经济运行，并能够有效地抑制储能单元的波动对混合电网的影响。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。需要说明的是：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 (3)

1.一种分布式混合微电网的改进型优化控制方法，其特征在于，所述改进型优化控制方法包括以下步骤：

步骤1、对带有储能单元的混合微电网的进行问题描述；

将电网的储能单元与其它可调度的DG单元之间进行区别对待，此时可调度DG的成本函数C_i(P_i)可以表示为：

C_i(P_i)＝a_iP_i ³+b_iP_i ²+c_iP_i+d_i (1)

式中，下标i表示可调度DG的编号，DG_i为第i个可调度DG，P_i是可调度的DG_i的输出有功功率，a_i、b_i、c_i与d_i是DG_i的成本函数系数；

引入内点罚函数后，可将直流或交流子网的经济调度问题表述为如下问题：

最小值目标函数：

约束条件：

其中，P_负载表示整个负荷所需的功率，P_线损表示输电线路中的功率损耗，P_{不可调度微源}表示不可分配的DG能源的总功率，P_imin与P_imax是微源DG单元的功率下限和上限，μ_i与υ_i分别是惩罚因子，当μ_i,υ_i→0时，式(4)中问题的最优解逼近于问题的解；

然后，通过建立拉格朗日函数获得电源成本函数的微增率：

其中，λ_i是电源成本函数的微增率，由上式(7)可知，当目标函数得到最优解时，所有的电源成本函数的微增率都达到了一致；

λ₁＝λ₂＝...＝λ_n (8)

步骤2、设计分布式一致性控制策略

根据通信网络的权重a_ij，设计分布式一致性控制策略；

步骤3、对带有储能单元的直流微电网进行分布式优化控制

将储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时参与经济优化控制，具体控制策略V_ref如下表示：

其中，式(12)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，v_ref为额定电压，v_bus为直流微电网直流母线电压，a_ij是通信网络的权重，k_pi1、k_vi1、k_pi2、k_vi2是第一和第二个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率，N_i为DG的总集合；

其它分布式电源单元DG_i单元作为功率源控制，不参与母线电压调整，与临近微源交换信息实现经济成本运行，其DG_i单元的电压电流双闭环控制系统中的功率的具体控制策略P_i ^*如下：

式(13)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi3、k_vi3是第三个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG和第j个DG的微增率；

步骤4、对带有储能单元的交流微电网进行分布式优化控制

储能单元作为电压型主电源，保证母线电压在额定值，同时作为电网频率支撑并参与经济优化控制，其具体控制策略如下表示：

其中，式(14)用于储能单元的电压电流双闭环控制回路中，a_ij是通信网络的权重，V_ref为额定电压，V_bus为交流子网母线电压，f_ref与f_bus分别为参考频率和总线频率，k_pi4、k_vi4、k_pi5、k_vi5是第四和第五个PI控制器的系数，λ_di、λ_ess是DG_i和储能单元的微增率，V_max、V_min分别为交流电压的最大值和最小值，Q为无功功率，Q_rating为无功功率等级；

其它DG_i单元都进行PQ控制，通过与临近微源交换信息，实现成本优化运行，所提出的控制策略如下：

式(15)结合式(7)可得到优化后的P_i，其中，a_ij是通信网络的权重，k_pi6、k_vi6是第六个PI控制器的系数，λ_di、λ_dj是第i个DG_i和第j个DG_j的微增率；

步骤5、进行多个双向功率变换器的控制。

2.根据权利要求1所述的改进型优化控制方法，其特征在于，所述步骤2中还包括：

在强连通的通信网络中，分布式一致性控制策略可表示如下：

其中，a_ij是通信网络的权重，当DG_i与DG_j之间有通信数据连接时，a_ij＝1；否则a_ij＝0，写成矩阵形式为：

其中，状态向量x＝[x₁,x₂,...,x_n]^T，并且拉普拉斯矩阵L为

在有限的时间内，可以实现所有微源的同步，解决所有微源的一致性同步问题。

3.根据权利要求1所述的改进型优化控制方法，其特征在于，所述步骤5中还包括：

双向功率变换器的总体控制策略结构分为两部分：内环控制和外环控制，内环控制主要用于精确跟踪外环产生的参考有功功率，外环控制是实现所有电源具有相同的增量成本率，且使用PI控制器进行控制，给定的参考功率表示为：

其中m为双向功率变换器数目，λ_di、λ_dj是DG_i和DG_j的微增率，k_pi7、k_vi7是第七个PI控制器的PI系数。

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