CN110429658A - 一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法 - Google Patents

一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，首先，采用负荷虚拟同步机技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互；然后，构建分布式通信网络，基于动态一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，通过低带宽通信方式实现相邻电动汽车类LVSM间的信息交互，获取全局平均电压估计值与各电动汽车类LVSM的无功出力参考值，达到补偿电网电压同时合理分配电动汽车类LVSM无功出力的目的。本发明方法实现电动汽车参与电网交互，并在电网电压跌落时达到补偿电网电压同时合理分配LVSM无功出力。

Description

一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法
技术领域
本发明属于电网需求侧响应技术领域，尤其涉及一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法。
背景技术
可再生能源与可控负荷(电动汽车)的大量接入，提高了电网的电力电子化水平，也导致电力系统整体的阻尼与惯量水平不断下降，给系统稳定可靠运行带来挑战。为应对挑战且充分挖掘负荷侧潜力，有学者提出通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使可控负荷从运行机制和外特性上与传统同步电机相等效，支撑电网安全稳定运行的负荷虚拟同步机(Load Virtual Synchronous Machine,LVSM)技术。电动汽车负荷在LVSM技术控制下可以模拟同步电机运行机制，具备向电网提供调压服务的能力。当大量电动汽车类LVSM并联入网后，如何充分、合理地利用此类LVSM进行调压对提高电网电压稳定有着重要的意义。
与点对多点的集中式通信网络相比，点对点的分布式通信网络更加适合LVSM分布式的特点。分布式控制策略仅通过相邻单元的少量通信交互即可实现系统稳定可控运行，从而减少通信基站的建设，节约成本。为此，分布式协调优化控制方法受到越来越多的关注。一致性控制是实现分布式控制的重要手段，本文在现有研究的基础上，提出基于一致性的LVSM分布式协同控制方法。
发明内容
发明目的：本发明提出一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，以实现电动汽车参与电网交互，并在电网电压跌落时达到补偿电网电压同时合理分配LVSM无功出力的目的。
技术方案：本发明所述的一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，包括以下步骤：
(1)采用负荷虚拟同步机技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互；
(2)构建分布式通信网络，基于动态一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，通过低带宽通信方式实现相邻电动汽车类LVSM间的信息交互，获取全局平均电压估计值与各电动汽车类LVSM的无功出力参考值，达到补偿电网电压同时合理分配电动汽车类LVSM无功出力的目的。
进一步地，步骤(1)所述的负荷虚拟同步机的拓扑结构由LC滤波电路、三相全桥双向AC/DC变流器、直流母线电容及直流负荷接口双向DC/DC变流器组成。步骤(1)所述的负荷虚拟同步机中AC/DC变流器控制策略包括有功环、无功环、参考电压合成模块和电压电流双闭环。
进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)对局部电网的平均电压进行控制，基于一致性理论，对各LVSM群端口电压的平均值进行估计，在时刻t，节点代理i通过自身量测获得的端口电压以及邻接节点代理的估计值，得到下一时刻平均电压估计值：
其中：Ui(t)为节点i的电压量测值，UEi、UEj分别为t时刻节点代理i、j对局部电网平均电压的估计值，UEi(0)＝0，UEj(0)＝0；CE为耦合增益；
(22)基于一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，并将节点电压估计值与电网电压额定值的偏差经PI环节运算后考虑到节点无功一致性迭代算法中，以实现电网电压恢复并均分各LVSM的无功出力的目的，其实现方法如下：
其中，Qrefi(t)、Qrefj(t)分别为t时刻节点代理i、j的控制单元对标幺化的无功功率的估计值，UEi为t时刻节点代理i对局部电网平均电压的估计值；t+1时刻节点代理i的无功估计值由两部分组成，一部分由自身电压估计值与电压额定值的偏差经过比例积分运算后得到，另一部分是t时刻自身无功功率估计值与邻接节点无功功率估计值经运算后得到。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：实现电动汽车参与电网交互，并在电网电压跌落时达到补偿电网电压同时合理分配LVSM无功出力。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明提供LVSM拓扑结构示意图；
图3为本发明提供LVSM前级AC/DC变换器的控制器结构示意图；
图4为本发明提供LVSM后级DC/DC变换器的控制器结构示意图；
图5为本发明提供LVSM的通信网络示意图；
图6为本发明提供基于一致性算法的分布式电压恢复与无功分配控制示意图；
图7为本发明实施例提供的LVSM群测试系统示意图；
图8为本发明实施例提供的平均电压估计值变化示意图；
图9为本发明实施例提供的各节点代理无功功率参考值变化示意图；
图10为本发明实施例提供的各节点代理无功功率实际输出变化示意图；
图11为本发明实施例提供的系统平均电压实际值变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明针对接入配电网的电动汽车群，提出基于一致性的LVSM分布式协同控制策略，控制策略包含本地控制和分布式二次控制两部分。本地控制采用LVSM技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互。分布式二次控制中，基于一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，并将节点电压估计值与电网电压额定值的偏差经PI环节运算后考虑到节点无功一致性迭代算法中，以此实现电网电压恢复并均分各LVSM的无功出力的目的。
步骤一、本地控制采用LVSM技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互。
具体地，如图2所示，电动汽车类LVSM的拓扑结构由LC滤波电路，三相全桥双向AC/DC变流器，直流母线电容以及直流负荷接口双向DC/DC变流器组成。直流负荷接口用以稳定负荷端直流电压，同时可以有效实现电动汽车和电网之间的电气隔离，提高系统可靠性。
如图3所示，电动汽车类LVSM中AC/DC变流器控制策略由有功环、无功环、参考电压合成模块、电压电流双闭环几部分构成。
有功环部分模拟同步电机转子惯性与阻尼特性，由同步电机二阶数学模型转化而来，具体如下式：
其中：Pe为电磁功率；Pm为机械功率；δ为LVSM的功角；ωN为额定角频率；Δω为LVSM角频率相对于ωN的偏差；J为转动惯量；D为阻尼系数。
无功环部分模拟同步电机励磁控制器，主要由下式中的比例积分环节构成，用来调节LVSM的无功输出及机端电压。
其中：Qref为无功功率参考值；Q为LVSM无功功率实际值；UN为额定电压有效值；E为虚拟内电势；ΔE为E相对于UN的偏差；Kpv与Kiv为比例增益和积分增益系数。
参考电压合成模块利用θ和E可以直接得到虚拟内电势在电网电压同步旋转参考系下的瞬时值。
电压电流双闭环控制方案已经广泛应用于电压源换流器的控制，在此仅简单描述，内环电流控制器由下式给出。
其中：ωN是系统的频率参考值，kp1和ki1分别表示比例增益和积分增益。由于电压源换流器过电流能力较小，而扰动而产生的瞬态电流过大将会导致器件损坏。如果dq轴电流的参考值idref和iqref受到限制，则能快速启动电流控制器，从而有效地防止电压源换流器出现过电流的情况。
电压环可控制PCC处的交流电压，其内部电流参考值idref和iqref的表达式由下式给出。
其中：kp2和ki2分别表示比例增益和积分增益，dq轴电压分量的参考值Udref＝UN，Uqref＝0。
双向DC/DC变流器以稳定负荷端直流电压Udc为控制目标，采用目前较为成熟且广泛使用的电压电流双闭环PI控制策略，如图4所示。其中，Uoref与Uo分别为电动汽车充放电电压的额定值与实际值，Id为电动汽车充电电流，D为驱动DC/DC变换器IGBT的占空比。通过合理选取PI控制参数可实现负载端电压稳定控制，相关参数设计方法已有较多研究，在此不再赘述。
步骤二、构建分布式通信网络，基于动态一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，通过低带宽通信方式实现相邻电动汽车类LVSM间的信息交互，获取全局平均电压估计值与各电动汽车类LVSM的无功出力参考值，达到补偿电网电压同时合理分配电动汽车类LVSM无功出力的目的。
如图5所示，电动汽车类LVSM所处的配电网一般为辐射状，接入同一个节点的LVSM的机端电压几乎一致且地理距离短，相邻节点之间的无功、电压关联度较强。在同一节点下的LVSM可通过集中式通信网络接入该节点的节点代理(Bus Agent)，并在各电气距离较短的区域内的节点代理之间建立分布式通信网络。点对点的分布式通信网络较集中式通信网络具备更好的可靠性与经济性，一致性控制是实现分布式控制较为集中与成熟的手段。
如图6所示，分布式网络任意节点代理i经通信线路与邻居节点交换电压、无功信息，利用一致性原理对自身平均电压估计值以及无功出力参考值进行更新，同时利用集中式通信网络发送至下级LVSM，LVSM改变本地控制策略中的虚拟内电势Ei的参考值，实现电压恢复与无功均分的目的。要对局部电网的平均电压进行控制，首先需要应用一致性理论，对各LVSM群端口电压的平均值进行估计。在时刻t，节点代理i通过自身量测获得的端口电压以及邻接节点代理的估计值，可以得到下一时刻平均电压估计值：
其中：Ui(t)为节点i的电压量测值，UEi、UEj分别为t时刻节点代理i、j对局部电网平均电压的估计值，UEi(0)＝0，UEj(0)＝0；CE为耦合增益。
基于一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，并将节点电压估计值与电网电压额定值的偏差经PI环节运算后考虑到节点无功一致性迭代算法中，以此实现电网电压恢复并均分各LVSM的无功出力的目的，其实现方法如下式所示。
其中，Qrefi(t)、Qrefj(t)分别为t时刻节点代理i、j的控制单元对标幺化的无功功率的估计值，UEi为t时刻节点代理i对局部电网平均电压的估计值。上式中，t+1时刻节点代理i的无功估计值由两部分组成。一部分由自身电压估计值与电压额定值的偏差经过比例积分运算后得到，另一部分是t时刻自身无功功率估计值与邻接节点无功功率估计值经运算后得到。
具体地，为验证本文提出的基于一致性算法的分布式协同控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC软件中搭建仿真模型进行验证，为降低仿真模型复杂度，LVSM群中仅考虑参与无功调节的电动汽车负荷，具体电气接线以及通信网络如图7所示。通信时间隔Ts取为0.5s，而通信延迟的时间一般为毫秒级，远小于本文设定的通信间隔时间，其影响可忽略不计，故本发明不考虑通信延迟对控制系统的影响。图8为本发明实施例提供的平均电压估计值变化示意图。图9为本发明实施例提供的各节点代理无功功率参考值变化示意图。图10为本发明实施例提供的各节点代理无功功率实际输出变化示意图。图11为本发明实施例提供的系统平均电压实际值变化示意图。
图8中，波形0代表实测的电压平均值，波形1、波形2、波形3代表代理1、2、3中的电压估计值，由图中可知，t＝5s时刻，实测的平均电压出现跌落，此时各代理点经过几次迭代即可以收敛到新的电压平均值，收敛过程持续2s左右，平均电压估计效果较好。
图9为各代理节点的无功参考图，t＝15s启动平均电压控制，各代理点无功指令值0.5s更新迭代一次，大约经过10s后，各个代理节点的无功参考值达成一致。
图10为各代理节点的实际无功输出，可以看出，在电压恢复与无功分配控制策略刚启动的时刻，各代理节点的无功输出并不相等，经过5s左右，各代理节点的无功输出基本一致，可在较短时间内达到了均分无功功率的目的。
图11显示了启动电压恢复与无功分配控制后电网实际的平均电压值，从图中可以看出，控制启动前，电网平均电压始终低于电网额定电压380V，而当控制策略启动后，电网电压逐渐恢复值额定值，实现了电压恢复的目的。且随着通信时间间隔Ts的缩小，电网平均电压在相同时间内可以恢复到更接近额定电压的水平。但持续缩小通信时间间隔Ts对系统动态性能的提高并不显著，反而需要大量的数据计算与交换，使得系统十分依赖通讯系统的可靠与稳定，所以通信时间间隔Ts的选取需要结合实际情况综合考虑。
本发明针对接入配电网的电动汽车群，提出基于一致性的LVSM分布式协同控制策略，控制策略包含本地控制和分布式二次控制两部分。本地控制采用LVSM技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互。分布式二次控制中，基于一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，并将节点电压估计值与电网电压额定值的偏差经PI环节运算后考虑到节点无功一致性迭代算法中，以此实现电网电压恢复并均分各LVSM的无功出力的目的。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用负荷虚拟同步机技术对电动汽车进行控制，为电动汽车提供电网友好型接口并实现与电网的交互；
(2)构建分布式通信网络，基于动态一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，通过低带宽通信方式实现相邻电动汽车类LVSM间的信息交互，获取全局平均电压估计值与各电动汽车类LVSM的无功出力参考值，达到补偿电网电压同时合理分配电动汽车类LVSM无功出力的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的负荷虚拟同步机的拓扑结构由LC滤波电路、三相全桥双向AC/DC变流器、直流母线电容及直流负荷接口双向DC/DC变流器组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的负荷虚拟同步机中AC/DC变流器控制策略包括有功环、无功环、参考电压合成模块和电压电流双闭环。
4.根据权利要求1所述的一种基于一致性的负荷虚拟同步机分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)对局部电网的平均电压进行控制，基于一致性理论，对各LVSM群端口电压的平均值进行估计，在时刻t，节点代理i通过自身量测获得的端口电压以及邻接节点代理的估计值，得到下一时刻平均电压估计值：
其中：Ui(t)为节点i的电压量测值，UEi、UEj分别为t时刻节点代理i、j对局部电网平均电压的估计值，UEi(0)＝0，UEj(0)＝0；CE为耦合增益；
(22)基于一致性算法实时更新各节点电压、无功信息，并将节点电压估计值与电网电压额定值的偏差经PI环节运算后考虑到节点无功一致性迭代算法中，以实现电网电压恢复并均分各LVSM的无功出力的目的，其实现方法如下：
其中，Qrefi(t)、Qrefj(t)分别为t时刻节点代理i、j的控制单元对标幺化的无功功率的估计值，UEi为t时刻节点代理i对局部电网平均电压的估计值；t+1时刻节点代理i的无功估计值由两部分组成，一部分由自身电压估计值与电压额定值的偏差经过比例积分运算后得到，另一部分是t时刻自身无功功率估计值与邻接节点无功功率估计值经运算后得到。
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