CN110768289B - 一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，构造多分布式发电机的孤岛式微电网系统；采用通用下垂方程构造孤岛式微电网中电压和频率的更新方程；采用牵制控制方法为微电网中部分分布式发电机提供参考值；采用自适应控制方法，通过构造每一个分布式电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式，得到精确的电压和频率输出；本发明将自适应控制方法与牵制控制方法进行有效地设计结合，可以在系统具有多个分布式发电机的情况下高效的控制系统工作，并保证系统在不同线阻抗的电路中工作时，无需调整参数便能够提供精确的电压和频率输出，从而提供可靠、精确的电压和频率输出为外部系统供电。

Description

一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法
技术领域
本发明涉及一种自适应牵制控制方法，尤其涉及一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，属于自适应控制及微电网系统领域。
背景技术
微电网的电压和频率调节在并网模式和孤岛模式中都具有重要作用。经典下垂方程由交流电网的电力系统理论推导而来。在感性网络中，频率取决于有功功率，电压取决于无功功率。经典下垂方程的局限性为短暂瞬态的限制、低功耗共享精度和输出电压偏差的限制。同时在中压或低压微电网中，由于线路之间的电阻和电感分量都不可以忽略，经典下垂方程不能完全反映线路参数。在这样的情况下，基于经典下垂方程设计的控制器不能够适应不同线路参数的微电网系统。因此，设计一种能够适应不同线路参数的控制方法具有很大的实用价值。除此之外，若微电网中配置有多个分布式发电机时，若每一个分布式发电机都需要控制器提供参考值，则会增加控制器的负担，导致系统达到额定电压和频率的时间变长，系统稳定性较低。牵制控制方法可以仅为系统中的某一个或者某几个分布式发电机提供参考值就可以保证系统稳定运行。因此，将自适应控制方法和牵制控制方法相结合，能够有效提高系统电压和频率的精度，增加系统可靠性，减小控制器负担。
现有的微电网控制方法种类繁多，其中，在系统中具有多个分布式发电机时，牵制控制能有效降低控制器的运算量，仅需为其中一个或者多个电机提供参考量，系统即可正常工作。Manaffa等人在，《Intelligent Pinning Based Cooperative Secondary Controlof Distributed Generators for Microgrid in Islanding Operation Mode》(发表于《IEEE Transactions on Power Systems》，2018年，2期)提出一种牵制控制方法，保证了孤岛式微电网系统无需控制所有发电机就可以正常工作。但是该方法够构造系统误差模型，是基于假设系统中线阻抗的电阻分量远大于电感分量而现实的，但是在实际电路中，线阻抗有可能为阻性、中性或者感性，所以使用传统下垂发错构造的误差模型对系统进行控制的方法不具有普适性和自适应性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种计算量小，准确性高的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，包括如下步骤：
步骤一：构造多分布式发电机的孤岛式微电网系统；
步骤二：采用通用下垂方程构造孤岛式微电网中电压和频率的更新方程；
步骤三：采用牵制控制方法为微电网中部分分布式发电机提供参考值；
步骤四：采用自适应控制方法，通过构造每一个分布式电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式，得到精确的电压和频率输出。
本发明还包括这样一些特征：
所述通用下垂方程为：
其中，ωi为第i个分布式发电机的角速率；ωni为第i个分布式发电机角速率的估计值；Xi为第i个分布式发电机线路的电感分量；Ri为第i个分布式发电机线路的电阻分量；Zi为第i个分布式发电机线阻抗的幅值；Pi为第i个分布式发电机的有功功率；Qi为第i个分布式发电机的无功功率；Vi为第i个分布式发电机的输出电压；Vni为第i个分布式发电机电压值的估计值；和/>为第i个分布式发电机的下垂系数；
所述电压和频率的更新方程：
其中，电压和频率的误差分别为eV和eω，电压和频率的参考值分别为Vref和ωref，aij为第i个和第j个分布式发电机之间的网络连接矩阵，第i个和第j个分布式发电机之间有网络连接时aij＝1，第i个和第j个分布式发电机之间没有网络连接或者i＝j时aij＝0；gi为牵制增益；表示第i个分布式发电机是否被牵制，/>表示第i个分布式发电机被牵制，则表示没有被牵制；
所述牵制控制方法为：首先确定被牵制的分布式发电机个数i，然后根据所有未被牵制的发电机到被牵制发电机的路径最小，确定系统中被牵制的分布式发电机编号，被牵制的分布式发电机可以得到控制器提供的电压和频率参考值，未被牵制的分布式发电机可以从被牵制的分布式发电机处得到电压和频率的参考值；
所述系统电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式公式为：
其中， 和/>为θ1i和θ1i的估计值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将自适应控制方法与牵制控制方法进行有效地设计结合，可以在系统具有多个分布式发电机的情况下高效的控制系统工作，并保证系统在不同线阻抗的电路中工作时，无需调整参数便能够提供精确的电压和频率输出，从而提供可靠、精确的电压和频率输出为外部系统供电；
本发明计算量小，准确性高，可以令孤岛式微电网系统数据精确的电压和频率数据，具有很好的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明提出的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法的基本流程框图；
图2是五个分布式发电机构成的孤岛式微电网示意图；
图3是系统线阻抗R/X＝0.1时电压频率曲线；
图4是系统线阻抗R/X＝1时电压频率曲线；
图5是系统线阻抗R/X＝10时电压频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的在于提供一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括下列步骤：
步骤一：构造多分布式发电机的孤岛式微电网系统。
步骤二：采用通用下垂方程构造孤岛式微电网中电压和频率的更新方程；
步骤三：采用牵制控制方法为微电网中部分分布式发电机提供参考值；
步骤四：采用自适应控制方法，通过构造每一个分布式电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式，得到精确的电压和频率输出；
所述通用下垂方程为：
其中，ωi为第i个分布式发电机的角速率；ωni为第i个分布式发电机角速率的估计值；Xi为第i个分布式发电机线路的电感分量；Ri为第i个分布式发电机线路的电阻分量；Zi为第i个分布式发电机线阻抗的幅值；Pi为第i个分布式发电机的有功功率；Qi为第i个分布式发电机的无功功率；Vi为第i个分布式发电机的输出电压；Vni为第i个分布式发电机电压值的估计值；和/>为第i个分布式发电机的下垂系数。
所述电压和频率的更新方程：
其中，电压和频率的误差分别为eV和eω，电压和频率的参考值分别为Vref和ωref，aij为第i个和第j个分布式发电机之间的网络连接矩阵，第i个和第j个分布式发电机之间有网络连接时aij＝1，第i个和第j个分布式发电机之间没有网络连接或者i＝j时aij＝0；gi为牵制增益；表示第i个分布式发电机是否被牵制，/>表示第i个分布式发电机被牵制，则表示没有被牵制。
所述牵制控制方法为：首先确定被牵制的分布式发电机个数i，然后根据所有未被牵制的发电机到被牵制发电机的路径最小，确定系统中被牵制的分布式发电机编号。被牵制的分布式发电机可以得到控制器提供的电压和频率参考值，未被牵制的分布式发电机可以从被牵制的分布式发电机处得到电压和频率的参考值；
所述系统电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式公式为：
其中， 和/>为θ1i和θ1i的估计值；
由此完成具有多个分布式发电机的孤岛式微电网系统的电压和频率控制，得到精确的电压和频率输出。
本发明提出一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，其流程图如附图1所示，该方法的主要步骤如下：
(1)构造系统通用下垂方程
其中，ωi为第i个分布式发电机的角速率；ωni为第i个分布式发电机角速率的估计值；Xi为第i个分布式发电机线路的电感分量；Ri为第i个分布式发电机线路的电阻分量；Zi为第i个分布式发电机线阻抗的幅值；Pi为第i个分布式发电机的有功功率；Qi为第i个分布式发电机的无功功率；Vi为第i个分布式发电机的输出电压；Vni为第i个分布式发电机电压值的估计值；和/>为第i个分布式发电机的下垂系数。
(2)根据通用下垂方程构造系统电压和频率误差的更新方程。
令带入通用下垂方程可得
因为不同的系统的θi是不同的，为实现系统的自适应控制，令
其中，是θi的估计。由以上推到可以得到
设电压和频率的误差分别为eV和eω，电压和频率的参考值分别为Vref和ωref，则
设cω和cV是控制器增益，令
其中，aij为第i个和第j个分布式发电机之间的网络连接矩阵，第i个和第j个分布式发电机之间有网络连接时aij＝1，第i个和第j个分布式发电机之间没有网络连接或者i＝j时aij＝0；gi为牵制增益；表示第i个分布式发电机是否被牵制，/>表示第i个分布式发电机被牵制，/>则表示没有被牵制。
对电压和频率的误差公式求导可以得到如下更新方程：
为便于计算，设
那么可以得到最终的电压和频率更新方程
(3)采用牵制控制方法为微电网中部分分布式发电机提供参考值：
首先确定被牵制的分布式发电机个数i，然后根据所有未被牵制的发电机到被牵制发电机的路径最小，确定系统中哪几个分布式发电机被牵制。被牵制的分布式发电机可以得到控制器提供的电压和频率参考值，未被牵制的分布式发电机可以从被牵制的分布式发电机处得到电压和频率的参考值。
如图2所示，其中1～5表示分布式发电机1～5，表为以五个发电机的微电网为例，选取分布式发电机1和分布式发电机3为被牵制的分布式发电机，通过控制器赋予这两个分布式发电机电压和频率参考值，实现系统的牵制控制。每个分布式发电机可以通过反馈自身电压和频率值对输出进行校正，同时也可以接收相邻分布式发电机的电压和频率值对自身输出进行校正。其中分布式发电机1可以接收来自分布式发电机2的信号，分布式发电机2可以接收来自分布式发电机1和分布式发电机3的信号，分布式发电机3可以接收来自分布式发电机2和分布式发电机4的信号，分布式发电机4可以接收来自分布式发电机3的信号，分布式发电机5可以接收来自分布式发电机1和分布式发电机4的信号。
(4)设计自适应控制方法，并根据步骤(3)给定的参考值，精确控制每一个分布式发电机的电压和频率输出。
构造如下李雅普诺夫方程：
其中θi＝[θ1i θ2i]T、ei＝[eωi eVi]T、/>
对李雅普诺夫方程求导可得：
将步骤(2)中的电压和频率误差更新方程带入李雅普诺夫方程可得
其中
C＝diag([cω cV]T)
L＝[lij]
G＝diag([g1 …gN])
令
则
V＜0，系统稳定。那么线阻抗、电压和频率的更新方程为：
通过每一个分布式发电机的更新方程，可以得到精确的电压和频率。由此完成系统的电压和频率控制。
Simulink程序仿真的方案、条件及结果如下所示：
(1)仿真时间设置
仿真时长为1s。
(2)分布式发电机参数设置
系统含有五个分布式发电机，其额定电压为380V，额定频率为50Hz。
(3)牵制控制设置
选取分布式发电机1和分布式发电机3为被牵制的分布式发电机，即
(4)控制器增益设置
cV＝100、cω＝100、g＝1、
(5)仿真结果
依上述仿真条件，对所设计的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法进行仿真验证。系统启动后在第0秒控制器开始工作，控制电压和频率达到参考值；其中图3为系统线阻抗R/X＝0.1时电压频率曲线，图4为系统线阻抗R/X＝1时电压频率曲线，图5为系统线阻抗R/X＝10时电压频率曲线。根据图中曲线可以看出，系统工作在不同线阻抗的微电网中，不需要修改参数，便能够自适应不同的线阻抗，系统能够在0.5秒以内达到电压和频率的参考值，并保持稳定。
通过本发明提出的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，可以在计算量最小的情况下准确地输出预设的电压和频率值，保障了微电网系统的可靠性和电压频率输出的精度。因此，本发明可以更为全面地提升具有多个分布式发电机的孤岛式微电网系统性能，满足系统可靠性和高精度的应用需求。
综上所述：本发明公开了一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法。该方法首先采用通用下垂方程构造系统电压及频率误差的更新方程，保证系统能够在不同的线路阻抗情况下正常工作。然后利用自适应控制方法控制每一个分布式发电机的电压和频率输出，同时估计系统的线阻抗大小，保证系统工作在额定的电压和频率下，且系统工作在不同线阻抗的微电网线路中时，系统具有自适应性，即不需要调整系统参数值。最后针对多分布式发电机的微电网系统，特别设计了一种牵制控制方法，利用牵制控制方法中不需要控制系统中所有发电机的特性，减小了控制周期，降低了控制器的负担。该方法基于通用下垂方程将自适应控制方法与牵制控制方法相结合，使系统自适应不同线路阻抗、精度高、效率高，在孤岛式微电网中有多个分布式发电机时，减小控制器的负担，保障微电网系统的可靠性。

Claims (3)

1.一种孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：构造多分布式发电机的孤岛式微电网系统；
步骤二：采用通用下垂方程构造孤岛式微电网中电压和频率的更新方程；
步骤三：采用牵制控制方法为微电网中部分分布式发电机提供参考值；
步骤四：采用自适应控制方法，通过构造每一个分布式电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式，得到精确的电压和频率输出；
所述通用下垂方程为：
其中，ωi为第i个分布式发电机的角速率；ωni为第i个分布式发电机角速率的估计值；Xi为第i个分布式发电机线路的电感分量；Ri为第i个分布式发电机线路的电阻分量；Zi为第i个分布式发电机线阻抗的幅值；Pi为第i个分布式发电机的有功功率；Qi为第i个分布式发电机的无功功率；Vi为第i个分布式发电机的输出电压；Vni为第i个分布式发电机电压值的估计值；和/>为第i个分布式发电机的下垂系数；
其特征是，所述电压和频率的更新方程：
其中，电压和频率的误差分别为eV和eω，电压和频率的参考值分别为Vref和ωref，aij为第i个和第j个分布式发电机之间的网络连接矩阵，第i个和第j个分布式发电机之间有网络连接时aij＝1，第i个和第j个分布式发电机之间没有网络连接或者i＝j时aij＝0；gi为牵制增益；表示第i个分布式发电机是否被牵制，/>表示第i个分布式发电机被牵制，/>则表示没有被牵制。
2.根据权利要求1所述的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，其特征是，所述牵制控制方法为：首先确定被牵制的分布式发电机个数i，然后根据所有未被牵制的发电机到被牵制发电机的路径最小，确定系统中被牵制的分布式发电机编号，被牵制的分布式发电机可以得到控制器提供的电压和频率参考值，未被牵制的分布式发电机可以从被牵制的分布式发电机处得到电压和频率的参考值。
3.根据权利要求1所述的孤岛式微电网电压和频率的自适应牵制控制方法，其特征是，所述系统电压、频率的估计值以及线路阻抗估计值公式为：
其中， 和/>为θ1i和θ1i的估计值。
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