CN110783966B - 一种分布式发电单元协同控制方法及系统 - Google Patents

一种分布式发电单元协同控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式发电单元协同控制方法及系统，属于电气工程技术领域，包括：根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，建立频率控制函数调节频率控制信号；且根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，建立电压控制函数调节电压控制信号；采用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值；本发明避免了电压观测器计算误差对控制效果的影响。

Description

一种分布式发电单元协同控制方法及系统
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种分布式发电单元协同控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着新能源发电在电网中渗透率的持续增加，微电网作为集成多种分布式电源(distributed generation,DG)和负荷的控制单元受到了越来越多的关注。对多个并联运行的DG单元采用下垂控制，能够实现微电网的频率和电压稳定，同时实现DGs的有功功率和无功功率按设定的下垂系数成反比分配，但是当系统中存在线路阻抗时，无功功率分配的精度会受到影响，同时，下垂控制会不可避免地引入频率偏差和电压偏差，使微电网无法运行在额定点。因此，为实现微电网更好的运行条件，需要在下垂控制的基础上加入二次控制以恢复系统的频率和电压，进而实现精确的功率分配。
二次控制的实现有分布式和集中式两种方式。集中式控制依赖于集中控制器统一采集和处理信息，每个DG单元都需要与集中控制器进行通讯，任意一处故障都会导致控制器失效或可靠性差。分布式控制依赖于一致性算法，仅需要相邻节点之间的信息交换，即可实现全局变量的控制，具有即插即用的能力，更适用于微电网的控制。
对于存在线路阻抗的微电网而言，无功功率控制和母线电压恢复控制之间存在矛盾，如果控制各DG无功功率按各自容量成比例分配，则无法实现各DG节点的母线电压都恢复至额定值，一种折中的方案是控制各DG节点母线电压的平均值达到额定值。目前实现平均母线电压控制的分布式控制方法主要依赖于电压观测器，电压观测器可以基于相邻节点之间电压观测值的信息交换，使各节点的电压观测值趋于一致并达到微电网的实际平均电压。但是电压观测器的输出受输入扰动的影响较大，在电压观测器具有初值的情况下，电压观测器无法准确收敛到微电网系统实际的电压平均值。另外，传统分布式的二次控制，通常需要针对电压恢复控制、无功功率控制、频率恢复控制和有功功率控制分别设置四个控制器，控制器结构复杂，各控制器之间的动态协调比较困难。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分布式发电单元协同控制方法及系统，旨在解决现有对分布式电源的二次控制主要依赖电压观测器，但电压观测器受输入扰动的影响导致无法准确观测分布式电源的平均电压的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种分布式发电单元协同控制方法，包括：
(1)根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，建立频率控制函数调节频率控制信号；
且根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，建立电压控制函数调节电压控制信号；
(2)采用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用频率控制信号补偿分布发电单元的频率参考值；
(3)根据分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号(PWM：pulse width modulation)。
优选地，频率控制函数为：
Figure BDA0002250448340000031
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure BDA0002250448340000032
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000033
为频率控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差。
优选地，电压控制函数为：
Figure BDA0002250448340000034
其中，uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure BDA0002250448340000035
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000036
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uvi-RqiQi)为电压偏差。
优选地，电压控制函数的控制目标为各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，且各分布式发电单元输出的无功功率按无功功率的下垂系数成反比分配，具体数学表达式为：
Figure BDA0002250448340000041
Rq1Q1＝Rq2Q2＝…＝RqNQN
其中，
Figure BDA0002250448340000042
为第i个分布式发电单元的端口母线电压的测量值；vodi为dq坐标轴下第i个分布发电单元的d轴端口母线电压的测量值；voqi为dq坐标轴下第i个分布发电单元的q轴端口母线电压的测量值；vn为微电网额定电压；N为分布发电单元的总个数；RqN为第N个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；QN为第N个分布式发电单元对应的无功功率；
优选地，频率控制函数的控制目标为各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按有功功率的下垂系数成反比分配，具体数学表达式为：
ωi＝ωn
Rp1P1＝Rp2P2＝…＝RpNPN
其中，ωi为第i个分布发电单元的频率；ωn为微电网的额定频率；RpN为第N个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；PN为第N个分布式发电单元对应的无功功率；
优选地，分布式发电单元端口母线电压与电压控制信号之间的关系为：
Figure BDA0002250448340000043
其中，
Figure BDA0002250448340000044
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的d轴端口母线电压参考值；
Figure BDA0002250448340000045
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的q轴端口母线电压参考值；vn为微电网额定电压；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；
优选地，分布式发电单元的频率参考值与频率控制信号之间的关系为：
Figure BDA0002250448340000051
其中，ωn为微电网的额定频率；Rpi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；
Figure BDA0002250448340000052
为第i个分布式发电单元的频率参考值；
优选地，上述步骤(3)具体包括：
(3.1)将分布式发电单元的端口母线电压的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值；
(3.2)将分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的参考值做差，获取第一差值；
(3.3)将第一差值输入电压外环PI控制器，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值；
(3.4)将分布式发电单元的电感电流的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值；
(3.5)将分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值做差，获取第二差值；
(3.6)将第二差值输入电流内环PI控制器，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
另一方面，本发明提供了一种分布式发电单元协同控制系统，包括：频率控制器、电压控制器和一次控制模块；
频率控制器和电压控制器的输出端与一次控制模块的输入端相连；
频率控制器用于根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，调节频率控制信号；
电压控制器用于根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，调节电压控制信号；
一次控制模块利用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值，同时根据分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
优选地，电压控制器中的电压控制函数为：
Figure BDA0002250448340000061
频率控制器中的频率控制函数为：
Figure BDA0002250448340000062
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure BDA0002250448340000063
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000064
为频率控制的中间变量的一阶导数；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure BDA0002250448340000065
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000071
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差；(uvi-RqiQi)为电压偏差。
本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的分布式发电单元协同控制方法，是将各分布式发电单元的端口母线电压与无功功率的控制合并至电压控制函数，对应器件为电压控制器；将各分布式发电单元的频率与有功功率合并至频率控制函数，对应器件为频率控制器，大大简化了控制器的结构，同时在实现平均母线电压控制时，不需要电压观测器计算微电网系统的平均电压值，避免了电压观测器计算误差对控制效果的影响。
(2)本发明提供的分布式发电单元协同控制方法，是一种分层式控制方法，在一次下垂控制的基础上，分别设置频率控制函数和电压控制函数(二次控制)，电压控制函数通过电压控制信号，补偿下垂控制带来的电压偏差，校正分布式发电单元端口母线电压，使得各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，同时克服线路阻抗对无功功率分配精度的影响，保证微电网系统的无功功率按下垂系数成反比分配；频率控制函数通过输出频率控制信号，补偿下垂控制带来的频率偏差，保证各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按下垂系数成反比分配。
附图说明
图1是本发明提供的分布式发电单元的一次控制结构图；
图2是实施例提供的包含4个DG单元的交流微电网结构图；
图3(a)是实施例提供的负载功率变化时，下垂控制下DGs节点的端口母线电压幅值；
图3(b)是实施例提供的负载功率变化时，下垂控制下DGs节点的频率；
图3(c)是实施例提供的负载功率变化时，下垂控制下DGs输出的有功功率；
图3(d)是实施例提供的负载功率变化时，下垂控制下DGs输出的无功功率；
图4(a)是实施例提供的负载功率变化时，分布式发电单元协同控制下DGs节点的端口母线电压幅值；
图4(b)是实施例提供的负载功率变化时，分布式发电单元协同控制下DGs节点的频率；
图4(c)是实施例提供的负载功率变化时，分布式发电单元协同控制下DGs输出的有功功率；
图4(d)是实施例提供的负载功率变化时，分布式发电单元协同控制下DGs输出的有功功率；
图5(a)是实施例提供的负载功率变化时的电压控制信号；
图5(b)是实施例提供的负载功率变化时的频率控制信号；
图6(a)是实施例提供的电压控制函数初始为5V时，DGs节点的母线电压幅值；
图6(b)是实施例提供的电压控制函数初始为5V时的电压控制信号；
图6(c)是实施例提供的电压控制函数初始为5V时，DGs输出的无功功率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的分布式发电单元协同控制方法的核心思想为：传统采用一次下垂控制获取分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，忽略对分布式发电单元端口电压和频率的控制，本发明提供二次控制，一方面，以各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，且各分布式发电单元输出的无功功率按下垂系数成反比分配为控制目标，建立电压控制函数调节电压控制信号，采用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压；另一方面，以各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按下垂系数成反比分配为控制目标，建立频率控制函数调节频率控制信号，采用频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值；相比于传统的一次下垂控制，二次控制将是本发明的主要核心创新点。
一方面，本发明提供了一种分布式发电单元协同控制方法，包括：
A.二次控制
(1)根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，建立频率控制函数调节频率控制信号；
且根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，建立电压控制函数调节电压控制信号；
具体地，建立频率控制函数调节频率控制信号的具体过程为：
将各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按有功功率的下垂系数成反比分配为频率控制函数的控制目标，该控制目标的数学表达形式为：
ωi＝ωn
Rp1P1＝Rp2P2＝…＝RpNPN
其中，ωi为第i个分布发电单元的频率；ωn为微电网的额定频率；RpN为第N个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；PN为第N个分布式发电单元对应的无功功率；
交流微电网具有统一的电网频率，即稳态时第i个分布式发电单元对应的各节点测量的ωi相等，根据公式
Figure BDA0002250448340000101
ωi＝ωn可转换为如下公式：
uωi-RpiPi＝0
其中，ωn为微电网的额定频率；Rpi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；
Figure BDA0002250448340000102
为第i个分布式发电单元的频率参考值；
为了同时满足公式Rp1P1＝Rp2P2＝…＝RpNPN和uωi-RpiPi＝0的控制目标，设计了基于PI一致性算法的频率控制函数，具体如下：
Figure BDA0002250448340000103
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure BDA0002250448340000104
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000105
为频率控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差；
对于频率控制函数而言，相邻节点之间交换的状态信息为频率控制信号uωi和频率控制的中间变量ζωi，根据节点之间状态信息的差值，调节频率控制函数输出的频率控制信号uωi，从而实现稳态时各分布式发电(DG)单元的频率控制函数输出的频率控制信号uωi趋于一致，根据上述频率控制函数可知，频率控制信号uωi趋于一致的同时保证了稳态时
Figure BDA0002250448340000111
由于稳态时各节点的频率相等自然成立，因此，各DG节点uωi-RpiPi相等也自然成立，结合稳态值
Figure BDA0002250448340000112
可知Rp1P1＝Rp2P2＝…＝RpNPN和uωi-RpiPi＝0的控制目标成立；
具体地，建立电压控制函数调节电压控制信号的具体过程为：
各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，且各分布式发电单元输出的无功功率按无功功率的下垂系数成反比分配，具体数学表达式为：
Figure BDA0002250448340000113
Rq1Q1＝Rq2Q2＝…＝RqNQN
其中，
Figure BDA0002250448340000114
为第i个分布式发电单元的端口母线电压的测量值；vodi为dq坐标轴下第i个分布发电单元的d轴端口母线电压的测量值；voqi为dq坐标轴下第i个分布发电单元的q轴端口母线电压的测量值；vn为微电网额定电压；N为分布发电单元的总个数；RqN为第N个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；QN为第N个分布式发电单元对应的无功功率；
由于微电网系统稳定工作时，分布式发电(DG)单元的d轴端口母线电压的测量值vodi和q轴端口母线电压的测量值voqi能够快速跟踪分布式发电单元的d轴端口母线电压参考值
Figure BDA0002250448340000115
和q轴端口母线电压参考值
Figure BDA0002250448340000116
因此，
Figure BDA0002250448340000117
可以转换为另一种等效形式：
Figure BDA0002250448340000121
其中，uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；
为了同时满足公式
Figure BDA0002250448340000122
和Rq1Q1＝Rq2Q2＝…＝RqNQN的控制目标，设计了基于PI一致性算法的电压控制函数，具体如下：
Figure BDA0002250448340000123
其中，uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure BDA0002250448340000124
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000125
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uvi-RqiQi)为电压偏差；
PI一致性算法依赖于节点之间的信息交换，对于电压控制函数，节点之间交换的状态信息为RqiQi和电压控制的中间变量，根据节点之间状态信息的差值调节电压控制信号uvi，最终稳态时可以达到RqiQi趋于一致。根据电压控制函数，RqiQi趋于一致的同时又能保证稳态时
Figure BDA0002250448340000126
成立，从而实现各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，以及各分布式发电单元输出的无功功率按下垂系数成反比分配的控制目标，整个控制实现的过程中不需要电压观测器来获取微电网系统的电压，避免了电压观测器的观测误差对控制的影响。
(2)采用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用所述频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值；
具体地，分布式发电单元的频率参考值与频率控制信号之间的关系为：
Figure BDA0002250448340000131
其中，ωn为微电网的额定频率；Rpi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；
Figure BDA0002250448340000132
为第i个分布式发电单元的频率参考值；
分布式发电单元端口母线电压与电压控制信号之间的关系为：
Figure BDA0002250448340000133
其中，
Figure BDA0002250448340000134
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的d轴端口母线电压参考值；
Figure BDA0002250448340000135
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的q轴端口母线电压参考值；vn为微电网额定电压；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；
B.一次控制
(3)根据分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号(PWM：pulse width modulation)。
具体包括：
(3.1)将分布式发电单元的端口母线电压的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值；
(3.2)将分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的参考值做差，获取第一差值；
(3.3)将第一差值输入电压外环PI控制器，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值；
(3.4)将分布式发电单元的电感电流的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值；
(3.5)将分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值做差，获取第二差值；
(3.6)将第二差值输入电流内环PI控制器，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
具体地，分布式发电单元通常包含直流侧电源、逆变器和输出滤波器三部分，针对DG单元的控制实际上是对逆变器的控制。传统的下垂控制能够实现并联DGs单元之间的功率分配，采用下垂控制的各DG单元的端口母线电压、频率参考值为：
Figure BDA0002250448340000141
Figure BDA0002250448340000142
其中，
Figure BDA0002250448340000143
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的d轴端口母线电压参考值；
Figure BDA0002250448340000144
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的q轴端口母线电压参考值；vn为微电网额定电压；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ωn为微电网的额定频率；Rpi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；
Figure BDA0002250448340000145
为第i个分布式发电单元的频率参考值；
一次控制的内环控制采用电压电流双闭环控制，使输出母线电压能快速跟踪分布式发电单元的端口母线电压参考值。具体实现方法为：
将分布式发电单元的端口母线电压的测量值voi从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴端口母线电压的测量值vodi和q轴端口母线电压的测量值voqi，将分布式发电单元的d轴端口母线电压的测量值vodi和q轴端口母线电压的测量值voqi分别与分布式发电单元的d轴端口母线电压的参考值
Figure BDA0002250448340000151
和q轴端口母线电压的参考值
Figure BDA0002250448340000152
做差，获取第一差值，得到的差值送入电压外环PI控制器，进而获取分布式发电单元的dq轴下的电感电流的参考值，具体如下：
Figure BDA0002250448340000153
其中，Gv(s)为电压外环PI控制器的增益因子，
Figure BDA0002250448340000154
分别为第i个分布式发电单元的d轴、q轴端口母线电压的参考值；vodi、voqi分别为第i个分布式发电单元的的d轴、q轴端口母线电压的测量值；
Figure BDA0002250448340000155
分别为分布式发电单元的d轴、q轴电感电流的参考值；
将电感电流的测量值iLi从abc坐标系分解到dq坐标系下，得到d轴电感电流的测量值iLdi和q轴电感电流的测量值iLqi；将d轴电感电流的测量值iLdi和q轴电感电流的测量值iLqi分别与d轴电感电流的参考值
Figure BDA0002250448340000156
和q轴电感电流的测量值
Figure BDA0002250448340000157
做差，获取第二差值；将得到的第二差值输入电流内环PI控制器，并考虑d轴电感电流和q轴电感电流的解耦，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号；具体如下：
Figure BDA0002250448340000158
其中，Lf为滤波电感；ωref为微电网额定频率；iLdi、iLqi分别为第i个分布式发电单元的d轴电感电流的测量值、q轴电感电流的测量值；
Figure BDA0002250448340000159
分别为第i个分布式发电单元的d轴电感电流的测量值、q轴电感电流的参考值；vodi、voqi分别为第i个分布式发电单元的第i个分布式发电单元的d轴、q轴端口母线电压的测量值；GC(s)为电流内环PI控制器的增益系数；
Figure BDA0002250448340000161
Figure BDA0002250448340000162
分别第i个分布式发电单元调制电压的d轴、q轴参考值；
将调制电压
Figure BDA0002250448340000163
由dq坐标系变换到abc坐标系，并输入调制模块产生控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。需注意的是，所有变量在abc/dq坐标系之间的转换，采用的变换频率均为
Figure BDA0002250448340000164
另一方面，本发明提供了一种分布式发电单元协同控制系统，包括：频率控制器、电压控制器和一次控制模块；
频率控制器和电压控制器的输出端均与一次控制模块的输入端相连；
频率控制器用于根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，调节频率控制信号；
电压控制器用于根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，调节电压控制信号；
一次控制模块利用电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值，同时根据分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
优选地，电压控制器中的电压控制函数为：
Figure BDA0002250448340000165
频率控制器中的频率控制函数为：
Figure BDA0002250448340000171
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure BDA0002250448340000172
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000173
为频率控制的中间变量的一阶导数；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure BDA0002250448340000174
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure BDA0002250448340000175
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差；(uvi-RqiQi)为电压偏差。
实施例
本实施例以4个DG单元构成的直流微电网系统为例说明，微电网系统结构图如图1所示，每个DG单元之间均存在线路阻抗，微电网系统的控制目标为各DG单元节点的平均母线电压达到额定值230V，微电网系统的频率稳定在额定值50Hz，同时各DG单元的输出功率按各自容量成比例分配。本实施例中设定的第一分布式发电单元和第三分布式发电单元的容量是第二分布式发电单元和第四分布式发电单元的两倍。各分布式发电单元节点之间采用环形通讯拓扑，即第一分布式发电单元可以收到第四分布式发电单元和第二分布式发电单元的状态信息，第二分布式发电单元可以收到第一分布式发电单元和第三分布式发电单元的状态信息，以此类推。该通讯拓扑能够保证任意一条通讯线路故障时，通讯拓扑仍然是连通的。
图2为分布式发电单元以及一次下垂控制的基本结构，典型的分布式发电单元包括直流侧电源、逆变器和输出滤波器等。本实施例中，各分布式发电单元的无功功率的下垂系数和有功功率的下垂系数选取为：
Rp1:Rp2:Rp3:Rp4＝0.4:0.8:0.4:0.8(单位：Hz/kW)
Rq1:Rq2:Rq3:Rq4＝1:2:1:2(单位：V/Var)
本实施例中，对各分布式发电单元均采用相同的控制器，除下垂系数外，其他控制器参数均取值相同。各控制器参数经调试取值如下：
一次控制：电压环：kPV＝20，kTV＝200；电流环：kPC＝10，kIC＝333；
二次控制：电压控制器：aq＝20，bq＝20，gq＝20；
频率控制器：ap＝50，bp＝30，gp＝20；
本实施例提供了一种基于PI一致性算法的分布式控制方法，具体包括如下步骤：
(1)测量各分布式发电单元输出的有功功率Pi和无功功率Qi，计算各分布式发电单元的下垂系数与输出功率的乘积：RpiPi和RqiQi；
(2)各分布式发电单元将自身的RqiQi信号和ζvi信号传递给相邻节点，并接收相邻节点的RqjQj信号和ζvj信号，输入基于PI一致性算法的电压控制函数(对应器件为电压控制器)，计算电压控制信号uvi；
其中，ζvj和uvi的初值可以取任意值，在本实施例中不做特别说明的情况下，均初值取值为零；
(3)各分布式发电单元将自身的RpiPi信号和uωi信号传递给相邻节点，并接收相邻节点的ζωj信号和uωj信号，输入基于PI一致性算法的频率控制函数(对应器件为频率控制器)，计算频率控制信号uωi；
其中，ζωj和uωi的初值可以取任意值，在本实施例中不做特别说明的情况下，均取值为零；
(4)将电压控制信号与频率控制信号输入到一次控制这个，产生内环控制的分布式发电单元的端口母线电压的参考值和频率参考值；
(5)由内环控制产生控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号；
在PSCAD/EMTDC软件中对本实施例的控制方法有效性进行验证，图1-图5对比了负载功率变化情况下，采用本实施例所提控制与单独采用下垂控制的控制效果，图6为电压控制函数具有初值情况下，本实施例所提控制的控制效果，具体分析如下：
图3为负载功率变化时，单独采用下垂控制时，微电网系统的动态响应特性，其中，图3(a)为DGs节点的端口母线电压幅值；图3(b)为DGs节点的频率；图3(c)为DGs输出的有功功率；图3(d)为DGs输出的无功功率；初始阶段各节点负载为Rload＝10Ω，Lload＝0.02H，1s时第四分布式发电单元的节点突增40Ω负载，有图3(a)～图3(d)可以看出，微电网经过约0.5s过渡到新的稳态。其中，图3(a)和图3(b)分别为各分布式发电单元节点的电压幅值和频率，由于下垂控制是有差控制，稳态时，微电网的电压、频率均低于额定值；从图3(c)和图3(d)可知，由于线路阻抗影响，各分布式发电单元的无功功率也无法实现按额定容量成比例分配。
在同样的阶跃负载变化下，加入基于PI一致性控制的微电网动态响应如图4所示，其中，图4(a)为DGs节点的端口母线电压幅值；图4(b)为DGs节点的频率；图4(c)为DGs输出的有功功率；图4(d)为DGs输出的有功功率，从图4(a)～图4(d)可知，微电网系统过渡到新的稳态点的时间也约为0.5s，且各变量出现的超调与单独下垂控制时一样，说明经过合理参数设计的PI一致性控制对微电网系统动态响应特性影响很小。引入PI一致性控制的系统在稳态时，图4(a)可知，各节点端口母线电压幅值的平均值稳定在额定值230V，且从图4(b)可知，微电网频率稳定在50Hz，从图4(c)和图4(d)可知，有功功率和无功功率均能按各分布式发电单元的容量成比例分配，第一分布式发电单元和第三分布式发电单元输出的有功功率和无功功率是第二分布式发电单元和第四分布式发电单元的两倍。
图5(a)和图5(b)分别为负载阶跃变化过程中，频率控制函数和电压控制函数的输出，突增负载后，图5(b)频率控制器的输出能快速收敛到一致，并且通过增加频率控制信号来补偿频率下垂控制的偏差；图5(a)电压控制器的输出信号是为了补偿电压偏差同时调节无功功率达到一致，而其自身不需要达到一致。
实施例2
图6为电压控制器具有初值情况下，电压控制函数的控制效果，其中，图6(a)为DGs节点的母线电压幅值；图6(b)为电压控制信号；图6(c)为DGs输出的无功功率。t＝1s前，微电网系统工作在下垂控制模式，t＝1s投入分布式发电单元协同控制方法，电压控制器的电压控制信号uvi在二次控制投入前具有5V初值，投入二次控制后，从图6(c)可知，无功功率快速趋于一致，从图6(b)可知，uvi仍然能够收敛到合理的稳态值，图图6(a)可知，保证微电网各节点母线电压的平均值恢复到230V，说明本实施例所提到的基于PI一致性算法的分布式控制方法，能够克服传统依赖电压观测器的分布式控制方法的缺陷，在电压控制器具有初值时仍然可以正常工作。
综上所述，本发明提供的分布式发电单元协同控制方法，是将各分布式发电单元的端口母线电压与无功功率的控制合并至电压控制函数，对应器件为电压控制器；将各分布式发电单元的频率与有功功率合并至频率控制函数，对应器件为频率控制器，大大简化了控制器的结构，同时在实现平均母线电压控制时，不需要电压观测器计算微电网系统的平均电压值，避免了电压观测器计算误差对控制效果的影响。
本发明提供的分布式发电单元协同控制方法，是一种分层式控制方法，在一次下垂控制的基础上，分别设置频率控制函数和电压控制函数(二次控制)，电压控制函数通过电压控制信号，补偿下垂控制带来的电压偏差，校正分布式发电单元端口母线电压，使得各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，同时克服线路阻抗对无功功率分配精度的影响，保证微电网系统的无功功率按下垂系数成反比分配；频率控制函数通过输出频率控制信号，补偿下垂控制带来的频率偏差，保证各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按下垂系数成反比分配。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
上述计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，包括：
(1)根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，建立频率控制函数调节频率控制信号，所述频率控制函数为：
Figure FDA0002899469990000011
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure FDA0002899469990000012
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure FDA0002899469990000013
为频率控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差；
且根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，建立电压控制函数调节电压控制信号，所述电压控制函数为：
Figure FDA0002899469990000014
其中，uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure FDA0002899469990000021
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure FDA0002899469990000022
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uvi-RqiQi)为电压偏差；
(2)采用所述电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用所述频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值；
(3)根据所述分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
2.根据权利要求1所述的分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，所述电压控制函数的控制目标为：各分布式发电单元的端口母线电压平均值恢复至额定值，且各分布式发电单元输出的无功功率按无功功率的下垂系数成反比分配。
3.根据权利要求1所述的分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，所述频率控制函数的控制目标为：各分布式发电单元的频率为微电网的额定频率，且各分布式发电单元输出的有功功率按有功功率的下垂系数成反比分配。
4.根据权利要求1所述的分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，所述分布式发电单元端口母线电压与电压控制信号之间的关系为：
Figure FDA0002899469990000023
其中，
Figure FDA0002899469990000024
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的d轴端口母线电压参考值；
Figure FDA0002899469990000025
为dq坐标轴下第i个分布式发电单元的q轴端口母线电压参考值；vn为微电网额定电压；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号。
5.根据权利要求1所述的分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，所述分布式发电单元的频率参考值与所述频率控制信号之间的关系为：
Figure FDA0002899469990000031
其中，ωn为微电网的额定频率；Rpi为第i个分布式发电单元的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；
Figure FDA0002899469990000032
为第i个分布式发电单元的频率参考值。
6.根据权利要求4或5所述的分布式发电单元协同控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
(3.1)将分布式发电单元的端口母线电压的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值；
(3.2)将分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴端口母线电压的参考值做差，获取第一差值；
(3.3)将第一差值输入电压外环PI控制器，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值；
(3.4)将分布式发电单元的电感电流的测量值从abc坐标系分解到dq坐标系下，获取分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值；
(3.5)将分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的测量值分别与分布式发电单元的d轴和q轴电感电流的参考值做差，获取第二差值；
(3.6)将第二差值输入电流内环PI控制器，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号。
7.一种分布式发电单元协同控制系统，其特征在于，包括：频率控制器、电压控制器和一次控制模块；
所述频率控制器和所述电压控制器的输出端均与一次控制模块的输入端相连；
所述频率控制器用于根据分布式发电单元的频率偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的频率控制信号之间的差值以及频率控制的中间变量的差值，调节频率控制信号；
所述电压控制器用于根据分布式发电单元的电压偏差、分布式发电单元与相邻节点之间交换的无功功率与无功功率的下垂系数乘积之间的差值以及电压控制的中间变量之间的差值，调节电压控制信号；
所述一次控制模块利用所述电压控制信号补偿分布式发电单元端口母线电压，且采用所述频率控制信号补偿分布式发电单元的频率参考值，同时根据所述分布式发电单元端口母线电压以及频率参考值，获取控制逆变器开关管的脉冲宽度调制信号；
所述电压控制器中的电压控制函数为：
Figure FDA0002899469990000041
所述频率控制器中的频率控制函数为：
Figure FDA0002899469990000042
其中，uωi为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号；ζωi为频率控制的中间变量；Rpi为第i个分布式发电单元对应的有功功率的下垂系数；Pi为第i个分布式发电单元对应的有功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；ap，bp和gp为权重系数；
Figure FDA0002899469990000043
为第i个分布式发电单元对应的频率控制信号的一阶导数；
Figure FDA0002899469990000044
为频率控制的中间变量的一阶导数；uvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号；ζvi为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量；Rqi为第i个分布式发电单元的无功功率的下垂系数；Qi为第i个分布式发电单元对应的无功功率；Ni为与第i个分布式发电单元有通讯的节点集合；aq，bq和gq为权重系数；
Figure FDA0002899469990000051
为第i个分布式发电单元对应的电压控制信号的一阶导数；
Figure FDA0002899469990000052
为第i个分布式发电单元对应的电压控制的中间变量的一阶导数；(uωi-RpiPi)为频率偏差；(uvi-RqiQi)为电压偏差。
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