CN110858718A - 考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，包括以下步骤；设计各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则；设计算法相关控制参数选取规则；设计事件触发条件；设计采样和分布式控制的时间间隔；各发电单元通过调整各发电单元有功功率参考到最优值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制。本发明通过同时实现微电网经济调度和频率恢复控制，缩小了大时间尺度的优化调度与小时间尺度的频率控制的隔阂，从而提高了微电网系统运行效率。通过设计简单的事件驱动的通信策略，只有状态变量与当前参考值误差较大时才与邻居智能体通信，从而降低了算法实施的通信成本。

Description

考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于交流微电网经济调度和频率恢复控制的分布式事件驱动的控制方法，属于微电网技术领域。

背景技术

与传统基于化石能源的电力系统相比，微电网有利于本地消纳新能源发电，并具有环境友好，高可靠性等优点。因此，近年来微电网的研究受到了越来越多的关注。传统微电网采用分层控制策略，即第一层为本地控制层(包括下垂控制、电压和电流控制，时间尺度为毫秒级)，第二层为自动发电控制和自动电压控制(用于恢复微电网的电压和频率偏差，时间尺度为秒级)，第三层为经济调度(用于在各分布式电源间最优分配有功功率，时间尺度为分钟级)。传统控制策略多采用集中式控制方式，灵活性差，容易受到单点故障影响，并且不易满足即插即用的需求。此外，传统控制方式针对各层控制任务单独设计实现，然而，第二层控制与第三层控制间存在较大时间隔阂，很难进一步提高微电网的运行效率。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种用于交流微电网经济调度和频率恢复控制的分布式事件驱动的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，为交流微电网中每个参与频率调节的发电单元配置一个智能体，智能体之间构成通信拓扑，使任意一个智能体故障时其余智能体构成的网络仍然是全联通的，且通过相邻智能体之间的通信和迭代计算实现交流微电网经济调度和频率恢复控制。

考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，包括以下步骤：

1)建立各发电单元的发电成本微增率分布式更新算法，用于以分布式方式求解各发电单元的有功功率最优参考值；

2)设定各发电单元输出参数的采样频率和发电成本微增率分布式更新算法的更新频率；

3)更新各发电单元的有功功率最优参考值，将该最优参考值下达到各发电单元调整各自的输出有功功率到该有功功率最优参考值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制。

所述步骤1)包括以下步骤：

2-1)建立下垂控制型发电单元模型，如下式所示：

其中，f_i ^k为第i个发电单元在第k个时间区间的频率参考值，f_o为微电网系统标称频率，

和

分别为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值和参考值，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子；

2-2)建立最优负荷分配优化模型，如下式所示：

其中，C_cost为微电网所有发电单元的发电成本，

为第i个发电单元的发电成本函数，a_i、b_i、c_i分别为第i个发电单元的发电成本函数的系数，p_i为第i个发电单元的当前输出功率；p_refi代表第i个发电单元的最优负荷分配参考值，p _i和分别代表第i个发电单元的输出功率的下限和上限，p_Load代表直流微电网中的负荷需求；n为发电单元个数；

2-3)设计如下分布式算法，进行各发电单元的发电成本微增率分布式更新：

其中，为第i个发电单元在第k次迭代时的输出有功功率最优参考值，

为第i个发电单元在第k次迭代时的有功功率控制偏差；为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值，有功参考值初始化为

和分别为第i和第j个发电单元在第k次迭代时的发电成本微增率，其初始化为

ξ为学习率因子，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子，w_i,j为信息交互因子，

为分段函数如下式所示：

其中，λ _i＝2·a_i·p _i+b_i，

所述信息交互因子w_i,j为如下公式所示：

其中，N_i为与第i个智能体通信的邻居智能体的集合，n_i和n_j分别代表第i和第j个智能体的邻居个数，ε为常数。

所述第i个发电单元的有功-频率下垂因子mp_i如下：

其中，Δf_max为交流微电网所允许的最大频率偏差，p_i,nom为第i个发电单元输出功率的额定值。

所述步骤1)中，选取与发电成本微增率分布式更新算法收敛性相关的变量参数，进行各发电单元的发电成本微增率分布式更新，包括以下步骤：

首先，定义矩阵W，其第i行、第j列的元素为w_i,j，定义微电网等效下垂因子mp_MG，且

定义标量c＝-mp_MG·p_Load，定义向量

定义变量λ_i表示当前时隙的即当前时隙为k则即当前时隙为k+1则以及B＝[b,...,b]^T，其中b＝[mp_MG,....,mp_MG]^T，定义向量M＝diag([β₁,β₂,...,β_n])，其中，如果

则

否则β_i＝0；定义向量r＝[r₁,r₂,...,r_n]^T，其中，如果

则

如果

则如果λ_i＜λ _i，则r_i＝p _i，定义向量C＝[c,...,c]^T；

其次，根据下垂控制型发电单元模型和各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则，得到如下矩阵方程：

λ^k+1＝(W-ξ·B·M)·λ^k-ξ·(B·r+C)

＝D·λ^k-ξ·(B·r+C)；

与D＝W-ξ·B·M的谱半径相关的参数ξ和ε通过以下步骤得到：

1)初始化参数ξ＝0,ε＝0，定义空的三元数组S＝[]；

2)计算矩阵D的谱半径，并将ξ,ε的当前值和对应的矩阵D的谱半径存到三元数组S；并令ξ＝ξ+0.00001；

3)如果ξ≤0.01，则继续执行步骤2)，否则执行步骤4)；

4)令ξ＝0，ε＝ε+0.1；

5)如果ε≤3，则继续执行步骤2)，否则执行步骤6)；

6)查找矩阵D的谱半径最小时对应的ξ和ε参数为优化后的参数取值。

所述步骤2)前，设定用于决定某一智能体是否与其相邻智能体进行通信的事件触发条件，满足该触发条件时，该智能体与其邻居智能体通信，否则不通信；

触发条件具体如下：

其中，τ为事件触发的误差阈值，p_nomi为第i个发电单元的额定容量，为第i+1时刻判断事件是否触发的状态变量；

状态变量为1时，满足触发调节；否则不满足。

所述步骤2)具体为：时间间隔大于发电单元底层控制器的响应速度，并满足通信速度需求。

各智能体每隔设定时间向其邻居智能体发送心跳包数据，以更新信息交互因子w_i,j。

考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制器，为一智能体，用于获取对应发电单元的输出信息，并与邻居智能体通信，然后利用不断更新的邻居智能体中的信息，进行发电单元的发电成本微增率分布式更新，得到对应发电单元的有功功率最优参考值，并将该最优参考值下达到对应发电单元使其输出有功功率到有功功率最优参考值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可同时实现交流微电网经济调度和频率恢复控制，消除了大时间尺度的经济调度与小时间尺度的频率控制的时间隔阂，可进一步提高微电网的运行效率。

2.本发明采用分布式多智能体系统实施方式，可在各智能体之间分配计算和通信任务，提高系统可扩展性，可靠性和灵活性，并且易于满足即插即用的需求。

3.本发明采用基于事件驱动的通信方式，可降低系统通信任务。易于基于低速通信方式实现，降低系统投资及运行成本。

4.本发明考虑了智能体故障的情景，使算法在智能体故障及通信链路故障时具有很好的鲁棒性。

附图说明

图1是用于交流微电网经济调度和频率恢复控制的分布式事件驱动的控制方法原理图；

图2是设计的分布式算法参数选取流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明针用于交流微电网经济调度和频率恢复控制的分布式事件驱动的控制，首先为交流微电网中每个参与频率调节的发电单元(DG)配置一个智能体，根据N-1规则设计智能体之间的通信拓扑，使任意一个智能体故障时其余智能体构成的网络仍然是全联通的，且通过相邻智能体之间的通信和迭代计算实现交流微电网经济调度和频率恢复控制。

本发明包括以下步骤：

1)设计分布式控制架构，如图1所示，并为微电网中每个逆变器接口电源分配一个智能体以完成通信与数据计算；

2)设计各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则：建立各发电单元的发电成本微增率分布式更新算法，用于以分布式方式求解各发电单元的有功功率最优参考值；

设计算法相关控制参数选取规则；选取与上述发电成本微增率分布式更新算法收敛性相关的变量参数，用于带入步骤2)中的更新算法，用于优化；

3)设计事件触发条件；设定用于决定某一智能体是否与其相邻智能体进行通信的事件触发条件，满足该触发条件时，该智能体与其邻居智能体通信，否则不通信；

4)设计采样和分布式控制的时间间隔：设定各发电单元相关参数(如输出有功功率，频率)的采样频率和发电成本微增率分布式更新算法的更新频率；

5)各发电单元通过调整各发电单元有功功率参考到最优值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制：智能体通过上述策略以设定的频率分布式求解并更新各发电单元的有功功率最优参考值，将该最优参考值下达到各发电单元通的底层控制器，并通过底层控制器调整各自的输出有功功率到该有功功率最优参考值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制。

1、设计分布式控制架构并为交流微电网中每个参与频率调节的发电单元配置一个智能体，各智能体之间构建一个通信网络，且通过相邻智能体之间的通信和迭代计算实现所设计的各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则，具体如下：

为了实施用于交流微电网经济调度和频率恢复控制的分布式事件驱动的控制方法，需要为交流微电网中每个参与频率调节的发电单元分配一个智能体，智能体命名为智能体i(其中i为智能体编号)，每个智能体都应具有以下功能：获取本地信息(该发电单元当前输出功率p_i)；与邻居智能体通信，然后利用不断更新的邻居智能体中的信息(包括邻居智能体对应的发电单元当前的发电成本微增率)，并实施算法计算(进行发电单元的发电成本微增率分布式更新)。本实施里采用具有A/D接口和通信接口的微处理器。

2、设计各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则：

建立下垂控制型微电源模型，如下式所示：

其中，f_i ^k为第i个分布式电源的在第k个时间区间的频率参考，f_o为微电网系统标称频率，

和

分别为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值和参考值，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子。

第i个发电单元的有功-频率下垂因子mp_i通过如下规则设计：

其中Δf_max为交流微电网所允许的最大频率偏差，可取0.5Hz，p_i,nom为第i个发电单元输出功率的额定值。

建立最优负荷分配优化模型，如下式所示：

其中，为第i个分布式电源的发电成本函数，p_refi代表第i个发电单元的最优负荷分配参考值，p _i和

分别代表第i个发电单元的输出功率的下限和上限，p_Load代表直流微电网中的负荷需求。

设计如下分布式算法，用于各发电单元的发电成本微增率分布式更新：

其中，

和

分别为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值和参考值，有功参考值初始化为

为第i个发电单元在第k次迭代时的发电成本微增率，其初始化为

ξ为学习率因子，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子，w_i,j为信息交互因子，

为分段函数如下式所示：

其中，λ _i＝2·a_i·p _i+b_i，

信息交互因子w_i,j为如下公式所示：

其中，N_i为与第i个智能体通信的邻居智能体的集合，n_i和n_j分别代表第i和第j个智能体的邻居个数。ε为常数，其影响算法收敛速度。

为了提高分布式算法的鲁棒性，还需要每隔1s或0.5s向其邻居智能体发送心跳包数据，以更新各自邻居节点信息(邻居节点个数)，并根据信息交互因子w_i,j更新公式对该信息交互因子进行更新，以应对智能体故障和新的分布式电源接入微电网的情景，提高算法的鲁棒性，可扩展性以及即插即用的需求。

3、设计算法相关参数选取规则：

建立最优负荷分配优化模型，如下式所示：

首先，定义矩阵W，其第i行、第j列的元素为w_i,j，定义微电网等效下垂因子定义标量c＝-mp_MG·p_Load，定义向量

以及B＝[b,...,b]^T，其中b＝[mp_MG,....,mp_MG]^T，定义向量M＝diag([β₁,β₂,...,β_n])，其中，如果

则

否则β_i＝0；定义向量r＝[r₁,r₂,...,r_n]^T，其中，如果

则

如果

则

如果λ_i＜λ _i，则l_i＝p _i，定义向量C＝[c,...,c]^T。

其次，根据下垂控制型微电源模型和各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则，并考虑到稳态时各分布式电源频率相等则可得到如下矩阵方程：

λ^k+1＝(W-ξ·B·M)·λ^k-ξ·(B·r+C)

＝D·λ^k-ξ·(B·r+C)

分布式算法的收敛速度与D＝W-ξ·B·M的谱半径有关，谱半径越小算法收敛越快。因此，根据图2所示流程图设计与D的谱半径相关的参数ξ和ε，步骤如下：

1)初始化参数ξ＝0,ε＝0，定义空的三元数组S＝[]；

2)计算矩阵D的谱半径，并将ξ,ε的当前值和对应的矩阵D的谱半径存到三元数组S；并令ξ＝ξ+0.00001；

3)如果ξ≤0.01，则继续执行步骤2)，否则执行步骤4)；

4)令ξ＝0，ε＝ε+0.1；

5)如果ε≤3，则继续执行步骤2)，否则执行步骤6)；

6)查找矩阵D的谱半径最小时对应的ξ和ε参数为优化后的参数取值。

此外，设计参数ξ和ε的过程中，考虑任意某一智能体故障的情景，使所选取的参数在没有智能体故障时和任意某一智能体故障时均具有较好的算法收敛性，即将各情景下对应的矩阵D的谱半径最小为目标，然后根据将各情景下的矩阵D的谱半径之和最小为目标，确定参数ξ和ε。

4、设计事件触发条件，包括以下步骤：

事件触发条件设计如下：

其中，τ为事件触发的误差阈值，p_nomi为第i个发电单元的额定容量，

为第i+1时刻描述事件是否触发的状态变量，事件触发时为1，否则为0；

τ越小控制精度越高，然而通信成本越大，反之亦然。τ可选取为0.005。

5.设计采样和分布式控制的时间间隔

设计采样和分布式控制的时间间隔需要考虑底层控制器的响应速度和数据通信速度这两个因素。首先该时间间隔需要大于底层控制器的响应速度，其次应能满足通信速度需求。综合考虑上述因素，采样和分布式控制的时间间隔可选取为0.1s。

6、每隔控制时间到来后，计算响应的有功功率参考值，并将控制指令下达到底层控制器，各发电单元通过调整各发电单元有功功率参考到最优值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制。

Claims (10)

1.考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，为交流微电网中每个参与频率调节的发电单元配置一个智能体，智能体之间构成通信拓扑，使任意一个智能体故障时其余智能体构成的网络仍然是全联通的，且通过相邻智能体之间的通信和迭代计算实现交流微电网经济调度和频率恢复控制。

2.考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立各发电单元的发电成本微增率分布式更新算法，用于以分布式方式求解各发电单元的有功功率最优参考值；

2)设定各发电单元输出参数的采样频率和发电成本微增率分布式更新算法的更新频率；

3)更新各发电单元的有功功率最优参考值，将该最优参考值下达到各发电单元调整各自的输出有功功率到该有功功率最优参考值，实现交流微电网分布式经济调度和频率恢复控制。

3.根据权利要求1所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下步骤：

2-1)建立下垂控制型发电单元模型，如下式所示：

其中，f_i ^k为第i个发电单元在第k个时间区间的频率参考值，f_o为微电网系统标称频率，和

分别为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值和参考值，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子；

2-2)建立最优负荷分配优化模型，如下式所示：

其中，C_cost为微电网所有发电单元的发电成本，

为第i个发电单元的发电成本函数，a_i、b_i、c_i分别为第i个发电单元的发电成本函数的系数，p_i为第i个发电单元的当前输出功率；p_refi代表第i个发电单元的最优负荷分配参考值，p _i和分别代表第i个发电单元的输出功率的下限和上限，p_Load代表直流微电网中的负荷需求；n为发电单元个数；

2-3)设计如下分布式算法，进行各发电单元的发电成本微增率分布式更新：

其中，

为第i个发电单元在第k次迭代时的输出有功功率最优参考值，

为第i个发电单元在第k次迭代时的有功功率控制偏差；

为第i个发电单元在第k次迭代时输出有功功率的测量值，有功参考值初始化为

和

分别为第i和第j个发电单元在第k次迭代时的发电成本微增率，其初始化为λ_i ⁰＝2a_i p _i+b_i，ξ为学习率因子，mp_i为第i个发电单元的有功-频率下垂因子，w_i,j为信息交互因子，

为分段函数如下式所示：

其中，λ _i＝2·a_i·p _i+b_i，

4.根据权利要求3所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，所述信息交互因子w_i,j为如下公式所示：

其中，N_i为与第i个智能体通信的邻居智能体的集合，n_i和n_j分别代表第i和第j个智能体的邻居个数，ε为常数。

5.根据权利要求3所示的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，所述第i个发电单元的有功-频率下垂因子mp_i如下：

其中，Δf_max为交流微电网所允许的最大频率偏差，p_i,nom为第i个发电单元输出功率的额定值。

6.根据权利要求2所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，选取与发电成本微增率分布式更新算法收敛性相关的变量参数，进行各发电单元的发电成本微增率分布式更新，包括以下步骤：

首先，定义矩阵W，其第i行、第j列的元素为w_i,j，定义微电网等效下垂因子mp_MG，且定义标量c＝-mp_MG·p_Load，定义向量

定义变量λ_i表示当前时隙的

即当前时隙为k则

即当前时隙为k+1则

以及B＝[b,...,b]^T，其中b＝[mp_MG,....,mp_MG]^T，定义向量M＝diag([β₁,β₂,...,β_n])，其中，如果

则

否则β_i＝0；定义向量r＝[r₁,r₂,...,r_n]^T，其中，如果

则

如果

则

如果λ_i＜λ _i，则r_i＝p _i，定义向量C＝[c,...,c]^T；

其次，根据下垂控制型发电单元模型和各发电单元的发电成本微增率分布式更新规则，得到如下矩阵方程：

λ^k+1＝(W-ξ·B·M)·λ^k-ξ·(B·r+C)

＝D·λ^k-ξ·(B·r+C)；

与D＝W-ξ·B·M的谱半径相关的参数ξ和ε通过以下步骤得到：

1)初始化参数ξ＝0,ε＝0，定义空的三元数组S＝[]；

2)计算矩阵D的谱半径，并将ξ,ε的当前值和对应的矩阵D的谱半径存到三元数组S；并令ξ＝ξ+0.00001；

3)如果ξ≤0.01，则继续执行步骤2)，否则执行步骤4)；

4)令ξ＝0，ε＝ε+0.1；

5)如果ε≤3，则继续执行步骤2)，否则执行步骤6)；

6)查找矩阵D的谱半径最小时对应的ξ和ε参数为优化后的参数取值。

7.根据权利要求1所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，所述步骤2)前，设定用于决定某一智能体是否与其相邻智能体进行通信的事件触发条件，满足该触发条件时，该智能体与其邻居智能体通信，否则不通信；

触发条件具体如下：

其中，τ为事件触发的误差阈值，p_nomi为第i个发电单元的额定容量，

为第i+1时刻判断事件是否触发的状态变量；

状态变量为1时，满足触发调节；否则不满足。

8.根据权利要求1所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：时间间隔大于发电单元底层控制器的响应速度，并满足通信速度需求。

9.根据权利要求1所述的考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制方法，其特征在于，各智能体每隔设定时间向其邻居智能体发送心跳包数据，以更新信息交互因子w_i,j。

10.考虑经济性的交流微电网分布式事件驱动的频率控制器，其特征在于，为一智能体，用于获取对应发电单元的输出信息，并与邻居智能体通信，然后利用不断更新的邻居智能体中的信息，进行发电单元的发电成本微增率分布式更新，得到对应发电单元的有功功率最优参考值，并将该最优参考值下达到对应发电单元使其输出有功功率到有功功率最优参考值。