CN111682590B - 基于模糊pi-pd下垂控制的孤岛电网优化功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊PI‑PD下垂控制的孤岛电网优化运行的方法。搭建加入了模糊PI‑PD控制器的下垂控制模型，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成。设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表；分别将电压和频率的偏差以及偏差变化率传送到模糊控制器，输出整定之后的K_P和K_I到传统PI控制器中，通过PD控制器处理后输出结果；将电压新参数加入到无功下垂控制环节中，频率参数经过一个单位积分环节1/s,s为拉式算子,加入到有功下垂控制环中；将两个环节所得参数进行电压合成得到参考电压。本发明根据电压和频率的变化来实时的调节系统输出，降低电压和频率偏差，提高微电网在运行时的抗干扰能力，加强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

基于模糊PI-PD下垂控制的孤岛电网优化功率分配方法

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，尤其涉及一种基于模糊PI-PD下垂控制的孤岛电网优化功率分配方法。

背景技术

随着石油煤炭等化石能源的日益短缺以及近年来国际上对环境保护的关注，如何开发可再生清洁能源成为当前能源发展的重点。因此基于小型可再生清洁能源的分布式发电单元(DG)成为了各国的重点研究对象，并取得了快速的发展。其中微电网可以高效的控制和对小型发电单元的功率分配，从而被广泛的应用于分布式发电的控制当中。通常可依据逆变器的控制方法分为两大类：主从控制和下垂控制。与主从控制相比，下垂控制技术与传统发电机的频率一次下垂特性曲线相似，对微网所输出的有功和无功进行解耦控制，消除了各个机组之间相互通信所带来的麻烦，具有即插即用以及维持微电网内各个微源电压的平衡和频率稳定的特点，成为了众多国家与学者的研究热点。

但传统的下垂控制对于功率分配具有一定局限性。例如，由于微网的线路阻抗、逆变器的输出阻抗等的不确定性，传统的下垂控制不能实现逆变器输出功率的解耦，且下垂特性还需根据线路的阻抗特性不同而调整。此外，下垂控制系统中的功率控制环对于系统电压与频率稳定控制也具有重要影响，但功率控制属于有差调节，微网孤岛模式运行时，较大的负荷变动会导致电压与频率的偏离，为此需要确保下垂特性以及调节过程的快速性。目前应用于微电网孤岛运行控制的改进方法有很多，比如在下垂控制环节引入PI或PID等控制。但是PI控制虽然结构简单、容易数字化的优点，但是在受到电网波动或者噪声等因数的影响时，就不能有很好的调制效果。对PID控制器来说同样具有上诉问题，并且其参数的选取和整定也相对复杂。因此若PI或PID控制器的相关参数在保持不变，微电网在受到外界因素影响的情况下获得的控制效果便不尽人意，灵活性和适应性相对较低，从而在实际应用中具有极大的限制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于模糊PI-PD下垂控制的孤岛电网优化运行的方法。本方法根据电压和频率的变化来实时调节系统输出，降低电压和频率偏差，提高微电网在运行时的抗干扰能力。

本发明的目的是这样达到的：

搭建加入了模糊PI-PD控制器的下垂控制模型，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成；设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表；分别将电压和频率的偏差以及偏差变化率传送到模糊控制器，输出整定之后的K_P和K_I到传统PI控制器中，再通过PD控制器处理后输出结果；将得到的电压新参数加入到无功下垂控制环节中，而频率参数则加入到有功下垂控制环中；将两个环节所得参数进行电压合成得到参考电压，其中有功环节还需要经过一个单位积分环节1/s,s为拉式算子。

具体步骤是：

A、搭建加入了模糊PI-PD控制器的下垂控制模型：在有功和无功下垂控制环中加入了电压、频率偏差值，并对相应的偏差值进行模糊PI控制，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成，再经过PD控制器处理后将相关参数输送到到控制环；

B、设定下垂控制模型中的线路参数、给定电压和给定频率、计算功率、设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表；

C、设定将微电网在运行时逆变器所输出的电压及频率与设定值相比较后计算出偏差值以及偏差率，构建模糊PI控制器的输入集，其中：频率偏差为f_Δ(t)、频率偏差变化率为电压偏差为v_Δ(t)和电压偏差变化率为/>各参数的计算过程为：

其中，f_Δ(t)表示频率偏差，表示频率偏差变化率，v_Δ(t)表示电压偏差，/>表示频率偏差变化率，u表示输出电压，u_ref表示给定电压，f表示输出频率，f_ref表示给定频率；

D、将步骤B所得输入集输入到模糊控制器中，将步骤C所得参数通过模糊控制器整定后得到新的K_P与K_I参数，将整定之后的K_P和K_I送到传统PI控制器中，再通过PD控制器处理后输出结果；

E、根据优化参数调整微电网模型对应电力系统逆变器的电压和频率，得到的电压新参数加入到无功下垂控制环节中，而频率参数则加入到有功下垂控制环节中，在有功下垂控制环节经过一个单位积分环节1/s,s为拉式算子,将所得频率参数转换为角速度，之后将无功下垂控制环节和有功下垂控制环结合,进行电压合成输出参考电压U^*。

所述步骤A具体包括：

搭建下垂控制模型，在传统下垂控制控制的基础上加入模糊PI-PD控制器对电压以及频率进行改进处理；改进后的下垂控制特性为：

其中：

公式(4)和(5)中，f′表示调节后的输出频率，f表示实际输出频率，f*表示给定频率，P表示逆变器的有功功率；U′表示调节后的输出电压，u*表示给定电压，u表示实际输出电压，Q表示逆变器无功功率；m表示有功下垂系数、n表示无功下垂系数、K_p，K_d表示PD控制器的比例系数和微分系数，K_P和K_I表示PI控制器的比例系数和积分系数。

所述步骤D中，K_P、K_I参数通过模糊PI控制器中的模糊规则来进行整定，得到实时最优的参数，从而修正输出，减少偏差值，使其最大限度的接近给定值；具体为：

模糊PI控制利用模糊规则进行模糊推理，通过查询制定的模糊规则表对相关参数进行整定：取偏差f_Δ(t)、v_Δ(t)和偏差率并输出KP，KI模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中偏差、偏差率和KP，KI量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}；通过模糊PI-PD控制器的整定后得出参数传送到下垂控制模型中，从而对传统下垂控制特性进行调整。

本发明的优点是：

1、根据电压和频率的变化来实时的调节系统输出，降低了电压和频率偏差，提高微电网在运行时的抗干扰能力，加强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性和可靠性。

2、搭建下垂控制模型，在下垂控制模型中加入模糊PI-PD控制器，使得现有下垂控制技术不仅保留了PI控制结构简单、容易数字化的优点，还大大提高了调制效果，拓宽了PI-PD下垂控制实际应用。

3、本发明将在模糊PI控制器中整定得到的电压新参数加入到无功下垂控制环节中，将频率参数加入到有功下垂控制环中，增强了系统的频率与电压的稳定性。

附图说明

图1为传统的微电网模型电路结构示意图。

图2为本发明中下垂控制模型的下垂控制特性图。图中，s为拉氏算子，1/s表示单位积分。m表示有功下垂系数、n表示无功下垂系数，Pset表示给定有功功率，Qset表示给定无功功率。

图3为模糊控制器的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步说明。

在本实施例中，完成如下实施步骤：

A、搭建加入了模糊PI-PD控制器的下垂控制模型，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成。

B、设定下垂控制模型中的线路参数、给定电压和给定频率、计算功率、设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表。

C、将微网在运行时逆变器所输出的电压及频率与设定值相比较后计算出偏差值以及偏差率，构建模糊PI控制器的输入集，其中：频率偏差为f_Δ(t)、频率偏差变化率为电压偏差为v_Δ(t)和电压偏差变化率为/>各参数的计算过程为：

其中，f_Δ(t)表示频率偏差，表示频率偏差变化率，v_Δ(t)表示电压偏差，/>表示频率偏差变化率，u表示输出电压，u_ref表示给定电压，f表示输出频率，f_ref表示给定频率；

传统的微电网模型电路结构示意图如图1所示。

传统下垂控制公式为：

公式(3)中，f表示输出频率；f*表示给定频率；Pset表示给定有功功率；u表示输出电压；u*表示给定电压；Qset表示给定无功功率；P、Q为逆变器输出的有功功率和无功功率。

在加入模糊PI-PD控制后的改进下垂控制特性为：

其中：

公式(4)和(5)中，f'表示调节后的输出频率，f表示实际输出频率，f*表示给定频率，P表示逆变器的有功功率；u'表示调节后的输出电压，u*表示给定电压，u表示实际输出电压，Q表示逆变器无功功率；m表示有功下垂系数、n表示无功下垂系数、K_p与K_d表示PD控制器的比例系数和微分系数，K_P与K_I表示PI控制器的比例系数和微分系数。

D、如图2所示，将所得输入集输入到模糊控制器中，将所得参数通过模糊控制器整定后得到新的K_P与K_I参数，将整定之后的K_P和K_I送到传统PI控制器中，再将所整定的参数通过PD控制器处理后输出到下垂控制环中，降低电压和频率偏差，增加微电网在运行时的抗干扰能力，加强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性和可靠性。具体为：

如图3所示，模糊控制器由模糊化接口、推理机、知识库、解模糊接口组成，其中知识库由数据库和规则库组成。模糊PI控制器利用模糊规则进行模糊推理，通过查询制定的模糊规则表对相关参数进行整定。取偏差f_Δ(t)、v_Δ(t)和偏差率并输出K_P和K_I模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中偏差、偏差率和KP，KI量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。通过模糊PI-PD控制器的整定后得出的参数传送到下垂控制模型中，从而对传统下垂控制特性进行调整。

模糊规则表如表1所示：

表1：

常用的有两种模糊推理语句，即If A then B else C或If A and B then C，在本发明中以其中一组参数来表达为：If e(t)and ec(t)then KP。

E、如图2所示，将电压新参数加入到无功下垂控制环节中，而频率参数则加入到有功下垂控制环中后，将两环节进行电压合成输出参考电压U^*，其中有功环节还需要经过一个单位积分环节1/s,s为拉式算子,将所得频率参数转换为角速度，再加入到电压合成环节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不是对该技术方案进行限制；虽然上述实施例进行了详细的介绍说明，但本领域的普通技术人员依然可以对本发明所述的技术方案进行改进以及对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。而这些修改、替换和改进，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于模糊PI-PD下垂控制的孤岛电网优化功率运行的方法，其特征在于：

搭建加入了模糊PI-PD控制器的下垂控制模型，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成；设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表；分别将电压和频率的偏差以及偏差变化率传送到模糊控制器，输出整定之后的K_P和K_I到传统PI控制器中，再通过PD控制器处理后输出结果；将得到的电压新参数加入到无功下垂控制环节中，而频率参数则加入到有功下垂控制环中,将两个环节所得参数进行电压合成输出参考电压U^*，其中有功环节还需要经过一个单位积分环节；

具体步骤是：

A、搭建加入了模糊PI-PD控制器的下垂控制模型：在有功和无功下垂控制环中加入了电压、频率偏差值，并对相应的偏差值进行模糊PI控制，其中模糊PI控制器由模糊控制器和传统PI控制器组成，再经过PD控制器处理后将相关参数输送到到控制环；

B、设定下垂控制模型中的线路参数、给定电压和给定频率、计算功率、设定模糊控制所需要的输入集与模糊规则表；

C、设定将微电网在运行时逆变器所输出的电压及频率与设定值相比较后计算出偏差值以及偏差率，构建模糊PI控制器的输入集，其中：频率偏差为f_Δ(t)、频率偏差变化率为电压偏差为v_Δ(t)和电压偏差变化率为/>各参数的计算过程为：

其中，f_Δ(t)表示频率偏差，表示频率偏差变化率，v_Δ(t)表示电压偏差，/>表示频率偏差变化率，u表示输出电压，u_ref表示给定电压，f表示输出频率，f_ref表示给定频率；

D、将步骤B所得输入集输入到模糊控制器中，将步骤C所得参数通过模糊控制器整定后得到新的K_P与K_I参数，将整定之后的K_P和K_I送到传统PI控制器中，再通过PD控制器处理后输出结果；

E、根据优化参数调整微电网模型对应电力系统逆变器的电压和频率，得到的电压新参数加入到无功下垂控制环节中，而频率参数则加入到有功下垂控制环节中，在有功下垂控制环节经过一个单位积分环节1/s,s为拉式算子,将所得频率参数转换为角速度，之后将无功下垂控制环节和有功下垂控制环结合,进行电压合成输出参考电压U^*；

所述步骤A具体包括：

搭建下垂控制模型，在传统下垂控制控制的基础上加入模糊PI-PD控制器对电压以及频率进行改进处理；改进后的下垂控制特性为：

其中：

公式(4)和(5)中，f′表示调节后的输出频率，f表示实际输出频率，f*表示给定频率，P表示逆变器的有功功率；U′表示调节后的输出电压，u*表示给定电压，u表示实际输出电压，Q表示逆变器无功功率；m表示有功下垂系数、n表示无功下垂系数、K_p，K_d表示PD控制器的比例系数和微分系数，K_P和K_I表示PI控制器的比例系数和积分系数。

2.根据权利要求1所述的基于模糊PI-PD下垂控制的孤岛电网优化功率运行的方法，其特征在于：

所述步骤D中，K_P、K_I参数通过模糊PI控制器中的模糊规则来进行整定，得到实时最优的参数，从而修正输出，减少偏差值，使其最大限度的接近给定值；具体为：

模糊PI控制利用模糊规则进行模糊推理，通过查询制定的模糊规则表对相关参数进行整定：取偏差f_Δ(t)、v_Δ(t)和偏差率并输出KP，KI模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中偏差、偏差率和KP，KI量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}；通过模糊PI-PD控制器的整定后得出参数传送到下垂控制模型中，从而对传统下垂控制特性进行调整。