CN113078645B - 一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法，是通过对微电网控制系统的通信拓扑以及输出波动比例的实时监测，并据此在鲁棒稳定性约束不等式的约束下，计算得到次级控制器的控制参数，整个步骤将通信延时考虑在内。本发明能使得包含通信延时与拓扑切换的微电网控制系统，在保证输出电压和频率稳定以及实现精确的有功功率共享的同时，提高其抗扰性能。

Description

一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法

技术领域

本发明涉及微电网分布式分级控制技术领域，是一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法。

背景技术

环境保护和能源问题，使得人们越来越多地关注清洁、可再生能源的利用。通常，风力发电设备、光伏发电设备等各类新能源利用装置不直接与集中输电系统相连，多为依靠自动控制的分布式电源，多个分布式电源可以组成一个微电网。微电网可以作为一个完整的电力系统，具有自我控制、自我调节、自我管理等技术，可以提供稳定的电压、频率输出，能够实现分布式电源与负载之间的功率平衡。微电网可以连接到主电网运行，进行电能互供，也可以独立运行。

微电网多采用分级控制技术，以基于下垂控制的初级控制为基础，以维持输出功率与负载需求之间的平衡，再通过次级控制来补偿初级控制所带来的电压与频率上的偏差，以及平衡各分布式电源的功率输出比率。次级控制有集中式控制，分散化控制以及分布式控制三种，其中分布式控制因为降低对通信设备的要求而备受关注。分布式控制只需要稀疏的连通的通信网络即可，但是通信网络中，通信延时是在所难免的，而且通信网络的拓扑也不是一直固定不变的。但是当前，很多从事微电网控制研究的学者们，往往会忽视通信网络中存在的延时，也不对通信拓扑切换后的控制系统做任何调整。通信延时以及拓扑切换会使微电网控制系统的控制效果变差，严重时会使得微电网控制系统不稳定。并且微电网控制系统中存在的噪声干扰，以及长时间的负载变动，会使输出电压会出现波动，这将影响负载的正常使用。所以研究在具有通信延时与拓扑切换情况下的微电网控制系统的抗扰性能具有重要的现实意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法，以期能根据实时的网络通信拓扑以及输出波动比例计算得到当前合适的次级控制器参数，在保证输出电压、频率稳定以及实现精确的有功功率共享的情况下，提高微电网控制系统的抗扰性能。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法的特点在于，包含以下步骤：

步骤1，假设微电网控制系统中存在n个分布式电源及逆变器，利用式(1)建立含下垂控制的第i个分布式电源及逆变器的小信号模型；

式(1)中，x_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的状态变量；

是x_i(t)的微分；u_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的次级控制器的输出，即为控制变量；ω(t)是微电网控制系统中t时刻的扰动变量；y_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的输出，即为输出变量；a_i、b_i、b_i′和c_i为第i个分布式电源及逆变器的四个参数矩阵；

步骤2，在考虑通信延时的条件下，利用式(2)为每个分布式电源及逆变器建立次级控制器模型；

式(2)中，k_i是需要求解的第i个次级控制器的参数，m_i是第i个分布式电源及逆变器的常系数矩阵，m₀为次级控制器的常系数矩阵，g_i表示第i个次级控制器是否能获取电压或频率参考值，若能获取，则g_i＝1，否则g_i＝0，N_i为第i个分布式电源及逆变器的相邻节点集合，τ为最大通信延时；当为电压控制时，m_i和m₀均为1，y_ref表示电压参考值；当为频率控制时，

其中，P_i,max是第i个分布式电源及逆变器的最大输出有功功率，m₀＝[10]，y_ref为频率参考值；

步骤3，获取当前微电网控制系统的通信网络拓扑如式(3)所示：

A_G＝[a_ij]∈R^n×n (3)

式(3)中，A_G为当前时刻微电网控制系统的邻接矩阵，a_ij表示第i个分布式电源及逆变器是否能接收到第j个分布式电源及逆变器的信息，若能接收，则a_ij＝1，否则，a_ij＝0；令a_ii＝0；

步骤4，根据当前的通信网络拓扑，利用式(4)建立微电网控制系统的全局闭环控制模型；

式(4)中，X(t)是微电网控制系统在t时刻的全局状态变量，且X(t)＝[x₁(t)…x_i(t)…x_n(t)]^T；

是X(t)的微分；Y(t)是微电网控制系统在t时刻的全局输出变量，且Y(t)＝[y₁(t)…y_i(t)…y_n(t)]^T；Ω(t)是微电网控制系统在t时刻的全局扰动变量，且Ω(t)＝[ω(t)…ω(t)…ω(t)]^T；A，A_d，B′和C是微电网控制系统的4个参数矩阵，且A＝diag{a_i}，A_d＝BK(LM-GM₀)C，B′＝diag{b_i′}，C＝diag{c_i}；其中，B是微电网控制系统建模过程中的参数矩阵，且B＝diag{b_i}；K是微电网控制系统的控制参数矩阵，且K＝diag{k_i}；L是微电网控制系统的拉普拉斯矩阵，且L＝A_G-D_G；其中，D_G是微电网控制系统的入度矩阵，且D_G＝diag{λ_i}，λ_i是第i个分布式电源及逆变器的入度；M和M₀是微电网控制系统的常系数矩阵，且M＝diag{m_i}，M₀＝diag{m₀}；G是微电网控制系统的能否获取电压或频率参考值的系数矩阵，且G＝diag{g_i}；

步骤5，建立微电网控制系统的鲁棒稳定性约束不等式

步骤6，根据实时的输出波动比例计算当前的次级控制器模型的参数；

步骤7，监测微电网控制系统的通信网络拓扑是否发生变化，若发生变化，则进入步骤3，否则，进入步骤6。

本发明所述的鲁棒性参数自适应控制方法的特点也在于，建立如式(5)所示的鲁棒稳定性约束不等式；

式(5)中，P是第一个对称矩阵，S是第二个对称矩阵；Φ表示约束矩阵，并有：

式(6)中，R是对称正定矩阵，γ表示鲁棒性能；G₁，G₂，G₃，G₄，G₅，和G₆是鲁棒性约束不等式中的6个参数矩阵，且

G₃＝[I O OO]，G₄＝[O I O O]，G₅＝[O O O I]，G₆＝[O O I O]，其中，I是单位矩阵，O是全零矩阵；

3.根据权利要求1所述的鲁棒性参数自适应控制方法，其特征在于，在步骤6中，根据n个分布式电源及逆变器的输出波动比例

其中，s_k是比例基数，

是第i个分布式电源及逆变器的输出方差，并在式(5)的约束下，解得比例基数s_k的最大值，从而得到满足要求的n个最大控制参数k_1max k_2max…k_nmax，即当前所需的控制参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的微电网参数自适应控制方法，可以使得包含通信延时与拓扑切换的微电网控制系统，在保证稳定的情况下，实现了输出电压、频率稳定以及精确的有功功率共享。

2、本发明在研究微电网分布式分级控制中，当通信拓扑改变时，针对不同的拓扑建立对应的鲁棒稳定性约束不等式，并依据每个分布式电源及逆变器输出的波动计算次级控制器参数，从而提高了微电网控制系统的抗扰性能。并且在本发明中，所提出并使用的Lyapunov-Krasovskii函数降低了存在性条件，能够使得计算结果更准确。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图；

图2为本发明中分级控制结构图。

具体实施方式

本实施例中，一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法，根据微电网控制系统的通信拓扑的变化并依据输出波动比例来计算出当前每个次级控制器的控制参数，提高了抗扰性能。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，例如微电网控制系统中存在4个分布式电源及逆变器，利用式(1)建立含下垂控制的第i个分布式电源及逆变器的小信号模型；

式(1)中，x_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的状态变量；

是x_i(t)的微分；u_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的次级控制器的输出，即为控制变量；ω(t)是微电网控制系统中t时刻的扰动变量；y_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的输出，即为输出变量；a_i、b_i、b_i′和c_i为第i个分布式电源及逆变器的四个参数矩阵；当控制分布式电源及逆变器的输出电压时，式(1)的具体形式为式(2)所示：

式(2)中，H_i＝1300是分布式电源及逆变器电压控制的结构参数，

是第i个分布式电源及逆变器的电压控制下垂系数，并且

τ_p＝0.032是低通滤波环节的时间常数，τ_v＝0.01是电压测量环节的时间常数。当控制分布式电源及逆变器的输出频率时，式(1)的具体形式为式(3)所示：

式(3)中，F_i＝404300是分布式电源及逆变器频率控制的结构参数，

是第i个分布式电源及逆变器的频率控制下垂系数，并且

τ_ω＝0.02是频率测量环节的时间常数。

步骤2，在考虑通信延时的条件下，利用式(4)为每个分布式电源及逆变器建立次级控制器模型；

式(4)中，k_i是需要求解的第i个次级控制器的参数，m_i是第i个分布式电源及逆变器的常系数矩阵，m₀为次级控制器的常系数矩阵，g_i表示第i个次级控制器是否能获取电压或频率参考值，若能获取，则g_i＝1，否则g_i＝0，并且g₁＝1，g₂＝g₃＝g₄＝0，N_i为第i个分布式电源及逆变器的相邻节点集合，τ＝0.01为最大通信延时；当为电压控制时，m_i和m₀均为1，y_ref＝311表示电压参考值；当为频率控制时，

其中，P_i,max是第i个分布式电源及逆变器的最大输出有功功率，并且P_1,max＝P_2,max＝45000，P_3,max＝P_4,max＝34000，m₀＝[10]，y_ref＝50为频率参考值；

步骤3，获取当前微电网控制系统的通信网络拓扑如式(5)所示：

A_G＝[a_ij]∈R^4×4 (5)

式(5)中，A_G为当前时刻微电网控制系统的邻接矩阵，a_ij表示第i个分布式电源及逆变器是否能接收到第j个分布式电源及逆变器的信息，若能接收，则a_ij＝1，否则，a_ij＝0；令a_ii＝0；

步骤4，根据当前的通信网络拓扑，利用式(6)建立微电网控制系统的全局控制模型；

式(6)中，X(t)是微电网控制系统在t时刻的全局状态变量，且X(t)＝[x₁(t)x₂(t)x₃(t)x₄(t)]^T；

是X(t)的微分；Y(t)是微电网控制系统在t时刻的全局输出变量，且Y(t)＝[y₁(t)y₂(t)y₃(t)y₄(t)]^T；Ω(t)是微电网控制系统在t时刻的全局扰动变量，且Ω(t)＝[ω(t)ω(t)ω(t)ω(t)]^T；U(t)是微电网控制系统在t时刻的全局控制变量，且U(t)＝[u₁(t)u₂(t)u₃(t)u₄(t)]^T；Y^ref是微电网控制系统的参考值矩阵形式，且Y^ref＝[y^ref y^ref y^refy^ref]^T；A，B，B′和C是微电网控制系统的4个参数矩阵，且A＝diag{a_i}，B＝diag{b_i}，B′＝diag{b_i′}，C＝diag{c_i}；K是微电网控制系统的控制参数矩阵，且K＝diag{k_i}；L是微电网控制系统的拉普拉斯矩阵，且L＝A_G-D_G；其中，D_G是微电网控制系统的入度矩阵，且D_G＝diag{λ_i}；λ_i是第i个分布式电源及逆变器的入度；M和M₀是微电网控制系统的常系数矩阵，且M＝diag{m_i}，M₀＝diag{m₀}；G是微电网控制系统的能否获取电压或频率参考值的系数矩阵，且G＝diag{g_i}；

利用式(7)建立微电网控制系统的全局闭环控制模型；

式(7)中，A_d是微电网控制系统的全局闭环控制模型的参数矩阵，且A_d＝BK(LM-GM₀)C；式(7)中将参考值舍去了，因为参考值的有无不影响控制系统的动态性能；

步骤5，对上述式(7)进行鲁棒稳定性分析，本发明设计Lyapunov-Krasovskii函数如式(8)所示：

V＝V₁+V₂+V₃ (8)

V是Lyapunov-Krasovskii函数，V₁、V₂、V₃分别是V的第一项、第二项、第三项；式(9)中，P是第一个对称矩阵，式(10)中，S是第二个对称矩阵，式(11)中，R是对称正定矩阵，所以V₃＞0恒成立；保证V＞0恒成立的充分条件为，当V₁+V₂＞0，即式(12)：

式(12)中，O为全零矩阵；V₁、V₂、V₃的微分分别为ΔV₁、ΔV₂、ΔV₃，分别为式(13)、(14)、(15)所示：

ΔV₂＝X^T(t)SX(t)-X^T(t-τ)SX(t-τ) (14)

对式(15)利用Jensen不等式，可得式(16)：

ΔV＝ΔV₁+ΔV₂+ΔV₃ (17)

若在满足式(12)的情况下使得式(18)成立，则系统式(7)具有鲁棒性能γ。

ΔV+Y^T(t)Y(t)-γ²Ω^T(t)Ω(t)＜0 (18)

式(18)满足的充分条件为式(19)：

ξ^T(t)Φξ(t)＜0 (19)

Φ表示约束矩阵，并有：

式(20)中，G₁，G₂，G₃，G₄，G₅，和G₆是鲁棒性约束不等式中的6个参数矩阵，且

G₃＝[I O O O]，G₄＝[O I O O]，G₅＝[O O OI]，G₆＝[O O I O]，其中I是单位矩阵；

综上所述，针对在步骤3中得到的邻接矩阵，微电网控制系统可以满足鲁棒性能γ的充分条件是，使得式(21)成立；

步骤6，根据4个分布式电源及逆变器的输出波动比例

其中s_k是比例基数，

是第i个分布式电源及逆变器的输出方差，在式(21)的约束下，可以解得s_k的最大值，进而得到满足要求n个最大控制参数k_1max k_2max…k_4max，即当前所需的控制参数。如图2所示，步骤4至步骤6在参数自适应次级控制器中实现。

步骤7，如图2所示，拓扑监测机制会监测微电网控制系统的通信网络拓扑是否发生变化，若发生变化，则进入步骤3，否则，进入步骤6。

Claims (3)

1.一种考虑延时与拓扑切换的微电网参数自适应控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，假设微电网控制系统中存在n个分布式电源及逆变器，利用式(1)建立含下垂控制的第i个分布式电源及逆变器的小信号模型；

式(1)中，x_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的状态变量；

是x_i(t)的微分；u_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的次级控制器的输出，即为控制变量；ω(t)是微电网控制系统中t时刻的扰动变量；y_i(t)是第i个分布式电源及逆变器在t时刻的输出，即为输出变量；a_i、b_i、b′_i和c_i为第i个分布式电源及逆变器的四个参数矩阵；

步骤2，在考虑通信延时的条件下，利用式(2)为每个分布式电源及逆变器建立次级控制器模型；

式(2)中，k_i是需要求解的第i个次级控制器的参数，m_i是第i个分布式电源及逆变器的常系数矩阵，m₀为次级控制器的常系数矩阵，g_i表示第i个次级控制器是否能获取电压或频率参考值，若能获取，则g_i＝1，否则g_i＝0，N_i为第i个分布式电源及逆变器的相邻节点集合，τ为最大通信延时；当为电压控制时，m_i和m₀均为1，y_ref表示电压参考值；当为频率控制时，

其中，P_i,max是第i个分布式电源及逆变器的最大输出有功功率，m₀＝[10]，y_ref为频率参考值；

步骤3，获取当前微电网控制系统的通信网络拓扑如式(3)所示：

A_G＝[a_ij]∈R^n×n (3)

式(3)中，A_G为当前时刻微电网控制系统的邻接矩阵，a_ij表示第i个分布式电源及逆变器是否能接收到第j个分布式电源及逆变器的信息，若能接收，则a_ij＝1，否则，a_ij＝0；令a_ii＝0；

步骤4，根据当前的通信网络拓扑，利用式(4)建立微电网控制系统的全局闭环控制模型；

式(4)中，X(t)是微电网控制系统在t时刻的全局状态变量，且X(t)＝[x₁(t)…x_i(t)…x_n(t)]^T；

是X(t)的微分；Y(t)是微电网控制系统在t时刻的全局输出变量，且Y(t)＝[y₁(t)…y_i(t)…y_n(t)]^T；Ω(t)是微电网控制系统在t时刻的全局扰动变量，且Ω(t)＝[ω(t)…ω(t)…ω(t)]^T；A，A_d，B′和C是微电网控制系统的4个参数矩阵，且A＝diag{a_i}，A_d＝BK(LM-GM₀)C，B′＝diag{b′_i}，C＝diag{c_i}；其中，B是微电网控制系统建模过程中的参数矩阵，且B＝diag{b_i}；K是微电网控制系统的控制参数矩阵，且K＝diag{k_i}；L是微电网控制系统的拉普拉斯矩阵，且L＝A_G-D_G；其中，D_G是微电网控制系统的入度矩阵，且D_G＝diag{λ_i}，λ_i是第i个分布式电源及逆变器的入度；M和M₀是微电网控制系统的常系数矩阵，且M＝diag{m_i}，M₀＝diag{m₀}；G是微电网控制系统的能否获取电压或频率参考值的系数矩阵，且G＝diag{g_i}；

步骤5，建立微电网控制系统的鲁棒稳定性约束不等式

步骤6，根据实时的输出波动比例计算当前的次级控制器模型的参数；

步骤7，监测微电网控制系统的通信网络拓扑是否发生变化，若发生变化，则进入步骤3，否则，进入步骤6。

2.根据权利要求1所述的微电网参数自适应控制方法，其特征在于，建立如式(5)所示的鲁棒稳定性约束不等式；

式(5)中，P是第一个对称矩阵，S是第二个对称矩阵；Φ表示约束矩阵，并有：

式(6)中，R是对称正定矩阵，γ表示鲁棒性能；G₁，G₂，G₃，G₄，G₅，和G₆是鲁棒性约束不等式中的6个参数矩阵，且

G₃＝[I O O O]，G₄＝[O I O O]，G₅＝[O O O I]，G₆＝[O O I O]，其中，I是单位矩阵，O是全零矩阵。

3.根据权利要求1所述的微电网参数自适应控制方法，其特征在于，在步骤6中，根据n个分布式电源及逆变器的输出波动比例

其中，s_k是比例基数，

是第i个分布式电源及逆变器的输出方差，并在式(5)的约束下，解得比例基数s_k的最大值，从而得到满足要求的n个最大控制参数k_1max k_2max…k_nmax，即当前所需的控制参数。

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