CN113224789A - 动态主从控制系统及用其进行孤岛微电网二次控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态主从控制系统及用其进行孤岛微电网二次控制的方法，所述系统包括依次连接的端口电压电流采集模块、下垂控制模块、协调控制模块和差异延时模块，所述下垂控制模块还与PWM驱动模块、三相逆变桥依次连接；本发明能够动态协调微电网的电压，实现微电网功率比例均分和电压恢复。

Description

动态主从控制系统及用其进行孤岛微电网二次控制的方法
技术领域
本发明属于微电网电压控制技术领域，特别是涉及一种动态主从控制系统及用其进行孤岛微电网二次控制的方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭和日渐增加的环境压力，能源结构正经历着从传统能源向可再生能源充分利用的调整过渡期，我国幅员辽阔，风能资源、海洋能量资源及生物能资源丰富，这为我国能源结构的调整提供了基本前提。
然而，新能源的分布式、间歇性等特征导致新能源的推广应用受到制约，微电网的提出在很大程度上缓解了上述矛盾；微电网集成包括分布式委员、储能、用电负荷、配电设备以及保护装置等，可以工作在并网模式和孤岛模式，通过储能或大电网将本地间歇性的波动能量转化为平滑能量给用电负荷供电，对等式微电网结构具有良好的民主特性，但对线路参数较为敏感，很容易导致部分供电区域电压频率长期偏离额定值，在用户对供电质量要求较高且电网结构处于孤岛模式时问题尤为严重。
当前针对孤岛微电网的电压频率协调控制策略按有无通信分为两大类：无通信控制策略和有通信控制策略，无通信的电压频率协调控制策略主要有两种：一是基于惯性形滤波器的控制策略，可以大致实现频率的恢复和输出功率的比例分配；而是利用控制模式切换实现电压频率协调控制，其结合了惯性滤波器和积分的优点；但基于惯性的滤波器控制策略设计参数十分复杂，为了改善比例功率分配，必须延长惯性滤波器的延迟时间以减少局部参数的影响，这会对系统响应速度和稳定性造成负面影响；切换控制高度依赖于切换状态检测，一旦检测出现偏差将会恶化系统性能，甚至导致震荡，另外无通信控制策略要求本地控制器具有较高的技术能力，以保证控制器的计算速度和准确性能够满足控制需求。
有通信控制策略有集中控制和分布式控制两种类型，集中控制能实现准确的电压频率协调控制和功率均分，但该方法除了依靠高带宽通信系统外，还高度依赖于中央控制单元，一旦中央控制单元或通信系统发生故障，整个系统的电压频率协调控制将会直接崩溃，使系统的可靠性和冗余性降低，为了减少对中央控制单元和通信系统的以来，提出了分布式电压频率协调控制，其主要包括基于平均算法的分布式电压频率协调控制和基于一致性算法的分布式电压频率协调控制，基于平均算法的分布式电压频率协调控制使得通信网络结构复杂，对通信带宽要求高，基于一致性的分布式电压频率协调控制存在对通信延时赖受差的问题，当通信系统存在数百毫秒的延时即会导致系统失稳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态主从控制系统及用其进行孤岛微电网二次控制的方法，通过根据电网运行状态自动选择领导单元，然后由该领导单元向整个系统发出统一功率参考信号，从而兼顾集中式控制和分布式控制的优势，实现微电网功率的合理分配和频率、电压的有效控制。
本发明所采用的技术方案是，动态主从控制系统，包括通过通信总线连接的数个微源，所述微源包括：
差异延时模块，用于计算各微源的延时时间，并通过通信总线与其他微源通信，获得出力参考，将出力参考发送给协调控制模块；
端口电压电流采集模块，用于采集本地逆变器输出端口的电压、电流，并将其发送至下垂控制模块；
下垂控制模块，用于计算本地逆变器的输出功率和PWM信号，并将输出功率和本地逆变器输出端口的电压发送至协调控制模块，将PWM信号发送至PWM驱动模块；
协调控制模块，用于根据本地逆变器输出的电压和输出功率、出力参考计算电压补偿信号，并将其返送至下垂控制模块；
PWM驱动模块，用于放大PWM信号，并利用放大结果控制三相逆变桥的通断。
动态主从控制系统的微电网控制方法，包括以下步骤：
步骤1，各微源的端口电压电流采集模块分别采集其本地逆变器输出的电压、电流，其下垂控制模块根据电压、电流计算各自的本地输出功率，并将本地输出功率和电压输送给其协调控制模块，协调控制模块据此计算各微源的输出因子；
步骤2，各微源的差异延时模块分别计算其延时时间，并通过权重投票法确定领导单元和跟随单元；
步骤3，领导单元的协调控制模块将其输出因子作为出力参考发送给各跟随单元的协调控制模块；
步骤4，各跟随单元的协调控制模块利用出力参考、本地输出功率和电压计算得到电压补偿信号，并将电压补偿信号输送至本地的下垂控制模块；
步骤5，各跟随单元的下垂控制模块利用下垂控制算法和电压、电流双闭环控制计算出PWM信号，并将PWM信号输送至其PWM驱动模块；
步骤6，各跟随单元的PWM驱动模块对PWM信号进行放大，并利用放大信号驱动三相逆变桥，控制桥臂开关管的通断。
进一步的，所述步骤2中根据各微源的本地特征信息确定延时时间，微源出力越大延时越短；
所述本地特征信息包括输出因子、频率、电压和容量。
进一步的，所述延时时间的计算如下：
DQ＝Fqi-Fqm
tD＝-kDQ+Tset
其中，DQ为出力差异，Fqi为第i台逆变器的本地出力因子，Fqm为领导单元的出力参考，Tset为通信周期，tD为延时时间，k为比例系数，0＜k＜Tset/4。
进一步的，确定领导单元的过程如下：
各微源分别对其延时时间进行计时，若延时时间溢出时某微源仍未收到其他微源发送的输出因子，则该微源作为领导单元候选人将本地输出因子发送给其他微源，等待其他微源投票；
若计时溢出前某微源接收到其他微源发送的本地输出因子，则计时归零，该微源将含其权重信息的票数发送至领导单元候选人；
若领导单元候选人在规定时间内获得半数以上的投票，则正式成为领导单元，将其输出因子作为出力参考再次发送给其他微源。
进一步的，领导单元候选人将本地输出因子发送给其他微源后，自行判断其与上一个领导单元是否为同一微源，若是，则将其输出因子作为出力参考再次发送给其他微源，若不是，则等待其他微源投票。
进一步的，某微源接收到其他微源发送的本地输出因子后，判断该领导单元候选人与上一个领导单元是否为同一微源，若是，则无需进行投票，直接将接收的本地输出因子作为出力参考，若不是，则将含其权重信息的票数发送至领导单元候选人，选出新的领导单元。
本发明的有益效果是：本发明使用相同的规则确定各微源的延时时间，使用延时时间长短反映各微源的输出因子，并据此确定领导单元和跟随单元，将领导单元的输出因子作为出力参考发送给各跟随单元，使各跟随单元能据此调整其输出功率，实现功率的合理分配和频率、电压的有效控制；本发明使用投票法确定领导单元，增加了各微源间的通信，避免通信线路中断导致的脑裂现象，根据各微源的容量分配不同的票数还能缩短领导单元的确定时间，使微电网电压调控实时性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实例提供的动态主从控制(DRMSCA)系统框图。
图2是本发明实例提供的DRMSCA的电压调节过程示意图。
图3是本发明实例提供的差异延迟权重投票法的具体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于动态主从控制系统的微电网控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，各微源的端口电压电流采集模块分别采集其本地逆变器的输出电压和电流，并将采集数据输入各自的下垂控制模块，各下垂控制模块分别据此计算各自的输出功率，并将输出功率和电压发送给各自的协调控制模块计算各微源的输出因子；
步骤2，各微源的差异延时模块分别根据其本地特征信息(输出因子、频率、电压、容量等)，使用相同的规则计算各自的延时时间，并通过权重投票法确定领导单元和跟随单元，具体过程如下：
各微源分别对其延时时间进行计时，延时时间最短的微源计时结束后，优先获得通信总线的通信权利，作为领导单元候选人将其输出因子发送至其他微源，其他微源在计时结束前接收到输出因子后，停止计时，并将含权重信息的票数返送给领导单元候选人，领导单元候选人在规定时间内获得半数以上的选票后正式成为领导单元，并再次将其输出因子作为出力参考信息发送给其他微源；
在领导单元确定过程中微源接收到其他微源发送的输出因子，或向其他微源发送输出因子后，可以先行判断发送输出因子的微源与上次的领导单元是否为同一微源，若不是则进行后续的投票，若是则无需进行投票流程，直接将其作为新的领导单元，从而减少了工作流程的复杂度，进一步降低对通信总线带宽的需求；
各微源根据本地的输出因子计算延时时间的表达式如下：
DQ＝Fqj-Fqm
tD＝-kDQ+Tset
其中，Fqj为第j台逆变器的本地输出因子，Fqm为领导单元的出力参考，在系统调控初期还未选出领导单元时Fqm取0，DQ为领导单元与第j台逆变器的出力差异，Tset为通信周期，即领导单元发送本地出力参考给跟随单元的周期，tD为延时时间，k为比例系数，由于Fqj的最大取值为2，DQ＜4，则比例系数k＜Tset/4，再则为保证微源出力越大延时越短，使k＞0，所以0＜k＜Tset/4；
容量较大的微源越重要，其分配到的票数越多，据此可以缩短领导单元的确定时间，使微电网电压调控实时性更好，同时本发明通过实时投票的方法确定领导单元，增加了各微源之间的通信，避免通信线路中断导致的脑裂现象，及产生多个领导单元的情况；
步骤3，领导单元再次通过通信总线将其输出因子作为出力参考，发送给跟随单元的协调控制模块；
步骤4，各跟随单元的协调控制模块根据本地逆变器的电压、输出功率，以及领导单元发送的出力参考，利用比例算法和比例积分算法得到电压补偿信号，并将电压补偿信号输送至其下垂控制模块；
步骤5，各跟随单元的下垂控制模块利用下垂控制算法和电压、电流双闭环控制计算出PWM信号，并将PWM信号输送至其PWM驱动模块；
步骤6，PWM驱动模块对PWM信号进行放大，并利用放大信号驱动三相逆变桥，控制桥臂开关管的通断，实现直流到交流的转化。
动态主从控制系统包括通过通信总线连接的数个微源，各个微源均包括端口电压电流信号采集模块、下垂控制模块、PWM驱动模块、差异延时模块、协调控制模块、通信模块和三相逆变桥，所述端口电压电流采集模块用于采集各微源本地逆变器输出端口的电压、电流，并将其发送至下垂控制模块，所述下垂控制模块利用电压、电流计算逆变器的输出功率，并将逆变器的输出功率和电压发送至协调控制模块，协调控制模块利用本地输出功率得到输出因子，将输出因子发送给差异延时模块计算延时时间，进而确定领导单元和跟随单元，并接收领导单元发送的出力参考，利用出力参考和本地输出功率、电压计算得到电压补偿信号，将电压补偿信号回送给下垂控制模块，下垂控制模块利用下垂控制算法和电压、电流双闭环控制计算出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，并将其输送至PWM驱动模块，PWM驱动模块用于放大接收的PWM信号，并将放大结果输送至三相逆变桥，三相逆变桥根据放大的PWM信号控制桥臂开关管的通断，实现直流到交流的转化。
电压补偿信号ΔEj的计算公式如下：
ΔEj＝kpj(Erefj-Ej)+kij∫(Erefj-Ej)dt
Erefj＝Ej+kqvj(Fqm-Fqj)
式中，ΔEj为第j台逆变器的电压补偿信号，kpj、kij分别为第j台逆变器比例积分控制的比例参数和积分参数，Erefj为第j台逆变器的电压参考，Ej为第j台逆变器的实际端口电压，kqvj为第j台逆变器比例控制器的增益，Fqm为领导单元的出力参考，Fqj为第j台逆变器的自身出力因子。
本发明在确定的时间段内只有一个领导单元，领导单元通过发送自己的出力参考来协调整个系统的输出，实现电压恢复，从而同时实现系统功率的比例均分和系统电压恢复，本发明通过差异延时权重投票法选择领导单元，确保系统中合法的单元均有机会成为领导单元，当系统中的一个或多个单元，甚至领导单元发生故障时，也能顺利选出新的领导单元，保证系统的正常运行。
本发明在运行初期没有领导单元，此时差异延时模块根据协调控制模块上传的输出因子计算出各微源的延时时间，延时时间短的微源优先获得通信总线的通信权利成为领导单元，其他微源成为跟随单元；领导单元的端口电压电流采集模块采集逆变器输出的电压、电流，并输送至下垂控制模块，下垂控制模块据此计算领导单元的实际输出功率，并将该输出功率发送至协调控制模块，协调控制模块的比例环节采用本地的输出功率作为出力参考，此时协调控制模块退化为额定电压的无差跟踪，以保证系统电压的波动幅度较小；各跟随单元收到领导单元发送的出力参考后，将其作为自己的参考信号，通过协调控制模块实现对领导单元输出功率的跟踪，以保证各跟随单元与领导单元的出力一致。
实施例
如图1所示，本发明所述的动态主从控制系统包括j台逆变器，所述逆变器的输出端均依次与端口电压电流采集模块、下垂控制模块、协调控制模块、差异延时模块连接，所述j台差异延时模块之间通过通信总线连接，其中s表示复数，1/s表示积分环节，Qnj表示第j台逆变器的额定无功功率，Qej表示第j台逆变器的输出无功功率，EVSGj表示第j台逆变器的输出端口电压，iVSGj表示第j台逆变器的输出电流。
图2为动态主从控制的调节原理示意图，下垂控制可以理解为沿曲线的横向运动，而二次调整是曲线的垂直平移；假设系统在初始状态下以额定点运行，当负载功率增加时，系统的功率平衡被破坏，系统电压或频率逐渐降低，系统的工作点从点a移至点b，这时在二次控制模块中，电压或频率控制内环将根据系统的误差值快速生成有功或电压的调整量，并将其传输至下垂控制模块，使系统工作点从b点移动到c点；最后在下垂控制中，系统工作点是从c点移到d点以实现频率或电压恢复。
在整个调整过程中，通信的主要功能是传输出力参考，调整跟随单元的逆变器端口电压得到Eref，然后调整系统各微源的功率分配，最后实现系统频率和电压的有效控制与输出功率的比例分配，其中Eref为协调控制模块中比例环节加上本地电压得到的电压参考值。
图3为差异延时权重投票法的流程图，当系统尚未有领导单元时，各微源结合当前的本地特征信息(例如输出功率、频率、电压、容量等)，根据相同的规则计算本地延迟时间，不同微源的延迟时间不同，延迟时间最短的单元可能会成为新的领导单元。
当延迟最短的单元到达延迟时间时，将其当前输出因子发送到通信总线，当另一个微源首次接收到该单元发送的输出因子时，该微源会把含其权重信息的票数投给领导单元候选人，领导单元候选人在规定时间内获得半数以上的选票后，将正式成为新的领导单元，并将其输出因子再次发送给其他微源，当其他微源连续两次接收相同微源的输出因子时，可以认为选出了新的领导单元，并且该领导单元的输出因子将用作本地参考，以使系统输出保持一致，该过程中所述规定时间比通信周期短，可根据实际情况设定，其值越小越能够有效应对通信线路中断导致的脑裂现象，但是领导单元的切换会变得更为困难。
当领导单元在规定时间内获得不到一半的选票时，它将退出领导单元的选举，而第二个微源(延迟时间第二)将继续参与领导单元的选举等，当系统中没有故障时，总是可以选择延迟时间最短的单元作为唯一的领导单元，当系统中发生通信故障时，仅通信网络中的投票数达到一半以上，并且可以选择唯一的领导单元，票数较少的其他子通信网络将无法选择领导单元，从而退出协调控制。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.动态主从控制系统，其特征在于，包括通过通信总线连接的数个微源，所述微源包括：
差异延时模块，用于计算各微源的延时时间，并通过通信总线与其他微源通信，获得出力参考，将出力参考发送给协调控制模块；
端口电压电流采集模块，用于采集本地逆变器输出端口的电压、电流，并将其发送至下垂控制模块；
下垂控制模块，用于计算本地逆变器的输出功率和PWM信号，并将输出功率和本地逆变器输出端口的电压发送至协调控制模块，将PWM信号发送至PWM驱动模块；
协调控制模块，用于根据本地逆变器输出的电压和输出功率、出力参考计算电压补偿信号，并将其返送至下垂控制模块；
PWM驱动模块，用于放大PWM信号，并利用放大结果控制三相逆变桥的通断。
2.使用权利要求1所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，各微源的端口电压电流采集模块分别采集其本地逆变器输出的电压、电流，其下垂控制模块根据电压、电流计算各自的本地输出功率，并将本地输出功率和电压输送给其协调控制模块，协调控制模块据此计算各微源的输出因子；
步骤2，各微源的差异延时模块分别计算其延时时间，并通过权重投票法确定领导单元和跟随单元；
步骤3，领导单元的协调控制模块将其输出因子作为出力参考发送给各跟随单元的协调控制模块；
步骤4，各跟随单元的协调控制模块利用出力参考、本地输出功率和电压计算得到电压补偿信号，并将电压补偿信号输送至本地的下垂控制模块；
步骤5，各跟随单元的下垂控制模块利用下垂控制算法和电压、电流双闭环控制计算出PWM信号，并将PWM信号输送至其PWM驱动模块；
步骤6，各跟随单元的PWM驱动模块对PWM信号进行放大，并利用放大信号驱动三相逆变桥，控制桥臂开关管的通断。
3.根据权利要求2所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，所述步骤2中根据各微源的本地特征信息确定延时时间，微源出力越大延时越短；
所述本地特征信息包括输出因子、频率、电压和容量。
4.根据权利要求2所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，所述延时时间的计算如下：
DQ＝Fqi-Fqm
tD＝-kDQ+Tset
其中，DQ为出力差异，Fqi为第i台逆变器的本地出力因子，Fqm为领导单元的出力参考，Tset为通信周期，tD为延时时间，k为比例系数，0＜k＜Tset/4。
5.根据权利要求2所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，确定领导单元的过程如下：
各微源分别对其延时时间进行计时，若延时时间溢出时某微源仍未收到其他微源发送的输出因子，则该微源作为领导单元候选人将本地输出因子发送给其他微源，等待其他微源投票；
若计时溢出前某微源接收到其他微源发送的本地输出因子，则计时归零，该微源将含其权重信息的票数发送至领导单元候选人；
若领导单元候选人在规定时间内获得半数以上的投票，则正式成为领导单元，将其输出因子作为出力参考再次发送给其他微源。
6.根据权利要求5所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，领导单元候选人将本地输出因子发送给其他微源后，自行判断其与上一个领导单元是否为同一微源，若是，则将其输出因子作为出力参考再次发送给其他微源，若不是，则等待其他微源投票。
7.根据权利要求5所述的动态主从控制系统的微电网控制方法，其特征在于，某微源接收到其他微源发送的本地输出因子后，判断该领导单元候选人与上一个领导单元是否为同一微源，若是，则无需进行投票，直接将接收的本地输出因子作为出力参考，若不是，则将含其权重信息的票数发送至领导单元候选人，选出新的领导单元。
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