CN113315177A

CN113315177A - 一种基于gps同步的分布式协同控制方法及系统

Info

Publication number: CN113315177A
Application number: CN202110679767.1A
Authority: CN
Inventors: 王辉; 金晓唐
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2041-06-18
Also published as: CN113315177B

Abstract

本发明公开了一种基于GPS同步的分布式协同控制方法及系统，包括：通过GPS为每一个DG提供统一的相角基准，使得各个DG使用统一的全局旋转坐标系；获取DG出口的电压电流信息，通过相邻DG进行通信，根据馈线阻抗与负载阻抗，通过相邻一致性算法得到PCC电压相对于GPS的相角；基于所述PCC电压相对于GPS的相角，确定每一个DG输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度；进而得到每一个DG中逆变器控制的参考相角；基于所述参考相角对逆变器进行控制。本发明不经过锁相环，通过GPS和线路信息计算得到PCC电压相对于GPS的相角，进而得到每一个DG中逆变器控制的参考相角；计算过程简单，节约计算时间。

Description

一种基于GPS同步的分布式协同控制方法及系统

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GPS同步的分布式协同控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，新能源发电单元为主导的微电网中，电压和频率的稳定控制尤为重要。然而微电网存在馈线阻抗比高，有功和无功强耦合，馈线阻抗各不相同。这将导致传统的下垂控制策略无法实现PQ解耦和功率的合理分配。

为了实现电压和频率的稳定控制，近些年来，GPS(Global Positioning System,全球定位系统)也逐渐应用于新能源发电单元同步之中。例如：

现有技术针对全逆变器微电网，提出逆变器使用GPS产生相位相同、频率固定为工频的电流，使用I/U下垂控制实现有功无功按容量分配。现有技术使用GPS得到全局旋转坐标系，并在此基础上得到角频率修正值，从而实现电流精确分配。现有技术提出逆变器固定输出电压频率为50Hz，以GPS为锁相基准，通过有功-相角和无功-电压下垂进行有功功率、无功功率分配。现有技术使用GPS作为park变换的同步信号，将传统的静止坐标系下的有功-相角与无功-电压下垂控制变为电压-电流下垂控制。

上述方案均需要通过PCC点到DG出口的通信获得PCC点的信息，数据获取过程较为复杂，并且存在频率偏差以及各逆变器输出无功偏差；另外，采用下垂控制可能会存在因线路阻抗导致的无功分配不均的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于GPS同步的分布式协同控制方法及系统，无需经过锁相环，通过GPS和线路信息即可计算得到PCC电压相对于GPS的相角。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，包括：

通过GPS为每一个分布式发电单元提供统一的相角基准，使得各个分布式发电单元使用统一的全局旋转坐标系；

获取分布式发电单元出口的电压电流信息，通过相邻分布式发电单元进行通信，根据馈线阻抗与负载阻抗，通过相邻一致性算法得到公共连接点电压相对于GPS的相角；

基于所述公共连接点电压相对于GPS的相角，确定每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度；进而得到每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角；

基于所述参考相角对逆变器进行控制。

其中，每一个分布式发电单元接收GPS授时信号秒脉冲，提供一个时间基准，根据这个时间基准生成全局旋转坐标系。

进一步地，通过相邻一致性算法得到公共连接点电压相对于GPS的相角，具体包括：

计算各个分布式发电单元相对于公共连接点的电压以及公共连接点电压；

分别获取各个分布式发电单元出口的电压相角、每个分布式发电单元到公共连接点的馈线阻抗的阻抗角以及负载阻抗角；

基于上述得到的参数计算公共连接点电压相对于GPS的相角。

每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度，等于所述公共连接点电压相对于GPS的相角与根据下垂控制得到的每一个分布式发电单元中逆变器的参考相角之和。

每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角，等于每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度与由GPS授时秒信号给出的每一个分布式发电单元参考角速度与时间乘积的加和。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于GPS同步的分布式协同控制系统，包括：

GPS模块，用于通过GPS为每一个分布式发电单元提供统一的相角基准，使得各个分布式发电单元使用统一的全局旋转坐标系；

公共连接点电压相角计算模块，获取分布式发电单元出口的电压电流信息，通过相邻分布式发电单元进行通信，根据馈线阻抗与负载阻抗，通过相邻一致性算法得到公共连接点电压相对于GPS的相角；

逆变器控制参考相角计算模块，用于基于所述公共连接点电压相对于GPS的相角，确定每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度；进而得到每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角；

逆变器控制模块，用于基于所述参考相角对逆变器进行控制。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于GPS同步的分布式协同控制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于GPS同步的分布式协同控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明不经过锁相环，通过GPS和线路信息计算得到公共连接点(PCC)电压相对于GPS的相角，进而得到每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角；计算过程简单，节约计算时间。

本发明方法对逆变器一次控制进行修正，补偿因线路阻抗不均导致的频率和无功偏差。实现功率按容量分配，使得新能源发电单元可以自动分担微电网内有功功率和无功功率的不平衡，实现微电网稳定独立运行。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例中基于GPS同步的分布式协同控制过程示意图；

图2是本发明实施例中两组DG并联的等效电路图；

图3是本发明实施例中相角生成原理图；

图4是本发明实施例中根据相邻一致性算法得到PCC点电压的状态观测器控制框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

根据本发明实施例，公开了一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，包括以下过程：

(1)通过GPS为每一个分布式发电单元提供统一的相角基准，使得各个分布式发电单元使用统一的全局旋转坐标系；

(2)获取分布式发电单元出口的电压电流信息，通过相邻分布式发电单元进行通信，根据馈线阻抗与负载阻抗，通过相邻一致性算法得到公共连接点电压相对于GPS的相角；

(3)基于所述公共连接点电压相对于GPS的相角，确定每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度；进而得到每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角；

(4)基于所述参考相角对逆变器进行控制。

具体地，上述控制过程可以参考图1，本实施例控制方法可以用来控制孤岛微电网。其中，分布式发电单元由分布式直流电源、三相全桥逆变电路(变换器)和LCL滤波器组成。

通信环节接收GPS授时信号秒脉冲(pulse per second,PPS)，提供一个时间基准，根据这个时间基准生成全局旋转坐标系。本实施例中，GPS提供一个统一的相角基准，各个分布式发电单元(以下简称DG)都有一个GPS信号接收器。通过这个信号使得各个DG的底层PARK变换使用统一的旋转坐标系。

图1中，GPS同步过程为计算每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角的过程；计算得到的参考相角作为一次控制过程中对于逆变器控制的参考相角；另外，由于一次控制是一个有差的控制过程，为实现无差控制，本实施例加入二次控制过程。通过二次控制过程得到电压电流补偿值，对一次控制进行修正，补偿因线路阻抗不均导致的频率和无功偏差，实现功率按容量分配和无差控制；使得新能源发电单元可以自动分担微电网内有功功率和无功功率的不平衡，实现微电网稳定独立运行。

下面对每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角的计算方法进行详细说明：

对于如图2所示的两DG组成的微电网，满足：

其中，P_i为第i个DG输出的有功功率、Q_i为第i个DG输出的无功功率、V_i为第i个DG端口的电压幅值、V_PCC为PCC点电压的幅值、θ_i为第i个DG与PCC点的电压相角差、

为第i条线路的馈线阻抗角、R_i为第i条馈线的阻抗、X_i为第i条馈线的感抗。

对于线路负载呈阻性的微电网，即当X_i>>R_i时，上式可化简为：

由上式可以看出，V_DGi和θ_i分别受P_i和Q_i的影响。由此可以得到电压-相角下垂控制规律为：

V＝V_ref-m(Q-Q^*)

δ＝δ_ref-n(P-P^*)

其中，V、δ分别为下垂控制产生的分布式电源输出电压幅值和相角的参考值、V_ref、δ_ref分别逆变器输出电压额定幅值和相角、m、n分别为电压和相角下垂增益、P、Q分别为分布式电源输出有功功率和无功功率、P^*、Q^*分别为分布式电源额定有功功率和无功功率。

最终，逆变器DG_i的参考相角

为：

θ_i＝θ_PCC+δ_i

其中，ω_GPS为各个DG的参考角速度，由GPS授时秒信号给出；θ_i为各个DG的输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度；δ_i根据下垂控制得到。

下垂控制得到的是DG出口电压与公共连接点(以下简称PCC点)电压的相角差。参照图3，要得到GPS坐标系下的DG出口电压相角，需要得到GPS坐标系下PCC点电压的相角θ_PCC。由于微电网系统中各微电源配套的逆变器到PCC点电压距离较远，难以测得经过馈线阻抗后的PCC点电压。因此，使用如下算法：

对于各个DG源相对于PCC点的电压，根据KCL、KVL，有：

PCC点电压为：

DG出口电流为：

DG输出复功率为：

其中，

为各个DG出口的电压向量，

为PCC点的电压向量。Z_i(i＝1,...,n)为DG_i的馈线阻抗。Z₀为负载等效阻抗。

为了减小通信量，可以根据分布式一致性算法得到PCC点的电压相角θ_PCC。

上式根据DG出口电压计算PCC点电压中的量均为矢量，若使用中央处理器计算，通信量大，若使用分布式一致性算法计算，需进行预处理。

假定逆变器跟踪性能良好，即逆变器实际输出电压相角就是给定的相角θ_i。那么有：

其中，θ_i为DG_i出口电压相角，

为DGi到PCC点的馈线阻抗的阻抗角。φ为

的阻抗角。Z_i为每个分布式发电单元的馈线阻抗，Z₀负载等效阻抗；

是一个系数。

因此可以通过相邻一致性算法计算α与β的平均值得到PCC点的电压与DG_i与PCC点输出的功率。

PCC点电压相对于GPS的相角为：

根据相邻一致性算法得到PCC点电压的状态观测器控制框图如图4所示。

同时，根据上式可以只根据DG出口电压与馈线阻抗，根据相邻一致性算法，得到DG输出复功率。

由此，可以去除传统逆变器控制中的锁相环环节。同时，无需测量PCC点的电压电流，只需要测量DG出口的电压电流并与相邻的DG通信，即可根据馈线阻抗与负载阻抗得到PCC点信息。

作为可选的实施方式，对于传统的下垂控制，假设微电网正常运行时的工作点位于A点，若增加负载功率，工作点将沿着曲线来到B点，输出量产生偏差。可以发现下垂控制是一种有差控制方法。

本实施例为实现无差控制，加入二次控制。通过二次控制得到电压电流补偿值，使得微电网工作点变为C点。实现无差控制。

本实施例中，在每个DG的二次控制器中，均设置一个状态观测器。以频率状态观测器为例，计算方法如下：

其中，ω_i(t)为DG_i自身测量的角速度平均值，而

为邻域j测得的角速度平均值，N为DG源数目，N_i为DG_i的邻域。

上述一致性算法全局响应特性为：

其中，

s为拉普拉斯算子，I_N为N*N的单位阵。

而根据一致性算法，经过k次迭代后，对于任意节点存在：

为了消除频率偏差、各逆变器输出无功偏差。省略PCC点到各DG出口的通信。本实施例首先根据状态观测器通过相邻一致性算法得到输出功率平均值。根据DG出口电压、馈线阻抗值、负载等效阻抗根据相邻一致性算法得到PCC点电压、各DG输出复功率。之后，根据输出无功平均值消除偏差，实现馈线阻抗不同、馈线阻抗比大时的无功分配。

其中，补偿量计算如下：

其中，k_pQ为比例系数，k_iQ为积分系数。

三相基准电压发生模块的输入电压幅值计算公式为：

其中，k_Q为比例系数。

由此，可以消除因馈线阻抗不同导致的DG源输出无功无法按容量分配的问题。

实施例二

根据本发明实施例，公开了一种基于GPS同步的分布式协同控制系统，包括：

需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细说明，不再赘述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的基于GPS同步的分布式协同控制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例一中的基于GPS同步的分布式协同控制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的基于GPS同步的分布式协同控制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，包括：

基于所述参考相角对逆变器进行控制。

2.如权利要求1所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，每一个分布式发电单元接收GPS授时信号秒脉冲，提供一个时间基准，根据这个时间基准生成全局旋转坐标系。

3.如权利要求1所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，通过相邻一致性算法得到公共连接点电压相对于GPS的相角，具体包括：

基于上述得到的参数计算公共连接点电压相对于GPS的相角。

4.如权利要求3所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，计算公共连接点电压相对于GPS的相角，具体为：

其中，

θ_i为每个分布式发电单元的出口电压相角，

为每个分布式发电单元到公共连接点的馈线阻抗的阻抗角，φ为

的阻抗角；V_DGi为各个分布式发电单元相对于公共连接点的电压、Z_i为每个分布式发电单元的馈线阻抗，Z₀负载等效阻抗。

5.如权利要求1所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，基于所述公共连接点电压相对于GPS的相角，确定每一个分布式发电单元输出电压向量相对于GPS旋转坐标的角度，具体为：

6.如权利要求5所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，进而得到每一个分布式发电单元中逆变器控制的参考相角，具体为；

7.如权利要求1所述的一种基于GPS同步的分布式协同控制方法，其特征在于，还包括：基于所述参考相角对逆变器进行控制时，通过相邻一致性算法得到输出功率平均值，根据输出无功平均值消除控制偏差，实现无差控制。

8.一种基于GPS同步的分布式协同控制系统，其特征在于，包括：

9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的基于GPS同步的分布式协同控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的基于GPS同步的分布式协同控制方法。