CN114039354B - 一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，所述电池储能系统由各自的二次电压容错控制器控制，电池储能系统供电源由各自的能级容错控制器控制，通过微电网进行电力传输，所述二次电压容错控制器和能级容错控制器的输入端均与通信网络图G的输出端相连，输出端均与对应电池储能系统的输入端相连接；所提出的基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制策略，既有效解决了电压能级失效故障和能级偏置故障问题，又在保证电压恢复，能级同步的同时避免了电池储能系统之间的连续通信。

Description

一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统
技术领域
本发明涉及工业过程控制技术领域，具体而言涉及一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统。
背景技术
微电网是一种小规模的电力系统，可促进分布式电力发电机的有效集成，由发电源、储能系统和负载组成。由于微电网可以协调实现自主运行，微电网可以作为可调度源进行控制，在并网和孤岛运行模式下运行。近年来，电池储能系统通常在微电网中实现，以提高电能质量和网络可靠性。除此之外，由于可再生能源(即光电发电场和风力发电场)的不确定行为，它们还可以作为能源缓冲器来平衡可再生能源供应。
智能电网中的储能设备通常以集中式或分布式进行控制。在集中式控制中，将定义一个集中单元来控制所有分布的能源。微电网中央控制器收集储能系统的所有信息，然后将控制信号发送回给每个储能系统。因此，每个分布的能源与集中控制器之间需要双向通信链路。当系统规模较大时，中央控制器承受着大量的计算和通信负担，而且它本身就容易受到通信故障和单点故障的影响。因此，需要设计分布式控制协议来协调智能电网中多种储能设备的运行。ThomasMorstyn提出了一种分布式存储设备之间的动态能级平衡策略，以改善下垂控制微电网中的频率调节和可靠性。这是通过分布式多智能体协同控制系统实现的,电压和频率恢复可视为同步问题，而有功功率共享和能级平衡可视为一致问题，该系统可以修改下垂控制存储设备的输出功率，使其达到能量平衡状态。当存储设备接近一个共同的能量水平时，它们能够贡献其全部功率容量来应对微电网中的发电和需求波动。协同控制系统还提供了二次频率控制，将微电网恢复到标称频率。但在设计控制器时，需要计算通信图拉普拉斯矩阵的最小正特征值，这意味着控制策略没有完全分布，仍然需要全局信息。Hu等人解决了上述问题，所提出的控制策略是完全分布的，因此每个电池储能系统只需要自己的信息和通过通信网络来自其邻居的信息。其采用了基于分布式一致性的方法，通过使用电池储能系统间通信来实现储能设备的能级平衡、有功/无功功率共享和电压/频率同步，同时考虑了电池的异构性和分级控制结构。因此，提出的控制方案提高了系统的可靠性，降低了对故障的敏感性，并消除了对中央处理单元的需要。Thomas Morstyn等人将储能系统电池的荷电状态平衡问题表述为异构二阶多智能系统的一致性控制。分析了重新配置电池储能系统电池模块之间平衡电荷状态的分布式协同控制策略，该策略利用其邻居的信息同步微电网中所有电池存储系统的电荷状态水平。
事件触发被应用在微电网中以减少分布式发电机之间的信息交流。YuanFan等人通过引入采样和保持方案，提出了逆变器之间具有事件触发通信的非线性状态反馈控制。事件触发控制方法可以显著减少微电网的通信量，并显著降低逆变器之间精确实时信息传输的要求。验证了事件触发和时间触发具有几乎相同的无功功率分配精度，且基于事件触发机制的控制策略可以有效地减少通信总数。然而，电压状态是不断更新的，需要实时测量。为此，MengChen等人通过使用仅在事件触发时重置为实际值的估计器输出，替换反馈控制律中的实际值，所提出的控制策略只要求分布式二次控制器在某些特定时刻进行通信，同时具有频率和电压恢复功能以及精确的有功功率共享。
容错控制器已经在微电网得到发展，以实现微电网的鲁棒性，高效性和故障恢复。从实际角度来看，微电网参数，如线路阻抗、负载和微电网配置是未知的。一般会将未建模动态、未知干扰和模型中的不确定性作为附加干扰项来建模，所以该建模导致控制器独立于微电网参数。基于这样的建模方式，NimaMahdian提出了一种基于弹性自适应一致性的电压和频率控制协议，以补偿孤岛微电网通信网络信道中传感器和执行器故障的不利影响。为此，局部自适应传感器和执行器补偿器消除了故障对传感器和执行器的不利影响。针对由微电网未知动力学引起的不确定性，AliBidram等人采用神经网络重构未知参数。
在实际应用中，对具有多个电池储能系统的微电网进行电压和能级控制时，由于二级控制中分布式控制结构缺乏集中的反馈机制以及电池储能系统中控制结构的长年使用，会发生执行器故障。当发生执行器故障时，使得电池储能系统的输出电压和能级发生偏差，从而偏离参考电压和能级，并且由于控制环路的存在及雪球效应，使得偏差不断变大，最终电池储能系统的紊乱运行。另一方面，随着计算机和网络技术在控制系统中的普及，电池储能系统分布式协同控制迫切要求尽可能地降低通信的占用和资源的消耗。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，针对电池储能系统，解决存在执行器故障时一次控制电压标称值不准确、不同步的问题以及电池储能系统供电电池能级不平衡的问题；为储能系统的二次控制器引入了动态触发机制，避免储能系统之间需要连续通信的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提出了一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，所述控制系统的控制对象包括给定参考电压的领导者和N个异构电池储能系统的跟随者，N≥1；领导者与至少一个跟随者之间存在单向通信链路，N个跟随者之间存在无向通信链路；电池储能系统之间的通信网络图采用无向图
Figure BDA0003297563560000021
表示，其中/>
Figure BDA0003297563560000022
是节点集合，/>
Figure BDA0003297563560000023
为边的集合，边(i,j)表示第i个电池储能系统可以获得第j个电池储能系统的信息，i≠j；i、j为所述电池储能系统的编号，且1≤i≤N，1≤j≤N；
所述电池储能系统由各自的二次电压容错控制器控制，电池储能系统供电源由各自的能级容错控制器控制，通过微电网进行电力传输，所述二次电压容错控制器和能级容错控制器的输入端均与通信网络图
Figure BDA0003297563560000024
的输出端相连，输出端均与对应电池储能系统的输入端相连接；
所述二次电压容错控制器包括局部电压一致性误差计算单元、自适应增益观测单元、电压失效故障处理单元、电压控制输入计算单元、辅助动态参数计算单元、动态事件触发条件计算单元和输入-输出反馈线性化计算单元；所述局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为通信网络图
Figure BDA0003297563560000025
的第j个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure BDA0003297563560000026
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure BDA0003297563560000027
所述自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000031
所述电压失效故障处理单元输入端分别为自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000032
和局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000033
所述电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA0003297563560000034
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)和自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000035
所述辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA0003297563560000036
和ξi(t)；所述动态事件触发条件计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000037
ξi(t)和辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)；所述输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出/>
Figure BDA0003297563560000038
所述能级容错控制器包括局部能级补偿误差计算单元、能级补偿器自适应增益观测单元、动态能级补偿器导数计算单元、辅助动态参数计算单元、动态自触发条件计算单元、能级偏置故障估计单元、能级失效故障处理单元、能级控制输入计算单元、能级导数计算单元；所述局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为通信网络图
Figure BDA0003297563560000039
的第j个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA00032975635600000310
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA00032975635600000311
所述能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000312
所述动态能级补偿器导数计算单元的输入端局部能级补偿误差计算单元的的输出/>
Figure BDA00032975635600000313
所述动态辅助参数计算单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000314
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000315
所述动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000316
能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000317
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000318
能级偏置故障估计单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)和动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)；所述能级失效故障处理单元的输入端为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA00032975635600000319
和能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000320
所述能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA00032975635600000321
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000322
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000326
所述能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出ui(t)经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure BDA00032975635600000324
进一步地，所述电池储能系统的邻接矩阵记作
Figure BDA00032975635600000325
aij是第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间的通信权重，定义为，若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间存在边(i,j)，则aij＝1；若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间不存在边，则aij＝0；i≠j；
无向图
Figure BDA0003297563560000041
的拉普拉斯矩阵表示为/>
Figure BDA0003297563560000042
其中/>
Figure BDA0003297563560000043
为电池储能系统的通信网络的入度矩阵，/>
Figure BDA0003297563560000044
为电池储能系统的邻接矩阵第i行通信权重之和，lij为无向图/>
Figure BDA0003297563560000045
拉普拉斯矩阵中的元素，定义为：
Figure BDA0003297563560000046
进一步地，领导者与电池储能系统的通信邻接矩阵记为
Figure BDA0003297563560000047
其中bi为领导者和第i个电池储能系统之间的通信权重，当第i个电池储能系统能得到领导者的信号时，bi＝1，当第i个电池储能系统能得不到领导者的信号时，bi＝0；由一个领导者和N个电池储能系统所构成的信息交互矩阵为/>
Figure BDA0003297563560000048
进一步地，所述跟随者中第i个电池储能系统的下垂控制电压策略为：
Figure BDA0003297563560000049
其中
Figure BDA00032975635600000410
和/>
Figure BDA00032975635600000411
分别为功率控制器的输出电压的直接分量和二次分量，Vi nom为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值，/>
Figure BDA00032975635600000412
为第i个电池储能系统中功率控制器的下垂控制系数，Qi为第i个电池储能系统输出端测得的瞬时无功功率的基波分量；
结合功率控制器、电流控制器、电压控制器、输出LC滤波器和输出连接器，跟随者中第i个电池储能系统的大信号模型为：
Figure BDA00032975635600000413
其中状态向量xi＝[δi Pi Qi φdi φqi γdi γqi ildi ilqi vodi voqi iodi ioqi]T，分别为第i个电池储能系统参考系相对于公共参考系的角度表示为δi、电压控制器中PI控制器定义的状态辅助变量的直接分量φdi和二次分量φqi、电流控制器中PI控制器定义的辅助状态变量的直接分量γdi和二次分量γqi、LC滤波器输出电流直接分量iodi、二次分量ioqi、输出电压的直接分量vodi和二次分量voqi以及输出连接器的输出电流的直接分量ildi和二次分量ilqi，Di＝[ωcom vbdi vbqi]T，其中ωcom为参考系的旋转频率，vbdi和vbqi分别为输出连接器的输出电压的直接分量和二次分量。ui为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值Vi nom，yi为LC滤波器的输出电压的直接分量vodi；
基于输入-输出反馈线性化控制，选择辅助变量νi，转换后的第i个电池储能系统的动态模型表示为：
Figure BDA0003297563560000051
其中vodi和
Figure BDA0003297563560000052
为LC滤波器的输出电压vod的直接分量及其变化率，/>
Figure BDA0003297563560000053
为电压控制器中控制输入计算单元的输出和执行器失效故障合并后的控制输入。/>
进一步地，所述跟随者中第i个电池储能系统供电电池的动态模型为：
Figure BDA0003297563560000054
其中Ei为第i个电池的能级，Pi *为第i个电池的有功功率，
Figure BDA0003297563560000055
代表微电网中每个电池的异质性，/>
Figure BDA0003297563560000056
Figure BDA0003297563560000057
分别为第i个电池的能级和有功功率控制输入。
第二方面，本发明实施例提出了一种前述控制系统的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、第i个电池储能系统的一致性控制器结构包括二次电压容错控制器和能级容错控制器，在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计二次电压容错控制器；
A1、设计局部电压一致性误差计算单元--局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure BDA0003297563560000058
中第j个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure BDA0003297563560000059
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure BDA00032975635600000510
根据以下公式计算局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000511
Figure BDA00032975635600000512
A2、设计自适应增益观测单元--自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000513
根据以下公式计算自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000514
Figure BDA00032975635600000515
其中
Figure BDA00032975635600000516
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure BDA00032975635600000517
投影到区间/>
Figure BDA00032975635600000518
上，/>
Figure BDA00032975635600000519
和τi是任意正常数，Γ＝PBBTP，其中P由黎卡提方程ATP+PA-PBBTP+Q＝0决定的，并且黎卡提方程中/>
Figure BDA00032975635600000520
B＝[01]T，Q为任意正定矩阵；
A3、设计失效故障处理单元--失效故障处理单元的输入端分别为自适应增益观测单元的输出
Figure BDA0003297563560000061
和局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA0003297563560000062
根据以下公式计算失效故障处理单元的输出Ni(χi)，
Figure BDA0003297563560000063
其中φi为正的设计参数，电压控制增益K＝BTP；
A4、设计电压控制输入计算单元—电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000064
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)、自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000065
根据以下公式计算电压控制输入计算单元的输出νi(t)，/>
Figure BDA0003297563560000066
A5、计算辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000067
和连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)，
Figure BDA0003297563560000068
其中
Figure BDA0003297563560000069
为采样误差，ρi、/>
Figure BDA00032975635600000610
σi和βi均为可调参数；
A6、设计动态事件触发条件计算单元--动态事件触发条件计算单元的输入端分别为辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)、局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000611
和来连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算动态事件触发条件计算单元的输出
Figure BDA00032975635600000612
Figure BDA00032975635600000613
其中θi为可调参数；
A7、设计输入-输出反馈线性化计算单元--输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出
Figure BDA00032975635600000614
根据以下公式计算输入-输出反馈线性化计算单元的输出为电压标称值Vi nom，
Figure BDA00032975635600000615
其中Fi(xi)＝fi(xi)+ki(xi)Di，
Figure BDA00032975635600000616
是hi(xi)关于Fi(xi)的李导数，且定义为
Figure BDA00032975635600000617
定义为/>
Figure BDA00032975635600000618
B、在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计能级容错控制器；
B1、设计局部能级补偿误差计算单元--局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure BDA0003297563560000071
中第j个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA0003297563560000072
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA0003297563560000073
根据以下公式计算局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000074
Figure BDA0003297563560000075
B2、设计能级补偿器自适应增益观测单元--能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000076
根据以下公式计算能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000077
Figure BDA0003297563560000078
/>
其中
Figure BDA00032975635600000735
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure BDA00032975635600000710
投影到区间/>
Figure BDA00032975635600000711
上，/>
Figure BDA00032975635600000712
和/>
Figure BDA00032975635600000713
是任意正常数，/>
Figure BDA00032975635600000714
其中/>
Figure BDA00032975635600000715
由黎卡提方程/>
Figure BDA00032975635600000716
决定的，并且黎卡提方程中S0为任意常数矩阵，/>
Figure BDA00032975635600000717
为单位矩阵，/>
Figure BDA00032975635600000718
为任意正定矩阵；
B3、设计动态能级补偿器导数计算单元--动态能级补偿器导数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000719
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000720
根据以下公式计算动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，
Figure BDA00032975635600000721
其中部分控制增益
Figure BDA00032975635600000722
B4、设计辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000723
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600000724
根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000725
Figure BDA00032975635600000726
其中
Figure BDA00032975635600000727
和/>
Figure BDA00032975635600000728
均为可调参数，αi和γi为任意正常数以及t0为初始时刻；
B5、设计动态自触发条件计算单元--动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000729
能级补偿器自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600000730
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000731
根据以下公式计算动态自触发条件计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000732
Figure BDA00032975635600000733
其中
Figure BDA00032975635600000734
为可调参数；
B6、设计能级偏置故障处理单元--能级偏置故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，根据以下公式计算能级偏置故障处理单元的输出
Figure BDA0003297563560000081
Figure BDA0003297563560000082
其中
Figure BDA0003297563560000083
为向量/>
Figure BDA0003297563560000084
的第j个元素，/>
Figure BDA0003297563560000085
∈i＝Yi(t)-Πiεi(t)为能级功率误差，
Figure BDA0003297563560000086
Πi由线性输出调节方程/>
Figure BDA0003297563560000087
决定，其中/>
Figure BDA0003297563560000088
S＝S0为任意常数矩阵，/>
Figure BDA0003297563560000089
由黎卡提方程
Figure BDA00032975635600000810
决定，其中/>
Figure BDA00032975635600000811
和Ki1为任意常数矩阵，κi为可调参数；
B7、设计能级失效故障处理单元--能级失效故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600000812
能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000813
根据以下公式计算能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000814
Figure BDA00032975635600000815
其中Ki2＝Γi-Ki1Πi，Γi由线性输出调节方程
Figure BDA00032975635600000816
决定；
B8、设计能级控制输入计算单元--能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元的输出
Figure BDA00032975635600000817
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000818
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure BDA00032975635600000819
根据以下公式计算能级控制输入计算单元的输出ui(t)＝[Ei(t),Pi *(t)]T，
Figure BDA00032975635600000820
B9、设计能级导数计算单元--能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出
Figure BDA00032975635600000821
经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure BDA00032975635600000822
根据以下公式计算能级导数计算单元的能级输出Yi(t)＝[Ei,Pi *]T，
Figure BDA0003297563560000091
至此，得到二次电压容错控制器和能级容错控制器的控制输入
Figure BDA0003297563560000092
和/>
Figure BDA0003297563560000093
本发明的有益效果是：
1)本发明提供了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器，针对电池储能系统需要系统的全局信息的问题，每个电池储能系统只通过稀疏通信网络使用来自相邻电池储能系统的局部信息和其自身的信息。因此，控制器是完全分布的，与通信图的全局信息无关，且与集中式方法相比，这在很大程度上减少了计算和通信负担。
2)本发明提供了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器，为避免储能系统之间的连续通信，为储能系统的二次控制器引入了新的动态自触发机制，通过这种方式，每个储能系统不需要连续的检查触发机制中的触发条件，也不需要时刻获取邻居电池储能系统的终端电压，电池能级以及有功功率，这进一步降低了电池储能系统稳态时的通信流量。
3)本发明提供了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器，针对孤岛微电网通信网络信道中执行器故障的不利影响，我们采用Nussbaum函数来处理失效故障，而针对偏置故障，本实施例通过估计其上界而非偏置故障本身，最终得到电压一致性误差，能级同步误差以及有功功率共享误差指数收敛。
总之，本发明针对电池储能系统，提出了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器，能够同时实现电压恢复、能级平衡和有功功率共享，补偿包含任意数量电池储能系统的孤岛微电网通信网络信道中执行器故障的不利影响；同时为储能系统的二次控制器引入了动态触发机制，可以避免储能系统之间的连续通信，通过这种方式，每个储能系统不需要连续的检查触发机制中的触发条件，也不需要时刻获取邻居电池储能系统的终端电压，电池能级以及有功功率，这进一步降低了电池储能系统稳态时的通信流量。
附图说明
图1为本发明中含N个电池储能系统的整体微电网系统示意图。
图2为本发明中第i个电池储能系统二次电压和能级容错控制器的结构示意图。
图3为本发明中各电池储能系统和参考电压之间的通信拓扑图。
图4为本发明中四个电池储能系统在电压失效故障下的输出电压vodi和参考电压图vref。
图5a为本发明中四个电池储能系统在能级失效故障和能级偏置故障下的输出能量Ei同步图。
图5b为本发明中四个电池储能系统在能级失效故障和能级偏置故障下的输出有功功率Pi *共享图。
图6为本发明中四个电池储能系统的电压恢复误差图。
图7a为本发明中四个电池储能系统的能量同步误差图。
图7b为本发明中四个电池储能系统的有功功率共享误差图。
图8为本发明中四个电池储能系统的电压控制输入图。
图9a为本发明中四个电池储能系统的能量控制输入图。
图9b为本发明中四个电池储能系统的有功功率控制输入图。
图10为本发明中分别在本发明方法和自适应方法下，选取不同的电压失效故障大小，2号电池储能系统的电压恢复误差图。
图11a为本发明中分别在本发明方法和现有方法下，选取不同的能级偏执故障大小，1号电池储能系统的能量同步误差图。
图11b为本发明中分别在本发明方法和现有方法下，选取不同的能级偏执故障大小，1号电池储能系统的有功功率共享误差图。
图12a为本发明中分别使用不同触发机制下，1号电池储能系统的能量同步误差图。
图12b为本发明中分别使用不同触发机制下，1号电池储能系统的有功功率共享误差图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
参见图1和图2，本发明提供了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器结构，在该结构中，将物理层的N个异构电池储能系统视为跟随者，领导者至少与一个跟随者之间存在单向通信链路，N个跟随者之间存在无向通信链路，网络通信是与物理层分开的网络信息流层，由一个领导者和N个跟随者通过拓扑图连接构成的，电池储能系统由各自的二次电压容错控制器和控制，电池储能系统供电源由能级容错控制器控制，通过微电网进行电力传输，使得一级控制电压标称值达到参考值，以及每个电池的能级达到平衡。第i(1≤i≤N)个电池储能系统的控制器结构包括二次电压容错控制器和能级容错控制器，二次电压容错控制器和能级容错控制器的输入端均与通信网络图
Figure BDA0003297563560000101
的输出端相连，输出端均与跟随者的输入端相连。第i(1≤i≤N)个电池储能系统的完全分布式二次电压容错控制器包括局部电压一致性误差计算单元、自适应增益观测单元、电压失效故障处理单元、电压控制输入计算单元、辅助动态参数计算单元、动态事件触发条件计算单元和输入-输出反馈线性化计算单元；所述局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为通信网络图/>
Figure BDA0003297563560000102
的第j(1≤j≤N)个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure BDA0003297563560000103
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure BDA0003297563560000104
自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000105
电压失效故障处理单元输入端分别为自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000106
和局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000107
电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA0003297563560000108
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)和自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000109
辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA0003297563560000111
和ξi(t)；动态事件触发条件计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000112
ξi(t)和辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)；输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出/>
Figure BDA0003297563560000113
第i(1≤i≤N)个电池储能系统的完全分布式能级容错控制器包括局部能级补偿误差计算单元、能级补偿器自适应增益观测单元、动态能级补偿器导数计算单元、辅助动态参数计算单元、动态自触发条件计算单元、能级偏置故障估计单元、能级失效故障处理单元、能级控制输入计算单元、能级导数计算单元；局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为通信网络图
Figure BDA0003297563560000114
的第j(1≤j≤N)个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA0003297563560000115
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA0003297563560000116
能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000117
动态能级补偿器导数计算单元的输入端局部能级补偿误差计算单元的的输出/>
Figure BDA0003297563560000118
动态辅助参数计算单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000119
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001110
动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001111
能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001112
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001113
能级偏置故障估计单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)和动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)；能级失效故障处理单元的输入端为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA00032975635600001114
和能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001115
能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA00032975635600001116
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001117
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001118
能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出ui(t)经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure BDA00032975635600001119
考虑由N个电池储能系统组成的跟随者群体与一个领导者之间通过通信拓扑图连接成的多智能体网络，领导者与至少一个电池储能系统之间存在通信连接，N个电池储能系统之间存在通信连接，电池储能系统之间的通信采用无向图
Figure BDA00032975635600001120
表示，其中/>
Figure BDA00032975635600001121
是节点集合，/>
Figure BDA00032975635600001122
为边的集合，i为第i个电池储能系统，j为第j个电池储能系统；边(i,j)(i≠j)表示第i个电池储能系统可以获得第j个电池储能系统的信息。电池储能系统的邻接矩阵记作/>
Figure BDA00032975635600001123
aij是第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间的通信权重，定义为，若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间存在边(i,j)(i≠j)，则aij＝1；若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间不存在边，则aij＝0。
无向图
Figure DA00032975635666424392
的拉普拉斯矩阵表示为/>
Figure BDA00032975635600001125
其中
Figure BDA0003297563560000121
为电池储能系统的通信网络的入度矩阵，/>
Figure BDA0003297563560000122
为电池储能系统的邻接矩阵第i行通信权重之和，lij为无向图/>
Figure BDA0003297563560000123
拉普拉斯矩阵中的元素，定义为
Figure BDA0003297563560000124
领导者与电池储能系统的通信邻接矩阵记为
Figure BDA0003297563560000125
其中bi为领导者和第i个电池储能系统之间的通信权重，当第i个电池储能系统能得到领导者的信号时，bi＝1，当第i个电池储能系统能得不到领导者的信号时，bi＝0；由一个领导者和N个电池储能系统所构成的信息交互矩阵为/>
Figure BDA0003297563560000126
跟随者中第i个电池储能系统的下垂控制电压策略为
Figure BDA0003297563560000127
其中
Figure BDA0003297563560000128
和/>
Figure BDA0003297563560000129
分别为功率控制器的输出电压的直接分量和二次分量，Vi nom为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值，/>
Figure BDA00032975635600001210
为第i个电池储能系统中功率控制器的下垂控制系数，Qi为第i个电池储能系统输出端测得的瞬时无功功率的基波分量。
结合功率控制器、电流控制器、电压控制器、输出LC滤波器和输出连接器，跟随者中第i个电池储能系统的大信号模型为
Figure BDA00032975635600001211
其中状态向量xi＝[δi Pi Qi φdi φqi γdi γqi ildi ilqi vodi voqi iodi ioqi]T，分别为第i个电池储能系统参考系相对于公共参考系的角度表示为δi、电压控制器中PI控制器定义的状态辅助变量的直接分量φdi和二次分量φqi、电流控制器中PI控制器定义的辅助状态变量的直接分量γdi和二次分量γqi、LC滤波器输出电流直接分量iodi、二次分量ioqi、输出电压的直接分量vodi和二次分量voqi以及输出连接器的输出电流的直接分量ildi和二次分量ilqi，Di＝[ωcom vbdi vbqi]T，其中ωcom为参考系的旋转频率，vbdi和vbqi分别为输出连接器的输出电压的直接分量和二次分量。ui为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值Vi nom，yi为LC滤波器的输出电压的直接分量vodi。
基于输入-输出反馈线性化控制，选择辅助变量νi，转换后的第i个电池储能系统的动态模型可表示为
Figure BDA00032975635600001212
其中vodi和
Figure BDA00032975635600001213
为LC滤波器的输出电压vod的直接分量及其变化率，/>
Figure BDA00032975635600001214
为电压控制器中控制输入计算单元的输出和执行器失效故障合并后的控制输入。
跟随者中第i个电池储能系统供电电池的动态模型为：
Figure BDA0003297563560000131
其中Ei为第i个电池的能级，Pi *为第i个电池的有功功率，
Figure BDA0003297563560000132
代表微电网中每个电池的异质性，/>
Figure BDA0003297563560000133
Figure BDA0003297563560000134
分别为第i个电池的能级和有功功率控制输入。
本发明还提供了一种基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制器的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、第i个电池储能系统的一致性控制器结构包括二次电压容错控制器和能级容错控制器，在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计二次电压容错控制器；
A1、设计局部电压一致性误差计算单元--局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure BDA0003297563560000135
中第j个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure BDA0003297563560000136
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure BDA0003297563560000137
根据以下公式计算局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000138
Figure BDA0003297563560000139
A2、设计自适应增益观测单元--自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600001310
根据以下公式计算自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600001311
Figure BDA00032975635600001312
其中
Figure BDA00032975635600001313
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure BDA00032975635600001314
投影到区间/>
Figure BDA00032975635600001315
上，/>
Figure BDA00032975635600001316
和τi是任意正常数，Γ＝PBBTP，其中P由黎卡提方程ATP+PA-PBBTP+Q＝0决定的，并且黎卡提方程中/>
Figure BDA00032975635600001317
B＝[0 1]T，Q为任意正定矩阵；
A3、设计失效故障处理单元--失效故障处理单元的输入端分别为自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600001318
和局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure BDA00032975635600001319
根据以下公式计算失效故障处理单元的输出Ni(χi)，
Figure BDA00032975635600001320
其中φi为正的设计参数，电压控制增益K＝BTP；
A4、设计电压控制输入计算单元—电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000141
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)、自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000142
根据以下公式计算电压控制输入计算单元的输出νi(t)，
Figure BDA0003297563560000143
A5、计算辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000144
和连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)，
Figure BDA0003297563560000145
其中
Figure BDA0003297563560000146
为采样误差，ρi、/>
Figure BDA0003297563560000147
σi和βi均为可调参数；
A6、设计动态事件触发条件计算单元--动态事件触发条件计算单元的输入端分别为辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)、局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000148
和来连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算动态事件触发条件计算单元的输出
Figure BDA0003297563560000149
Figure BDA00032975635600001410
其中θi为可调参数；
A7、设计输入-输出反馈线性化计算单元--输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出
Figure BDA00032975635600001411
根据以下公式计算输入-输出反馈线性化计算单元的输出为电压标称值/>
Figure BDA00032975635600001412
Figure BDA00032975635600001413
其中Fi(xi)＝fi(xi)+ki(xi)Di，
Figure BDA00032975635600001414
是hi(xi)关于Fi(xi)的李导数，且定义为
Figure BDA00032975635600001415
Figure BDA00032975635600001416
定义为/>
Figure BDA00032975635600001417
B、在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计能级容错控制器；
B1、设计局部能级补偿误差计算单元--局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure BDA00032975635600001418
中第j个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA00032975635600001419
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure BDA00032975635600001420
根据以下公式计算局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001421
Figure BDA00032975635600001422
B2、设计能级补偿器自适应增益观测单元--能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA0003297563560000151
根据以下公式计算能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA0003297563560000152
Figure BDA0003297563560000153
其中
Figure BDA00032975635600001532
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure BDA0003297563560000155
投影到区间/>
Figure BDA0003297563560000156
上，/>
Figure BDA0003297563560000157
和
Figure BDA0003297563560000158
是任意正常数，/>
Figure BDA0003297563560000159
其中/>
Figure BDA00032975635600001510
由黎卡提方程/>
Figure BDA00032975635600001511
决定的，并且黎卡提方程中S0为任意常数矩阵，/>
Figure BDA00032975635600001512
为单位矩阵，/>
Figure BDA00032975635600001513
为任意正定矩阵；
B3、设计动态能级补偿器导数计算单元--动态能级补偿器导数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600001514
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001515
根据以下公式计算动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，/>
Figure BDA00032975635600001516
其中部分控制增益
Figure BDA00032975635600001517
B4、设计辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600001518
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600001519
根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001520
Figure BDA00032975635600001521
其中
Figure BDA00032975635600001522
和/>
Figure BDA00032975635600001523
均为可调参数，αi和γi为任意正常数以及t0为初始时刻；
B5、设计动态自触发条件计算单元--动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600001524
能级补偿器自适应增益观测单元的输出
Figure BDA00032975635600001525
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001526
根据以下公式计算动态自触发条件计算单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001527
Figure BDA00032975635600001528
其中
Figure BDA00032975635600001529
为可调参数；
B6、设计能级偏置故障处理单元--能级偏置故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，根据以下公式计算能级偏置故障处理单元的输出
Figure BDA00032975635600001530
Figure BDA00032975635600001531
其中
Figure BDA0003297563560000161
为向量/>
Figure BDA0003297563560000162
的第j个元素，/>
Figure BDA0003297563560000163
∈i＝Yi(t)-Πiεi(t)为能级功率误差，
Figure BDA0003297563560000164
Πi由线性输出调节方程/>
Figure BDA0003297563560000165
决定，其中
Figure BDA0003297563560000166
S＝S0为任意常数矩阵，/>
Figure BDA0003297563560000167
由黎卡提方程
Figure BDA0003297563560000168
决定，其中/>
Figure BDA0003297563560000169
和Ki1为任意常数矩阵，κi为可调参数；
B7、设计能级失效故障处理单元--能级失效故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出
Figure BDA00032975635600001610
能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001611
根据以下公式计算能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001612
/>
Figure BDA00032975635600001613
其中Ki2＝Γi-Ki1Πi，Γi由线性输出调节方程
Figure BDA00032975635600001614
决定；
B8、设计能级控制输入计算单元--能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元的输出
Figure BDA00032975635600001615
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001616
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure BDA00032975635600001617
根据以下公式计算能级控制输入计算单元的输出ui(t)＝[Ei(t),Pi *(t)]T，
Figure BDA00032975635600001618
B9、设计能级导数计算单元--能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出
Figure BDA00032975635600001619
经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure BDA00032975635600001620
根据以下公式计算能级导数计算单元的能级输出Yi(t)＝[Ei,Pi *]T，
Figure BDA00032975635600001621
至此，得到二次电压容错控制器和能级容错控制器的控制输入
Figure BDA00032975635600001622
和/>
Figure BDA00032975635600001623
本发明选取四个电池储能系统作为跟随者，即由四个跟随者和一个领导者组成的多智能体系统，且领导者至少与一个跟随者之间存在有向通信链路，四个跟随者之间存在通信链路，且至少存在一个智能体可通过有限的通信链路到达任意智能体，具体通信拓扑如图3所示，其中0为领导者的编号，1、2、3、4为四个跟随者的编号，进一步可以得到通信拓扑的拉普拉斯矩阵如下：
Figure BDA0003297563560000171
领导者邻接矩阵
Figure BDA0003297563560000172
本实施例中，系统控制的目标是在无向通信拓扑下，对四个跟随者的状态电压和输出能级进行控制，本实例设计的控制器能够有效节约电池储能系统之间的通信流量，解决多微电网中存在执行器故障的容错控制问题，使得电池储能系统的状态电压vodi，i＝1,2,3,4跟踪上参考电压值，输出能级Yi，i＝1,2,3,4达到一致。
本实施例中第i个电池储能系统内包括功率控制器、电压控制器、电流控制器以及LC滤波器、输出接口和供电电池。
功率控制器的动态模型为
Figure BDA0003297563560000173
其中，vodi和voqi为本地电池储能系统中逆变器输出电压经LC滤波器后的电压voi的直接分量和二次分量，iodi和ioqi为本地电池储能系统中逆变器直接输出电流ioi的直接分量和二次分量，Pi和Qi分别为逆变器输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率的基波分量，ωci为低通滤波器中的截止频率。
电压控制器的动态模型为
Figure BDA0003297563560000174
其中，
Figure BDA0003297563560000175
和/>
Figure BDA0003297563560000176
分别为功率控制器的输出电压的直接分量和二次分量，/>
Figure BDA0003297563560000177
和/>
Figure BDA0003297563560000178
分别为电压控制器的输出电压的直接分量和二次分量，Fi为电压控制器的前馈增益，ωb为电池储能系统一次控制的频率标称值，Cfi为电压控制器中的电容大小，KPVi和KIVi分别为电压控制器中PI控制器的比例和积分系数。
电流控制器的动态模型为
Figure BDA0003297563560000179
其中，ildi和ilqi分别为逆变器输出电流的直接分量和二次分量，Lfi为电流控制器中的电感大小，KPCi和KICi分别为电流控制器中PI控制器的比例和积分系数。
LC滤波器和输出接口的动态模型为
Figure BDA0003297563560000181
其中，ωi为第i个电池储能系统的参考系的旋转角频率，Rfi、Lfi和Cfi分别为LC滤波器中电阻、电感和电容的大小，Rci和Lci为输出接口中的电阻和电感大小。
供电电池的动态模型为
Figure BDA0003297563560000182
其中Ei为第i个电池的能级，Pi *为第i个电池的有功功率，
Figure BDA0003297563560000183
代表微电网中每个电池的异质性，/>
Figure BDA0003297563560000184
Figure BDA0003297563560000185
分别为第i个电池的能级和有功功率控制输入。
在本实施例中，多微电网是由四个电池储能系统组成的，各电池储能系统模型参数选择如下：
Figure BDA0003297563560000186
/>
Figure BDA0003297563560000191
针对该系统，根据图2可设计第i个电池储能系统的容错分布式二次电压控制和能级控制：
Figure BDA0003297563560000192
/>
Figure BDA0003297563560000193
具体的控制参数选择为τi＝1,
Figure BDA0003297563560000201
φi＝3,ρi＝2,/>
Figure BDA00032975635600002015
σi＝0.5,θi＝0.1,i＝1,2,3,4,/>
Figure BDA0003297563560000202
i＝1,2,3,4。二次电压控制和能级控制在微电网孤岛运行3s后加入，电压失效故障一直存在，40s后出现能级失效故障和能级偏置故障。
跟随者中第i个电池储能系统的动态模型可表示为
Figure BDA0003297563560000203
其中状态向量xi＝[δi Pi Qi φdi φqi γdi γqi ildi ilqi vodi voqi iodi ioqi]T，分别为第i个电池储能系统参考系相对于公共参考系的角度表示为δi、电压控制器中PI控制器定义的状态辅助变量的直接分量φdi和二次分量φqi、电流控制器中PI控制器定义的辅助状态变量的直接分量γdi和二次分量γqi、LC滤波器输出电流直接分量iodi、二次分量ioqi、输出电压的直接分量vodi和二次分量voqi以及输出连接器的输出电流的直接分量ildi和二次分量ilqi，Di＝[ωcom vbdi vbqi]T，其中ωcom为参考系的旋转频率，vbdi和vbqi分别为输出连接器的输出电压的直接分量和二次分量。ui为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值Vi nom，yi为LC滤波器的输出电压的直接分量vodi。
基于输入-输出反馈线性化控制，选择辅助变量νi，转换后的第i个电池储能系统的动态模型可表示为
Figure BDA0003297563560000204
其中vodi和
Figure BDA0003297563560000205
为LC滤波器的输出电压vod的直接分量及其变化率，/>
Figure BDA0003297563560000206
为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出。然后，通过输入-输出反馈线性化计算单元的输出计算得到电压标称值Vi nom，
Figure BDA0003297563560000207
其中Fi(xi)＝fi(xi)+ki(xi)Di，
Figure BDA0003297563560000208
是hi(xi)关于Fi(xi)的李导数，且定义为
Figure BDA0003297563560000209
Figure BDA00032975635600002010
定义为/>
Figure BDA00032975635600002011
能级控制输入计算单元的输出
Figure BDA00032975635600002012
经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure BDA00032975635600002013
通过能级导数计算单元计算得能级输出Yi(t)＝[Ei,Pi *]T，
Figure BDA00032975635600002014
如图4-图9b所示，在电压控制输入的作用下，多微电网中的四个电池储能系统的输出电压vodi在发生电压失效故障的情况下，可以恢复到标称值；在能级控制输入作用下，能量Ei和有功功率Pi *在发生能级失效故障和偏执故障的情况下，仍然能够达到一致，且四个电池储能系统的一致性误差收敛到0。在表1两种情况下，图10表示了2号电池储能系统电压恢复误差，可以看出在情况1(μi较大时)下，两种方法下误差差不多，均可以收敛至零。当减小μi的值，应用自适应参数的方法，电压恢复误差较大，而本发明方法依然可以保证电池储能系统的输出电压恢复到标称值。
表1各个电池储能系统的电压失效故障大小
μ1 μ2 μ3 μ4
情况1 0.5 0.1 0.4 0.2
情况2 0.05 0.01 0.01 0.02
在表2两种情况下，应用本发明方法和现有方法来处理执行器偏置故障。
表2各个电池储能系统的能级偏置故障大小
Figure BDA0003297563560000211
图11a和图11b分别表示了1号电池储能系统的能量同步误差和有功功率共享误差。从图中可以看出，40s前执行器不存在偏置故障时，两种方法下，功率共享误差和能量同步误差均能很好的收敛至0。当在40s时，执行器出现故障，本实施例方法依然可以保证电池储能系统达到能量同步和功率共享，而若只使用自适应控制策略，发生执行器偏置故障时，无法达到控制目标。可以看到，无论故障大小，本实施例控制策略均可以很好的处理执行器故障，达到系统控制目标。
表3分别描述了在时间触发，静态自触发，动态自触发三种触发方式下，每个电池储能系统的触发次数。图12a和12b表示应用上述三种触发机制，电池储能系统的电压恢复误差，可以看出，三种触发机制的误差是一样的，说明了本实施例的触发机制在不损失系统性能的同时需要更少的触发次数。
表3三种触发机制下各个电池储能系统的触发次数
电池储能系统1 电池储能系统2 电池储能系统3 电池储能系统4
时间触发 100000 100000 100000 100000
静态自触发 1989 2013 2040 2010
动态自触发 1365 1380 1392 1379
本发明基于多微电网二次控制、事件触发机制和自适应技术在无向通信网络下实现了多电池储能系统完全分布式二次电压和能级控制。针对电池储能系统的电压控制，首先，为每个电池储能系统估计自适应耦合增益，设计Nussbaum函数来处理电压失效故障；其次，设计动态事件触发机制，避免储能系统之间的连续通信；最后，基于输入-输出反馈线性化，将二次电压控制输出电压提供给下垂控制，进行调节。针对电池能级控制，首先，为了设计异构电池系统的触发机制，引入了每个电池的能级动态补偿器，因此，可以利用一个具有均匀结构的虚拟层来设计可行的触发机制；接着，通过估计能级偏置故障的上界处理能级偏执故障，以及设计Nussbaum函数来处理能级失效故障。基于上述设计，所提出的基于动态触发的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制策略，既有效解决了电压能级失效故障和能级偏置故障问题，又在保证电压恢复，能级同步的同时避免了电池储能系统之间的连续通信。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，其特征在于，所述控制系统的控制对象包括给定参考电压的领导者和N个异构电池储能系统的跟随者，N≥1；领导者与至少一个跟随者之间存在单向通信链路，N个跟随者之间存在无向通信链路；电池储能系统之间的通信网络图采用无向图
Figure FDA0003297563550000011
表示，其中/>
Figure FDA0003297563550000012
是节点集合，/>
Figure FDA0003297563550000013
为边的集合，边(i,j)表示第i个电池储能系统可以获得第j个电池储能系统的信息，i≠j；i、j为所述电池储能系统的编号，且1≤i≤N，1≤j≤N；
所述电池储能系统由各自的二次电压和能级容错控制器控制，通过微电网进行电力传输，所述二次电压和能级容错控制器的输入端均与通信网络图
Figure FDA0003297563550000014
的输出端相连，输出端均与对应电池储能系统的输入端相连接；
所述二次电压容错控制器包括局部电压一致性误差计算单元、自适应增益观测单元、电压失效故障处理单元、电压控制输入计算单元、辅助动态参数计算单元、动态事件触发条件计算单元和输入-输出反馈线性化计算单元；所述局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为通信网络图
Figure FDA0003297563550000015
的第j个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure FDA0003297563550000016
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure FDA0003297563550000017
所述自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000018
所述电压失效故障处理单元输入端分别为自适应增益观测单元的输出
Figure FDA0003297563550000019
和局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000110
所述电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure FDA00032975635500000111
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)和自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000112
所述辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure FDA00032975635500000113
和ξi(t)；所述动态事件触发条件计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000114
ξi(t)和辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)；所述输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出/>
Figure FDA00032975635500000115
所述能级容错控制器包括局部能级补偿误差计算单元、能级补偿器自适应增益观测单元、动态能级补偿器导数计算单元、辅助动态参数计算单元、动态自触发条件计算单元、能级偏置故障估计单元、能级失效故障处理单元、能级控制输入计算单元、能级导数计算单元；所述局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为通信网络图
Figure FDA00032975635500000116
的第j个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure FDA00032975635500000117
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure FDA00032975635500000118
所述能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000119
所述动态能级补偿器导数计算单元的输入端局部能级补偿误差计算单元的的输出/>
Figure FDA00032975635500000120
所述动态辅助参数计算单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000021
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000022
所述动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000023
能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000024
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000025
能级偏置故障估计单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)和动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)；所述能级失效故障处理单元的输入端为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure FDA0003297563550000026
和能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000027
所述能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出/>
Figure FDA0003297563550000028
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000029
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000221
所述能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出ui(t)经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出/>
Figure FDA00032975635500000211
2.根据权利要求1所述的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，其特征在于，所述电池储能系统的邻接矩阵记作
Figure FDA00032975635500000212
aij是第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间的通信权重，定义为，若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间存在边(i,j)，则aij＝1；若第i个电池储能系统和第j个电池储能系统之间不存在边，则aij＝0；i≠j；
无向图
Figure FDA00032975635500000213
的拉普拉斯矩阵表示为/>
Figure FDA00032975635500000214
其中
Figure FDA00032975635500000215
为电池储能系统的通信网络的入度矩阵，/>
Figure FDA00032975635500000216
为电池储能系统的邻接矩阵第i行通信权重之和，lij为无向图/>
Figure FDA00032975635500000217
拉普拉斯矩阵中的元素，定义为：
Figure FDA00032975635500000218
3.根据权利要求2所述的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，其特征在于，领导者与电池储能系统的通信邻接矩阵记为
Figure FDA00032975635500000219
其中bi为领导者和第i个电池储能系统之间的通信权重，当第i个电池储能系统能得到领导者的信号时，bi＝1，当第i个电池储能系统能得不到领导者的信号时，bi＝0；由一个领导者和N个电池储能系统所构成的信息交互矩阵为/>
Figure FDA00032975635500000220
4.根据权利要求1所述的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，其特征在于，所述跟随者中第i个电池储能系统的下垂控制电压策略为：
Figure FDA0003297563550000031
其中
Figure FDA0003297563550000032
和/>
Figure FDA0003297563550000033
分别为功率控制器的输出电压的直接分量和二次分量，Vi nom为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值，/>
Figure FDA0003297563550000034
为第i个电池储能系统中功率控制器的下垂控制系数，Qi为第i个电池储能系统输出端测得的瞬时无功功率的基波分量；/>
结合功率控制器、电流控制器、电压控制器、输出LC滤波器和输出连接器，跟随者中第i个电池储能系统的大信号模型为：
Figure FDA0003297563550000035
其中状态向量xi＝[δi Pi Qi φdi φqi γdi γqi ildi ilqi vodi voqi iodi ioqi]T，分别为第i个电池储能系统参考系相对于公共参考系的角度表示为δi、电压控制器中PI控制器定义的状态辅助变量的直接分量φdi和二次分量φqi、电流控制器中PI控制器定义的辅助状态变量的直接分量γdi和二次分量γqi、LC滤波器输出电流直接分量iodi、二次分量ioqi、输出电压的直接分量vodi和二次分量voqi以及输出连接器的输出电流的直接分量ildi和二次分量ilqi，Di＝[ωcom vbdi vbqi]T，其中ωcom为参考系的旋转频率，vbdi和vbqi分别为输出连接器的输出电压的直接分量和二次分量；ui为第i个电池储能系统下垂控制的电压标称值Vi nom，yi为LC滤波器的输出电压的直接分量vodi；
基于输入-输出反馈线性化控制，选择辅助变量νi，转换后的第i个电池储能系统的动态模型表示为：
Figure FDA0003297563550000036
其中vodi和
Figure FDA0003297563550000037
为LC滤波器的输出电压vod的直接分量及其变化率，/>
Figure FDA0003297563550000038
为电压控制器中控制输入计算单元的输出和执行器失效故障合并后的控制输入。
5.根据权利要求4所述的多微电网完全分布式二次电压和能级容错控制系统，其特征在于，所述跟随者中第i个电池储能系统供电电池的动态模型为：
Figure FDA0003297563550000039
其中Ei为第i个电池的能级，Pi *为第i个电池的有功功率，
Figure FDA00032975635500000310
代表微电网中每个电池的异质性，/>
Figure FDA00032975635500000311
Figure FDA00032975635500000312
分别为第i个电池的能级和有功功率控制输入。
6.一种基于权利要求1-4任一项中的控制系统的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、第i个电池储能系统的一致性控制器结构包括二次电压容错控制器和能级容错控制器，在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计二次电压容错控制器；
A1、设计局部电压一致性误差计算单元--局部电压一致性误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure FDA0003297563550000041
中第j个电池储能系统触发时刻的输出电压/>
Figure FDA0003297563550000042
电池储能系统的邻接通信权重aij、领导者的邻接通信权重bi、领导者的输出标称电压v0(t)、第i个电池储能系统触发时刻的电压/>
Figure FDA0003297563550000043
根据以下公式计算局部电压一致性误差计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000044
Figure FDA0003297563550000045
/>
A2、设计自适应增益观测单元--自适应增益观测单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA0003297563550000046
根据以下公式计算自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000047
Figure FDA0003297563550000048
其中
Figure FDA0003297563550000049
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure FDA00032975635500000410
投影到区间/>
Figure FDA00032975635500000411
上，/>
Figure FDA00032975635500000412
和τi是任意正常数，Γ＝PBBTP，其中P由黎卡提方程ATP+PA-PBBTP+Q＝0决定的，并且黎卡提方程中
Figure FDA00032975635500000413
B＝[0 1]T，Q为任意正定矩阵；
A3、设计失效故障处理单元--失效故障处理单元的输入端分别为自适应增益观测单元的输出
Figure FDA00032975635500000414
和局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出/>
Figure FDA00032975635500000415
根据以下公式计算失效故障处理单元的输出Ni(χi)，
Figure FDA00032975635500000416
其中φi为正的设计参数，电压控制增益K＝BTP；
A4、设计电压控制输入计算单元—电压控制输入计算单元的输入端分别为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA00032975635500000417
电压失效故障处理单元的输出Ni(χi)、自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000418
根据以下公式计算电压控制输入计算单元的输出νi(t)，
Figure FDA00032975635500000419
A5、计算辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端为局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA00032975635500000420
和连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)，
Figure FDA00032975635500000421
其中
Figure FDA0003297563550000051
为采样误差，ρi、/>
Figure FDA0003297563550000052
σi和βi均为可调参数；
A6、设计动态事件触发条件计算单元--动态事件触发条件计算单元的输入端分别为辅助动态参数计算单元的输出ηi(t)、局部电压一致性误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA0003297563550000053
和来连续时间的输出ξi(t)，根据以下公式计算动态事件触发条件计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000054
Figure FDA0003297563550000055
其中θi为可调参数；
A7、设计输入-输出反馈线性化计算单元--输入-输出反馈线性化计算单元的输入端为电压控制输入计算单元的输出νi(t)经过执行器失效故障单元后的输出
Figure FDA0003297563550000056
根据以下公式计算输入-输出反馈线性化计算单元的输出为电压标称值Vi nom，
Figure FDA0003297563550000057
其中Fi(xi)＝fi(xi)+ki(xi)Di，LFihi是hi(xi)关于Fi(xi)的李导数，且定义为
Figure FDA0003297563550000058
Figure FDA0003297563550000059
定义为/>
Figure FDA00032975635500000510
B、在第i个电池储能系统的一致性控制器中，设计能级容错控制器；
B1、设计局部能级补偿误差计算单元--局部能级补偿误差计算单元的输入端分别为无向图
Figure FDA00032975635500000511
中第j个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure FDA00032975635500000512
电池储能系统的邻接通信权重aij和第i个电池储能系统触发时刻的能级补偿信号/>
Figure FDA00032975635500000513
根据以下公式计算局部能级补偿误差计算单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000514
Figure FDA00032975635500000515
B2、设计能级补偿器自适应增益观测单元--能级补偿器自适应增益观测单元的输入端为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA00032975635500000516
根据以下公式计算能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000517
Figure FDA00032975635500000518
其中
Figure FDA00032975635500000529
表示投影算子，其目标是将参数/>
Figure FDA00032975635500000520
投影到区间/>
Figure FDA00032975635500000521
上，/>
Figure FDA00032975635500000522
和/>
Figure FDA00032975635500000523
是任意正常数，/>
Figure FDA00032975635500000524
其中/>
Figure FDA00032975635500000525
由黎卡提方程/>
Figure FDA00032975635500000526
决定的，并且黎卡提方程中S0为任意常数矩阵，/>
Figure FDA00032975635500000527
为单位矩阵，/>
Figure FDA00032975635500000528
为任意正定矩阵；
B3、设计动态能级补偿器导数计算单元--动态能级补偿器导数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA0003297563550000061
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000062
根据以下公式计算动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，
Figure FDA0003297563550000063
其中部分控制增益
Figure FDA0003297563550000064
B4、设计辅助动态参数计算单元--辅助动态参数计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA0003297563550000065
和能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000066
根据以下公式计算辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000067
Figure FDA0003297563550000068
其中
Figure FDA0003297563550000069
和/>
Figure FDA00032975635500000610
均为可调参数，αi和γi为任意正常数以及t0为初始时刻；
B5、设计动态自触发条件计算单元--动态自触发条件计算单元的输入端分别为局部能级补偿误差计算单元触发时刻的输出
Figure FDA00032975635500000611
能级补偿器自适应增益观测单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000612
和辅助动态参数计算单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000613
根据以下公式计算动态自触发条件计算单元的输出
Figure FDA00032975635500000614
Figure FDA00032975635500000615
其中
Figure FDA00032975635500000616
为可调参数；
B6、设计能级偏置故障处理单元--能级偏置故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元的输出εi(t)，根据以下公式计算能级偏置故障处理单元的输出
Figure FDA00032975635500000617
Figure FDA00032975635500000618
其中
Figure FDA00032975635500000619
为向量/>
Figure FDA00032975635500000620
的第j个元素，/>
Figure FDA00032975635500000621
为能级功率误差，
Figure FDA00032975635500000622
Πi由线性输出调节方程/>
Figure FDA00032975635500000623
决定，其中
Figure FDA00032975635500000624
S＝S0为任意常数矩阵，/>
Figure FDA00032975635500000625
由黎卡提方程
Figure FDA00032975635500000626
决定，其中/>
Figure FDA00032975635500000627
和Ki1为任意常数矩阵，κi为可调参数；
B7、设计能级失效故障处理单元--能级失效故障处理单元的输入端分别为能级导数计算单元输出Yi＝[Ei,Pi *]T、动态能级补偿器导数计算单元触发时刻的输出
Figure FDA00032975635500000628
能级偏置故障处理单元的输出/>
Figure FDA00032975635500000629
根据以下公式计算能级失效故障处理单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000071
Figure FDA0003297563550000072
其中Ki2＝Γi-Ki1Πi，Γi由线性输出调节方程
Figure FDA0003297563550000073
决定；
B8、设计能级控制输入计算单元--能级控制输入计算单元的输入端分别为能级导数计算单元的输出Yi(t)、动态能级补偿器导数计算单元的输出
Figure FDA0003297563550000074
能级失效故障处理单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000075
和能级偏置故障估计单元的输出/>
Figure FDA0003297563550000076
根据以下公式计算能级控制输入计算单元的输出ui(t)＝[Ei(t),Pi *(t)]T，/>
Figure FDA0003297563550000077
B9、设计能级导数计算单元--能级导数计算单元的输入端为能级控制输入计算单元的输出
Figure FDA0003297563550000078
经过能级容错控制器中执行器失效故障和偏置故障后的输出
Figure FDA0003297563550000079
根据以下公式计算能级导数计算单元的能级输出Yi(t)＝[Ei,Pi *]T，
Figure FDA00032975635500000710
至此，得到二次电压容错控制器和能级容错控制器的控制输入
Figure FDA00032975635500000711
和/>
Figure FDA00032975635500000712
/>
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GR01 Patent grant
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