CN114709834B - 一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法，在观测之前根据滞后校正的原理得到补偿环节的系数，然后开始观测步骤；观测开始后，每个分布式电源都通过与相邻的分布式电源进行通信并计算观测偏差，再通过补偿环节来抑制通信延时的影响，再将补偿环节处理后的结果进行累加，最后结合前馈环节计算得到新的平均电压观测值，并循环执行观测步骤。本发明能够显著降低通信延时对收敛速度的影响，能够在存在通信延时的微电网控制系统中，实现众多分布式电源对平均电压的快速且精确的观测效果，从而能够提高微电网电压控制的整体控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及微电网分布式控制技术领域，是一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法。
背景技术
电力系统的安全稳定运行对提高国民生活水平和社会生产力具有重要意义，但是目前，传统化石燃料能源发电面临着日渐短缺和环境污染等问题。相比于化石能源，太阳能、风能、潮汐能等新能源取之不尽、用之不竭，并且具有清洁、污染少等特点。通常，这些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以及分布式电源之间的功率均分。
为保证安全、可靠运行，微电网多采用分级控制技术，初级控制、次级控制以及三级控制。初级控制基于下垂控制实现输出电压稳定，并维持输出功率与负载需求之间的平衡。次级控制用来补偿初级控制所带来的输出电压与频率上的偏差，以及实现有功和无功功率的均分。三级控制是优化管理层，主要功能是微电网经济运行和能量管理层次的控制。在次级控制中，由于输出阻抗和线路阻抗不匹配，导致电压精确调节和精确的无功功率均分被公认为无法同时实现。面对这个问题，通常会选择牺牲电压调节的精度以换取精确的无功功率均分。为了最大程度上减小电压偏差，需要将微电网中的平均电压调节至参考值。然而在分布式控制中，每个分布式电源无法直接获取平均电压，为此需要分布式平均电压观测器的协助。但是在分布式通信网络中，通信延时在所难免，而通信延时会使得分布式平均电压观测器的收敛速度急剧下降，甚至会使得观测器失稳。在通信延时的影响下，为了保证稳定性，传统的分布式平均电压观测方法只能大幅降低观测增益，以极低的收敛速度运行。这会造成微电网控制系统的整体控制效果下降。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法，以期能够显著降低通信延时对观测收敛速度的影响，并在存在通信延时的微电网控制系统中，实现众多分布式电源对平均电压的快速且精确的观测效果，从而能够提高微电网控制系统中电压控制的收敛速度和鲁棒性，最终改善微电网中输出电压的质量。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法的特点在于，包含以下步骤：
步骤1，分布式电源将自身平均电压的观测值发送给邻居分布式电源；
步骤2，在考虑通信延时的条件下，第i个分布式电源利用式(1)对所接受到邻居分布式电源发送的平均电压观测值进行观测偏差计算，得到第i个分布式电源在k时刻的观测偏差
式(1)中，τ表示延时上限，Ni表示第i个分布式电源的邻居分布式电源集合，表示第i个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，/>表示第j个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，且当k≤0时，/>
步骤3，在补偿环节中对利用式(2)对观测偏差进行处理，得到第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的输出值Oi(k)；
式(2)中，a是补偿环节的系统系数，b是补偿环节的输入系数，c是补偿环节的输出系数，d是补偿环节的直接传递系数，si(k)是第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的状态量，si(k-1)是第i个分布式电源的补偿环节在k-1时刻的状态量，且当k≤0时，si(k)＝0；
步骤4，利用式(3)对补偿环节的输出值Oi(k)进行累加操作，得到第i个分布式电源在k时刻的累加结果Mi(k)；
Mi(k)＝Mi(k-1)+Oi(k) (3)
式(3)中，Mi(k-1)是第i个分布式电源在k-1时刻的累加结果，且当k≤0时，Mi(k)＝0；
步骤5，利式(4)得到第i个分布式电源在k时刻的平均电压观测值
式(4)中，Ei(k)是第i个分布式电源在k时刻测量的本地输出电压幅值，K是观测增益，KpOi(k)是第i个分布式电源在k时刻前馈环节的输出值，Kp是前馈环节的系数；
步骤6，将k+1赋值给k后，返回步骤1顺序执行。
本发明所述的一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法的特点也在于，步骤3中补偿环节的四个系数a，b，c和d是按步骤获得：
步骤a，构建如式(5)所示的观测器群的全局特征矩阵Φ；
式(5)中，Φ的维度是N(τ+1)×N(τ+1)，IN是维度为N×N的单位矩阵，ON是维度为N×N的全零矩阵，N是微电网中分布式电源的个数，Ts是分布式电源次级控制器的采样时间，β是滞后系数，T是滞后时间常数，e是自然常数，L是微电网中分布式电源的邻接矩阵，且L的维度为N×N，当第i个分布式电源和第j个分布式电源互为邻居时，邻接矩阵L的第i行第j列和第j行第i列为1，否则，为0；
步骤b，针对当前所选的观测增益K，求解不等式(6)，并判断滞后系数β是否存在可行解；
ρ(Φ)≤1 (6)
式(6)中，ρ(Φ)表示矩阵Φ的谱半径；
若β存在可行解，则执行步骤c，否则，将δK赋值给观测增益K后，再执行步骤b；其中，δ表示小于“1”的正倍数；
步骤c，利用式(7)得到补偿环节中的系统系数a，输入系数b，输出系数c，直接传递系数d：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的分布式平均电压观测方法，在传统的基础上加入的补偿环节和前馈环节，可以有效降低通信延时对观测的影响，提高了观测器在通信延时下的稳定性，并且实现了众多分布式电源对平均电压的快速且精确的观测效果，从而提高了微电网中电压控制的整体表现。
2、本发明通过滞后校正的方法来设计补偿环节的系数，针对不同延时上限设计不同的滞后校正方法，并转化为补偿环节，可以抑制延时对观测增益的限制作用，加快观测器的收敛速度，最终加快微电网中平均电压收敛到参考值的速度。
附图说明
图1为本发明观测方法的流程图；
图2为本发明中观测方法的结构图。
具体实施方式
本实施例中，一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法，是在观测之前根据滞后校正的原理得到补偿环节的系数，然后开始观测步骤；观测开始后，每个分布式电源都通过与相邻的分布式电源进行通信并计算观测偏差，再通过补偿环节来抑制通信延时的影响，再将补偿环节处理后的结果进行累加，最后结合前馈环节计算得到新的平均电压观测值，并循环执行观测步骤。本发明能够显著降低通信延时对收敛速度的影响，能够在存在通信延时的微电网控制系统中，实现众多分布式电源对平均电压的快速且精确的观测效果，进而能够提高微电网电压控制的整体控制效果。具体的说，该观测方法包括以下实现步骤：
如图1所示，在观测开始之前，需要针对延时上限τ计算补偿环节的系统系数a，输入系数b，输出系数c，直接传递系数d。补偿环节的设计方法是基于滞后校正原理，且滞后校正的传递函数G(s)如式(1)所示；
式(1)中，β是滞后系数，T是滞后时间常数，s是拉普拉斯变换中的复变量。滞后校正用于抑制高频干扰，提高观测增益。滞后校正G(s)对频率在之间的信号有着较强的抑制作用。为了不影响补偿环节的输入信号，T取0.5。而滞后系数β的取值必须能够保证观测器的全局稳定性。补偿环节的系数a，b，c和d通过对G(s)离散化得到，离散化的结果如式(4)所示。
步骤a，为了确定滞后系数β的取值，构建如式(2)所示的观测器群的全局特征矩阵Φ，图2中的微电网分布式观测器群的全局稳定性取决于矩阵Φ，且矩阵Φ就是观测器群的全局状态空间表达式的系数矩阵，具体建模过程略；
式(2)中，Φ的维度是N(τ+1)×N(τ+1)，因此不同的延时上限τ会得到不同的Φ，IN是维度为N×N的单位矩阵，ON是维度为N×N的全零矩阵，N是微电网中分布式电源的个数，Ts是分布式电源次级控制器的采样时间，β是滞后系数，并且目前只有β的值是未知，T是滞后时间常数，e是自然常数，且e＝2.71828，L是微电网中分布式电源的邻接矩阵，且L的维度为N×N，当第i个分布式电源和第j个分布式电源互为邻居时，邻接矩阵L的第i行第j列和第j行第i列为1，否则，为0；
步骤b，当不等式(3)成立时，观测器的稳定性就可以得到保证；针对当前所选的观测增益K，求解不等式(3)，并判断滞后系数β是否存在可行解；
ρ(Φ)≤1 (3)
式(3)中，ρ(Φ)表示矩阵Φ的谱半径；若β存在可行解，则执行步骤c，否则，将δK赋值给观测增益K后，再执行步骤b；其中，δ表示小于“1”的正倍数；本实施例中，δ＝0.9；
步骤c，利用式(4)得到补偿环节中的系统系数a，输入系数b，输出系数c，直接传递系数d。
如图1所示，以上步骤只需执行一次，得到补偿环节的系数后，就可以开始按以下步骤对平均电压进行观测；
步骤1，分布式电源将自身平均电压的观测值发送给邻居分布式电源，如图2所示，在通信观测中会存在通信延时；
步骤2，在考虑通信延时的条件下，第i个分布式电源利用式(5)对所接受到邻居分布式电源发送的平均电压观测值进行观测偏差计算，得到第i个分布式电源在k时刻的观测偏差
式(5)中，τ表示延时上限，Ni表示第i个分布式电源的邻居分布式电源集合，表示第i个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，/>表示第j个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，并且当k≤0时，/>
步骤3，如图2所示，在补偿环节中对利用式(6)对观测偏差进行处理，得到第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的输出值Oi(k)；
式(6)中，a是补偿环节的系统系数，b是补偿环节的输入系数，c是补偿环节的输出系数，d是补偿环节的直接传递系数，si(k)是第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的状态量，si(k-1)是第i个分布式电源的补偿环节在k-1时刻的状态量，并且当k≤0时，si(k)＝0；
步骤4，利用式(7)对补偿环节的输出值Oi(k)进行累加操作，得到第i个分布式电源在k时刻的累加结果Mi(k)；
Mi(k)＝Mi(k-1)+Oi(k) (7)
式(7)中，Mi(k-1)是第i个分布式电源在k-1时刻的累加结果，并且当k≤0时Mi(k)＝0。
步骤5，利式(8)得到第i个分布式电源在k时刻的平均电压观测值
式(8)中，Ei(k)是第i个分布式电源在k时刻测量的本地输出电压幅值，K是观测增益，KpOi(k)是第i个分布式电源在k时刻前馈环节的输出值，Kp是前馈环节的系数，前馈环节的系数Kp可以理解为比例积分控制里面的比例系数，因此取Kp＝30较为合适；
步骤6，将k+1赋值给k后，返回步骤1顺序执行。
Claims (2)
1.一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，分布式电源将自身平均电压的观测值发送给邻居分布式电源；
步骤2，在考虑通信延时的条件下，第i个分布式电源利用式(1)对所接受到邻居分布式电源发送的平均电压观测值进行观测偏差计算，得到第i个分布式电源在k时刻的观测偏差
式(1)中，τ表示延时上限，Ni表示第i个分布式电源的邻居分布式电源集合，表示第i个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，/>表示第j个分布式电源在k-τ时刻的平均电压观测值，且当k≤0时，/>
步骤3，在补偿环节中对利用式(2)对观测偏差进行处理，得到第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的输出值Oi(k)；
式(2)中，a是补偿环节的系统系数，b是补偿环节的输入系数，c是补偿环节的输出系数，d是补偿环节的直接传递系数，si(k)是第i个分布式电源的补偿环节在k时刻的状态量，si(k-1)是第i个分布式电源的补偿环节在k-1时刻的状态量，且当k≤0时，si(k)＝0；
步骤4，利用式(3)对补偿环节的输出值Oi(k)进行累加操作，得到第i个分布式电源在k时刻的累加结果Mi(k)；
Mi(k)＝Mi(k-1)+Oi(k) (3)
式(3)中，Mi(k-1)是第i个分布式电源在k-1时刻的累加结果，且当k≤0时，Mi(k)＝0；
步骤5，利式(4)得到第i个分布式电源在k时刻的平均电压观测值
式(4)中，Ei(k)是第i个分布式电源在k时刻测量的本地输出电压幅值，K是观测增益，KpOi(k)是第i个分布式电源在k时刻前馈环节的输出值，Kp是前馈环节的系数；
步骤6，将k+1赋值给k后，返回步骤1顺序执行。
2.根据权利要求1所述的一种通信延时下微电网分布式的平均电压观测方法，其特征在于，步骤3中补偿环节的四个系数a，b，c和d是按步骤获得：
步骤a，构建如式(5)所示的观测器群的全局特征矩阵Φ；
式(5)中，Φ的维度是N(τ+1)×N(τ+1)，IN是维度为N×N的单位矩阵，ON是维度为N×N的全零矩阵，N是微电网中分布式电源的个数，Ts是分布式电源次级控制器的采样时间，β是滞后系数，T是滞后时间常数，e是自然常数，L是微电网中分布式电源的邻接矩阵，且L的维度为N×N，当第i个分布式电源和第j个分布式电源互为邻居时，邻接矩阵L的第i行第j列和第j行第i列为1，否则，为0；
步骤b，针对当前所选的观测增益K，求解不等式(6)，并判断滞后系数β是否存在可行解；
ρ(Φ)≤1 (6)
式(6)中，ρ(Φ)表示矩阵Φ的谱半径；
若β存在可行解，则执行步骤c，否则，将δK赋值给观测增益K后，再执行步骤b；其中，δ表示小于“1”的正倍数；
步骤c，利用式(7)得到补偿环节中的系统系数a，输入系数b，输出系数c，直接传递系数d：
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