CN116488203B - 一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法。为消除频率调节过程中各种干扰所带来的负面影响，建立了基于线性自抗扰控制技术的虚拟同步发电机控制，从而有效估计并消除不确定性干扰。为了实现多个VSG之间的协同控制，设计了引入二阶共识分布式算法的误差反馈控制律，使参与频率调节的VSG单元之间能够按照容量比进行功率分配，并避免由于响应差异引起的振荡。基于上述两项技术建立了自抗扰‑分布式二次频率调节控制器，用于参与独立微电网二次调频的VSG单元，以实现频率恢复和准确的功率共享。本发明具有良好的频率调节性能、较高的可靠性和较强的抗干扰能力，且仅需要相邻单元的数据交互，降低了通信网络的复杂度。

Description

一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法
技术领域
本发明涉及微电网频率控制技术领域，特别涉及一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法。
背景技术
近年来，能源危机和环境污染促进了新能源发电的快速发展，微电网作为一种能够高效整合多种新能源，储能以及负荷的小型电力系统，目前已经成为一项重要技术。但是，当微电网处于孤岛运行模式时，由于其惯量和阻尼很小，且新能源本身具有间歇性、不确定性的特点，在发电和用电不平衡时会产生更大的频率波动，因此，微电网的频率调节对于其能否稳定运行具有重要意义。
独立微电网的二次频率调节能够消除频率误差，使微电网频率恢复到额定值。但是，微电网具有的非线性，不确定性，强耦合性等特点，使其容易受到各种干扰，因此调频策略需要具有一定的抗扰性。然而，当前具有抗扰特性的二次频率调节策略对于系统模型的准确性依赖很大且调参困难，此外，所面向的控制对象大多是一个分布式电源或者将微电网整体作为控制对象，如何对参与独立微电网调频的多个分布式电源进行有效的协同控制，使其能够实现具有强抗扰性的二次频率调节，并按照各单元的容量比进行功率分配，仍有待提出新的控制方法。
发明内容
为了克服目前独立微电网二次频率调节过程中对各种干扰的鲁棒性不强的技术问题，本发明提供一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法。一方面，本发明提出了一种基于线性自抗扰控制（LADRC）技术的虚拟同步发电机（VSG）控制，通过该技术可以有效估计并消除调频过程中的各种不确定性干扰；另一方面，设计了一种新型的引入了二阶共识分布式算法的误差反馈控制律。基于此，参与频率调节的VSG单元之间能够按照其容量比进行功率分配，并可以避免由于响应差异引起的振荡。基于这两项关键技术，建立了一个自抗扰-分布式二次频率调节（LADRC-DSFR）控制器，用于参与独立微电网二次调频的各个VSG单元，以实现频率恢复和准确的功率共享。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法，包括：
对于独立微电网中各个分布式电源，基于虚拟同步发电机即VSG来进行控制，从而形成多个VSG单元，并执行以下步骤以在独立微电网频率出现波动时进行频率二次控制：
步骤一，将线性自抗扰控制器即LADRC引入VSG控制模型，从而对VSG控制模型的总干扰进行估计并补偿，形成基于LADRC的VSG控制模型。
步骤二，基于二阶共识分布式算法建立误差反馈控制律，并与基于LADRC的VSG控制模型结合，形成自抗扰-分布式二次频率调节控制器。
步骤三，在独立微电网频率出现波动时，由自抗扰-分布式二次频率调节控制器根据各个VSG单元的状态量信息，控制各个VSG单元，从而实现二次频率调节，并使各个VSG单元的输出功率之比与安装容量比相等。
所述的方法，所述的步骤一中，VSG控制模型包括有功控制环路和无功控制环路。
其中有功控制环路表示为：
其中表示VSGi的转动惯量，i=1，2…j，…n，n表示独立微电网中有n台VSG。和分别表示VSGi的实际输出角频率和额定角频率。表示VSGi的阻尼系数。表示相角。表示VSGi输出的机械功率，表示VSGi的电磁功率。
无功控制环路表示为：
其中表示积分系数。表示VSG产生的参考电压幅值，表示电压下垂系数。 和表示VSGi的额定电压和输出电压。表示无功功率参考值，表示无功功率。
所述的方法，VSGi的电磁功率是由VSGi的输出功率基于时间常数为的 低通滤波器得到的，表示为：
其中，s表示复频率。
VSGi输出的机械功率表示为
其中，表示有功功率参考值。表示频率偏差反馈系数。
所述的方法，所述的步骤一中，基于LADRC的VSG控制模型通过以下步骤获取：
1) 基于有功控制环路，得到单个VSG的状态方程，再将VSG作为二阶系统并引入状态变量，获得包括两个状态变量的单个VSG的状态空间方程。
2) 将影响单个VSG输出的干扰量和不确定量作为总干扰量，并将其扩张为第三个状态变量，进而基于状态空间方程来建立扩张状态空间方程，并形成三阶线性观测器。
3)基于三阶线性观测器得到单个VSG单元角频率的最优参考输入值，并替换掉有功控制环路中的参考额定角频率，从而形成基于LADRC的单个VSG控制模型。
所述的方法，所述的步骤1）中，单个VSG即VSGi的状态方程为：
其中两个状态变量分别为，表示的导数。
获得的VSGi的状态空间方程为：
=，其中和分别表示和的导数。
所述的方法，所述的步骤2）中，总干扰量表示为：
式中：。
其中y表示输出，w表示干扰，t表示时间，表示期望控制增益。表示实际控制增 益。表示角频率的最优参考输入，表示控制输入。
建立的扩张状态空间方程为：
式中，，即总干扰的导数。
所述的方法，所述的步骤2）中，三阶线性观测器为：
其中，, 和是状态变量的估计值，, 和分别为, 和 的导数。,和表示三阶线性观测器的增益，且：
其中表示线性观测器的带宽。
所述的方法，所述的步骤3）中，是以替换掉VSGi有功控制环路中的额定角频率，从而引入LADRC，且
其中，表示控制输入，表示理想输入。
则基于LADRC的VSGi控制模型表达为：
。
所述的方法，所述的步骤二中，基于二阶共识分布式算法的误差反馈控制律为：
；
其中，表示耦合系数。，表示反馈控制增益。表示功率耦合系数。表示权 重系数。表示参考角频率，表示频率变化的参考值。代表通信网络拓扑图的邻接 矩阵中的元素，若VSGi与VSGj之间含有通信关联，则，否则与分别表示 VSGi与VSGj的容量系数。与分别表示VSGi与VSGj的实际输出频率。表示通过线性 扩张状态观测器观测到的VSGj的频率导数。与分别表示VSGi与VSGj的实际输出功率。，代表与VSGi有信息交互的VSG单元。
从而根据误差反馈控制律获得，并基于，来与基于LADRC的VSG控制模 型结合，形成自抗扰-分布式二次频率调节控制器。
所述的方法，步骤三包括：
步骤1，各个VSG单元分别监控自身包括输出频率、输出频率变化率和输出功率在内的状态量，并形成环状的通信网络来在相邻的VSG单元之间进行状态量信息交互通信。
步骤2，根据各个VSG单元自身以及相邻VSG单元的状态量信息，基于误差反馈控制 律来计算各个VSG单元角频率的最优参考值。
步骤3，基于LADRC的VSG控制模型以作为最优参考输入量，并根据各个VSG单 元实际输出角频率和输出电压，计算得到各个VSG产生的参考电压幅值与相角作为 结果，从而根据结果来改变各个VSG的输出功率。
步骤4，返回步骤1循环执行，直到独立微电网频率恢复到额定值，并且各VSG的输出功率之比与安装容量比相等。
本发明的技术效果是：
（1）、本发明能够对频率调节过程中的各种不确定性干扰进行有效估计并补偿，实现具有强抗扰性的二次频率调节功能。
（2）、本发明能够对参与频率调节的各VSG按照其容量比进行功率分配，有利于各VSG的安全稳定运行。
（3）、本发明所采用的分布式架构对通信要求较低，所提方法具有即插即用，高可靠性的特点。
下面结合附图对本发明作出进一步说明。
附图说明
图1是含有多个VSG单元的独立微电网拓扑图。
图2是传统的VSG控制机理图。
图3是基于LADRC的修正的VSG控制机理图。
图4是LADRC-DSFR控制器的具体结构图。
图5是具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法的实施流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法，其中微电网是指含有多个VSG单元的独立微电网，其拓扑结构如图1所示，独立微电网中含有多个基于VSG控制的分布式电源，通过通信线和信号收发器，相邻的VSG单元之间能够进行信息交换，从而参与频率调节。
传统的VSG控制机理如图2所示，其具体控制算法如下：
为了模拟同步发电机的转子特性，将转动惯量引入VSG的有功控制环路中，即：
（1）
其中，表示VSGi的转动惯量，i=1，2…j，…n，n表示独立微电网中有n台VSG；和分别表示VSGi的实际输出角频率和额定角频率；表示VSGi的阻尼系数；表示相角；表示VSGi输出的机械功率，表示VSGi的电磁功率，它是VSGi的输出功率通过一个 时间常数为的低通滤波器LPF得到的，表示为：
（2）
为了支持独立微电网的频率稳定，VSG控制中引入了有功频率偏差反馈环节，即：
（3）
其中，表示有功功率参考值；表示频率偏差反馈系数。
结合（1）-（3），即可建立VSG的有功控制环路，基于此，能够为独立微电网提供惯量支撑和一次频率调节。
VSG的无功控制环路是基于同步发电机励磁系统的原则进行设计的，表示为：
（4）
其中，表示积分系数；表示表示VSG产生的参考电压幅值；电压下垂系数； 和表示VSGi的额定电压和输出电压；表示无功功功率参考值，表示无功功功率。
所述的基于LADRC技术的改进的VSG控制，具体包括：
对于一个含有多个VSG单元的独立微电网而言，结合（1）-（3），VSGi的状态方程可以表示为：
（5）
基于（5），可以将VSG看做一个二阶系统，将状态变量进行如下定义：
（6）
然后，可以得到如下的状态空间方程：
=（7）
为了消除调频过程中的各项干扰，将LADRC技术嵌入VSG控制中，建立了基于LADRC技术的改进的VSG控制模型，如图3所示，其具体控制机理如下：
用控制输入代替公式（5）中最后一项的，将VSGi的总干扰定义为：
（8）
其中：
（9）
其中，表示期望控制增益；表示实际控制增益；表示最优参考输入，它是一 个待求解量；因为控制主体的实际控制输入是一个很难测量准确的值，因此，在（8）中被作为总干扰的一部分。
将总干扰作为VSGi的扩张状态变量，记作，因此可以得到以下扩张状 态空间方程：
（10）
其中表示总干扰的导数，即。
对于二阶线性自抗扰控制，其三阶线性观测器（LESO）可以写为：
（11）
其中，,,和是状态变量的估计值，, 和分别为, 和 的导数；,和代表观测器的增益，通过对,和的恰当选取，系统的状态变量能 够被LESO实时追踪，即，，，。
基于（11），可以得到LESO的特征方程，
（12）
根据极点配置法，选取特征方程，LESO的增益可以表示为
（13）
其中表示LESO的带宽。
为了对干扰进行补偿，用取替传统的VSG控制中的参考值，并进行了如下设 计：
（14）
因此，基于LADRC技术的改进的VSG控制可以写作：
（15）；
基于此，VSG产生参考电压幅值与相角/>并输入内部双环控制，然后通过dq/abc变换和脉冲宽度调制即PWM，进而改变VSG输出功率。
所述的新型的引入了二阶共识分布式算法的误差反馈控制律，具体包括：
本发明所提出的分布式频率二次控制的目的是实现以下目标：
1） 所有VSG的输出频率都能够跟踪参考频率；
2） 各VSG单元按照安装容量之比进行有功功率共享；
3） 为了提高分布式二次控制器的响应速度，各VSG的频率导数应收敛到一个给定的参考值，同时要缓解VSG之间的响应差异，以抑制振荡。
为实现上述目标，结合二阶共识分布式算法，理想输入表达式如下：
（16）
结合（14）与（16），本发明设计了一种新型控制律，用于基于LADRC技术的改进的VSG控制，该控制律具有如下形式：
（17）
其中，表示耦合系数；和表示反馈控制增益；表示功率耦合系数；表示 权重系数；表示参考角频率，即，；表示频率变化的参考值，由于参考频率是一个 恒定值，因此；代表通信网络拓扑图的邻接矩阵中的元素，若VSGi与VSGj之间含 有通信关联，则，否则；与分别表示VSGi与VSGj的容量系数；与分 别表示VSGi与VSGj的实际输出频率；与分别表示通过LESO观测到的VSGi与VSGj的频 率导数；与分别表示VSGi与VSGj的实际输出功率；，代表与VSGi有信息交互的 VSG。
用于参与独立微电网频率调节的LADRC-DSFR控制器，其具体结构如图4所示。该控制器包括两层关键设计，在底层采用了基于LADRC技术的改进的VSG控制，在上层则采用了所设计的新型的误差反馈控制律以实现独立微电网中多个VSG单元之间的分布式控制。
将所设计的LADRC-DSFR控制器，用于独立微电网的各VSG单元，从而实现二次频率调节和按照容量比的功率分配，并有效消除调频过程中的各种干扰带来的负面影响，所提出的具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法的实施流程如图5所示，具体包括以下步骤：
步骤1，各个VSG单元分别监控自身包括输出频率、输出频率变化率和输出功率在内的状态量，并形成环状的通信网络来在相邻的VSG单元之间进行状态量信息交互通信。
步骤2，根据各个VSG单元自身以及相邻VSG单元的状态量信息，基于误差反馈控制 律来计算各个VSG单元角频率的最优参考值。
步骤3，基于LADRC的VSG控制模型以作为最优参考输入量，并根据各个VSG单 元实际输出角频率和输出电压，计算得到各个VSG产生的参考电压幅值与相角作为 结果，从而根据结果来改变各个VSG的输出功率。
步骤4，返回步骤1循环执行，直到独立微电网频率恢复到额定值，并且各VSG的输出功率之比与安装容量比相等。

Claims (2)

1.一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法，其特征在于，包括：
对于独立微电网中各个分布式电源，基于虚拟同步发电机即VSG来进行控制，从而形成多个VSG单元，并执行以下步骤以在独立微电网频率出现波动时进行频率二次控制：
步骤一，将线性自抗扰控制器即LADRC引入VSG控制模型，从而对VSG控制模型的总干扰进行估计并补偿，形成基于LADRC的VSG控制模型；
步骤二，基于二阶共识分布式算法建立误差反馈控制律，并与基于LADRC的VSG控制模型结合，形成自抗扰-分布式二次频率调节控制器；
步骤三，在独立微电网频率出现波动时，由自抗扰-分布式二次频率调节控制器根据各个VSG单元的状态量信息，控制各个VSG单元，从而实现二次频率调节，并使各个VSG单元的输出功率之比与安装容量比相等；
所述的步骤一中，VSG控制模型包括有功控制环路和无功控制环路；
其中有功控制环路表示为：
其中Ji表示VSGi的转动惯量，i＝1，2…j，…n，n表示独立微电网中有n台VSG；ωi和ωn分别表示VSGi的实际输出角频率和额定角频率；Dpi表示VSGi的阻尼系数；θi表示相角；Pmi表示VSGi输出的机械功率，Pei表示VSGi的电磁功率；
无功控制环路表示为：
其中Ki表示积分系数；Ei表示VSG产生的参考电压幅值，Dqi表示电压下垂系数；Vn和Vi表示VSGi的额定电压和输出电压；Qrefi表示无功功率参考值，Qei表示无功功率；
VSGi的电磁功率Pei是由VSGi的输出功率Pouti基于时间常数为τlow的低通滤波器得到的，表示为：
其中，s表示复频率；
VSGi输出的机械功率Pmi表示为
Pmi＝Prefi+kfi(ωn-ωi)
其中，Prefi表示有功功率参考值；kfi表示频率偏差反馈系数；
所述的步骤一中，基于LADRC的VSG控制模型通过以下步骤获取：
1)基于有功控制环路，得到单个VSG的状态方程，再将VSG作为二阶系统并引入状态变量，获得包括两个状态变量的单个VSG的状态空间方程；
2)将影响单个VSG输出的干扰量和不确定量作为总干扰量，并将其扩张为第三个状态变量，进而基于状态空间方程来建立扩张状态空间方程，并形成三阶线性观测器；
3)基于三阶线性观测器得到单个VSG单元角频率的最优参考输入值，并替换掉有功控制环路中的额定角频率，从而形成基于LADRC的单个VSG控制模型；
所述的步骤1)中，单个VSG即VSGi的状态方程为：
其中两个状态变量分别为表示ωi的导数；
获得的VSGi的状态空间方程为：
其中/>和/>分别表示xi,1和xi,2的导数；
所述的步骤2)中，总干扰量fi(y,w,t)表示为：
式中：
其中y表示输出，w表示干扰，t表示时间，b0表示期望控制增益；b表示实际控制增益；表示角频率的最优参考输入，ui表示控制输入；
建立的扩张状态空间方程为：
式中，即总干扰fi(y,w,t)的导数；
所述的步骤2)中，三阶线性观测器为：
其中，zi,1,zi,2,和zi,3是三个状态变量的估计值，和/>分别为zi,1,zi,2,和zi,3的导数；β1,β2和β3表示三阶线性观测器的增益，且：
其中ω0表示线性观测器的带宽；
所述的步骤3)中，是以替换掉VSGi有功控制环路中的额定角频率ωn，从而引入LADRC，且
其中，ui表示控制输入，表示基于观测器对干扰的估计值，u0表示理想输入；
则基于LADRC的VSGi控制模型表达为：
所述的步骤二中，基于二阶共识分布式算法的误差反馈控制律为：
其中，ci表示耦合系数；k1，k2表示反馈控制增益；km表示功率耦合系数；gi表示权重系数；y0,1表示参考角频率，y0,2表示频率变化的参考值；aij代表通信网络拓扑图的邻接矩阵中的元素，若VSGi与VSGj之间含有通信关联，则aij＝1，否则aij＝0；mi与mj分别表示VSGi与VSGj的容量系数；yi,1与yj,1分别表示VSGi与VSGj的实际输出频率；与zj,2分别表示通过线性扩张状态观测器观测到的VSGj的频率导数；Pei与Pej分别表示VSGi与VSGj的实际输出功率；j∈Ni，Ni代表与VSGi有信息交互的VSG单元；
从而根据误差反馈控制律获得ui，并基于来与基于LADRC的VSG控制模型结合，形成自抗扰-分布式二次频率调节控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三包括：
步骤1，各个VSG单元分别监控自身包括输出频率、输出频率变化率和输出功率在内的状态量，并形成环状的通信网络来在相邻的VSG单元之间进行状态量信息交互通信；
步骤2，根据各个VSG单元自身以及相邻VSG单元的状态量信息，基于误差反馈控制律来计算各个VSG单元角频率的最优参考值
步骤3，基于LADRC的VSG控制模型以作为最优参考输入量，并根据各个VSG单元实际输出角频率ωi和输出电压Vi，计算得到各个VSG产生的参考电压幅值Ei与相角θi作为结果，从而根据结果来改变各个VSG的输出功率；
步骤4，返回步骤1循环执行，直到独立微电网频率恢复到额定值，并且各VSG的输出功率之比与安装容量比相等。
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