CN117081030A - 一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法 - Google Patents

一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法，属于多母线直流微电网优化控制领域，该方法基于电压、电流惩罚项设计了优化问题的性能函数，求解了系统的全局最优解，并根据全局最优解设计了分布式预设时间优化与控制策略，分布式预设时间优化与控制策略的实施保障微电网母线电压、输出电流与潮流可在预设时间内稳定，即微电网中电压、电流与潮流的收敛时间可被预先设定，故可以通过调节参数灵活调整收敛时间；该方法能够有效保证方案实施的便捷性、系统收敛的快速性，为多母线直流微电网的稳定、高效运行提供了保障；并且，该方法无需采集电力节点输出电流信息，有效减少了系统中电流传感器数量，节约成本。

Description

一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法
技术领域
本发明属于多供电端多母线直流微电网优化控制领域，更具体地，涉及一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法。
背景技术
随着分布式发电技术与储能技术的大规模应用，可高效利用分布式可再生能源的微电网逐步走进了人们的生活。直流微电网较交流微电网具备能量利用效率高、无需考虑无功补偿及相位控制问题等优势；多母线微电网较单母线微电网因其更高的可用性、可靠性与更多的拓扑结构拥有了更加广泛的应用场景，故设计一种保证多母线直流微电网稳定、高效运行的优化与控制方法非常重要。作为一种稳定的优化与控制策略，集中式优化与控制在微电网中被广泛应用，但其存在可靠性低、响应速度慢等缺陷。故基于近年来高速发展的通讯网络，运用分布式优化与控制方法实现微电网的母线电压调控、电流均衡分配与输电损耗最小化是当下的一个研究热点，但如何保证分布式策略实施的便捷性与系统收敛的快速性是一个难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法，无需采集电力节点输出电流，节约成本，并且可保障系统快速收敛，可在预设时间内实现母线电压调控、电流均衡分配与输电损耗最小化。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法，包括：
S1，以最小化网络中各电力节点的母线电压与电压额定值的偏差、最小化输电线路损耗及各电力节点输出电流均衡分配为控制目标，构建性能函数并进行求解，得到各电力节点的母线电压的全局最优解；
S2，在所述全局最优解下，利用分布式预设时间观测器估计网络中所有电力节点的电流均衡分配系数的平均值αsa；根据αsa，运用分布式预设时间优化策略得到第i个电力节点中的变换器的参考电压
S3，基于控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
按照本发明的第二方面，提供了一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的方法，基于电压、电流惩罚项设计了优化问题的性能函数，求解了系统的全局最优解，并根据全局最优解设计了分布式预设时间优化与控制策略，分布式预设时间优化与控制策略的实施保障微电网母线电压、输出电流与潮流可在预设时间内稳定，即微电网中电压、电流与潮流的收敛时间可被预先设定，故可以通过调节参数灵活调整收敛时间；该方法能够有效保证方案实施的便捷性、系统收敛的快速性，为多母线直流微电网的稳定、高效运行提供了保障；并且，该方法无需采集电力节点输出电流信息，有效减少了系统中电流传感器数量，节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的连接在直流母线上的DC/DC变换器及其优化与控制结构图；
图2为本发明实施例提供的分布式预设时间观测器结构图；
图3为本发明实施例提供的分布式预设时间优化策略结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法，包括：
S1，以最小化网络中各电力节点的母线电压与电压额定值的偏差、最小化输电线路损耗及各电力节点输出电流均衡分配为控制目标，构建性能函数并进行求解，得到各电力节点的母线电压的全局最优解。
具体地，S1包括：
S11，针对多母线直流微电网，建立系统模型，提出控制目标
多母线直流微电网的优化与控制结构示意图如图1所示。由多个分布式发电设备组成的电力节点通过母线为负载提供电能，其物理特性为：分布式发电设备供电电压Vs，Vb,i和Is,i分别为第i个电力节点的母线电压和输出电流。双闭环PI控制器的快速跟踪特性为优化与控制策略提供了高效调控微电网母线电压的接口，即双闭环PI控制器可以使变换器输出电压快速跟踪至其参考值：
针对多母线直流微电网，其控制目标为在潮流方程的约束下实现：1)微电网母线电压调控；2)电力节点输出电流均衡分配；3)输电线路损耗最小化，即：
其中，n为多母线直流微电网的电力节点总数，V*为母线电压额定值，δV、δI分别为电网允许的电压、电流偏差。为第i个电力节点单位输出电流，αs,i为第i个电力节点电流均衡分配系数，/>为系统的单位稳态输出电流。输电线路损耗 Gij为电力节点i与j之间的输电线路导纳，IL,i为与第i个负载电流。
S12，根据控制目标构建性能函数，求解优化问题的全局最优解
根据上述微电网控制目标，构建性能函数如下：
其中分别为第i个电力节点的电压、电流误差，λV、λI分别为电压、电流惩罚因子。将上述性能函数T对决策变量Vb＝[Vb,1,…,Vb,n]T微分，可得优化问题的全局最优解/>
其中，Gl＝Gd-Ga为微电网输电线路导纳矩阵：Gd＝diag{Gd,i}, IL＝[IL,1,...,IL,n]T,/> In为n维单位阵，/>
S2，在所述全局最优解下，利用分布式预设时间观测器估计网络中所有电力节点的电流均衡分配系数的平均值αsa；根据αsa，运用分布式预设时间优化策略得到第i个电力节点中的变换器的参考电压
具体地，在S1中虽然求出了优化问题的全局最优解但由于所述全局最优解的实施需要一个可实时采集所有电力节点信息的中心节点，因此，为了提升网络的鲁棒性，根据全局最优解设计分布式预设时间观测器与优化策略，其中，分布式预设时间观测器用于观测αsa，分布式预设时间优化策略表征观测器获取的αsa与/>的关系，根据观测器获取的αsa及分布式预设时间优化策略，即可获取/>最后将/>输入至双闭环控制器，通过PWM发生器产生PWM信号，以控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
S2包括：
S21，设计分布式预设时间观测器与优化策略，分析观测器与优化策略的收敛性
分布式预设时间优化与控制策略包括：图2所示的分布式预设时间观测器、图3所示的分布式预设时间优化策略、双闭环PI控制器，使用了时间依赖函数ωb(t)、rp(t)与积分环节。分布式预设时间观测器如下所示：
其中为第i个观测器对/>的估计值，si为中间变量，中间变量误差、估计值误差分别为：/> 观测增益γ>0、χ>0，r>0为一常数，时变增益
具体操作步骤如下：
(1)采集通讯网络中邻居节点sj与信息，并将本地信息si与/>传递给通讯网络中的各邻居节点，以供所述各邻居节点观测使用；
(2)结合本地信息si、与邻居节点信息sj、/>求取误差/>与/>
(3)将误差与αs,i代入上述分布式预设时间观测器更新系统中si、/>
(4)重复步骤(1)-(3)直至状态变量si、收敛；
所设计的分布式预设时间观测器可以在预先设定的时间tb内收敛，即
分布式预设时间优化策略如下：
其中为第i个电力节点中变换器参考电压，ζi,θi,ξi为中间变量，误差 时变增益kp＝εp(ωp(t)+1),εp>0，其中/> 增益/>2λ2(Gl)为矩阵Gl的非零最小特征值。/>为与第i个电力节点相连的负载电流，时间依赖函数rp(t)为满足/>与的连续可微函数，可取：
具体操作步骤如下：
(1)采集通讯网络中邻居节点的ζj/αs,j、θj、ξj信息，并将本地信息/>ζi/αs,i、θi、ξi传递给通讯网络中的邻居节点；
(2)结合本地信息ζi/αs,i、θi、ξi，与邻居节点信息/>ζj/αs,j、θj、ξj，求取误差/>
(3)将误差与V*、/>ζi、αs,i、θi及由观测器获取的αsa代入上述分布式预设时间优化策略更新系统中/>ζi、θi、ξi；
(4)重复步骤(1)-(3)直至状态变量收敛；
所设计的分布式预设时间优化策略可以在预先设定的时间tp内收敛，即
其中，增益
S22，调控直流微电网母线电压，分析电压、电流与潮流的预设时间收敛性
根据上述分析可得，分布式预设时间观测器、优化策略可以在预设时间tb、tp内实现系统状态收敛。
S3，基于控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
具体地，将输入至双闭环控制器，通过PWM发生器产生PWM信号，以控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
将母线电压参考值输出至变换器的双闭环PI控制器，则微电网母线电压、电力节点输出电流、潮流可以在预设时间T＝tb+tp内收敛。
本发明实施例提供一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如上述任一实施例所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制方法，其特征在于，包括：
S1，以最小化网络中各电力节点的母线电压与电压额定值的偏差、最小化输电线路损耗及各电力节点输出电流均衡分配为控制目标，构建性能函数并进行求解，得到各电力节点的母线电压的全局最优解；
S2，在所述全局最优解下，利用分布式预设时间观测器估计网络中所有电力节点的电流均衡分配系数的平均值αsa；根据αsa，运用分布式预设时间优化策略得到第i个电力节点中的变换器的参考电压
S3，基于控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分布式预设时间观测器为：
其中，为第i个观测器对/>的估计值，αs,i为第i个电力节点的电流均衡分配系数，si为中间变量，/> γ、χ为观测增益，r为常数，时变增益n为电力节点总数，Gij为电力节点i与j之间的输电线路导纳，tb为观测器的预设收敛时间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用分布式预设时间观测器估计网络中所有电力节点的电流均衡分配系数的平均值αsa，包括：
(1)根据本地信息si与及网络中邻居电力节点的sj与/>求取误差/>与/>
(2)将误差与αs,i代入分布式预设时间观测器更新si、/>
(3)重复步骤(1)-(2)，直至状态si、收敛，得到αsa。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分布式预设时间观测器在预先设定的时间tb内收敛，即
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述分布式预设时间优化策略为：
其中，ζi、θi、ξi为中间变量， kp为时变增益，kp＝εp(ωp(t)+1),εp>0，/> 2λ2(Gl)为矩阵Gl的非零最小特征值；rp(t)为时间依赖函数，/>Gij为电力节点i与j之间的输电线路导纳，tp为优化策略的预设收敛时间，/>为与第i个电力节点相连的负载的电流。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据αsa，运用分布式预设时间优化策略得到第i个电力节点中的变换器的参考电压包括：
(1)根据本地信息ζi/αs,i、θi、ξi与网络中邻居电力节点的/>ξj/αs,j、θj、ξj信息，求取误差/>
(2)将误差与V*、/>ζi、αs,i、θi及由观测器获取的αsa代入上述分布式预设时间优化策略更新/>ζi、θi、ξi；
(3)重复步骤(1)-(2)直至收敛。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分布式预设时间优化策略在预先设定的时间tp内收敛，即：
其中，增益
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，将输入至双闭环控制器，通过PWM发生器产生PWM信号，以控制第i个电力节点中的变换器调控所述第i个电力节点的母线电压。
9.一种多母线直流微电网分布式预设时间优化与控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117728376A (zh) * 2023-12-18 2024-03-19 天津大学 一种计及损耗的飞行器能源系统分布式优化控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117728376A (zh) * 2023-12-18 2024-03-19 天津大学 一种计及损耗的飞行器能源系统分布式优化控制方法

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