考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方法。實時采集所有風機輸出總功率與所有負荷所需總功率，構建高性能控制器；構建分布式控制器，借助每臺風機實時輸出功率和高性能控制器的輸出值，獲得各臺風機的跟蹤輸出功率參考值，實現(xiàn)總功率在所有風機之間快速公平的分配；根據(jù)實際風速和額定風速的比較通過變轉速控制方法或者變槳距控制方法，使得風機輸出為跟蹤輸出功率參考值運行。本發(fā)明實現(xiàn)風機群總功率在每臺風機中的快速、公平分配，抑制了通信延時與通信故障。
【專利說明】
考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種功率分配方法，尤其是設及了一種考慮通信延時和故障的風機群 分布式功率分配控制方法。
【背景技術】
[0002] 微電網(wǎng)作為分布式電源優(yōu)化集成的一種方式，對于降低大電網(wǎng)負擔、提高供電可 靠性、改善環(huán)境等具有重要意義。作為一種清潔環(huán)保、儲量豐富、易于開發(fā)的可再生分布式 能源，風能發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應用W-W。然而，大量間歇性、波動性風電系 統(tǒng)的加入，導致微電網(wǎng)內部的功率平衡W及風電系統(tǒng)之間的功率分配問題變得十分復雜。 此外，微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡規(guī)模的不斷增大，對控制方式的魯棒性提出了更高的要求，同時網(wǎng)絡 延時和通信故障等運行不確定性因素也對控制方式的穩(wěn)定性造成了不利的影響。因此，提 出一種穩(wěn)定、快速的功率平衡和分配控制方式，對于提高微電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和魯棒性，保證 功率平衡和公平分配，具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。
[0003] 本發(fā)明針對永磁同步發(fā)電機(PMSG)，風機的輸出功率如下所示
[0004]
[0005]
[0006] 式中：P為空氣密度，R為風力機葉片迎風掃掠面積，V為風力機掃掠面前的風速，《 為風力機轉速，Cp(.)為風能利用系數(shù)，是葉尖速比A和獎距角0的函數(shù)。
[0007] 風能利用系數(shù)曲線圖如圖3所示，風輪機輸出功率與轉速關系如圖4所示。通過調 節(jié)葉尖速比及獎距角可W調節(jié)風能利用系數(shù)；由圖4可知，風機輸出功率與轉速和風機葉片 半徑有關。本發(fā)明通過變轉速控制方法和變獎距控制來調節(jié)風機輸出功率，實現(xiàn)分布式功 率分配。
[0008] 現(xiàn)有的分布式電源功率控制方法主要包括:集中式控制，分散式控制，分布式控 制。
[0009] 集中式控制是一種較為傳統(tǒng)的控制方式。在集中式控制中，各分布式電源的穩(wěn)定 運行點控制指令均由控制中屯、提供，控制中屯、通過通信線路與各設備相連接，實時監(jiān)控各 設備運行狀態(tài)，利用其強大的信息處理能力，通過合理規(guī)劃使各設備運行在最優(yōu)狀態(tài)下。然 而，當受控對象越來越多時，集中式控制的不足便突顯出來，當某一通信線路或設備故障 時，控制中屯、將失去對微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制，甚至當控制中屯、故障時，整個微電網(wǎng)將會進入失 控狀態(tài)。
[0010] 分散式控制與集中式控制恰好相反，具有地理分散、簡單靈活的優(yōu)點W-W。在分 散式控制下，每一臺設備均與自身控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)自身的穩(wěn)定運行，由于不與外部連 接，分散式控制的靈活性、抗干擾性、穩(wěn)定性較高。然而，運種獨立性使得各設備無法相互協(xié) 作，對電網(wǎng)的支撐能力較弱，難W滿足電網(wǎng)對于電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的要求。
[0011] 結合集中式控制體系與分散式控制體系的優(yōu)點，國內外研究學者提出了一種基于 網(wǎng)絡控制理論的分布式控制控制方法。在分布式控制下，每一臺設備均與其相鄰設備相連， 通過領域信息交互制定相應的控制方式，在保證微電網(wǎng)中各設備協(xié)同出力的同時，很大程 度避免了通信網(wǎng)絡故障的影響，對電網(wǎng)的支撐能力更強。然而，現(xiàn)有的分布式控制方法存在 =個明顯的缺點：利用線性積分器控制分布式電源總功率，存在積分飽和、超調等問題;分 布式控制算法動態(tài)性能較差，各臺分布式能源收斂速度較慢;沒有考慮通信延時及通信故 障對系統(tǒng)的影響。
[0012] 所W現(xiàn)有技術中缺少一種有效的分布式功率分配方法，W解決現(xiàn)有的控制方法目 前亟需解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0013] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分 配控制方法，W達到快速穩(wěn)定的功率分配W及各臺分布式能源的快速收斂，并驗證控制方 式對通信延時及通信故障的抵抗能力。
[0014] 本發(fā)明采用了高性能非線性積分器，同時采用有限時間收斂算法，通過數(shù)字大量 的仿真得到的一種控制方式，可抑制一定程度范圍內的通信延時與通信故障。
[001引如圖1所示，本發(fā)明的技術方案采用如下步驟：
[0016] 1)實時采集所有風機輸出總功率P與所有負荷所需總功率pT6f，構建高性能控制 器；
[0017] 2)構建分布式控制器Ui，借助每臺風機實時輸出功率Pi和高性能控制器的輸出值 4，獲得各臺風機的跟蹤輸出功率參考值，實現(xiàn)總功率P在所有風機之間快速公平的分配，如 圖2所示；
[0018] 3)根據(jù)實際風速和額定風速的比較通過變轉速控制方法或者變獎距控制方法，使 得風機輸出為跟蹤輸出功率參考值運行。即根據(jù)風機輸出特性，選擇變轉速控制方法或者 變獎距控制方法，實現(xiàn)其輸出功率的有效控制。
[0019] 所述步驟3)具體是：
[0020] 若實際風速〉額定風速時，通過變獎距控制方法對風機的輸出進行控制，
[0021 ]若實際風速《額定風速時，通過變轉速控制方法對風機的輸出進行控制，
[0022]所述的步驟1)中的高性能控制器采用W下公式的非線性積分器來平衡微電網(wǎng)功 率：
[0023
[0024
[0025]其中P為所有風機輸出總功率pT6f，Pi為每臺風機實時輸出功率，pT6f為所有負荷所 需總功率，A為可調參數(shù)，AG [-1，1]為高層控制器的輸出值。
[00%]所述的步驟2)具體包括：
[0027]采用W下公式定義第i臺風機的動態(tài)模型：
[002引
[0029] 其中4表示分布式電源的利用率Si的導數(shù)，ui表示第i臺風機的分布式控制器;利 用率Si是指。。。風機的實際輸出功率與風機在當前風速下的最大輸出功率的比值。
[0030] 第i臺風機的分布式控制器m采用W下公式進行控制，使得分布式電源的利用率Si 趨近于每臺風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率
[0031]
[0032] 其中，m代表有m個風機跟隨者，風機跟隨者通過風機領導者與高層控制器直接通 信，n代表風機群中風機總數(shù)，曰^表示風機i和風機j之間通信的可靠性，aij表示風機i和風 機j之間的協(xié)議參數(shù)，Si為第i臺風機的利用率，S氣戈表風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率值，函數(shù)sig (r)a代表sign(r)|r|a，巧戈表收斂時間，Ew代表風機集合，r表示函數(shù)sig(r)a中的代入量，t 表示時間。
[0033] 在通信網(wǎng)絡延時情況下，所述步驟2)的第i臺風機的分布式控制器m采用W下公 式進行控制：
[0034]
[0035] 其中，m代表有m個風機跟隨者，風機跟隨者通過風機領導者與高層控制器直接通 信，n代表風機群中風機總數(shù)，曰^表示風機i和風機j之間通信的可靠性，aU表示風機i和風 機j之間的協(xié)議參數(shù)，Si為第i臺風機的利用率，S氣戈表風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率值，函數(shù)sig (rT代表si即(r) Ir廣，代表收斂時間代表風機集合，:r表示函數(shù)sigbr中的代入量，t 表示時間，kT代表延時時間。
[0036] 對于所述每臺風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率5^當?shù)趇臺風機直接與微電網(wǎng)控制中屯、 的高層控制器相連時（風機領導者與高層控制器直接通信時），8^=4;當?shù)?臺風機間接與 微電網(wǎng)控制中屯、的高層控制器相連時(風機跟隨者通過風機領導者與高層控制器直接通信 時），8*=〇。
[0037] 所述的跟蹤輸出功率參考值由步驟2)獲得的第i臺風機的利用率Si采用W下公式 獲得：
[00；3 引
[0039] 其中，為第i臺風機的跟蹤輸出功率參考值，Pimax為第i臺電源輸出功率的最大 值，Si為第i臺風機的利用率。
[0040] 所述風機j是否發(fā)生通信故障通過風機i和風機j之間通信的可靠性au判斷：
[0041 ]若日^ = 0，i，j G {1，2，. . . n}，則風機 j發(fā)生通信故障；若aij 聲 0，i，j G {1，2，. . . n}， 則風機j未發(fā)生通信故障。
[0042] 本發(fā)明通過風機群總功率與負載功率的差值，利用非線性積分器控制風機群輸出 穩(wěn)定跟蹤負荷，每臺風機根據(jù)風速大小采用兩種功率控制方式，最終使每臺風機按照給定 的跟蹤負荷運行，實現(xiàn)微電網(wǎng)功率平衡控制;采用有限時間收斂算法實現(xiàn)風機群總功率在 每臺風機中的快速、公平分配。
[0043] 本發(fā)明具有的效果是：
[0044] 本發(fā)明極大的減少了分布式系統(tǒng)中存在的積分飽和、超調；提高了分布式控制算 法動態(tài)性能，提高了分布式能源收斂速度;功率分配方式兼具快速性與穩(wěn)定性，驗證了通信 延時及通信故障對系統(tǒng)的影響，可抑制一定程度范圍內的通信延時與通信故障。
【附圖說明】
[0045] 圖1為本發(fā)明的風機控制結構。
[0046] 圖2為本發(fā)明風機群通信拓撲圖。
[0047] 圖3為風能利用系數(shù)與葉尖速比圖。
[0048] 圖4為風輪機輸出功率與轉速圖。
[0049] 圖5為風機群總負載變化時的實驗截圖。
[0050] 圖6為風機群風速變化時的實驗截圖。。
[0051 ]圖7為風機群通信故障的實驗截圖。
[0052] 圖8為延時4T的實驗截圖。
[0053] 圖9為延時8T的實驗截圖。
[0054] 圖10為延時12T的實驗截圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0056] 本發(fā)明的步驟1)現(xiàn)有的控制方法一般采用傳統(tǒng)線性積分控制器，雖然易于實現(xiàn)， 但穩(wěn)態(tài)誤差和超調較大，且存在積分飽和?；诖?，采取一種高性能非線性積分器應用于微 電網(wǎng)功率平衡控制中，該非線性積分器兼顧快速性和穩(wěn)定性，控制信號穩(wěn)定，超調量較小， 并可W消除穩(wěn)態(tài)誤差;與線性積分器相比具有較小的相角滯后，且可調參數(shù)A能夠增大控制 器設計的自由度，性能明顯優(yōu)于線性積分器。
[0057] 本發(fā)明的步驟2)通過設計分布式電源的利用率來控制風機功率輸出，通過有限時 間收斂算法設計每臺風機的控制率，根據(jù)風機的動態(tài)模型，保證最終所有風機按照高層控 制輸出值運行
[0058] 如圖2所示，圓圈中的數(shù)字代表第幾號風機的序數(shù)，圖2中的1、2、3號風機為風機領 導者，其余風機為風機跟隨者，箭頭指向代表風機間信息傳遞方向，箭頭旁的數(shù)字代表風機 間通信的可靠性，即為為高層控制器的輸出值，傳遞給風機領導者，當風機領導者直接 與微電網(wǎng)控制中屯、的高層控制器相連時，8^ = 4;當風機領導者與微電網(wǎng)控制中屯、的高層控 制器無連接時，8^ = 〇，風機通過互相之間的信息傳遞，根據(jù)風機的動態(tài)模型和根據(jù)模型所 設計的風機的分布式控制器，最終所有風機達到每臺風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率8^
[0059] 本發(fā)明的步驟3)是風機控制結構。本發(fā)明根據(jù)風速大小采用兩種不同的控制結 構：首先，風機在風速恒定時的輸出功率僅與有關。由圖3可知，A取一定值時，Cp( ?)存 在最大值，因此可W通過求解Cp( ?)最大值獲得輸出功率的最大值，通過采集所有風機輸 出總功率P與所有負荷所需總功率pT6f，通過式（1)得到高層控制輸出值，從而獲取風機穩(wěn)定 狀態(tài)下的利用率值8^進而通過式(2)獲得每臺風機輸出功率的參考值，在獲得每臺風機輸 出功率參考值后有兩種控制模式：
[0060] 模式1:當實際風速〉額定風速時，采用變轉速控制方法，由于風機的機械結構在轉 速過高時可能損壞，所W為了保證風機的安全運行，同時保持一定出力，采用變獎距控制方 法，通過功率外環(huán)給定風機獎距角參考值，變獎距機構內環(huán)實行變獎距操作使風機獎距角 跟隨獎距角參考值的變化，最終使風機輸出跟蹤輸出功率參考值運行。
[0061] 模式2:當實際風速《額定風速時，采用變轉速控制方法，風機處于安全運行狀態(tài)， 此時采用更加快速精確地控制方法:通過圖4中的功率-轉速曲線獲取風機轉速參考值，通 過轉速控制器輸出電流給定值，經(jīng)過電流-電壓雙閉環(huán)控制，調節(jié)逆變器的開關狀態(tài)，最終 使風機輸出跟蹤輸出功率參考值運行。
[0062] 本發(fā)明的步驟4)是風機群在發(fā)生網(wǎng)絡延時與通信故障時的變化狀況。
[0063] 本發(fā)明是在10臺不同出力的風機基礎上提出的。
[0064] 本發(fā)明的具體實施例如下：
[00化]實驗截圖如下：
[0066] 圖中：（a)利用率參考值；（b)5臺風機的利用率實際值；（C)負荷總功率與風機總功 率;（d)5臺風機的輸出功率;（e)負荷總功率與風機總功率的差值;（f)風機轉速設定值。
[0067] (1)當負荷總功率變化，而風速、風機之間的通信拓撲不變、無通信故障、無通信延 時時，在0~20s時負載為0.2MW，20~40s時負載為0.3MW，40s~60s時負載為0.2MW，60s~ 80s時負載為0.3MW，80s~100s時負載為0.4MW，仿真結果如圖5所示。由實驗結果可W看出： 當負荷總功率變化時，風機群輸出總功率可W快速、精確的跟蹤負荷總功率的變化，且每臺 風機的利用率一致收斂，每臺風機的輸出功率較為平穩(wěn)。
[0068] (2)在風速變化時，保證負荷總功率、風機之間的通信拓撲不變、無通信故障、無通 信延時，其中（g)為實際風速，仿真結果如圖6所示。由實驗結果可W看出：當風速變化時，風 機群輸出總功率、每臺風機的利用率、每臺風機等可W根據(jù)實際風速進行調節(jié)，并保持穩(wěn) 定，并且由（f)可知在風速高于額定風速時按照模式1運行，即不考慮風速轉速設置參考值， 且設為0,實驗結果表明控制方式與控制結構的有效性。
[0069] (3)在通信故障時，保證風速、風機之間的通信拓撲不變、無通信延時時，風機群在 0~20s正常運行，在20s~40s內風機10通信故障，40s~60s內風機10、風機4通信故障，60s ~80s內風機4通信故障，80s~100s內風機正常運行。實驗結果如圖7所示。由仿真結果可W 看出：0~20s內所有風機均跟隨利用率參考值運行，20s~40s內10號風機由于通信故障無 法與其他風機通信，仍然按照通信中斷前的利用率運行，其他風機分擔了 10號機通信故障 產(chǎn)生的功率差值;40s~60s內10號風機、4號風機均通信中斷，對系統(tǒng)其他風機的影響顯著 變大;60s~80s內4號風機通信故障，對影響變小;80s~100s內所有風機恢復正常運行。經(jīng) 過W上分析和圖7可知:在系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障時，風機群輸出總功率仍然可W快速、精確的 跟蹤負荷總功率的變化，但是受通信故障影響，單個風機的輸出功率會受到影響，甚至損傷 風機，但是實驗結果表明本文所提出的控制方式可在一定程度上抵消通信故障產(chǎn)生的影 響，并且當通信故障風機恢復通信時，風機群系統(tǒng)可恢復正常運行，證明提出的控制方式使 風機群系統(tǒng)有著很好的恢復能力，魯棒性強。
[0070] (4)在存在網(wǎng)絡延時，根據(jù)式(5)對在不同的延時時間下的系統(tǒng)進行了仿真，圖8- 10分別為風機群在延時41\81\121'巧=0.13)時的仿真結果。比較無延時和有延時時的風機 群系統(tǒng)變化可知：在有延時時，所有風機出力總和趨于穩(wěn)定的時間變長，穩(wěn)定后的波動較 大，但是基本可W滿足負載需求;單個風機的出力明顯出現(xiàn)超調，穩(wěn)定后的波動較大，各風 機功率比例值不能準確的跟隨功率比例參考值，上述現(xiàn)象在延時時間增長時更加明顯。綜 上所述，通信網(wǎng)絡延時使每個風機所接收到的控制不一致，導致每臺風機的運行穩(wěn)定性降 低，跟隨功率給定參考值的準確性降低，如果網(wǎng)絡延時持續(xù)增大，風機群系統(tǒng)將變得不可 控，所W盡量減少通信網(wǎng)絡延時對于整個控制系統(tǒng)的良好運行有極大的意義。
[0071] 上述【具體實施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的 精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范 圍。
【主權項】
1. 一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方法，其特征在于:包括以 下步驟： 1) 實時采集所有風機輸出總功率P與所有負荷所需總功率Fef，構建高性能控制器； 2) 構建分布式控制器m，借助每臺風機實時輸出功率Pi和高性能控制器的輸出值iK獲 得各臺風機的跟蹤輸出功率參考值r，實現(xiàn)總功率P在所有風機之間快速公平的分配； 3) 根據(jù)實際風速和額定風速的比較通過變轉速控制方法或者變槳距控制方法，使得風 機輸出為跟蹤輸出功率參考值運行。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方 法，其特征在于:所述步驟3)具體是:若實際風速〉額定風速時，通過變槳距控制方法對風機 的輸出進行控制;若實際風速 < 額定風速時，通過變轉速控制方法對風機的輸出進行控制。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方 法，其特征在于:所述的步驟1)中的高性能控制器采用以下公式的非線性積分器來平衡微 電網(wǎng)功率：其中，P為所有風機輸出總功率F'Pi為每臺風機實時輸出功率，pg為所有負荷所需總 功率，A為可調參數(shù)，AG[-1，1] ^為高層控制器的輸出值，i表示風機的序數(shù)，n表示風機總 數(shù)量。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方 法，其特征在于:所述的步驟2)具體包括： 采用以下公式定義第i臺風機的動態(tài)模型：其中，考表示分布式電源的利用率導數(shù)，m表示第i臺風機的分布式控制器； 第i臺風機的分布式控制器m采用以下公式進行控制，使得分布式電源的利用率~趨近 于每臺風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率其中，m代表有m個風機跟隨者，n代表風機群中風機總數(shù)，表示風機i和風機j之間通 信的可靠性，P表示風機i和風機j之間的協(xié)議參數(shù)，心為第i臺風機的利用率，代表風機 穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率值，函數(shù)sig(r) a代表sign(r) | r |a，t*代表收斂時間，:U代表風機集合， r表示函數(shù)sig(r)a中的代入量，t表示時間。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方 法，其特征在于:在通信網(wǎng)絡延時情況下，所述步驟2)的第i臺風機的分布式控制器m采用 以下公式進行控制：其中，m代表有m個風機跟隨者，n代表風機群中風機總數(shù)，表示風機i和風機j之間通 信的可靠性，P表示風機i和風機j之間的協(xié)議參數(shù)，心為第i臺風機的利用率，代表風機 穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率值，函數(shù)sig(r) a代表sign(r) | r |a，t*代表收斂時間，:U代表風機集合， r表示函數(shù)s i g (r)a中的代入量，t表示時間，kT代表延時時間。6. 根據(jù)權利要求4或5所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制 方法，其特征在于:對于所述每臺風機穩(wěn)定狀態(tài)下的利用率當?shù)趇臺風機直接與高層控 制器相連時，#=115;當?shù)趇臺風機間接與高層控制器相連時，S+iO。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制方 法，其特征在于:所述的跟蹤輸出功率參考值〃由步驟2)獲得的第i臺風機的利用率^采用 以下公式獲得：其中，if"為第i臺風機的跟蹤輸出功率參考值，Pimax為第i臺電源輸出功率的最大值，心 為第i臺風機的利用率。8. 根據(jù)權利要求4或5所述的一種考慮通信延時和故障的風機群分布式功率分配控制 方法，其特征在于:所述風機j是否發(fā)生通信故障通過風機i和風機j之間通信的可靠性 ai#lJ 斷:若aij = 0，i，jG {1，2，A n}，則風機j發(fā)生通信故障;若aij乒0，i，jG {1，2，A n}，則風機j 未發(fā)生通信故障。
【文檔編號】F03D7/00GK106050557SQ201610270819
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】李超勇, 劉航, 齊冬蓮, 張國月
【申請人】浙江大學