本發(fā)明涉及屬于電力電子、通信及控制領(lǐng)域，特別涉及一種模態(tài)依賴的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行切換控制方法。

背景技術(shù)：

世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的飛速發(fā)展使全球能源供應(yīng)持續(xù)緊張，作為傳統(tǒng)能源主體的石油、天然氣、煤炭等不可再生能源逐步消耗正日趨枯竭，合理開(kāi)發(fā)利用清潔高效的綠色能源和基于靈活經(jīng)濟(jì)的分布式發(fā)電dg(distributedgeneration)的微網(wǎng)技術(shù)(microgrid)成為解決未來(lái)世紀(jì)能源問(wèn)題的主要出路，被各國(guó)提上了日程。基于分布式發(fā)電的微網(wǎng)技術(shù)不僅具有環(huán)保、效率高、安裝地因地制宜等優(yōu)點(diǎn)，而且可節(jié)省長(zhǎng)距離輸電線路的投資成本和損耗，保障在大電網(wǎng)發(fā)生意外停電時(shí)，能夠提供基本的能源供應(yīng)。我國(guó)在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》都將注重低碳、高效、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系發(fā)展作為能源發(fā)展的主要目標(biāo)。國(guó)家能源局在2017年的《規(guī)劃》新聞發(fā)布會(huì)上明確指出清潔低碳能源將是“十三五”期間能源供應(yīng)增量的主體，提出了實(shí)現(xiàn)2020年非化石能源消費(fèi)占比15％和2030年非化石能源消費(fèi)占比20％的戰(zhàn)略目標(biāo)，中國(guó)十三五期間微網(wǎng)的增量市場(chǎng)將達(dá)到200億元-300億元。因此，微網(wǎng)作為未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的重要一環(huán)，是我國(guó)進(jìn)一步提高清潔能源滲透率和利用效率，改善能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要載體，對(duì)解決可再生能源的大規(guī)模接入問(wèn)題和對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠持續(xù)供給問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)高效化、低碳化和清潔化目標(biāo)有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

對(duì)于逆變型微網(wǎng)系統(tǒng)而言，內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、集成了多種能源的輸入(光、風(fēng)、氫、天然氣等)，并在一定區(qū)域內(nèi)分布部署，運(yùn)行模態(tài)多，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行，可以看做是一類典型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。圖1-2展現(xiàn)了微網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。

雖然微網(wǎng)有得天獨(dú)厚的發(fā)展前景，但是微網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成了多種能源的輸入(光、風(fēng)、氫、天然氣等)，并在一定區(qū)域內(nèi)分布部署，運(yùn)行模態(tài)多，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行，圖1展現(xiàn)了微網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。這就必然導(dǎo)致了微網(wǎng)在設(shè)計(jì)、控制、管理等方面都面臨了諸多問(wèn)題：

(1)分布式能源容量小、功率不穩(wěn)定，具有不可控性及隨機(jī)性，易對(duì)電網(wǎng)造成波動(dòng)；

(2)微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，會(huì)造成電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)、瞬態(tài)電壓波動(dòng)(電壓跌落和凹陷)、電壓閃變以及大量諧波污染的注入，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定；

(3)孤島運(yùn)行時(shí)，多樣化的微電源難以保證快速跟蹤微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的變化，微網(wǎng)內(nèi)的電壓、頻率失去電網(wǎng)的支撐會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重的會(huì)損壞配電設(shè)備和用戶設(shè)備；

(4)由于分布式電源具有即插即用的靈活性以及電網(wǎng)線路阻抗的不確定性，導(dǎo)致了電網(wǎng)中各種參數(shù)的不平衡，導(dǎo)致較大的感性電流環(huán)流出現(xiàn)在電源之間，因此必須對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化做出迅速響應(yīng)。

因此，為了讓微網(wǎng)最大限度的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高電網(wǎng)對(duì)分布式新能源的接納能力，最大限度利用可再生能源和清潔能源，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)多目標(biāo)運(yùn)行，保證微網(wǎng)多態(tài)的穩(wěn)定性，必須解決模態(tài)切換時(shí)由過(guò)電流和暫態(tài)電壓峰值突變?cè)斐傻碾娔苜|(zhì)量惡化問(wèn)題，必須針對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，運(yùn)行結(jié)構(gòu)多變以及控制目標(biāo)多樣化的特性，基于逆變型微源的分布式控制實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行的無(wú)擾動(dòng)切換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種模態(tài)依賴的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行切換控制方法，針對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部特性(結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能多變，輸入輸出接口多)和微網(wǎng)外部輸出所需的一致性(電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等)要求，通過(guò)對(duì)分布式電源的逆變型控制系統(tǒng)的輸入輸出特性及分布式電源之間的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行分析，基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法建立分布式電源的網(wǎng)絡(luò)化控制模型及微網(wǎng)多種運(yùn)行狀態(tài)下的綜合狀態(tài)空間靜、動(dòng)態(tài)模型，研究微網(wǎng)系統(tǒng)在各狀態(tài)和狀態(tài)切換時(shí)的穩(wěn)定性及保證各狀態(tài)間平滑過(guò)渡的切換控制律，解決微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性控制問(wèn)題、能量平衡和功率平衡的跟蹤控制問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種模態(tài)依賴的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行切換控制方法，包括以下步驟：

步驟一：為了得到微電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合狀態(tài)空間方程，將微網(wǎng)系統(tǒng)分解為各個(gè)有獨(dú)立動(dòng)態(tài)響應(yīng)的子系統(tǒng)，分別為逆變器控制模塊、lcl電路模塊、逆變器/母線接口模塊、負(fù)載模塊和傳輸線路模塊；

步驟二：根據(jù)各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)特性，基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法定義各個(gè)模塊的狀態(tài)向量、輸入和輸出向量；

(1)逆變器控制模塊輸入輸出

該模塊采用pq功率計(jì)算、下垂控制及電流電壓雙閉環(huán)控制三個(gè)子模塊對(duì)逆變型微電源進(jìn)行頻率和電壓的控制，三個(gè)子模塊的輸入輸出如下：

(a)功率控制模塊

功率控制模塊包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是功率計(jì)算模塊；一個(gè)是lpf低通濾波模塊。瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q由功率計(jì)算模塊算出后送到低通濾波器lpf得到平均有功功率p和平均無(wú)功功率q。

功率計(jì)算模塊

輸入：逆變器經(jīng)過(guò)lcl濾波后的輸出電流iod，ioq；

逆變器經(jīng)過(guò)lcl濾波后的輸出電壓vod，voq；

輸出：瞬時(shí)有功功率p；

瞬時(shí)無(wú)功功率q；

lpf低通濾波模塊：

輸入：瞬時(shí)有功功率p；

瞬時(shí)無(wú)功功率q；

輸出：平均有功功率p；

平均無(wú)功功率q；

(b)下垂控制模塊

它利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關(guān)系而無(wú)功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理而進(jìn)行控制，一種是f-p和v-q下垂控制方法，它利用測(cè)量系統(tǒng)的頻率和分布式電源輸出電壓幅值產(chǎn)生分布式電源的參考有功和無(wú)功功率。另一種方法是p-f和q-v下垂控制方法，利用測(cè)量分布式電源輸出的有功和無(wú)功功率產(chǎn)生其輸出的電壓頻率和幅值。這里采用第二種方法用分布式電源輸出的有功功率產(chǎn)生電壓參考頻率，用輸出的無(wú)功功率產(chǎn)生電壓得參考幅值。

輸入：平均有功功率p；

平均無(wú)功功率q。

輸出：電壓控制模塊的參考電壓頻率ω^*；

電壓控制模塊的參考電壓幅值

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸為控制器設(shè)計(jì)的定向控制參考坐標(biāo)，因此

(c)電壓電流控制模塊

功率控制模塊輸出的頻率和電壓幅值作為電壓外環(huán)控制的參考頻率和電壓，由pi控制器的作用產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的參考值，接著再由電流內(nèi)環(huán)的pi控制器作用產(chǎn)生逆變器電壓的參考值。

電壓外環(huán)輸入：電壓控制模塊的參考電壓頻率ω^*；

電壓控制模塊的參考電壓幅值

電壓外環(huán)輸出：電流控制模塊的參考電流

電流內(nèi)環(huán)輸入：電流控制模塊的參考電流

電流內(nèi)環(huán)輸出：逆變器的參考電壓頻率

(2)lcl電路模塊輸入輸出

輸入：逆變器的輸出電流iid，iiq；

逆變器的輸出電壓vid，viq。

輸出：lcl濾波后的輸出電流iod，ioq；

lcl濾波后的電容電壓vod，voq；

lcl濾波后的輸出電壓vibusd，vibusq；

(3)逆變器/母線接口模塊輸入輸出

輸入：逆變器側(cè)輸出電流和電壓iod，ioq，vibusd，vibusq；

輸出：逆變器母線側(cè)電流和電壓iod，ioq，vibusd，vibusq；

(4)負(fù)載模塊輸入輸出

輸入：逆變器母線側(cè)電流和電壓vibusd，vibusq；

輸出：負(fù)載電流iloadd，iloadq；

(5)傳輸線路模塊輸入輸出

輸入：逆變器母線側(cè)電壓vibusd，vibusq；

輸出：公共母線側(cè)電壓vbusd，vbusq；

步驟三：基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)各模塊建立單一動(dòng)態(tài)特性模型,其中包括逆變器控制系統(tǒng)子模型、lcl濾波電路子模型、負(fù)載小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型和傳輸線路小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型。

(1)逆變器控制系統(tǒng)子模型建立

(a)功率控制模塊模型

功率控制模塊包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是功率計(jì)算模塊；一個(gè)是lpf低通濾波模塊。功率控制模塊的狀態(tài)方程為：

其中

(b)下垂控制模塊模型

由逆變器的下垂控制特性可得下垂控制模塊的狀態(tài)方程為

其中

(c)電壓電流控制模塊模型

根據(jù)lcl濾波電路的電力電子特性關(guān)系得到其小信號(hào)模型為：

進(jìn)一步得到電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的小信號(hào)狀態(tài)方程為：

其中

avi＝0，

(2)lcl電路模塊模型建立

采用lcl濾波電路，電路各物理量直接的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中：

其中，ild,ilq,iod,ioq,vod,voq是系統(tǒng)平衡點(diǎn)的輸入電壓和電流。ω0是系統(tǒng)平衡點(diǎn)的頻率。

(3)負(fù)載模塊模型建立

以基本負(fù)荷rl建立負(fù)荷的小信號(hào)狀態(tài)方程模型，根據(jù)其電力電子關(guān)系得到小信號(hào)線性化得：

其中：

(4)傳輸線路模塊模型建立

以基本負(fù)荷rl建立線路的小信號(hào)的狀態(tài)方程模型，對(duì)于并網(wǎng)型微電網(wǎng)，逆變器經(jīng)過(guò)線路mn后連接到系統(tǒng)公共母線，則該線路為從逆變器m到公共母線vbus，則得到并網(wǎng)時(shí)的電路方程為：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中

對(duì)于孤島型微電網(wǎng)，逆變器m經(jīng)過(guò)線路mn后連接到逆變器n，則該線路為從逆變器m到逆變器n，則孤島時(shí)的電路方程為：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中

步驟四：針對(duì)上述對(duì)微網(wǎng)各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)分析及小信號(hào)狀態(tài)方程模型的建立，以整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立包含n個(gè)逆變型微電源，r條線路模型和s個(gè)負(fù)載模型的微電網(wǎng)模型；

(1)n個(gè)逆變型微源及其接口模型

基于上面建立的單一逆變型微源及其接口模型，可知逆變型微源i及其接口的狀態(tài)空間方程為：

其中

△xinvi＝[△δi△pi△qi△υid△υiq△λid△λiq△iild△iilq△viod△vioq△iiod△iioq]^t

△u1invi＝[△vibusd△vibusq]^t

△u2invi＝△ωcom

(a)并網(wǎng)時(shí)

ωcom是公共母線的角頻率，則n個(gè)逆變型微源及其接口的狀態(tài)空間方程為:

其中

△xinv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t

△uinv＝[△u1inv1△u1inv2…△u1invn△ωcom]^t

(b)孤島時(shí)

把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1。

根據(jù)逆變器的下垂控制方程，可以得到

△ω1＝cinv1△xinv1(14)

那么對(duì)于孤島型微網(wǎng)而言，n個(gè)逆變型微源及其接口的狀態(tài)空間方程為:

其中

△xis_inv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t，

△uis_inv＝[△uinv1△uinv2…△uinvn]^t

(2)r條線路模型

基于上面建立的單一線路狀態(tài)方程模型，建立r條線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型。

(a)并網(wǎng)時(shí)

對(duì)于并網(wǎng)型微網(wǎng)而言，線路的條數(shù)與逆變型微源個(gè)數(shù)一致，則r＝n。定義新的狀態(tài)變量，對(duì)于線路j有

那么并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為

其中

△ilinedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

對(duì)于線路模型而言，由于其在公共坐標(biāo)系中，我們可以得到ω＝ωcom。因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型可以改寫成：

其中

△ulinedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t

(b)孤島時(shí)

對(duì)于孤島型微網(wǎng)而言，有n個(gè)逆變器和r個(gè)節(jié)點(diǎn)，孤島型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為

其中

△iis_linedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vis_busdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

對(duì)于線路模型而言，在孤島模式下，把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1。

因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為：

其中

△uis_linedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

(3)s個(gè)負(fù)載模型

基于上面建立的單一負(fù)載狀態(tài)方程模型，建立s個(gè)負(fù)載的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型。定義新的狀態(tài)變量，對(duì)于負(fù)載j有

則微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為：

其中

△iloaddq＝[△i1loaddq△i2loaddq…△isloaddq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

(a)并網(wǎng)時(shí)

并網(wǎng)型微網(wǎng)ω＝ωcom。因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載模型的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型可以改寫成：

其中

△uloaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom]^t

(b)孤島時(shí)

孤島型微網(wǎng)即ωcom＝ω1。因此，孤島型微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載模型的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為

△uis_loaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t。

步驟五：建立微網(wǎng)系統(tǒng)多態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)模型，包括并網(wǎng)時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程和孤島運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程；

(a)并網(wǎng)型微網(wǎng)：

xsys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

usys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t。

(b)孤島型微網(wǎng)：

xis_sys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

uis_sys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

步驟六：基于切換控制理論將之前建立的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為切換控制系統(tǒng)模型；

對(duì)于之前建立的微網(wǎng)系統(tǒng)模型而言，兩種運(yùn)行狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)子系統(tǒng)。

對(duì)于并網(wǎng)型子系統(tǒng)，△ωcom＝0，△vbusdq＝0，為了進(jìn)行狀態(tài)反饋切換控制器的設(shè)計(jì)，將各逆變器母線節(jié)點(diǎn)和地之間引入足夠大的虛擬阻抗，那么各母線的節(jié)點(diǎn)電壓表示成：

對(duì)于并網(wǎng)型微網(wǎng)的整體模型，將系統(tǒng)輸入用向量的形式表示為

usys＝△vbusdq＝rn△xinv+γload△iloaddq+γline△ilinedq(28)

為了設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋切換控制器，上式可以進(jìn)一步寫出：

usys＝ksysxsys(29)

那么并聯(lián)型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)方程寫成：

對(duì)于孤島型子系統(tǒng)，ωcom＝ω1，△ω1＝0，同理，為了進(jìn)行狀態(tài)反饋切換控制器的設(shè)計(jì)，將各逆變器母線節(jié)點(diǎn)和地之間引入足夠大的虛擬阻抗，那么各母線的節(jié)點(diǎn)電壓表示成：

那么對(duì)于孤島型微網(wǎng)的整體模型，將系統(tǒng)輸入用向量的形式表示為

uis_sys＝△vbusdq＝rm△xis_inv+γis_load△iis_loaddq+γis_line△iis_linedq(32)

為了設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋切換控制器，上式進(jìn)一步寫出：

uis_sys＝kis_sysxis_sys(33)

那么孤島型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)方程寫成：

更進(jìn)一步由于并網(wǎng)型微網(wǎng)子系統(tǒng)和孤島型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)向量相同，即

xsys＝xis_sys(35)

定義σ(i)是系統(tǒng)的切換信號(hào)，ai是各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣，則具有兩個(gè)切換狀態(tài)的采樣后的離散微網(wǎng)系統(tǒng)可以寫成

其中

z(k),是離散后的狀態(tài)向量和系統(tǒng)矩陣；

步驟七：基于lyapunov穩(wěn)定性理論，選取合適的lyapunov函數(shù)，給出便于求解的閉環(huán)微網(wǎng)切換控制系統(tǒng)模型的模態(tài)依賴的鎮(zhèn)定控制器存在的充分條件。

采用多l(xiāng)yapunov函數(shù)法，即每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的lyapunov函數(shù)，分別為子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2，對(duì)于子系統(tǒng)i而言，即當(dāng)σ(i)∈i＝{1,2}時(shí)，選取lyapunov函數(shù)v(k)＝z^t(k)piz(k)，pi,i∈i＝{1,2}是正定對(duì)稱矩陣，則沿系統(tǒng)(36)軌跡的一階前向差分為：

基于lyapunov穩(wěn)定性理論，如果v(k)>0成立，則閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)全局漸進(jìn)穩(wěn)定，因此我們可以得到下面的定理：

定理1若存在2個(gè)正定對(duì)稱矩陣pi,i∈i＝{1,2}，滿足：

則公式(36)表示的離散微網(wǎng)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。

步驟八：設(shè)計(jì)便于求解的閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)的模態(tài)依賴的鎮(zhèn)定控制器，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)多模態(tài)切換的鎮(zhèn)定控制。

具體為：將閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)寫成

那么用下面的定理給出閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)的狀態(tài)反饋模態(tài)依賴鎮(zhèn)定控制器增益求解的線性矩陣不等式，

定理2若存在正定對(duì)稱矩陣g1,g2及矩陣r1，r2，滿足

則系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，并且狀態(tài)反饋控制器的增益為：

針對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行模式切換基于定理2證明本發(fā)明所設(shè)計(jì)的切換控制器的有效性，我們?cè)趍atlab/simulink中搭建微網(wǎng)系統(tǒng)，驗(yàn)證當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)發(fā)生改變時(shí)采用所設(shè)計(jì)的模態(tài)依賴的控制器保證微網(wǎng)系統(tǒng)切換發(fā)生時(shí)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明針對(duì)微網(wǎng)多模態(tài)的運(yùn)行特性而導(dǎo)致的微網(wǎng)運(yùn)行平衡點(diǎn)多、優(yōu)化參數(shù)多的特性，為了避免采用通用控制器而導(dǎo)致的控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)繁多、靈活性差的特點(diǎn)，結(jié)合電力電子、通信及控制三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論分析網(wǎng)絡(luò)化微網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)及微網(wǎng)內(nèi)部能量的多路徑潮流算法，重新定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的含義，基于切換系統(tǒng)理論建立了微網(wǎng)多種運(yùn)行狀態(tài)下的切換系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，并基于此，針對(duì)微網(wǎng)不同運(yùn)行模態(tài)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制目標(biāo)采用不同的控制策略設(shè)計(jì)了保證微網(wǎng)多態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的模態(tài)依賴的切換控制器，結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以有效的解決微網(wǎng)多模態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，并且隨著控制目標(biāo)和運(yùn)行模態(tài)的增加,解決了由控制器維數(shù)增長(zhǎng)而導(dǎo)致的數(shù)值化求解困難的問(wèn)題。

本發(fā)明以現(xiàn)代控制理論和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為指導(dǎo)，通過(guò)分析各微電源自身的輸出特性及微電源之間的信號(hào)傳輸特性，基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)全網(wǎng)絡(luò)特性的分散靈活控制策略，實(shí)現(xiàn)電能在微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間平滑切換及分布式能源的優(yōu)化控制。針對(duì)逆變型分布式電源微電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，采用分解分層的方法建立微網(wǎng)整體的小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)空間模型；基于切換系統(tǒng)理論分析微網(wǎng)的狀態(tài)切換特性，建立微網(wǎng)多種運(yùn)行狀態(tài)下(并網(wǎng)、孤島)的切換系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)運(yùn)行模式間的平滑切換控制策略以及微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)電壓、頻率跟蹤控制器。

附圖說(shuō)明

圖1是微網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是微網(wǎng)整體模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3是單一微源單元的子模塊關(guān)系圖。

圖4是逆變器控制系統(tǒng)模塊。

圖5微網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖。

圖6是lcl濾波電路模塊示意圖。

圖7是線路電路圖。

圖8是含三個(gè)微源的微網(wǎng)系統(tǒng)模式切換結(jié)構(gòu)圖。

圖9是切換情況1的系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖。

圖10是切換情況1的系統(tǒng)公共母線電壓響應(yīng)圖。

圖11是切換情況2的系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖。

圖12是切換情況2的系統(tǒng)公共母線電壓響應(yīng)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)敘述。

一種模態(tài)依賴的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行切換控制方法，包括以下步驟：

步驟一：為了得到微電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合狀態(tài)空間方程，將微網(wǎng)系統(tǒng)分解為各個(gè)有獨(dú)立動(dòng)態(tài)響應(yīng)的子系統(tǒng)，分別為逆變器控制模塊、lcl電路模塊、逆變器/母線接口模塊、負(fù)載模塊和傳輸線路模塊；圖3展示了其中一個(gè)微源分支單元分解后的各個(gè)子模塊的關(guān)系。主要的子模塊有：(1)逆變器控制模塊；(2)lcl電路模塊；(3)逆變器/母線接口模塊；(4)負(fù)載模塊；(5)傳輸線路模塊；

步驟二：根據(jù)各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)特性，基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法定義各個(gè)模塊的狀態(tài)向量、輸入和輸出向量；

(1)逆變器控制模塊輸入輸出

對(duì)于電力電子接口的分布式微電源，無(wú)論是經(jīng)過(guò)ac-dc-ac變換還是經(jīng)過(guò)dc-dc-ac變換并入大電網(wǎng)或是在孤島模式下給本地負(fù)載供電，逆變器是必經(jīng)的環(huán)節(jié)，因此本發(fā)明將微電源成為逆變型微電源。逆變型微源的小信號(hào)模型是微網(wǎng)整體模型的主要部分，它直接影響到微網(wǎng)的頻率和電壓，逆變型微電源的輸出頻率和輸出電壓是由功率的下垂控制決定的，因此本研究采用pq功率計(jì)算、下垂控制及電流電壓雙閉環(huán)控制三個(gè)模塊對(duì)逆變型微電源進(jìn)行頻率和電壓的控制。如圖4所示，為了確保頻率和電壓在控制調(diào)制的范圍之內(nèi)，功率計(jì)算模塊計(jì)算出來(lái)的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q經(jīng)過(guò)低通濾波器lpf得到平均有功功率p和平均無(wú)功功率q，再進(jìn)行下垂控制,從功率控制模塊出來(lái)的電壓信號(hào)和頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓外環(huán)控制模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊，再送到lcl濾波電路輸出。其中功率控制模塊通過(guò)下垂控制特性調(diào)節(jié)逆變器輸出基波部分的電壓和頻率，達(dá)到對(duì)功率的控制。電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)是為了防止高頻干擾，使的輸出電壓和電流快速有效的跟隨給定值。

(a)功率控制模塊

功率控制模塊包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是功率計(jì)算模塊；一個(gè)是lpf低通濾波模塊。瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q由功率計(jì)算模塊算出后送到低通濾波器lpf得到平均有功功率p和平均無(wú)功功率q。

功率計(jì)算模塊

輸入：逆變器經(jīng)過(guò)lcl濾波后的輸出電流iod，ioq；

逆變器經(jīng)過(guò)lcl濾波后的輸出電壓vod，voq。

輸出：瞬時(shí)有功功率p；

瞬時(shí)無(wú)功功率q。

lpf低通濾波模塊

輸入：瞬時(shí)有功功率p；

瞬時(shí)無(wú)功功率q。

輸出：平均有功功率p；

平均無(wú)功功率q。

(b)下垂控制模塊

它利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關(guān)系而無(wú)功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理而進(jìn)行控制。一種是f-p和v-q下垂控制方法，它利用測(cè)量系統(tǒng)的頻率和分布式電源輸出電壓幅值產(chǎn)生分布式電源的參考有功和無(wú)功功率。另一種方法是p-f和q-v下垂控制方法，利用測(cè)量分布式電源輸出的有功和無(wú)功功率產(chǎn)生其輸出的電壓頻率和幅值。這里采用第二種方法用分布式電源輸出的有功功率產(chǎn)生電壓參考頻率，用輸出的無(wú)功功率產(chǎn)生電壓得參考幅值。

輸入：平均有功功率p；

平均無(wú)功功率q。

輸出：電壓控制模塊的參考電壓頻率ω^*；

電壓控制模塊的參考電壓幅值

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸為控制器設(shè)計(jì)的定向控制參考坐標(biāo)，因此

(c)電壓電流控制模塊

功率控制模塊輸出的頻率和電壓幅值作為電壓外環(huán)控制的參考頻率和電壓，由pi控制器的作用產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的參考值，接著再由電流內(nèi)環(huán)的pi控制器作用產(chǎn)生逆變器電壓的參考值。

電壓外環(huán)輸入：電壓控制模塊的參考電壓頻率ω^*；

電壓控制模塊的參考電壓幅值

電壓外環(huán)輸出：電流控制模塊的參考電流

電流內(nèi)環(huán)輸入：電流控制模塊的參考電流

電流內(nèi)環(huán)輸出：逆變器的參考電壓頻率

(2)lcl電路模塊

逆變器的dc/ac逆變電路將直流電壓或電流變換為開(kāi)關(guān)脈沖量，為了消除開(kāi)關(guān)頻率次諧波電壓、電流分量對(duì)電網(wǎng)的影響，并網(wǎng)逆變電路和大電網(wǎng)之間都有無(wú)源低通濾波網(wǎng)絡(luò)。本研究采用lcl濾波電路，lcl濾波器結(jié)合了l、lc濾波器的優(yōu)點(diǎn)，即使在低開(kāi)關(guān)頻率和較小的電感情況下也能滿足電流諧波衰減的要求，而且濾波器的電容也沒(méi)跟電網(wǎng)直接并聯(lián)，減少了電網(wǎng)高頻諧波的影響，逆變器側(cè)電感l(wèi)f的主要作用是抑制逆變器側(cè)的電流紋波。網(wǎng)側(cè)電感l(wèi)c更好的使系統(tǒng)獲得高頻紋波電流衰減性能。

輸入：逆變器的輸出電流iid，iiq；

逆變器的輸出電壓vid，viq。

輸出：lcl濾波后的輸出電流iod，ioq；

lcl濾波后的電容電壓vod，voq；

lcl濾波后的輸出電壓vibusd，vibusq。

(3)逆變器/母線接口模塊

微網(wǎng)系統(tǒng)中每個(gè)逆變器及其濾波電路是建立在其出口電壓確定的坐標(biāo)系d-q上,旋轉(zhuǎn)頻率由相應(yīng)的下垂控制特性決定，為了建立微網(wǎng)系統(tǒng)的整體模型，我們需要選定全局參考坐標(biāo)系。對(duì)于孤島型微網(wǎng)而言，以第一個(gè)逆變器模型的參考坐標(biāo)系d1q1為微網(wǎng)系統(tǒng)的全局參考坐標(biāo)系，對(duì)并網(wǎng)型微網(wǎng)而言，選取公共母線電壓確定的坐標(biāo)系為全局參考坐標(biāo)系。因此，此接口模塊主要是將各微源的模型變換到全局坐標(biāo)系下。

輸入：逆變器側(cè)輸出電流和電壓iod，ioq，vibusd，vibusq。

輸出：逆變器母線側(cè)電流和電壓iod，ioq，vibusd，vibusq。

(4)負(fù)載模塊

一般情況下，微網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載可以歸結(jié)為rl型負(fù)載。

輸入：逆變器母線側(cè)電流和電壓vibusd，vibusq。

輸出：負(fù)載電流iloadd，iloadq。

(5)傳輸線路模塊

對(duì)于微網(wǎng)系統(tǒng)而言，分布式微源部署在不同的地點(diǎn)，通過(guò)傳輸線路最終匯合到公共母線，并網(wǎng)運(yùn)行或者孤島運(yùn)行給負(fù)載供電。和負(fù)載模塊一樣，傳輸線路模塊的阻抗也由rl表示。

輸入：逆變器母線側(cè)電壓vibusd，vibusq。

輸出：公共母線側(cè)電壓vbusd，vbusq。

步驟三：基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)各模塊建立動(dòng)態(tài)特性模型,其中包括逆變器控制系統(tǒng)子模型、lcl濾波電路子模型、負(fù)載小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型和傳輸線路小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型。與其他微網(wǎng)小信號(hào)建模不同的是我們根據(jù)實(shí)際情況考慮了負(fù)載和傳輸線路的動(dòng)態(tài)特性對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的影響，更加符合實(shí)際情況的描述了微網(wǎng)系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)性能。圖5是微網(wǎng)系統(tǒng)整體的等效電路圖，其中包括了以上四個(gè)子模塊。

(2)逆變器控制系統(tǒng)模型建立

對(duì)于微電源的控制部分有三個(gè)：功率控制、下垂控制和電壓電流控制，因此本發(fā)明將逆變型微電源和其控制部分作為一個(gè)整體的閉環(huán)系統(tǒng)稱作逆變器控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行整體的模型建立。逆變器控制系統(tǒng)的小信號(hào)模型是微網(wǎng)整體模型的主要部分，它直接影響到微網(wǎng)的頻率和電壓。功率控制器采用低通濾波器lpf得到平均有功功率p和平均無(wú)功功率q，通過(guò)下垂控制保證頻率和電壓在控制調(diào)制的范圍之內(nèi),從功率控制模塊出來(lái)的電壓信號(hào)和頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓外環(huán)控制模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊，防止高頻干擾，使輸出電壓和電流快速有效的跟隨給定值。

(a)功率控制模塊模型

功率控制模塊包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是功率計(jì)算模塊；一個(gè)是lpf低通濾波模塊。瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q由功率計(jì)算模塊算出后送到低通濾波器lpf得到平均有功功率p和平均無(wú)功功率q，基于功率控制模塊的電力電子輸入輸出關(guān)系分析，由圖5可得功率控制模塊的狀態(tài)方程為：

其中

(b)下垂控制模塊模型

該模塊測(cè)量分布式電源輸出的有功功率產(chǎn)生電壓參考頻率，測(cè)量分布式電源輸出的無(wú)功功率產(chǎn)生電壓得參考幅值。選取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸為控制器設(shè)計(jì)的定向控制參考坐標(biāo)。由逆變器的下垂控制特性可得下垂控制模塊的狀態(tài)方程為

其中

(c)電壓電流控制模塊模型

本發(fā)明采用lcl濾波電路輸出電容電壓的瞬時(shí)值和濾波電感電流的瞬時(shí)值雙閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)采用pi控制器控制輸出電壓跟隨下垂控制產(chǎn)生的參考電壓，pi控制器的輸出作為電流環(huán)的參考輸入；電流內(nèi)環(huán)采用pi控制器控制電感電流跟蹤電壓外環(huán)輸出的參考值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。通過(guò)調(diào)節(jié)pi控制器的比例和積分系數(shù)改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)lcl濾波電路的電力電子特性關(guān)系得到其小信號(hào)模型為：

由以上兩式可得電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的小信號(hào)狀態(tài)方程為：

其中

avi＝0，

(2)lcl電路模塊模型建立

本發(fā)明采用lcl濾波電路，如圖6所示。逆變器側(cè)電感l(wèi)f抑制逆變器側(cè)的電流紋波。網(wǎng)側(cè)電感l(wèi)c更好的使系統(tǒng)獲得高頻紋波電流衰減性能。這里可以認(rèn)為逆變器控制系統(tǒng)模塊電流環(huán)輸出的電壓參考值和逆變器的輸出電壓vid,viq相等，即逆變器的輸出電壓準(zhǔn)確的跟蹤參考電壓。

電路各物理量直接的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中：

其中，ild,ilq,iod,ioq,vod,voq是系統(tǒng)平衡點(diǎn)的輸入電壓和電流。ω0是系統(tǒng)平衡點(diǎn)的頻率。

(3)負(fù)載模塊模型建立

本研究以基本負(fù)荷rl建立負(fù)荷的小信號(hào)狀態(tài)方程模型，根據(jù)圖5負(fù)荷部分的電力電子關(guān)系得到小信號(hào)線性化得：

其中：

(3)傳輸線路模塊模型建立

本發(fā)明以基本負(fù)荷rl建立線路的小信號(hào)的狀態(tài)方程模型，從母線m到母線n的線路電路如圖7所示。

對(duì)于并網(wǎng)型微電網(wǎng)，逆變器經(jīng)過(guò)線路mn后連接到系統(tǒng)公共母線，這時(shí)，母線n即為系統(tǒng)的公共母線，則該線路為從逆變器m到公共母線vbus，則得到并網(wǎng)時(shí)的電路方程為：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中

對(duì)于孤島型微電網(wǎng)，逆變器m經(jīng)過(guò)線路mn后連接到逆變器n，則該線路為從逆變器m到逆變器n，則孤島時(shí)的電路方程為：

對(duì)上式進(jìn)行小信號(hào)線性化得：

其中

步驟四：針對(duì)上述對(duì)微網(wǎng)各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)分析及小信號(hào)狀態(tài)方程模型的建立，以整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立包含n個(gè)逆變型微電源，r條線路模型和s個(gè)負(fù)載模型的微電網(wǎng)模型；

(1)n個(gè)逆變型微源及其接口模型

基于上面建立的單一逆變型微源及其接口模型，建立n個(gè)逆變型微源及其接口模型的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型。

根據(jù)上述分析得到的功率控制模塊狀態(tài)空間方程、下垂控制模塊狀態(tài)空間方程、電壓電流雙閉環(huán)狀態(tài)空間方程，以及l(fā)cl電路模塊狀態(tài)空間方程導(dǎo)出單個(gè)逆變型微源及其接口的狀態(tài)空間方程為：

其中

△xinvi＝[△δi△pi△qi△υid△υiq△λid△λiq△iild△iilq△viod△vioq△iiod△iioq]^t

△u1invi＝[△vibusd△vibusq]^t

△u2invi＝△ωcom

(a)并網(wǎng)時(shí)

ωcom是公共母線的角頻率。那么對(duì)于并網(wǎng)型微網(wǎng)而言，n個(gè)逆變型微源及其接口的狀態(tài)空間方程為:

其中

△xinv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t

△uinv＝[△u1inv1△u1inv2…△u1invn△ωcom]^t

(b)孤島時(shí)

把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1。

根據(jù)逆變器的下垂控制方程，可以得到

△ω1＝cinv1△xinv1(14)

那么對(duì)于孤島型微網(wǎng)而言，n個(gè)逆變型微源及其接口的狀態(tài)空間方程為:

其中

△xis_inv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t，

△uis_inv＝[△uinv1△uinv2…△uinvn]^t

(2)r條線路模型

基于上面建立的單一線路狀態(tài)方程模型，建立r條線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型。

(a)并網(wǎng)時(shí)

對(duì)于并網(wǎng)型微網(wǎng)而言，線路的條數(shù)與逆變型微源個(gè)數(shù)一致，則r＝n。定義新的狀態(tài)變量，對(duì)于線路j有

那么并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為

其中

△ilinedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

對(duì)于線路模型而言，由于其在公共坐標(biāo)系中，我們可以得到ω＝ωcom。因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型可以改寫成：

其中

△ulinedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t

(b)孤島時(shí)

對(duì)于孤島型微網(wǎng)而言，有n個(gè)逆變器和r個(gè)節(jié)點(diǎn)，孤島型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為

其中

△iis_linedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vis_busdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

對(duì)于線路模型而言，在孤島模式下，我們把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1。

因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)r個(gè)線路的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型可以改寫成：

其中

△uis_linedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

(3)s個(gè)負(fù)載模型

基于上面建立的單一負(fù)載狀態(tài)方程模型，建立s個(gè)負(fù)載的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型，定義新的狀態(tài)變量，對(duì)于負(fù)載j有

那么微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型為：

其中

△iloaddq＝[△i1loaddq△i2loaddq…△isloaddq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

(a)并網(wǎng)時(shí)

并網(wǎng)型微網(wǎng)對(duì)于負(fù)載模型而言，由于其在公共坐標(biāo)系中，能夠得到ω＝ωcom，因此，并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載模型的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型改寫成：

其中

△uloaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom]^t；

(b)孤島時(shí)

孤島型微網(wǎng)對(duì)于負(fù)載模型而言，把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1，因此，孤島型微網(wǎng)系統(tǒng)s個(gè)負(fù)載模型的統(tǒng)一小信號(hào)狀態(tài)方程模型改寫成

△uis_loaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t。

步驟五：建立微網(wǎng)系統(tǒng)多態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)模型，包括并網(wǎng)時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程和孤島運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程；

(a)并網(wǎng)型微網(wǎng)：

xsys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

usys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t。

(b)孤島型微網(wǎng)：

xis_sys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

uis_sys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

步驟六：基于切換控制理論將之前建立的微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為切換控制系統(tǒng)模型；

微網(wǎng)的運(yùn)行模式有兩種：并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。每種運(yùn)行模式都有自身的動(dòng)態(tài)特性。這兩種運(yùn)行模式可以相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)從并網(wǎng)轉(zhuǎn)成孤島時(shí)，微網(wǎng)檢測(cè)到pcc處電壓/頻率發(fā)生變化或微電網(wǎng)有流向配電網(wǎng)的短路電流時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)控保護(hù)裝置發(fā)出動(dòng)作信號(hào)給并網(wǎng)點(diǎn)斷路器，并網(wǎng)點(diǎn)短路器跳開(kāi)，微網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行。這種模式的切換是事先未知的，因而稱作并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的任意切換。當(dāng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)，孤島運(yùn)行期間，微網(wǎng)控制器時(shí)刻檢測(cè)公共連接點(diǎn)的電壓、頻率參數(shù)，一旦pcc處的運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常，則向微網(wǎng)能量管理主站發(fā)送可并網(wǎng)信號(hào)，微網(wǎng)能量管理主站再向配電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)送并網(wǎng)申請(qǐng)，當(dāng)配電網(wǎng)調(diào)度中心回復(fù)并網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)控制器在準(zhǔn)同期裝置檢測(cè)到同期條件滿足后發(fā)出合閘信號(hào)給pcc處的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的并網(wǎng)，這種恢復(fù)并網(wǎng)的切換也是事先未知的，因此稱作孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)的任意切換。

考慮如下的連續(xù)時(shí)間線性切換系統(tǒng)：

其中，是系統(tǒng)狀態(tài)，σ(t):[0,∞)→p＝{1,2,…,m}表示切換信號(hào)。

系統(tǒng)初始時(shí)刻記為t0，設(shè)系統(tǒng)在初始時(shí)刻駐留在子系統(tǒng)上。令t1,t2,…,tk表示系統(tǒng)在間隔[t0,t)的切換點(diǎn)，且t0<t1<t2<…tk<t，則在切換信號(hào)σ(t)的作用下，系統(tǒng)按一些切換序列切換：

∑:{(i0,t0),(i1,t1),…,(ik,tk),…|ij∈p,j＝0,…,k}(26)

當(dāng)t＝tj時(shí)，第ij個(gè)子系統(tǒng)激活，從而在時(shí)間間隔[tj,tj+1)內(nèi)，系統(tǒng)駐留在子系統(tǒng)上。

對(duì)于之前建立的微網(wǎng)系統(tǒng)模型而言，兩種運(yùn)行狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)子系統(tǒng)。

對(duì)于并網(wǎng)型子系統(tǒng)，可以認(rèn)為配電網(wǎng)公共母線的電壓和頻率的波動(dòng)忽略不計(jì)，則△ωcom＝0，△vbusdq＝0，并且為了進(jìn)行狀態(tài)反饋切換控制器的設(shè)計(jì)，將各逆變器母線節(jié)點(diǎn)和地之間引入足夠大的虛擬阻抗，那么各母線的節(jié)點(diǎn)電壓可以表示成：

那么對(duì)于并網(wǎng)型微網(wǎng)的整體模型，可以將系統(tǒng)輸入用向量的形式表示為

usys＝△vbusdq＝rn△xinv+γload△iloaddq+γline△ilinedq(28)

為了設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋切換控制器，上式可以進(jìn)一步寫出：

usys＝ksysxsys(29)

那么并聯(lián)型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)方程可以寫成：

對(duì)于孤島型子系統(tǒng)，把第一個(gè)逆變型微源的坐標(biāo)系當(dāng)做公共坐標(biāo)系，則ωcom是逆變型微源1的角頻率，即ωcom＝ω1，那么可以認(rèn)為逆變型微源1的頻率波動(dòng)忽略不計(jì)，則△ω1＝0，同理，為了進(jìn)行狀態(tài)反饋切換控制器的設(shè)計(jì)，將各逆變器母線節(jié)點(diǎn)和地之間引入足夠大的虛擬阻抗，那么各母線的節(jié)點(diǎn)電壓可以表示成：

那么對(duì)于孤島型微網(wǎng)的整體模型，可以將系統(tǒng)輸入用向量的形式表示為

uis_sys＝△vbusdq＝rm△xis_inv+γis_load△iis_loaddq+γis_line△iis_linedq(32)

為了設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋切換控制器，上式可以進(jìn)一步寫出：

uis_sys＝kis_sysxis_sys(33)

那么孤島型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)方程可以寫成：

更進(jìn)一步由于并網(wǎng)型微網(wǎng)子系統(tǒng)和孤島型微網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)向量相同，即

xsys＝xis_sys(35)

定義σ(i)是系統(tǒng)的切換信號(hào)，ai是各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣，則具有兩個(gè)切換狀態(tài)的采樣后的離散微網(wǎng)系統(tǒng)可以寫成

其中

z(k),是離散后的狀態(tài)向量和系統(tǒng)矩陣。

步驟七：基于lyapunov穩(wěn)定性理論，選取合適的lyapunov函數(shù)，給出便于求解的閉環(huán)微網(wǎng)切換控制系統(tǒng)模型的模態(tài)依賴的鎮(zhèn)定控制器存在的充分條件。

下面選取合適的lyapunov函數(shù)，由于要設(shè)計(jì)模態(tài)依賴的控制器，即微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)有并網(wǎng)控制器，孤島運(yùn)行時(shí)有孤島控制器，因此我們采用多l(xiāng)yapunov函數(shù)法，即每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的lyapunov函數(shù)，分別為子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2，對(duì)于子系統(tǒng)i而言，即當(dāng)σ(i)∈i＝{1,2}時(shí)，選取lyapunov函數(shù)v(k)＝z^t(k)piz(k)，pi,i∈i＝{1,2}是正定對(duì)稱矩陣，則沿系統(tǒng)(36)軌跡的一階前向差分為：

基于lyapunov穩(wěn)定性理論，如果v(k)>0成立，則閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)全局漸進(jìn)穩(wěn)定。因此我們可以得到下面的定理。

定理1若存在2個(gè)正定對(duì)稱矩陣pi,i∈i＝{1,2}，滿足

則系統(tǒng)(36)漸進(jìn)穩(wěn)定。

1.設(shè)計(jì)便于求解的閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)的模態(tài)依賴鎮(zhèn)定控制器，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)多模態(tài)切換的鎮(zhèn)定控制。

將閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)寫成

那么可以用下面的定理給出閉環(huán)多態(tài)微網(wǎng)系統(tǒng)切換控制模型(36)的狀態(tài)反饋模態(tài)依賴鎮(zhèn)定控制器增益求解的線性矩陣不等式，具體如下：

定理2若存在正定對(duì)稱矩陣g1,g2及矩陣r1，r2，滿足

則系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，并且狀態(tài)反饋控制器的增益為：

本發(fā)明針對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行模式切換基于定理2證明本發(fā)明所設(shè)計(jì)的切換控制器的有效性，我們?cè)趍atlab/simulink中搭建微網(wǎng)系統(tǒng)，驗(yàn)證當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)發(fā)生改變時(shí)采用所設(shè)計(jì)的模態(tài)依賴的控制器保證微網(wǎng)系統(tǒng)切換發(fā)生時(shí)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

(1)本發(fā)明結(jié)合電力電子、通信及控制三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論分析網(wǎng)絡(luò)化微網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)及微網(wǎng)內(nèi)部能量的多路徑潮流算法，重新定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的含義；研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用到微網(wǎng)的理論基礎(chǔ)以及微網(wǎng)運(yùn)行要求如何轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。

(2)本發(fā)明針對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部特性復(fù)雜和微網(wǎng)外部輸出所需的一致性要求，采用分解分層的方法按照微網(wǎng)內(nèi)部能量的多路徑潮流將微網(wǎng)系統(tǒng)整體分解為子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，分析各微電源自身輸出特性和負(fù)荷的頻率特性和電壓特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)化微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)方程的輸入、輸出進(jìn)行定義；分析分布式電源網(wǎng)絡(luò)控制器的作用機(jī)理，研究網(wǎng)絡(luò)化多模態(tài)分布式電源反饋控制結(jié)構(gòu)和體系。

(3)針對(duì)逆變型分布式電源微電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，基于小信號(hào)穩(wěn)定性方法對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)建立了狀態(tài)空間模型,其中包括逆變器控制系統(tǒng)子模型、lcl濾波電路子模型、負(fù)載小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型和傳輸線路小信號(hào)動(dòng)態(tài)子模型，從認(rèn)識(shí)微網(wǎng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為和微網(wǎng)中多種元件相互作用機(jī)理的過(guò)程中研究多模態(tài)微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模問(wèn)題

(4)將切換系統(tǒng)理論應(yīng)用到微網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，建立微網(wǎng)多種運(yùn)行狀態(tài)下(并網(wǎng)、孤島及狀態(tài)切換下)的切換系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，基于切換系統(tǒng)理論研究微網(wǎng)多態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性條件及保證系統(tǒng)穩(wěn)定的切換控制律，設(shè)計(jì)了微網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)依賴的模態(tài)切換控制器，在微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)發(fā)生切換時(shí)很好的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)施例一

下面針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)情況下對(duì)實(shí)施例采用本技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施和操作過(guò)程的具體說(shuō)明，并驗(yàn)證本發(fā)明的優(yōu)越性。在matlab/simulink中搭建如圖8的微網(wǎng)系統(tǒng)，其包括三個(gè)逆變型微源，三個(gè)負(fù)載和兩條線路以及和公共母線并網(wǎng)的接口。表1是系統(tǒng)參數(shù)。

表1系統(tǒng)參數(shù)

為了得到系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)滯狀態(tài)下的反饋增益，使用matlablmi控制工具箱解決定理2中的lmi可行性問(wèn)題，求得的并網(wǎng)狀態(tài)下和孤島狀態(tài)下的反饋控制增益如下：

并網(wǎng)時(shí)增益：k1,k2,k3＝[0.5303-0.27780.0298]

孤島時(shí)增益：k1,k2,k3＝[0.3635-0.5653-0.0361]

我們用下面兩種情況實(shí)施驗(yàn)證本發(fā)明所設(shè)計(jì)得反饋控制器的有效性。

情況1：

系統(tǒng)在t＝0s時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行，在t＝3s時(shí)微網(wǎng)孤島運(yùn)行，在t＝6s時(shí)微網(wǎng)又并網(wǎng)運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖9和10所示。

情況2：

系統(tǒng)在t＝0s時(shí)離網(wǎng)運(yùn)行，在t＝2s時(shí)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，在t＝7s時(shí)微網(wǎng)又離網(wǎng)運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖11和12所示。

由結(jié)果可知，在微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)變化的過(guò)程中，雖然開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)電壓和頻率的一些波動(dòng)，但是由于所設(shè)計(jì)的切換控制器的作用，系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)后很快就能夠在參考電壓和參考頻率點(diǎn)附近保持穩(wěn)定運(yùn)行。

從以上兩種切換情況的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的模態(tài)依賴的狀態(tài)反饋控制器在微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)發(fā)生切換時(shí)很好的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而說(shuō)明了本發(fā)明的有效性。