本發(fā)明涉及微電網(wǎng)多發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域,尤其涉及一種基于事件觸發(fā)機(jī)制的分布式協(xié)調(diào)控制方法。
背景技術(shù):
近年來(lái),微電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱微網(wǎng))為分布式發(fā)電提供了一種有效的解決方式。通常,在微網(wǎng)中廣泛使用了可再生能源來(lái)降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。這些可再生能源包括小型發(fā)動(dòng)機(jī),光伏電池,生物燃料,風(fēng)能發(fā)電機(jī)等等。微網(wǎng)通過(guò)有機(jī)的組織,將這些不同的能源系統(tǒng)納入到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中,來(lái)對(duì)用戶提供可靠的電力。通常,微網(wǎng)可以運(yùn)行在獨(dú)立工作模式,也可以通過(guò)pcc接入主網(wǎng)并工作在并網(wǎng)模式下。
當(dāng)前,微網(wǎng)的控制方式主要有集中式控制、分散式控制和分布式控制三種類型。集中式控制需要有中央控制器來(lái)收集各逆變器信息,并統(tǒng)一下發(fā)控制指令。當(dāng)逆變器數(shù)量較多時(shí),需要的通信和計(jì)算成本高昂,可擴(kuò)展性很差。分散式控制中每個(gè)逆變器在本地完成信息采集、計(jì)算和控制,但逆變器之間缺少信息交互,從而很難實(shí)現(xiàn)如電壓、頻率同步、功率分配等協(xié)調(diào)控制任務(wù)。鑒于微網(wǎng)中的分布式逆變器通常分布于不同的物理位置,為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性和可擴(kuò)展性,使用分布式的控制和管理方法成為一種很好的選擇。
為完成微網(wǎng)中不同逆變器之間的協(xié)調(diào)控制,各逆變器之間需要有必要的信息交互,而通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互能大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。然而,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中逆變器節(jié)點(diǎn)增多時(shí),無(wú)線通信的代價(jià)增高,不僅通信壓力將增大,隨之而來(lái)的信息計(jì)算與處理的成本也將大大增加。這些因素會(huì)嚴(yán)重影響微網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)一--一種以大電網(wǎng)為虛擬儲(chǔ)能的微電網(wǎng)功率平衡控制方法(專利公布號(hào):cn103354643a),該方法是以與微電網(wǎng)連接的大電網(wǎng)為虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng),當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源供電功率不足時(shí),從大電網(wǎng)中吸收功率為微電網(wǎng)負(fù)荷供電;當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源供電功率超出微電網(wǎng)內(nèi)部所需功率時(shí),通過(guò)微電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),控制分布式電源的出力,從而使得微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源流向大電網(wǎng)的輸出功率低于設(shè)定閾值。該方法沒(méi)有對(duì)微網(wǎng)中功率如何分配進(jìn)行說(shuō)明,沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出證明。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)二--一種微電網(wǎng)功率下垂控制方法(專利公布號(hào):cn106300431a),該方法構(gòu)建了p-ω和q-v下垂控制器及三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。將參考電壓與實(shí)際電壓作差得到誤差電壓值,經(jīng)pi調(diào)節(jié)器將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)svpwm調(diào)制生成pwm脈沖波,使三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),無(wú)功功率可控制為零,即逆變器不輸出無(wú)功功率。該方法的缺點(diǎn)是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的同時(shí)調(diào)節(jié);系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高,通信量很大。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)三--一種交直流混合微電網(wǎng)功率平衡控制方法(專利公布號(hào):cn106451572a),該發(fā)明給出在因電網(wǎng)發(fā)生故障引起電壓跌落時(shí),接口變換器可根據(jù)直流電壓的上升程度來(lái)相應(yīng)降低交流子網(wǎng)的電壓幅值。電源逆變器根據(jù)交流子網(wǎng)的電壓幅值的降低來(lái)相應(yīng)減小輸出功率,以使系統(tǒng)的有功功率達(dá)到平衡。該技術(shù)方案中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)精確的電壓和頻率跟蹤,并且由于包含直流和交流,控制過(guò)程較復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供了一種實(shí)現(xiàn)精確的電壓和頻率跟蹤、相位同步、有功功率和無(wú)功功率分配等協(xié)調(diào)控制任務(wù)的基于事件觸發(fā)機(jī)制的微網(wǎng)分層采樣分布式協(xié)調(diào)控制方法。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的:一種基于事件觸發(fā)機(jī)制的微網(wǎng)分層采樣分布式協(xié)調(diào)控制方法,微網(wǎng)中的各種分布式發(fā)電設(shè)備通過(guò)直流濾波電路接入逆變器,逆變器通過(guò)交流濾波電路進(jìn)行濾波后接入微網(wǎng)母線,,對(duì)每個(gè)逆變器i編號(hào),i∈{1,2,...,n},其特征在于,每個(gè)逆變器i采用分層控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率的調(diào)節(jié),其中分層控制方式具體包括:上層協(xié)調(diào)控制、底層下垂控制;
(1)上層協(xié)調(diào)控制
上層協(xié)調(diào)控制包括通信模塊、協(xié)調(diào)控制設(shè)定、事件觸發(fā)采樣,且第i個(gè)逆變器以及與第i個(gè)逆變器有通信聯(lián)系的鄰居逆變器的事件觸發(fā)采樣狀態(tài)接入到通信模塊中;通信模塊的輸出端連接到事件觸發(fā)采樣,且事件觸發(fā)采樣的輸出端連接到通信模塊,每個(gè)逆變器i通過(guò)通信模塊與鄰居逆變器j通信,并且它們之間的通信是雙向的,每個(gè)逆變器i配備事件觸發(fā)采樣作為上層協(xié)調(diào)控制,上層協(xié)調(diào)控制根據(jù)微網(wǎng)的需求給底層下垂控制器下發(fā)下垂控制設(shè)定點(diǎn);
(2)底層下垂控制
底層下垂控制包括下垂控制器、逆變器、周期采樣,通過(guò)上層協(xié)調(diào)控制設(shè)定底層下垂控制設(shè)定點(diǎn);下垂控制器的輸出端連接到逆變器,逆變器的輸出端分別連接到微網(wǎng)母線和周期采樣中,周期采樣的狀態(tài)分別發(fā)送到底層下垂控制器和上層事件觸發(fā)采樣中;
周期采用對(duì)逆變器i輸出端的以下狀態(tài)進(jìn)行周期采樣:
vi:第i個(gè)逆變器輸出端的基波電壓;
ωi:第i個(gè)逆變器輸出端的頻率;
pi:第i個(gè)逆變器輸出端的有功功率;
qi:第i個(gè)逆變器輸出端的無(wú)功功率;
將周期采樣的信號(hào)傳送給底層下垂控制器和上層事件觸發(fā)采樣中判斷:當(dāng)事件觸發(fā)采樣條件滿足時(shí),對(duì)逆變器的周期采樣狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行非均勻采樣,通過(guò)通信模塊將與逆變器i有通信聯(lián)系的鄰居逆變器的狀態(tài)采集過(guò)來(lái),并更新逆變器i的控制輸入ui(t),同時(shí),根據(jù)微網(wǎng)的需求下發(fā)下垂控制設(shè)定點(diǎn)給底層下垂控制器,每個(gè)底層下垂控制器根據(jù)接收來(lái)的周期采樣數(shù)據(jù)和上層事件觸發(fā)采樣下發(fā)的下垂控制設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行下垂控制,調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓vi和頻率ωi。
優(yōu)化的,下垂控制按照以下方法進(jìn)行:
其中
優(yōu)化的,有功功率與無(wú)功功率的控制過(guò)程是相同的,以下以無(wú)功功率作為控制對(duì)象設(shè)計(jì)上層協(xié)調(diào)控制合適的控制輸入ui(t):
定義1:無(wú)功功率qi(t)的權(quán)重?zé)o功功率
其中χi∈(0,1]是無(wú)功功率qi(t)的分配權(quán)重;
定義2:系統(tǒng)的量測(cè)狀態(tài)yi(t)為:
其中ni是與逆變器i有通信聯(lián)系的所有其它逆變器組成的集合;
則在一個(gè)周期性采樣周期中量測(cè)狀態(tài)yi(mh)為:
其中qi(mh)表示離散的周期采樣狀態(tài),h表示底層的采樣周期,且m∈{0,1,2,...};
定義3:量測(cè)狀態(tài)的測(cè)量誤差ei(mh)為:
其中
設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)更新的動(dòng)力學(xué)方程為:
其中ui(t)是系統(tǒng)的控制輸入;取控制輸入ui(t)為:
其中ki∈(0,5)是選取的一個(gè)合適的反饋增益系數(shù)。
優(yōu)化的,以下以無(wú)功功率作為控制對(duì)象設(shè)計(jì)上層協(xié)調(diào)控制的事件觸發(fā)采樣機(jī)制:
選取lyapunov函數(shù)
其中n+表示正整數(shù)集合;
對(duì)狀態(tài)qi(t)進(jìn)行周期性采樣,生成采樣數(shù)據(jù)狀態(tài)qi(mh),并報(bào)送到事件觸發(fā)采樣并根據(jù)(10)式判定是否觸發(fā)非均勻采樣,事件觸發(fā)采樣由通信模塊接收由鄰居逆變器傳來(lái)的非均勻采樣狀態(tài)
優(yōu)化的,該基于事件觸發(fā)機(jī)制的微網(wǎng)分層采樣分布式協(xié)調(diào)控制方法,還包括證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性的步驟,包括:
由(8),(9)兩式可得:
則考慮權(quán)重狀態(tài)的動(dòng)態(tài),可得
其中ξi=ki/χi;則
其中
取lyapunov函數(shù)
其中l(wèi)是根據(jù)代數(shù)圖論知識(shí)得到的系統(tǒng)的laplace矩陣;對(duì)該lyapunov函數(shù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)可得:
由于采樣和控制輸入的零階保持特性,可得
則
因?yàn)閠∈[mh,mh+h),所以t-mh≤h;因此(17)式可寫為:
由于
利用以下不等式
可得
其中λn是laplace矩陣l的最大特征值;為了使
將(23)式帶入到(22)式中,可得
其中
可得,
由(25)式可得
由(26)式可知,系統(tǒng)是穩(wěn)定的;因此,根據(jù)(23)式所設(shè)計(jì)的事件觸發(fā)條件(10)式是可行的,并且能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):利用該方法可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)中信號(hào)的周期性均勻采樣和非均勻采樣雙層架構(gòu),利用事件觸發(fā)通信的方式實(shí)現(xiàn)多逆變器間按需信息交流,從而以較低的信息交互代價(jià)實(shí)現(xiàn)精確的電壓和頻率跟蹤、相位同步、有功功率和無(wú)功功率分配等協(xié)調(diào)控制任務(wù)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明單個(gè)逆變器分層采樣控制結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明算法流程圖。
圖3為本發(fā)明中逆變器的通信交流圖及通信交流圖對(duì)應(yīng)的laplace矩陣l。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明,本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施,給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程,但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
對(duì)微網(wǎng)中的各種分布式發(fā)電設(shè)備通過(guò)直流濾波電路接入逆變器,逆變器通過(guò)交流濾波電路進(jìn)行濾波后接入微網(wǎng)母線,微網(wǎng)中的每個(gè)逆變器有且僅有一個(gè)唯一的編號(hào),為方便描述,對(duì)每個(gè)逆變器i編號(hào),i∈{1,2,...,n}。
如圖1,每個(gè)逆變器i采用分層控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率的調(diào)節(jié),其中分層控制方式具體包括:上層協(xié)調(diào)控制、底層下垂控制。
1.上層協(xié)調(diào)控制
上層協(xié)調(diào)控制包括通信模塊、協(xié)調(diào)控制設(shè)定、事件觸發(fā)采樣,其中協(xié)調(diào)控制設(shè)定、事件觸發(fā)采樣組成事件觸發(fā)控制器,且第i個(gè)逆變器以及與第i個(gè)逆變器有通信聯(lián)系的鄰居逆變器的事件觸發(fā)采樣狀態(tài)接入到通信模塊中;通信模塊的輸出端連接到事件觸發(fā)采樣,且事件觸發(fā)采樣的輸出端連接到通信模塊。每個(gè)逆變器i通過(guò)通信模塊與鄰居逆變器j通信,并且它們之間的通信是雙向的(如圖3)。每個(gè)逆變器i配備事件觸發(fā)控制器作為上層協(xié)調(diào)控制,其事件觸發(fā)時(shí)刻為
2.底層下垂控制
底層下垂控制包括下垂控制器、逆變器、周期采樣,通過(guò)上層協(xié)調(diào)控制設(shè)定底層下垂控制設(shè)定點(diǎn)
下垂控制按照以下方法進(jìn)行:
其中
每個(gè)逆變器i在本地實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)電壓和電流控制,外環(huán)采用下垂控制方式進(jìn)行控制。
周期采用對(duì)逆變器i輸出端的以下狀態(tài)進(jìn)行周期采樣:
vi:第i個(gè)逆變器輸出端的基波電壓;
ωi:第i個(gè)逆變器輸出端的頻率;
pi:第i個(gè)逆變器輸出端的有功功率;
qi:第i個(gè)逆變器輸出端的無(wú)功功率;
將周期采樣的信號(hào)傳送給底層下垂控制器和上層事件觸發(fā)采樣中判斷:當(dāng)事件觸發(fā)采樣條件滿足時(shí),對(duì)逆變器的周期采樣狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行非均勻采樣,通過(guò)通信模塊將與逆變器i有通信聯(lián)系的鄰居逆變器的狀態(tài)采集過(guò)來(lái),并更新逆變器i的控制輸入。同時(shí),根據(jù)微網(wǎng)的需求下發(fā)下垂控制設(shè)定點(diǎn)給底層下垂控制器,每個(gè)底層下垂控制器根據(jù)接收來(lái)的周期采樣數(shù)據(jù)和上層事件觸發(fā)采樣下發(fā)的下垂控制設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行下垂控制,調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓vi和頻率ωi。
上層協(xié)調(diào)控制負(fù)責(zé)逆變器間的相互通信、事件觸發(fā)采樣,并對(duì)逆變器i的功率pi,qi進(jìn)行分配,以及根據(jù)控制要求下發(fā)合適的底層下垂控制設(shè)定點(diǎn)
采用事件觸發(fā)控制的優(yōu)點(diǎn)在于:該方式在周期性采樣減少信息處理和通信成本的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低逆變器之間的通信量,提高穩(wěn)定性和安全性;本發(fā)明利用事件觸發(fā)協(xié)調(diào)控制和局部下垂控制相結(jié)合的分層控制的方法,該方法對(duì)于電壓和頻率跟蹤,有功功率和無(wú)功功率分配等協(xié)調(diào)控制任務(wù)均能勝任。
由于有功功率與無(wú)功功率的控制過(guò)程是相同的,所以以下以無(wú)功功率作為控制對(duì)象設(shè)計(jì)上層協(xié)調(diào)控制合適的控制輸入ui(t)和事件觸發(fā)采樣機(jī)制:
定義1:無(wú)功功率qi(t)的權(quán)重?zé)o功功率
其中χi∈(0,1]是無(wú)功功率qi(t)的分配權(quán)重;
定義2:系統(tǒng)的量測(cè)狀態(tài)yi(t)為:
其中ni是與逆變器i有通信聯(lián)系的所有其它逆變器組成的集合;
則在一個(gè)周期性采樣周期中量測(cè)狀態(tài)yi(mh)為:
其中qi(mh)表示離散的周期采樣狀態(tài),h表示底層的采樣周期,且m∈{0,1,2,...};
定義3:量測(cè)狀態(tài)的測(cè)量誤差ei(mh)為:
其中
設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)更新的動(dòng)力學(xué)方程為:
其中ui(t)是系統(tǒng)的控制輸入;取控制輸入ui(t)為:
其中ki∈(0,5)是選取的一個(gè)合適的反饋增益系數(shù);
選取lyapunov函數(shù)
l是系統(tǒng)通信圖的laplace矩陣,l的取值如圖3;并基于此lyapunov函數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的事件觸發(fā)時(shí)刻序列
其中n+表示正整數(shù)集合;
對(duì)狀態(tài)qi(t)進(jìn)行周期性采樣,生成采樣數(shù)據(jù)狀態(tài)qi(mh),并報(bào)送到事件觸發(fā)采樣并根據(jù)(10)式判定是否觸發(fā)非均勻采樣。事件觸發(fā)采樣由通信模塊接收由鄰居逆變器傳來(lái)的非均勻采樣狀態(tài)
當(dāng)不等式條件(10)滿足時(shí),對(duì)逆變器的狀態(tài)qi(mh)進(jìn)行非均勻采樣,生成事件觸發(fā)狀態(tài)
事件觸發(fā)采樣中根據(jù)周期性采樣狀態(tài)qi(mh),事件觸發(fā)非均勻采樣狀態(tài)
綜上所述,當(dāng)(10)式成立時(shí),可使得
以下結(jié)合圖2和以上給出的無(wú)功功率調(diào)節(jié)實(shí)例,簡(jiǎn)述本發(fā)明的控制算法:
1.該實(shí)例中,我們考慮一個(gè)由6個(gè)逆變器組成的微網(wǎng),即n=6。為表達(dá)方便,每個(gè)逆變器賦予一個(gè)唯一的編號(hào)i,i∈{1,2,...,6};
2.設(shè)置算法中的參數(shù),取
4.將步驟3得到的qi(mh)代入到事件觸發(fā)條件(10)中計(jì)算,并進(jìn)行如下的判斷及操作:
當(dāng)不等式(10)式成立是,執(zhí)行步驟5;否則,不執(zhí)行步驟5,繼續(xù)計(jì)算(10)式,直到(10)式成立時(shí)才執(zhí)行步驟5;
5.對(duì)狀態(tài)qi(mh)進(jìn)行非均勻采樣,得事件觸發(fā)采樣狀態(tài)
6.由步驟5所得的事件觸發(fā)采樣狀態(tài)
7.底層下垂控制器根據(jù)步驟6中下發(fā)的下垂控制設(shè)定點(diǎn)對(duì)逆變器i進(jìn)行下垂控制;
8.返回步驟4,繼續(xù)按上述步驟運(yùn)行。
以下對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行證明:
由(8),(9)兩式可得:
則考慮權(quán)重狀態(tài)的動(dòng)態(tài),可得
其中ξi=ki/χi;則
其中
取lyapunov函數(shù)
其中l(wèi)是根據(jù)代數(shù)圖論知識(shí)得到的系統(tǒng)的laplace矩陣(如圖3);對(duì)該lyapunov函數(shù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)可得:
由于采樣和控制輸入的零階保持特性,可得
則
因?yàn)閠∈[mh,mh+h),所以t-mh≤h;因此(17)式可寫為:
由于
利用以下不等式
可得
其中λn是laplace矩陣l的最大特征值;為了使
將(23)式帶入到(22)式中,可得
其中
可得,
由(25)式可得
由(26)式可知,系統(tǒng)是穩(wěn)定的;因此,根據(jù)(23)式所設(shè)計(jì)的事件觸發(fā)條件(10)式是可行的,并且能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
以上的設(shè)計(jì)原理,方法應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步解釋,而不用于限定本發(fā)明。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。