本發(fā)明涉及微網(wǎng)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)及平衡控制領(lǐng)域，涉及一種基于非線性反饋的分布式微網(wǎng)無功功率分配控制方法。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量裝換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型分配電系統(tǒng)，其中分布式電源包括微型燃氣輪機，光伏發(fā)池，燃料電池、小型風力發(fā)電機組等。在微電網(wǎng)中，不同類型的發(fā)電機可能有不同的發(fā)電能力。通過適當?shù)墓β士刂撇呗?，制定相?yīng)的調(diào)整發(fā)電機的功率輸入，以滿足容量約束。建立一個理想的分布的功率輸出，以滿足微電網(wǎng)的功率分配需求。由于以上的存在的這些需求，有功功率和無功功率的有效分配是微網(wǎng)控制的一個重要的性能標準。

最近，許多學(xué)者使用多智能體一致性的方法對功率有效分配問題進行了研究。逆變器被認為是智能體，它可以通過通信網(wǎng)絡(luò)與相鄰逆變器交換信息。由于一致性控制協(xié)議可以使多智能體收斂到目標協(xié)議點，因此一個全局性的目標可以通過只使用局部控制和智能體到智能體之間的通信實現(xiàn)。有些學(xué)者提出閉環(huán)電壓控制微網(wǎng)穩(wěn)定性的矩陣分析，它已被證明所提出的基于一致性的下垂控制可以實現(xiàn)無功功率按比例漸近的達到一致。

微網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)主要存在兩個難點：

1)如何建立微網(wǎng)無功功率控制系統(tǒng)模型；

2)如何選取合適的函數(shù)lyapunov證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)一——一種基于分布式有限時間的微電網(wǎng)功率方法(專利公布號：cn105470999a)，該發(fā)明中提出了一種基于分布式有限時間控制器的微電網(wǎng)功率分配方法。對微電網(wǎng)有功功率的參考值與實際值經(jīng)過非線性積分控制器處理得到所有電源的有功功率利用率的參考值；建立連接的微電網(wǎng)內(nèi)部所有電源的通信網(wǎng)絡(luò)。該方法消除傳統(tǒng)的微電網(wǎng)中心對于微電網(wǎng)可靠性的影響，提高微電網(wǎng)的動態(tài)性能。但是，該現(xiàn)有技術(shù)一的缺點在于：

1)需要得到所有分布式電源的有功功率的參考值，使用不方便；

2)需要確定許多中間變量。

與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)二——一種以大電網(wǎng)為虛擬儲能的微電網(wǎng)功率平衡控制方法(專利公布號：cn103354643a)，該方法是以與微電網(wǎng)連接的大電網(wǎng)為虛擬儲能系統(tǒng)，當微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源供電功率不足時，從大電網(wǎng)中吸收功率為微電網(wǎng)負荷供電；當微電網(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，通過微電網(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。但是，該現(xiàn)有技術(shù)二的缺點在于：

1)沒有對系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出證明；

2)未給出具體的控制實例。

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：cn106451572a)，該發(fā)明給出在因電網(wǎng)發(fā)生故障引起電壓跌落時，接口變換器可根據(jù)直流電壓的上升程度來相應(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相應(yīng)減小輸出功率，以使系統(tǒng)的有功功率達到平衡。但是，該現(xiàn)有技術(shù)三的缺點在于：

1)由于包含直流和交流，控制過程較復(fù)雜；

2)該發(fā)明中只設(shè)計了微網(wǎng)有功功率平衡的控制方法，沒有給出微網(wǎng)無功功率調(diào)節(jié)的控制方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供了一種控制過程響應(yīng)快速，并網(wǎng)時對電壓影響很小，并且能夠確保微網(wǎng)系統(tǒng)無功功率有效分配，從而提高微網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和品質(zhì)的基于非線性反饋的分布式微網(wǎng)無功功率分配控制方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：

一種基于非線性反饋的分布式微網(wǎng)無功功率分配控制方法，步驟如下：微網(wǎng)中的各種發(fā)電設(shè)備，如光伏發(fā)電設(shè)備等，通過直流濾波電路接入逆變器，由逆交器通過交流濾波電路進行濾波，然后接入母線。為方便描述，給微網(wǎng)系統(tǒng)中每個逆變器進行編號i。

微網(wǎng)包括n個逆變器，即v＝{1,2,...,n}，則i∈v；在微網(wǎng)中，逆變器之間的通信是雙向的，可由通信網(wǎng)絡(luò)無向圖(如圖2所示)gc＝{v,εc}表示，其中表示通信交流圖中邊的集合；

由微網(wǎng)中的電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)分別確定和其中

與第i個逆變器在電力網(wǎng)絡(luò)上有聯(lián)系的所有其他逆變器的集合，即

與第i個逆變器在通信網(wǎng)絡(luò)上有聯(lián)系的所有其他逆變器的集合，即

對微網(wǎng)中的無功功率控制實行分級控制，所述控制裝置包括依序連接到每個發(fā)電設(shè)備的輸出端的直流濾波電路、逆變器、交流濾波電路、采樣器、無功功率計算、非線性反饋控制器、執(zhí)行器。

采樣器對以下的狀態(tài)進行采樣：

vi：第i個逆變器輸出端輸出的三相基波電壓；

ii：第i個逆變器輸出端輸出的三相電流；

對微網(wǎng)中的無功功率控制實行初級和次級融合控制。首先，控制器根據(jù)微網(wǎng)對無功功率的需求，對無功功率進行分配，并設(shè)定分配比例系數(shù)χi。以下設(shè)計無功功率分配所需的電壓控制器：

建立系統(tǒng)狀態(tài)的動力學(xué)方程以及根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)無功功率有效分配的控制目的，對每個逆變器設(shè)計基于非線性反饋的控制輸入ui；根據(jù)ui，對每個逆變器實時計算并更新其對應(yīng)的非線性反饋控制輸入ui。

作為優(yōu)化的技術(shù)方案，所述建立的系統(tǒng)狀態(tài)的動力學(xué)方程為：

其中ui是第i個逆變器的電壓控制輸入；

設(shè)計基于非線性反饋的控制輸入ui為：

其中k∈(0,1]是反饋增益系數(shù)，χi表示系統(tǒng)中第i個逆變器的無功功率分配權(quán)重；qi，ql可根據(jù)測量的電壓值vi、電流值ii計算得到。

最后，控制器根據(jù)控制輸入動態(tài)調(diào)節(jié)電壓vi，作為逆變器需求的設(shè)定并下發(fā)到pwm調(diào)制器中。

作為更進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述基于lyapunov函數(shù)證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性的步驟如下：

選取一個合適的lyapunov函數(shù)w，為了簡化分析，使用以下符號

v＝col(vi),q＝col(qi),u＝col(ui),(3)

對該lyapunov函數(shù)w求一階導(dǎo)數(shù)可得：

由(2)式可得

則

其中是權(quán)重無功功率；

由(7)式可知，根據(jù)lyapunov穩(wěn)定性定理可得，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：控制過程簡單，使用方便，能夠確保微網(wǎng)系統(tǒng)無功功率有效分配，從而提高微網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和品質(zhì)。并且構(gòu)造了一個lyapunov函數(shù)，并證明了系統(tǒng)的狀態(tài)將收斂到期望值，即證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的微網(wǎng)系統(tǒng)的組成框圖；

圖2為本發(fā)明中的系統(tǒng)非線性反饋控制框圖；

圖3為傳統(tǒng)下垂控制中的無功功率分配圖；

圖4為本發(fā)明中的基于非線性反饋控制的無功功率分配圖；

圖5為本發(fā)明中的電力網(wǎng)絡(luò)的多逆變器并聯(lián)運行圖；

圖6為本發(fā)明中的分布式發(fā)電機的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的交流圖；

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

請參閱圖1-6，本發(fā)明一種基于非線性反饋的分布式微網(wǎng)無功功率分配控制方法的具體步驟如下所述：

微網(wǎng)中的各種發(fā)電設(shè)備，如光伏發(fā)電設(shè)備等，通過直流濾波電路接入逆變器，再由交流濾波器濾除逆交流電信號中的噪聲信號，并將所得的交流電接入到微網(wǎng)母線中。為方便描述，給微網(wǎng)系統(tǒng)中每個逆變器進行編號i，i∈{1,2,...,n}。

如圖1所示，對微網(wǎng)中的功率控制實行分配控制：

控制器通過動態(tài)控制電壓vi獲得逆變器pwm控制的設(shè)定點，并同時實現(xiàn)對無功功率的按比例分配，其中vi是第i個逆變器輸出端輸出的三相基波電壓，由采樣器對狀態(tài)vi進行采樣得到。

所述控制裝置包括依序連接到每個發(fā)電設(shè)備的輸出端的直流濾波電路、逆變器、交流濾波電路、采樣器、無功功率計算、非線性反饋控制器、執(zhí)行器。

該實施例中，我們考慮微網(wǎng)系統(tǒng)包括6個逆變器。根據(jù)微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)各逆變器的連接情況確定電力網(wǎng)絡(luò)無向加權(quán)圖ge＝{v,εe}(如圖2)，其中表示電力網(wǎng)絡(luò)中的連接關(guān)系。同樣，根據(jù)微網(wǎng)逆變器的通信網(wǎng)絡(luò)確定通信無向圖gc＝{v,εc}，其中表示通信交流圖中邊的集合；如圖3所示：每個逆變器i與其它逆變器l(與第i個逆變器有通信聯(lián)系的其它逆變器)的通信交流是雙向的(無向的)，其中i≠l且i,l∈{1,2,...,6}；

由微網(wǎng)中的電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)分別確定和其中

與第i個逆變器在電力網(wǎng)絡(luò)上有聯(lián)系的所有其他逆變器的集合，即

與第i個逆變器在通信網(wǎng)絡(luò)上有聯(lián)系的所有其他逆變器的集合，即

本發(fā)明中，控制器采用的是一種基于非線性反饋的控制方式，并結(jié)合了多智能體一致性控制的特點，不僅能實現(xiàn)對所有逆變器無功功率按比例分配并且達到一致，而且減小了并網(wǎng)時對電壓的影響；本發(fā)明的非線性反饋控制器的結(jié)構(gòu)如圖4：第i個逆變器通過通信模塊與其它逆變器進行交流，采樣器對第i個逆變器的狀態(tài)進行采樣，并計算出qi，ql；由圖4可以看出控制輸入ui是由反饋vi和ql，qi的乘積組成的，所以控制輸入ui是非線性的；通過對ui積分后可得到vi，再下發(fā)到pwm內(nèi)部控制回路調(diào)節(jié)后，實現(xiàn)對逆變器的控制。

圖5和圖6分別是傳統(tǒng)下垂控制和本發(fā)明中的控制在實現(xiàn)無功功率分配方面的結(jié)果圖。從控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性特性來看，與傳統(tǒng)的下垂控制(如圖5)相比，本發(fā)明具有如下重要優(yōu)勢：

(1)能夠在對基波電壓影響很小的情況下，實現(xiàn)精確的無功功率按比例分配；

(2)在當逆變器電壓突然出現(xiàn)波動時，通過控制器的調(diào)節(jié)作用，電壓能在很短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定(如圖6)，并再次實現(xiàn)無功功率的精確按比例分配。

(3)通過選取合適的lyapunov函數(shù)，可以證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且所有的逆變器能實現(xiàn)無功功率按比例分配并達到一致。

以下設(shè)計次級控制器中非線性反饋的控制輸入ui：

系統(tǒng)狀態(tài)的動力學(xué)方程為：

其中ui是第i個逆變器的控制輸入；

設(shè)計基于非線性反饋的控制輸入ui為：

其中k∈(0,1]是反饋增益系數(shù)，表示系統(tǒng)中第i個逆變器的無功功率分配權(quán)重；qi，ql可由測量的電壓值、電流值計算得到；由(2)式可知，控制輸入ui不僅與第i個逆變器本身的狀態(tài)有關(guān)，而且還與它有通信聯(lián)系的其它逆變器的狀態(tài)有關(guān)；

根據(jù)(2)式確定的ui，對每個逆變器實時計算并更新其對應(yīng)的控制輸入ui，并利用此控制律動態(tài)調(diào)節(jié)電壓vi，下發(fā)到逆變器pwm調(diào)節(jié)控制模塊實現(xiàn)無功功率分配控制。

以下是基于該lyapunov函數(shù)證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性的過程：

取lyapunov函數(shù)通過構(gòu)造該lyapunov函數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行證明。

為了簡化分析，使用以下符號

v＝col(vi),q＝col(qi),u＝col(ui),(5)

對該lyapunov函數(shù)w求一階導(dǎo)數(shù)可得：

由(2)式可得

則

其中是權(quán)重無功功率；

由(9)式可知，根據(jù)lyapunov穩(wěn)定性定理可得，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對(9)式利用lasalle引理可得，由于系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)無向圖gc是連通的，所以laplace矩陣l的0特征值對應(yīng)的特征向量為16，其中16表示6階全1向量。因此

則可得

由(11)式可知，所有的逆變器將漸進地實現(xiàn)無功功率按比例分配并達到一致，即實現(xiàn)了分布式微網(wǎng)無功功率分配的控制目標。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。