一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，包括以下步驟：電壓電流采集模塊采集逆變器端輸出電流電壓及負(fù)載端輸入電流電壓，并輸出到自身初級控制器、自身二級控制器以及鄰居發(fā)電單元的二級控制器；二級控制器對自身電壓電流信息及鄰居節(jié)點電壓電流信息進(jìn)行處理，生成初級控制器的電壓和頻率參考信息；初級控制器根據(jù)二級控制器給定的參考信息，通過功率計算、下垂控制、電壓電流控制生成SPWM波，控制逆變器的輸出電壓。在實際微網(wǎng)二級控制中，必然會存在通訊滯后，本發(fā)明能夠有效的解決滯后問題。
【專利說明】
一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及微網(wǎng)二級控制領(lǐng)域，應(yīng)用于分布式發(fā)電、智能電網(wǎng)、基于下垂特性的微 網(wǎng)電壓與頻率控制;具體涉及一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對于能源的需求也越來越大，傳統(tǒng)的能源因為不 可再生，并且會導(dǎo)致很多環(huán)境問題，比如霧霾、溫室效應(yīng)等問題，促使人們?nèi)ふ倚履茉慈?代一部分傳統(tǒng)能源的消耗。
[0003] 典型的新能源有太陽能、風(fēng)能等，但這些能源由于受大自然條件的限制，要得到高 效穩(wěn)定的能源比較困難，通常，將這些新型的能源按一定方法組合在一起，構(gòu)成分布式的發(fā) 電網(wǎng)絡(luò)是一種有效的解決方案。
[0004] 微網(wǎng)作為分布式發(fā)電的高級形式，是一組由微電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu) 成的系統(tǒng)單元，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護、自我控制和管理的自治系統(tǒng)。與傳統(tǒng)大電網(wǎng)不 同，微網(wǎng)的系統(tǒng)慣性小，且由于微源受自然條件的影響較強，因此，為了獲得高質(zhì)量穩(wěn)定的 電能，必須對微網(wǎng)加以控制。對于微網(wǎng)的控制一般分為三層，即初級控制、二級控制和三級 控制。在該種分層的控制結(jié)構(gòu)中，參數(shù)信息通過層層向下傳遞，達(dá)到最終的控制與優(yōu)化目 的，并且在傳遞過程中，每層具有保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的特性。
[0005] 初級控制是最底層的控制，與各個微源的輸出有著直接的聯(lián)系，一般采用下垂控 制對分布式電源接入點進(jìn)行就地控制。初級控制具有使系統(tǒng)電壓和頻率保持穩(wěn)定的特性， 同時具有較好的功率分配特性，由于采用的是本地控制，也具有"即插即用"的特性。盡管初 級控制能夠很好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，但由于電力電子器件的非線性、下垂特性的固有缺陷 等使得初級控制為有差控制，使得電壓和頻率達(dá)不到在初級控制中所設(shè)置的額定值。為了 解決這一有差控制問題，通常在初級控制后加入一個二級控制器，使得微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓 和頻率恢復(fù)到額定值。三級控制也即優(yōu)化調(diào)度控制，在這一層里，追求的是經(jīng)濟最大化，即 在滿足供需平衡和發(fā)電量限制的條件下，通過合理調(diào)度各個發(fā)電單元的輸出，以達(dá)到效益 最大化。
[0006] 分布式控制不需要中央控制器，大大減少了系統(tǒng)的通訊量，因此已有許多學(xué)者提 出將分布式協(xié)調(diào)控制策略引入到微電網(wǎng)的二級控制中去，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性并滿足了系 統(tǒng)"即插即用"的特性。對于微網(wǎng)的二級控制策略，已有一些相關(guān)文獻(xiàn)公開。這些文獻(xiàn)沒有考 慮二級控制中的通訊滯后以及信息傳遞滯后給系統(tǒng)帶來的影響，更沒有考慮時滯下有限時 間二級控制器的設(shè)計問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方 法。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有 限時間控制方法，包括以下步驟：
[0009]電壓電流采集模塊采集逆變器端輸出電流電壓及負(fù)載端輸入電流電壓，并輸出到 自身初級控制器、自身二級控制器以及鄰居發(fā)電單元的二級控制器;二級控制器對自身電 壓電流信息及鄰居節(jié)點電壓電流信息進(jìn)行處理，生成初級控制器的電壓和頻率參考信息； 初級控制器根據(jù)二級控制器給定的參考信息，通過功率計算、下垂控制、電壓電流控制生成 SPWM波，控制逆變器的輸出電壓。
[0010]進(jìn)一步，所述下垂控制的模型為：
[0011] Vi = Vni-nQiQi (1)
[0012] ω i = ω ni-mpiPi (2)
[0013]式中nQi、mpi為下垂控制系數(shù)，Qi、Pj別為無功和有功功率，Vi、〇^分別為系統(tǒng)母線 上電壓和頻率，Vni、ω ni分別為二次控制電壓和頻率輸出項，也即初級控制電壓頻率參考 值。
[0014] 進(jìn)一步，所述的二級控制器包括二級電壓控制器，所述二級電壓控制器uVl為：
[0015]
實中，aij為鄰接矩陣中的 元素，gl為與領(lǐng)導(dǎo)母線節(jié)點相連接的權(quán)重，τ為定常通訊時延，α為分?jǐn)?shù)階參數(shù)表示本節(jié)點 的輸出電壓，L表示鄰居節(jié)點的輸出電壓，示參考電壓。
[0016] 進(jìn)一步，所述的二級控制器還包括二級頻率控制器，所述二級頻率控制器uw為：
[0017]
，其中，au為鄰接矩陣中 的元素，gl為與領(lǐng)導(dǎo)母線節(jié)點相連接的權(quán)重，τ為定常通訊時延，ω,表示本節(jié)點的輸出頻率， ω溈鄰居節(jié)點的輸出頻率，《μ表示參考頻率，β為分?jǐn)?shù)階參數(shù)。
[0018] 進(jìn)一步，對式(2)求導(dǎo)，則每二九-mj，令/?,,,.$ =%，則
[0019]
，其中Pi表示本節(jié)點的有功功率，Pj表示 鄰居節(jié)點的有功功率。
[0020] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
[0021] 1、在實際微網(wǎng)二級控制中，必然會存在通訊滯后，本發(fā)明能夠有效的解決滯后問 題。
[0022] 2、從理論上能夠保證，孤島微網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率能夠在有限的時間內(nèi)恢復(fù)到額定 值。
[0023] 3、由于本發(fā)明二級控制器具有分布式的特點，因此該方法滿足即插即用特性。
【附圖說明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0025]圖1為常見微電網(wǎng)構(gòu)成框圖；
[0026]圖2為微電網(wǎng)初級控制框圖；
[0027]圖3為功率控制器框圖；
[0028] 圖4為二次電壓控制框圖；
[0029] 圖5為二次頻率控制框圖；
[0030] 圖6為系統(tǒng)總體框圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0032] 通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)的技術(shù)文獻(xiàn)中，微網(wǎng)二級控制策略一般都忽略通訊 存在時延帶來的影響，并且所提出來的二級控制器從理論上只能保證在無窮時間內(nèi)收斂到 穩(wěn)定值，無法實現(xiàn)時滯下的有限時間收斂。
[0033] 雖然隨著通訊技術(shù)的進(jìn)步，小的通訊時延在一些情形下是可以接受的。對于一些 要求比較高的場合，當(dāng)通訊鏈路較復(fù)雜時，通訊時滯的影響往往是不能忽略的。因此，設(shè)計 通訊時滯下的二次控制器不僅具有重要的理論意義，更能為實踐給出必要的理論依據(jù)。
[0034] 另一方面，從控制性能的角度，微網(wǎng)控制不僅要有較好的靜態(tài)性能，也需要有較好 的動態(tài)性能，目前設(shè)計的控制器往往都是當(dāng)時間趨于無窮時，系統(tǒng)才能達(dá)到所需要的靜態(tài) 性能。但是，如果能夠從理論上保證，在給定的時間，系統(tǒng)能夠達(dá)到所要求的靜態(tài)性能，這無 疑也具有很好的理論意義和實踐意義。
[0035] 微電網(wǎng)的構(gòu)成通常包含有微電源、逆變裝置、負(fù)載、儲能裝置等?；緲?gòu)成如圖1所 不。
[0036] 如圖1所示，對于直流微源部分，只需要DC/DC逆變裝置，對于交流微源模塊，一般 首先需要變換成直流，然后再通過DC/AC逆變裝置。由圖中可以知道，每個微源包含兩個控 制器:初級控制器實現(xiàn)本地控制微源的輸出；二級控制器通過采集自身相關(guān)信息（電壓、電 流)和鄰居微源信息進(jìn)行計算，然后將結(jié)果輸出給初級控制器，作為初級控制器的輸入，這 樣能更好控制微源的輸出。
[0037] 微網(wǎng)底層初級控制框圖如圖2所示。
[0038]如圖2所示，初級控制模塊框圖主要包含三個部分，功率控制器、電壓控制器、電流 控制器。圖3中的功率控制器包含兩個部分，功率計算模塊和經(jīng)典的下垂控制器，功率計算 模塊根據(jù)傳感器采集到的電壓電流值進(jìn)行功率計算，下垂控制器根據(jù)二級控制器的輸出 νη、ωη計算電壓和頻率值，并通過派克變換成電壓控制器的輸入，電壓電流控制器根據(jù)采集 到的電壓電流信號及功率控制器的輸出，產(chǎn)生SPWM波，進(jìn)而控制逆變器的輸出。
[0039] 由圖2可知，二級控制的目標(biāo)是設(shè)計合適的控制器計算變量νη、ωη，將其輸入初級 控制器中，使逆變器的輸出滿足額定設(shè)定條件。
[0040] 因此，本發(fā)明提供一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，包括以 下步驟：
[0041] 首先，電壓電流采集模塊采集逆變器端輸出電流電壓及負(fù)載端輸入電流電壓，并 輸出到自身初級控制器、自身二級控制器以及鄰居發(fā)電單元的二級控制器。
[0042]其次，二級控制器對自身電壓電流信息及鄰居節(jié)點電壓電流信息進(jìn)行處理，生成 初級控制器的電壓和頻率參考信息。區(qū)別于傳統(tǒng)的二級控制器，本發(fā)明的二次控制器不僅 能夠解決通訊時滯帶來的影響同時也具有有限時間收斂的特性，這是本發(fā)明的重點。一方 面，考慮通訊時滯，在控制器的設(shè)計中利用采樣到的滯后傳輸信息；另一方面，為了提高系 統(tǒng)的動態(tài)性能，使得系統(tǒng)電壓和頻率在有限時間內(nèi)收斂到額定值，在控制器地設(shè)計中引入 了分?jǐn)?shù)階函數(shù)。
[0043] 最后，初級控制器根據(jù)二級控制器給定的參考信息，通過功率計算、下垂控制、電 壓電流控制生成SPWM波，控制逆變器的輸出電壓。
[0044] 下垂控制模型：
[0045] Vi = Vni-nQiQi (1)
[0046] ω i = ω ni-mpiPi (2)
[0047] 上式中nQi、mPi為下垂控制系數(shù)，二級控制的目標(biāo)是設(shè)計合適的V ni、coni使得Vi、 在有限時間內(nèi)收斂到額定值，并滿足設(shè)定的功率分配特性。
[0048] 將式(1)求導(dǎo)得，C =匕-?,，引入輔助控制變量Wi，并令
[0049] ：t>=.Ww (3：)
[0050] 則有+ "ρ?.Α，因此下面的問題是如何設(shè)計好控制器uVi。提出如下的 控制器設(shè)計：
[0051]
(4)
[0052] 上式中為鄰接矩陣中的元素，gl為與領(lǐng)導(dǎo)母線節(jié)點相連接的權(quán)重，τ表示定常通 訊時延，α為分?jǐn)?shù)階參數(shù)， Sig(X)a = sign(X)|X|a，只要時延有界且在一定范圍，微網(wǎng)電壓將 在有限時間內(nèi)收斂到額定值。從控制策略(4)可以看出：首先，通過控制局部跟蹤誤差從而 實現(xiàn)全局誤差的跟蹤控制，進(jìn)而保證系統(tǒng)電壓收斂到額定值;其次，采用分?jǐn)?shù)階函數(shù)有利于 系統(tǒng)電壓在有限時間內(nèi)收斂到額定值。二次電壓控制器框圖如圖4所示。
[0053] 同電壓控制器設(shè)計步驟一致，將式(2)進(jìn)行求導(dǎo)得，4 = 引入輔助控制變量 Uui，令
[0054] .(5).
[0055] 設(shè)計Uui如式(6)所示，
[0056]
(6)
[0057]式中β為分?jǐn)?shù)階參數(shù)。控制器(6)只能保證頻率在有限時間內(nèi)收斂，但不能保證設(shè) 定的功率分配特性。為了保證精確的功率分配，令并將Upi設(shè)計成式(7)所示， [0058]
(7)
[0059] 根據(jù)式(6)和式(7)，可知ω ni = Juui+uPidt。二級頻率控制器框圖如圖5所示。
[0060]如圖6所示，二級控制器根據(jù)自身相關(guān)信息及鄰居節(jié)點信息，并通過二次電壓頻率 控制算法，產(chǎn)生初級控制器所需要的電壓和頻率參考，初級控制器根據(jù)二級控制器輸出的 參考信息和自身信息控制逆變器的輸出。由于二級控制器能夠使電壓頻率在有限時間內(nèi)收 斂到額定值，并考慮了二級控制中通訊時滯帶來的影響，因此極大的提高了系統(tǒng)的可靠性 和穩(wěn)定性。
[0061]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，其特征在于:包括以下步驟： 電壓電流采集模塊采集逆變器端輸出電流電壓及負(fù)載端輸入電流電壓，并輸出到自身 初級控制器、自身二級控制器以及鄰居發(fā)電單元的二級控制器； 二級控制器對自身電壓電流信息及鄰居節(jié)點電壓電流信息進(jìn)行處理，生成初級控制器 的電壓和頻率參考信息； 初級控制器根據(jù)二級控制器給定的參考信息，通過功率計算、下垂控制、電壓電流控制 生成SPffM波，控制逆變器的輸出電壓。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，其特征在 于:所述下垂控制的模型為： Vi = Vni-IlQiQi (1) W i = W ni-niPiPi (2) 式中nQi、mpi為下垂控制系數(shù)，Qi、Pi分別為無功和有功功率，Vi、〇1分別為系統(tǒng)母線上電 壓和頻率，Vni、ω ni分別為二次控制電壓和頻率輸出項，也即初級控制電壓頻率參考值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，其特征在 于:所述的二級控制器包括二級電壓控制器，所述二級電壓控制器im為：，其中，為鄰接矩陣中的元素， gl為與領(lǐng)導(dǎo)母線節(jié)點相連接的權(quán)重，τ為定常通訊時延，α為分?jǐn)?shù)階參數(shù)，1表示本節(jié)點的輸 出電壓，Vj表示鄰居節(jié)點的輸出電壓，f ^示參考電壓。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，其特征在 于:所述的二級控制器還包括二級頻率控制器，所述二級頻率控制器11^為：g中，ay為鄰接矩陣中的元 素，gi為與領(lǐng)導(dǎo)母線節(jié)點相連接的權(quán)重，τ為定常通訊時延，Ui表示本節(jié)點的輸出頻率，Co j 為鄰居節(jié)點的輸出頻率，《μ表示參考頻率，β為分?jǐn)?shù)階參數(shù),N1為結(jié)點i的鄰居結(jié)點，即與i 結(jié)點有通訊的所有結(jié)點。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的考慮通訊時滯的微電網(wǎng)分布式有限時間控制方法，其特征在于： 對式(2)求導(dǎo)，.其中Pi表示本節(jié)點的有功功率，Pj表示鄰居節(jié)點的有功功率，τ為定常通訊時延，mpi，mPj為下 垂控制系數(shù)。
【文檔編號】H02J3/46GK105896613SQ201610353634
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】陳剛, 郭志軍
【申請人】重慶大學(xué)