基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法与流程

本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法。
背景技术：
：由于环境问题日益突出和能源需求的增加，分布式能源得到了迅速发展。微电网作为一种解决分布式能源接入电网问题的方式，存在着大量光伏、燃料电池以及储能装置等直流分布式电源。与此同时，越来越多的直流负荷(如电动汽车、LED负荷等)开始接入配网，直流微电网开始受到人们的关注。与交流微电网相比，直流微电网减少了交流与直流间的换流环节，降低了功率变换的损失，且可以避免谐波影响、不存在同步、无功补偿等问题，提高了供电的电能质量和可靠性。直流微电网的控制目标主要是实现维持电压稳定和负荷比例分配，传统的下垂控制无法同时兼顾两个控制目标，而集中控制存在依赖中央控制器等弊端。微电网的分布式控制可以克服集中通信以及控制的缺陷，满足分布式电源即插即用的需求。一致性控制是实现分布式控制的重要手段，多代理系统由于具有社会性、自治性、协作性等特性，已经在微电网分布式控制中发挥重要作用。多代理系统的一致性是在没有全局通信的情况下，代理个体之间通过邻居间的通信耦合达到系统状态一致。收敛性能是一致性控制的一个重要指标。随着多代理系统规模的增大，一致性收敛时间会大大增加，同时通信拓扑的不确定性也会影响其收敛性能。技术实现要素：技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法，该控制方法是一种分布式控制方法，消除了中央控制器的需求和复杂的通信拓扑，多代理系统通过有限时间控制，以分布式的方式实现电流比例分配，同时获取分布式电源的平均输出电流，可以快速、精确地实现直流微电网电压协同调节和负荷功率按比例分配。技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：一种基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法，所述直流微电网为包含n个分布式电源代理的多代理体系统，控制过程中由分布式电源代理进行本地信息采集以及全局信息交互，每个分布式电源代理检测自身的输出电流，且仅和与其相邻的分布式电源代理进行通信，通过有限时间一致性控制方法实现分布式电源的分布式协同控制；所述的有限时间一致性控制方法具体包括以下步骤：步骤10)进行一次控制，自动维持直流微电网系统功率平衡：在孤岛模式下，直流微电网发生扰动时，各分布式电源代理进行如式(1)所示的一次控制，变流器运行在下垂控制模式，维持直流微电网系统的功率平衡：式中，Ui表示分布式电源代理i的输出电压；Uref,i表示分布式电源代理i的输出电流为0时，变流器的输出电压，即下垂控制参考电压；di表示下垂系数；Ii表示分布式电源代理i输出电流的测量值；UN,i表示分布式电源代理i的额定输出电压；εi表示分布式电源代理i允许的最大电压偏差；Imax,i表示分布式电源代理i的下垂控制单元最大输出电流；步骤20)进行二次控制，实现电压调节和负荷功率分配：直流微电网按照式(2)实现直流微电网系统的二次控制，包括进行电流矫正控制和电压调节控制，以控制各分布式电源协同调节功率，实现负荷功率按比例分配，调整电压恢复到额定值：式中，Ui表示分布式电源代理i的输出电压；Uref,i表示下垂控制参考电压；di表示下垂系数；Ii表示分布式电源代理i输出电流的测量值；ΔUi表示二次控制参考电压修正量；ΔUi1表示电流修正项，用来实现负荷功率按比例分配；ΔUi2表示电压修正项，ΔUi1和ΔUi2由参与二次控制的分布式电源代理协同确定。作为优选例，所述的步骤20)中，进行电流矫正控制具体包括：根据式(3)定义分布式电源代理i的单位输出电流式中，Ii表示分布式电源代理i的输出电流值，IN,i表示分布式电源代理i的额定输出电流值；按照式(4)定义函数sig(x)α：sig(x)α＝sign(x)|x|α式中，x表示函数sig(x)α的自变量，以及函数sign(x)的自变量；α表示指数系数，且0<α<1；依照式(5)确定第i个分布式电源代理的有限时间控制：式中，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n；ΔUi1是分布式电源代理i在二次控制中电流矫正控制的控制修正量；h表示电压和电流间的耦合系数；β表示第一比例系数，且β>0；Ni表示与分布式电源代理i相邻的分布式电源代理的集合；wij表示通信权重因子，wij≥0，分布式电源代理i和分布式电源代理j之间没有通信线路连接时，wij＝0；表示分布式电源代理j的单位输出电流；表示分布式电源代理i的单位输出电流；α表示指数系数，0<α<1，使得一致性协议中具有分数幂项，提高了收敛的性能；γ表示第二比例系数，且γ≥0；式中，α、β、γ均为有限时间控制参数。作为优选例，所述的步骤20)中，通过控制修正，在一个有限时间T内各代理的单位输出电流将趋于平均一致，如式(6)所示：其中，表示第1个分布式电源代理的单位输出电流；表示第2个分布式电源代理的单位输出电流；表示第i个分布式电源代理的单位输出电流；表示第n个分布式电源代理的单位输出电流；Iavg表示参与二次控制的各分布式电源代理的单位输出电流的平均一致值。作为优选例，所述的步骤20)中，通过式(7)对wij进行自适应调节：式中，ni表示与分布式电源代理i相邻的分布式电源代理数量，nj表示与分布式电源代理j相邻的分布式电源代理数量，ni和nj均是本地信息；根据通信拓扑变化自动调整ni和nj；θ是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<θ<1。作为优选例，所述的步骤20)中，进行电压调节控制的过程为：按照式(8)对分布式电源代理i进行电压调节控制：定义电压调节系数ki，如式(9)所示：k1IN,1＝k2IN,2＝…＝kiIN,i＝…knIN,n＝r式(9)将式(9)带入式(8)中，得到式(10)：式中，ΔUi2表示分布式电源代理i在二次控制中电压调节控制的控制修正量；k1表示第1个分布式电源代理的电压调节系数，k2表示第2个分布式电源代理的电压调节系数，ki表示第i个分布式电源代理的电压调节系数，kn表示第n个分布式电源代理的电压调节系数，IN,1表示第1个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,2表示第2个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,i表示第i个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,n表示第n个分布式电源代理的额定输出电流值；ΔIavg表示单位输出电流平均值的变化量；Iavg表示参与二次控制的各分布式电源单位输出电流的平均一致值；表示第m个分布式电源代理的单位输出电流；表示第i个分布式电源代理的单位输出电流。有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例的控制方法是一种基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法，基于多代理系统的有限时间一致性控制，以一次控制和二次控制的分层控制为基础，是一种分布式的控制方法，消除了中央控制器的需求和复杂的通信拓扑，实现负荷按比例共享以及电压协同恢复，维持系统电压稳定，且能够满足分布式电源“即插即用”的需求。首先，直流微电网系统进行一次控制，快速平衡直流微电网中的负荷功率，维持直流微电网功率的稳定；其次，直流微电网在二次控制中运用有限时间一致性控制，通过有限时间一致性控制调整各分布式电源的单位输出电流达到平均一致值，实现分布式电源按比例分享负荷功率，同时各分布式电源代理根据单位输出电流进行电压调节控制，恢复系统电压，具有较快的收敛速率，可以在有限时间内达到收敛，实现时间优化上的最优控制，从而实现直流微电网分布式协同控制。附图说明图1是本发明的流程框图。图2是本发明实施例中直流微电网仿真系统的结构示意图。图3是本发明实施例中直流微电网负荷突增时，各分布式发电单元的单位输出电流曲线图。图4是本发明实施例中直流微电网负荷突增时，各分布式发电单元的电压曲线图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。本发明实施例中，直流微电网为包含n个分布式电源代理的多代理体系统，控制过程中由分布式电源代理进行本地信息采集以及全局信息交互，每个分布式电源代理检测自身的输出电流，且仅和与其相邻的分布式电源代理进行通信，通过有限时间一致性控制方法实现分布式电源的分布式协同控制。如图1所示，本发明实施例的基于有限时间一致性的直流微电网分布式协同控制方法，包括以下步骤：步骤10)进行一次控制，自动维持直流微电网系统功率平衡：在孤岛模式下，直流微电网发生扰动时，各分布式电源代理进行如式(1)所示的一次控制，变流器运行在下垂控制模式，维持直流微电网系统的功率平衡：式中，Ui表示分布式电源代理i的输出电压；Uref,i表示分布式电源代理i的输出电流为0时，变流器的输出电压，即下垂控制参考电压；di表示下垂系数；Ii表示分布式电源代理i输出电流的测量值；UN,i表示分布式电源代理i的额定输出电压；εi表示分布式电源代理i允许的最大电压偏差；Imax,i表示分布式电源代理i的下垂控制单元最大输出电流。步骤20)进行二次控制，实现电压调节和负荷功率分配：直流微电网按照式(2)实现直流微电网系统的二次控制，包括进行电流矫正控制和电压调节控制，以控制各分布式电源协同调节功率，实现负荷功率按比例分配，调整电压恢复到额定值：式中，Ui表示分布式电源代理i的输出电压；Uref,i表示下垂控制参考电压；di表示下垂系数；Ii表示分布式电源代理i输出电流的测量值；ΔUi表示二次控制参考电压修正量；ΔUi1表示电流修正项，用来实现负荷功率按比例分配；ΔUi2表示电压修正项，ΔUi1和ΔUi2由参与二次控制的分布式电源协同确定。在上述实施例中，所述的步骤20)中，进行电流矫正控制具体包括：根据式(3)定义分布式电源代理i的单位输出电流式中，Ii表示分布式电源代理i的输出电流值，IN,i表示分布式电源代理i的额定输出电流值；按照式(4)定义函数sig(x)α：sig(x)α＝sign(x)|x|α式中，x表示函数sig(x)α的自变量，以及函数sign(x)的自变量；α表示指数系数，且0<α<1。依照式(5)确定第i个分布式电源代理的有限时间控制：式中，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n；ΔUi1是分布式电源代理i在二次控制中电流矫正控制的控制修正量；h表示电压和电流间的耦合系数；β表示第一比例系数，且β>0；Ni表示与分布式电源代理i相邻的分布式电源代理的集合；wij表示通信权重因子，wij≥0，分布式电源代理i和分布式电源代理j之间没有通信线路连接时，wij＝0；表示分布式电源代理j的单位输出电流；表示分布式电源代理i的单位输出电流；α表示指数系数，0<α<1，使得一致性协议中具有分数幂项，提高了收敛的性能；γ表示第二比例系数，且γ≥0；式中，α、β、γ均为有限时间控制参数。在上述实施例中，所述的步骤20)中，通过控制修正，在一个有限时间T内各代理的单位输出电流将趋于平均一致，如式(6)所示：其中，表示第1个分布式电源代理的单位输出电流；表示第2个分布式电源代理的单位输出电流；表示第i个分布式电源代理的单位输出电流；表示第n个分布式电源代理的单位输出电流；Iavg表示参与二次控制的各分布式电源代理的单位输出电流的平均一致值。在上述实施例中，所述的步骤20)中，通过式(7)对wij进行自适应调节：Σiwij=1Σjwij=1]]>式中，ni表示与分布式电源代理i相邻的分布式电源代理数量，nj表示与分布式电源代理j相邻的分布式电源代理数量，ni和nj均是本地信息；根据通信拓扑变化自动调整ni和nj；θ是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，0<θ<1。在上述实施例中，所述的步骤20)中，进行电压调节控制的过程为：按照式(8)对分布式电源代理i进行电压调节控制：定义电压调节系数ki，如式(9)所示：k1IN,1＝k2IN,2＝…＝kiIN,i＝…knIN,n＝r式(9)将式(9)带入式(8)中，得到式(10)：式中，ΔUi2表示分布式电源代理i在二次控制中电压调节控制的控制修正量；k1表示第1个分布式电源代理的电压调节系数，k2表示第2个分布式电源代理的电压调节系数，ki表示第i个分布式电源代理的电压调节系数，kn表示第n个分布式电源代理的电压调节系数，IN,1表示第1个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,2表示第2个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,i表示第i个分布式电源代理的额定输出电流值，IN,n表示第n个分布式电源代理的额定输出电流值。ΔIavg表示单位输出电流平均值的变化量；Iavg表示参与二次控制的各分布式电源单位输出电流的平均一致值；表示第m个分布式电源代理的单位输出电流；表示第i个分布式电源代理的单位输出电流。按照上述实施例提供的式(5)和式(10)进行直流微电网有限时间一致性控制，每个分布式电源代理的单位输出电流达到电流的平均一致值时，参与直流微电网二次控制的分布式电源代理根据比例改变输出功率，实现负荷功率的共享及电压恢复。本发明实施例的控制方法，基于多代理系统有限时间一致性控制，以一次控制和二次控制的分层控制为基础，是一种分布式的控制方法，消除了中央控制器的需求和复杂的通信拓扑，实现负荷按比例共享以及电压协同恢复。本专利在直流微电网二次控制中定义了分布式电源代理的单位输出电流，通过一致性控制使各分布式电源代理的单位输出电流达到平均一致，即实现了输出电流和负荷功率的按比例分配。在二次控制中采用有限时间一致性控制，可以在有限时间内达到收敛，加快了收敛速率。下面列举一个实施例。如图2所示，本实施例采用的直流微电网仿真系统的结构图。该直流微电网仿真系统包括4台参与控制的分布式电源(DG1、DG2、DG3、DG4)及4个负荷单元(Load1、Load2、Load3、Load4)组成，各分布式电源由电力电子元件接入0.6kV直流母线。系统有4个分布式电源代理(Agent)，分别用A1，A2，A3，A4表示。一个代理只能与其在通信拓扑上直接相邻的代理进行通信。基于电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真(英文简称：PSCAD/EMTDC)平台搭建直流微电网仿真模型，在矩阵实验室(英文简称MATLAB)中模拟多代理系统，建立多代理系统第一层的全局信息共享算法程序，利用Fortran语言编译接口程序将MATLAB中的算法与电力系统计算机辅助设计(英文简称PSCAD)模型联合运行，从而利用联合仿真技术实现本发明的控制方法的仿真验证。针对直流微电网中负荷突增的情况进行仿真，验证本发明实施例的方法的控制效果，即基于有限时间一致性的分布式协同控制方法。仿真开始时，直流微电网启动本发明实施例的基于有限时间一致性的分布式协同控制。在t＝4s时，系统负荷突增20kW。一次控制中，分布式电源按下垂特性增发功率，维持系统的功率平衡。二次控制中，分布式电源代理进行一致性迭代，使单位输出电流在有限时间内收敛到电流平均一致值，调整输出电流和电压，各分布式电源按比例共享负荷。仿真结果如图3至图4所示。图3中，I1、I2、I3、I4分别表示参与控制的分布式电源DG1、DG2、DG3、DG4的单位输出电流曲线。t＝4s时，系统负荷突增20kW，分布式电源按下垂特性增发功率，维持系统功率平衡。在二次控制中，分布式电源代理进行一致性迭代。t＝4.01s时，分布式电源代理的单位输出电流收敛到平均一致值，各分布式电源按比例共享负荷功率。从图3中可以看出，t＝4s时系统出现功率波动，二次控制中，分布式电源代理开始进行一致性迭代，在t＝4.008s到t＝4.01s之间，分布式电源代理的单位输出电流收敛到平均一致值，说明有限时间一致性控制的收敛速度快，可以满足直流微电网在时间上的控制要求。图4中，U1、U2、U3、U4分别表示参与控制的分布式电源DG1、DG2、DG3、DG4的输出电压曲线。t＝4s时，系统负荷突增20kW，电压按下垂特性下降，t＝4～5s时进行电压调节控制，输出电压恢复至额定水平。从本实施例可以看出，采用本发明的控制方法后，直流微电网可以进行有效的分布式协同控制，各分布式电源通过一次控制和二次控制，协同调整功率，维持系统的功率平衡，恢复系统电压至额定值。因此，本发明实施例的控制方法有很好地控制效果。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 2 3