一种基于分层控制策略的孤岛微电网分布式协调控制方法与流程

本发明涉及智能电网控制领域，尤其涉及一种基于分层控制策略的孤岛微电网分布式协调控制策略的设计方法。

背景技术：

微电网(micro-grid)也译为微网，是指由分布式电源(distributedenergyresource,简称der)、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以自身处于孤岛运行。由于微电网中的各类分布式电源和储能装置连接到主网络的接口大多数都是通过由高频电力电子器件组成的逆变器作为主要组成部分，因此对微电网的控制可以理解为对各应用于微网系统中的逆变器的控制。在微电网控制过程中面对的最大的挑战就是在微电网正常运行过程中，实现：1.对电压和频率的有效控制；2.对有功功率和无功功率的合理分配。

近年来，微网逆变器控制方法一般采用下垂控制方法。但由于下垂控制方法是利用近似等效原理推导得出的，因此，传统的下垂控制是一种有差调节控制。单纯的下垂控制不能实现微网系统的电压值和频率值达到预期的参考值，且下垂控制不能实现对于无功功率的合理分配。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于分层控制架构、利用微电网内部的通信网络、通过合理分析控制策略、确保微电网的电压和频率得到可靠的控制效果的基于分层控制策略的孤岛微电网分布式协调控制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1，构造分层控制结构；构建一种分层控制策略，即网络控制层和本地控制层相互协调控制；对于网络控制层，基于图论理论和多智能体系统的思想，构建微电网中由微网内部的分布式电源(der)所构成的通信网络，利用该网络可以使得每个der的状态信息可以传输到相邻der，同时每个der也可以接受相邻der发送的信息；对于本地控制层，整体上采用传统的功率控制环和电压电流双闭环相结合的结构，具体到下垂控制策略中则使用p-u/q-ω下垂控制策略，省去虚拟控制器的构造过程，使本地控制层更适用于低压微电网；

步骤2，利用构造的分层控制结构来对孤岛微电网的电压和角频率进行调节；基于步骤1构造出的分层结构，提出一种分层控制的思想来调节der的电压和角频率；在该分层控制中，首先采用本地控制层中的下垂控制策略作为分层控制中的一次控制，然后将网络控制层中的通信信息结合时滞问题进行有虚拟领航者-跟随(virtualleader-following)一致性处理，形成反馈量后再添加到二次控制中，最终使得对电压和角频率的控制效果得到提升；

步骤3，设计电流控制器来调节有功功率分配；在对电压和角频率分层控制的基础上，采用一种考虑通信时滞的virtualleader-following一致性协议来调节电流的方法，使得有功功率可以按照各分布式电源的额定有功容量进行按容量比例分配；

步骤4，通过搭建合理的实验场景验证该方案的有效性。

进一步的，步骤1的具体内容如下：

1-1，本地控制层：由分布式电源der、逆变器、park变换环节、功率计算环节、p-ω/q-u下垂控制环节、电压合成环节、电压外环、电流内环和pwm信号发生器组成；在正常条件下，各部分协同工作；

1-2，网络控制层：由各der、传感器和一致性控制器组成；首先将各der均视为智能体，每个智能体均可以通过传感器发送和接收相关信息；由多个智能体就可组成多智能体系统，再根据图论知识，当多智能体系统满足一致性形成条件时，可以通过一致性控制器使得各作为跟随者(follower)的智能体的相关状态量跟随领航者(leader)或虚拟领航者(virtualleader)的状态量；最终利用经过一致性控制得到的电压状态量和角频率状态量来形成相关的反馈量，添加到本地控制层中的下垂控制中完成对电压和角频率的二次控制。

进一步的，步骤2的具体内容如下：

对于电压值和角频率值，分层控制流程如下：首先由一次下垂控制来控制整体系统的电压和角频率，使其稳定在一定范围内，然后通过设计virtualleader-following一致性协议将角频率值和电压值均达到一致，最后利用电压一致值和角频率一致值向一次控制中添加反馈从而完成对电压和角频率的二次控制；

2-1，设计一次控制

因考虑到现今微电网大都为低压微网，其线路阻感比通常都较大，若采用传统的p-ω/q-u下垂控制，需要在控制结构中添加必要的虚拟控制环节，故采用p-u/q-ω下垂控制，以第i个der为例，其下垂公式如下：

其中，ωref和uref分别为的角频率参考值和电压参考值；mi和ni均为下垂系数；pi和qi分别为第i个der输出的有功功率和无功功率(功率值由功率计算环节得到)；ωi和ui分别为第i个der的下垂控制输出的角频率和电压；

2-2，设计二次控制；

基于图论和多智能理论，将微电网内部有各分布式电源均视为一个智能体，每一个智能体都可以接收相邻智能体的信息并向相邻智能体发送自身信息，由此多智能体系统构成了一个整体通信网络；再结合实际，设计了考虑时滞的virtualleader-following一致性协议应用于电压和角频率控制策略上，使得跟随者的相应状态量可以快速且可靠的跟随领航者的状态量；当实现一致后，通过在一次控制中添加反馈的方式完成二次控制；

步骤2-2-1，电压二次控制步骤如下：

第一步：设计电压一致性协议

根据公式(1)，微电网中的第i个分布式电源的电压下垂控制如下：

ui＝uref-nipi(2)

在一般情况下，通常采用park变换进行电压控制；因此，在dq坐标系下的电压控制表达式如下：

其中，udi和uqi分别为电压的d轴和q轴分量；

因此，电压的一次控制策略可以写成：

二次电压控制的目的是设计适当的控制方法，使udi→uref，uref是电压参考值；

对公式(4)取微分，设立一个辅助变量uvi，有如下公式成立：

结合一致性理论和图论知识，可以设计uvi如下：

式中，ni代表第i个der的相邻der序号的集合；aij表示第i个der与第j个der之间的关系，若有关系，则大于0，否则，等于0；bi代表virtualleader与第i个der之间的关系，若有关系，则大于0，否则，等于0；ui(t)和uj(t)分别代表第i个分布式电源的下垂输出电压和第j个分布式电源的下垂输出电压；ul(t)为virtualleader的电压；τi和τj均为输入时滞；τij和τil为通信时滞；kvi1和kvi2代表增益；当增益取值合理时可以利用该一致性协议来解决时滞问题。

第二步：产生电压反馈量添加至下垂控制

在此一致性协议下，根据公式(6)，可以得到各der的电压幅均趋于一个平衡点，记为u∞；反馈量如下：

步骤2-2-2，角频率二次控制步骤如下：

第一步：设计角频率一致性协议

与电压二次控制类似，角频率二次控制的目标是设计适当的控制方法，使ωi→ωref，ωref是角频率参考值；类似于电压的设计理念，对公式(1)取微分，设立一个辅助变量uωi，建立以下公式：

与公式(6)类似，结合实际，考虑时滞问题，设计角频率一致性协议如下：

式中，ωi(t)和ωj(t)分别代表第i个分布式电源的角频率值和第j个分布式电源的角频率；kωi1和kωi2代表增益；ωl(t)为virtualleader的角频率；当增益取值合理时可以利用该一致性协议来解决时滞问题。

第二步：产生角频率反馈量添加至下垂控制

在此一致性协议下，根据公式(9)，可以得到各der的角频率均趋于一个平衡点，记为ω∞；反馈量如下：

进一步的，步骤3的具体内容如下：

以俩台并联der共同工作为例；根据功率计算环节，可以得到：

其中，uod1和uoq1分别为第1台der经过lc滤波器后的电压uo1再经过park变换后的d轴和q轴的电压值；iod1和ioq1分别为第1台der经过lc滤波器后的电流io1再经过park变换后的d轴和q轴的电流值；uod2和uoq2分别为第2台der经过lc滤波器后的电压uo2再经过park变换后的电压值；iod2和ioq2分别为第2台der经过lc滤波器后的电流io2经过park变换后的电流值；p1和p2分别为第1台和第2台der的有功功率；

微网中有功功率能按容量比例分配的，条件是：n1p1＝n2p2；当系统稳定运行时，微网系统中各der经过逆变器输出的电压近似相等，故有下式成立：

由式(12)可知，应当调节电流满足n1iod1＝n2iod2，对于第i个der，可以设计如下一致性控制器：

其中，uii为电流控制器，aij,j＝1,2,3…,n代表相邻矩阵中的元素；iodi(t)和iodj(t)分别代表第i和j个der的电流；c为virtualleader相应的状态信息，设为常数,通常取n1iod1和n2iod2的加权平均值，在其他情况下也可取加权平均值；

电流控制器可以按照式(13)来进行设计，且当式(12)满足时，各der的有功功率可以实现按容量比例进行分配。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、针对微电网中的电压和角频率提出分层控制的概念，即首先利用图论和多智能体理论来构建网络控制层，再利用网络控制层中的数据来对物理控制层中的相应状态量进行控制，改善了控制效果。

2、采用p-u/q-ω下垂控制策略作为一次控制来调节der的电压和角频率，避免了使用传统p-ω/q-u下垂控制要添加虚拟控制器的环节，更为简便。

3、结合工业实际，将考虑时滞的virtualleader-following一致性理论运用到微电网二次控制中，通过设计电压和角频率的一致性协议来分别实现对电压和角频率的有效控制。

4、通过设计电流一致性协议来实现对各der电流的协调控制，进而实现对有功功率的合理分配。

附图说明

图1为本发明微电网中第i个分布式电源分层控制整体架构图。

图2为本发明中考虑一个领航者与两个跟随者相互通信的简化图。

图3为本发明考虑时变时滞的virtualleader-following一致性控制效果图。

图4为本发明为分析功率均分情况设计的两台der并联简化图。

图5为本发明的简化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图5所示，一种基于分层控制策略的孤岛微电网分布式协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1，提出了两层控制策略，在该分层控制的整体概念图中，总共分为俩层：网络控制层和本地控制层。

步骤1-1，构建本地控制层：该控制层由分布式电源der、逆变器、park变换环节、功率计算环节、p-u/q-ω下垂控制环节、电压合成环节、电压外环、电流内环和pwm信号发生器组成；在正常条件下，各部分协同工作；

结合图1，针对第i个der，具体控制流程如下：

步骤1-1-1，由分布式电源经过逆变器接口和线路阻抗来带动负载运行，此时，由图1可知，该分布式电源的电压值和电流值将首先经过park环节进行变换，从而实现将der经过逆变器和lc滤波器的电压和电流由三相对称静止坐标系到俩相旋转坐标系的变换，即uoi→(uodi,uoqi),ioi→(iodi,ioqi)。其中，uoi和ioi为der经过逆变器和lc滤波器输出电压和电流；uodi和uoqi为经过park变换后的电压值；iodi和ioqi为经过park变换后的电流值。

步骤1-1-2，将电流控制器调整至no的状态，即不接入电流控制器，微电网功率计算环节的表达式为pi＝uodi·iodi+uoqi·ioqi，qi＝uoqi·iodi-uodi·ioqi。其中，pi和qi为计算后得到的有功功率和无功功率。

步骤1-1-3，因考虑到现今微电网大都为低压微网，其线路阻感比通常都较大，若采用传统的p-ω/q-u下垂控制，需要在控制结构中添加必要的虚拟控制环节，故采用p-u/q-ω下垂控制，以第i个der为例，其下垂表达式如式(1)所示。

步骤1-1-4，因为仅由下垂控制输出的电压和角频率往往不能达到对应的期望值，所以此时需要加入二次控制来使电压和角频率达到期望的参考值，具体方法在步骤(2)的实施方案中做了具体描述。

步骤1-1-5，由经过二次控制后得到的电压值和角频率值进行电压合成，再将得到的电压值作为输入量输入到电压电流双闭环中的电压外环中。由电压外环生成电流值作为双闭环中的电流内环的输入量，再由电流内环最后输出得到电压值。

步骤1-1-6，将由电流内环输出得到的dq俩相坐标系下的电压值变换为abc三相坐标系下的电压值，再产生pwm信号来调节逆变器的通断。

步骤1-1-7，首先将电流控制器调整至yes状态，即接入电流控制器，利用变换后的电流值和一致性协议进行电流调节，再将得到的电流值和park变换后的电压值进行功率计算，从而实现有功功率调节。

步骤1-2，构建网络控制层：由各der、传感器和一致性控制器组成；

步骤1-2-1，理论基础：本发明主要基于图论理论和多智能体概念，构建出了微电网中由微网内部的分布式电源所构成的通信网络。通过该网络可以实现各分布式电源与其相邻分布式电源的信息交换，信息包括：电压、角频率、电流等。多智能体和图论的概念分别如下：

多智能体概念：智能体是指在某一环境下，能持续自主地发挥作用，具备驻留性、反应性、社会性、主动性等特征的计算实体。由多个智能体所构成的系统成为多智能体系统。

图论概念：多智能体网络的拓扑结构通常用有向图g＝(v,ε)表示，该有向图是由顶点集合v＝{1,2…,n}和边集合构成。定义该有向图的n个节点表示n个智能体∑1,∑2,…∑n。在有向图中，如果第i个节点有信息传递至第j个节点，则第i个节点有一条边指向第j个节点。如果任意一个顶点到其他每一个顶点都有一有向路径连接，那么该有向图是强连通。在连通图中，如果有一有向路径，把所有顶点连接起来，则该有向路径称为有向树。而连接所有顶点的各边所构成的有向树称为有向生成树。同时，将具有顶底集合n＝{1,2…,n}的有向图邻接矩阵a＝aij∈rn×n定义为如果第i个节点有信息传递至第j个节点,则aij＞0，否则aij＝0。

步骤1-2-2，构建网络控制层。基于上述概念，可以首先将各der均视为智能体，即各der可通过传感器采集本地电压与角频率信息，然后与其相邻der交互所需信息；由多个智能体就可组成多智能体系统，再根据图论知识，当多智能体系统满足virtualleader-following一致性形成条件时，可以通过一致性控制器使得各作为follower的智能体的相关状态量跟随virtualleader的状态量并利用所得有限信息，通过一致性算法可以使得各der输出的最终电压u∞和最终角频率ω∞均与virtualleader的相应状态量一致；最终利用经过一致性控制得到的电压状态量和角频率状态量来形成相关的反馈量，添加到本地控制层中的下垂控制中完成对电压和角频率的二次控制；网络控制层利用分布式策略，仅通过局部信息交互，实现了各der的电压和角频率信息最终实现一致，通信量较少且均衡，可靠性高。

步骤2，利用构建的分层控制结构和一致性协议来完成对各der输出电压和角频率的分层控制。

本发明提出的对于der输出电压和角频率的分层控制思路如下：在本地控制层中对于各der的电压和角频率包括两次控制。其中一次控制主要采用p-u/q-ω下垂控制。二次控制则是在一次控制的基础上，利用网络控制层的数据和virtualleader-following一致性理论产生电压调节量δui和角频率调节量δωi，再添加到下垂控制中，实现了对电压和角频率的二次调节，使二者均跟踪上对应的给定值uref和ωref。

步骤2-1，电压和角频率的一次控制

具体控制表达式如式(1)。

步骤2-2，电压和角频率的二次控制

步骤2-2-1，在构建出的通信网络(网络控制层)中，研究时滞问题对virtualleader-following一致性理论的影响及解决办法。

在步骤1中已说明，各der均可以视为一个智能体，再利用图论理论，可由所有智能体够成一个整体通信网络。实际中，常用一阶数学模型来表示智能体的信息状态，第i个智能体的信息状态可以用以下公式表示：

上式中，xi∈rⁿ表示第i个智能体的信息状态；ui∈rⁿ表示控制输入。

在多智能体网络中，若有且仅有一个智能体可以将信息传输至其余各智能体，则该智能体可以称为leader，其余各智能体可以称为follower，且follower的信息可以通过以下leader-following一致性协议达到相同的状态：

式中，aij表示邻接矩阵中的元素；ni表示第i个智能体的相邻智能体的集合；bi表示leader与第i个智能体之间的连接关系，若有连接，则bi＞0，否则bi＝0；

在实际环境中，当一个智能体收到相邻智能体的信息时，会存在通信时滞及其本身的传输时滞。时滞对于一致性作用效果的影响如下：

以图2中所示的1个leader和2个follower的情况为例，来分析时滞对于一致性效果的影响。设一致性协议如下：

这也可以被表示成如下表达式：

其中x＝[x1x2]^t,u＝xl,相关系数矩阵如下：

为了分析表达式(6)的稳定性，应该有|si-a|＝0.即：

设置a12＝a21＝1,b1＝b2＝1,得到：

s²+(2k1+2k2)s+3k1k2＝0(20)

即：

如果在第1的智能体传输信息的过程中有时滞存在，则我们可以视作信息将由x1(t)变为(1-α)x1(t).并且，由此得到：

s²+2[(1-α)k1-k2]s+3(1-α)k1k2＝0(22)

所以，当α＜1时，该一致性系统是不稳定的。

经过上述分析，时滞将使原有系统的性能变差，系统将从稳定状态变为不稳定。因此，研究具有时滞的多智能体系统的一致性问题是很有必要的。基于上述分析，考虑通信时滞和输入时滞的leader-following一致性协议表示为：

式中，τij表示俩个智能体之间的通信时滞；τi和τj表示智能体自身的输入时滞；xl(t)是领航者的状态；aij,j＝1,2,3…,n表示邻接矩阵的元素；如果领航者连接到第i个智能体，则bi＞0,否则,bi＝0；τil代表第i个智能体和领航者之间的通信延迟；ki1和ki2表示控制增益；τl表示领航者自身的输入延迟。

下面进行证明：

在本发明中，依然以图2中所示只有一个leader和两个follower的情况进行证明。其余情况的证明可以由此证明过程推广得到。

有一致性协议如下：

通过laplace变换，有：

进过化简后，有：

并且，leader与第1个der的状态量的差值如下：

其中c1＝∫x1(t)dtt＝0.

同样的，也有：

其中c2＝∫x2(t)dtt＝0.

若选取合适的增益，使得则有：

证明完毕。

关于leader的选取：因为在实际工业环境中，不方便找寻der作为leader来使用一致性协议，所以，本发明采用virtualleader的方式来构建一致性控制结构，此时只要满足virtualleader的信息可以传输至任意follower即可(即virtualleader为全局可达点)。

在图3中，以4个智能体作为follower和一个leader进行仿真实验，leader的状态值为200，follower的初始值分别为100,150,250,300。涉及到的参数矩阵如下：自身传输时滞均取0.001s，通信时滞取为0.01s，增益均取为1。仿真图像展示了leader-following一致性的效果，说明各状态量最终可以趋于一致。

步骤2-2-2，设计电压二次控制策略

1.设计电压一致性协议

具体设计步骤见式(2)～(6)。

2.产生电压反馈量添加至下垂控制

具体设计步骤见式(7)。

步骤2-2-3，设计角频率二次控制策略

1.设计角频率一致性协议

具体设计步骤见式(8)～(9)。

2.产生角频率反馈量添加至下垂控制

具体设计步骤见式(10)。

步骤3，通过设计电流控制器来实现有功功率的合理分配。

步骤3-1，功率分析

如图4所示，以俩个分布式电源并联的电路来研究功率分配，逆变器1和逆变器2的输出阻抗和线路阻抗如下：

z1＝r1+jx1+r1+jx1＝z1∠θ1(34)

z2＝r2+jx2+r2+jx2＝z2∠θ2(35)

上式中，r1+jx1和r2+jx2分别为逆变器1，2的等效输出阻抗；r1+jx1和r2+jx2分别为线路1,2的等效阻抗；θ1和θ2均为线路的阻抗角。

第n个逆变器的输出电流和功率如下：

上式中，v1和v2分别为逆变器1和逆变器2的输出电压；vcom为母线电压；pn和qn分别为第n个分布式电源的有功输出和无功输出；为第n个逆变器的功率因数角，并有如下式子成立：

在实际的工业环境中，微电网通常为低压电网，即线路通常阻感比较大，且根据上述公式，假设输出阻抗和线路阻抗之和为纯阻性时，系统满足sinθn＝0和cosθn＝1，逆变器的有功功率和无功功率如下：

如果足够小，则即：

如图4所示系统，有功功率按容量比例分配的条件如下：

其中，u1和u2分别为第1台der和第2台der由p-u/q-ω下垂控制输出的电压。

若式(44)成立，则有：

u1-u2＝0(45)

根据式(1)，(42)和(45)，有：

即使系统满足n1＝n2且v1＝v2，但在实际工程中，往往r1≠r2，即u1≠u2，所以有功功率往往不能按照容量比例进行分配。

步骤3-2，设计电流控制器来调节有功功率分配

采用一种调节电流的方法来调节有功功率的分配，具体方法如式(11)～(13)。

对于电压电流双闭环，采用分数阶pid技术进行设计，具体的设计方法可以参考专利：cn106877398a。

步骤4，通过搭建合理的实验场景验证该方案的有效性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。