一种基于一致性算法的分层控制微电网并网同步频率控制方法与流程

本发明涉及微电网并网领域，具体涉及通过一致性算法的分层控制应用于微电网并网同步频率控制的方法。

背景技术

由于分布式发电具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活等优点，并且与集中式发电相比，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗。分布式发电可以减少电网总容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，是大电网的有力补充和有效支撑。进20年来，大部分国家已经把分布式发电提上了日程，人们开始对分布式发电系统的潜在效益展开认真研究。无疑，分布式发电是电力系统的发展趋势之一。

分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸多问题。例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源,以期减小其对大电网的冲击。分布式电源与用户混杂而形成的有源型配网为电力系统带来了新的挑战，为解决分布式电源接入问题，协调大电网和分布式电源的矛盾，充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的价值与效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念。微电网将额定功率为几十千瓦的发电单元——微源、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时供给电能和热能。基于微电网结构的电网调整能够方便大规模的分布式电源(der)互联并介入中低压系统中，提供了一种充分利用der单元的机制。

在低压微电网系统中，受线路阻抗的影响，传统下垂控制难以实现有功功率和无功功率的分配，电压和频率调节就会出现一些问题。主要表现为分布式电源输出电压幅值和频率存在的差异。

微电网中有两种运行模式：孤岛运行和并网运行。当微电网并网时即由孤岛运行切换到并网运行模式，是通过公共连接点和主电网相连的，逆变器输出的交换功率大小与微电网电压幅值和频率的测量精度密切相关。因此必须控制微电网公共连接点处电压的幅值、频率和相角，与主电网一致，否则在并网时不仅会对主电网造成很大的冲击，还会对微电网分布式电源的稳定性造成影响。

技术实现要素：

为解决微电网并网问题，本发明提出了一种基于一致性算法的分层控制微电网并网同步频率控制方法，其主要包括两层：其中，初级控制由改进下垂控制、功率控制、电压控制以及电流控制与控制系统组成；针对微电网系统的初级控制中容易出现频率偏差问题，设计一种将一致性算法应用到初级控制中，实现初级控制中无差频率；为了实现微电网平滑并网，在二级控制中提出微电网并网同步频率控制策略，通过频率补偿使得并网瞬间两侧频率差接近为零，为微电网并网提供理论依据。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于一致性算法的分层控制微电网并网同步频率控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤(1)：检测微电网的储能荷电状态soc与分布式电源输出的有功功率p，利用一个与p、soc相关的符号函数得到动态有功下垂系数b；通过通信获得采用改进下垂控制的逆变器的输出电压和频率，计算相邻逆变器有功功率标幺值，结合权值的平均一致迭代算法进行有功-频率的控制；

步骤(2)：微电网同步并网过程中，通过park变换将微网侧电压vodq以及主网侧电压vgdq分解得到dq轴分量vod、voq、vgd、vgq，利用pi控制器参数及vod、voq、vgd、vgq相关的函数表示同步频率fsy；微电网频率偏差δf经同步频率fsy补偿，使得δf小于某个规定值时，即可同步并网。

进一步，所述利用一个与p、soc相关的符号函数得到动态有功下垂系数b的具体过程为：通过对符号函数的使用，在有功输出不足的情况下，下垂系数b与soc成反比，各dg发电单元所承担的负荷量与soc成正比；当有功输出富余的情况下，情况同有功输出不足；

其中：wi为输出电压的角频率，wiref为额定电压的频率，k0为初始下垂系数，sgn(x)为符号函数，η是储能系统容量的比例系数，定义为cess,i为储能电源i的可用容量，min[cess,i]为储能电源i的最小容量，pi和piref分别是电源实际输出有功功率和额定输出有功功率。

进一步，所述结合权值的平均一致迭代算法进行有功-频率的控制的具体过程为：随着时间的推移，系统中所有智能体的状态最终能够趋于一个相同的值，使得所有并联逆变器的有功功率标幺值收敛于其均值：

其中：分别为逆变器i,j的有功功率的标幺值，wii,wij为xi,xj在节点i上的权值。

进一步，所述利用pi控制器参数及vod、voq、vgd、vgq相关的函数表示同步频率fsy的具体过程为：微电网可通过静态转换开关并入主电网，通过pi控制器消除频率偏差，因此微电网与主电网的同步频率可以表示为：

其中：fsy为微电网与主电网之间的同步频率，ωc为转折频率，s为拉普拉斯变换因子，kpsy和kisy分别为同步控制中pi的比例参数和积分参数。

进一步，所述微电网频率偏差δf经同步频率fsy补偿：

其中：kp_δf和ki_δf分别为二级控制补偿器的控制参数，fmg是分布式电源端口处输出实际频率，分布式电源端口处参考频率。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：本发明所提出改进下垂控制策略通过对符号函数的使用，储能余量充足的电源设置较大的下垂系数，从而使其出力相对较大，储能余量不足的电源设置较小的下垂系数，使其出力相对较小，可以有效地发挥储能的调节能力；同时，为了解决初级控制中存在的频率偏差问题，将一致性性算法应用于初级控制实现微电网无差调频。为了达到最终并网目的，在二次控制中提出微电网频率恢复达到调节两侧频率偏差，从而实现微电网并网频率同步。

附图说明

图1是微电网结构图；

图2是改进下垂控制框图；

图3是微电网同步并网频率偏差框图；

图4是微电网并网的同步控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是微电网结构框图，各dg发电单元通过电力电子转换接口接入微电网，为保证微电网的出力稳定，在逆变器直流侧配备储能单元。

步骤1：初级控制由采用一致性算法的改进下垂控制、功率控制、电压控制、电流控制与控制系统组成

步骤1.1，将检测到微电网的储能荷电状态soc与分布式电源输出的有功功率p作为已知的本地信息，利用改进下垂控制方法对有功下垂系数kp进行动态整定，从而使得分布式电源根据自身的发电裕度来承担用户负荷。改进下垂控制方法是通过调节有功下垂系数的方式进行有差调节。图2是根据abc-dq变换输出的dqz轴电压分量ud、uq以及电流分量id、iq，计算出的瞬时有功功率p＝udid+uqiq，通过滤波得到平均功率lpf。

改进下垂控制方法，具体为：

传统的频率下垂控制策略为：

w＝wref+k(p-pref)(1)

其中：w为输出电压的角频率，wref为额定电压的角频率，k为下垂系数，pref为参考有功输出；

传统的频率下垂控制策略不考虑储能系统的soc，其下垂系数为固定值，这就意味着当出现有功缺失或者有功过剩时，各个储能系统都是采用平均分配有功功率，这不仅没有考虑到各个储能系统soc的差异性，而且还大大降低储能系统利用率。

为了让储能余量充足的电源设置较大的下垂系数，从而使其有功输出相对较大，储能余量不足的电源应设置较小的下垂系数，可得改进的下垂调节关系为：

其中：wi为输出电压的角频率，wiref为额定电压的角频率，k0为初始下垂系数，soc是储能系统的荷电状态，sgn(x)为符号函数，用于返回x的正负情况，η是储能系统容量的比例系数，定义为其中，cess,i为储能电源i的可用容量，min[cess,i]为储能电源i的最小容量，pi和piref分别是电源i实际输出功率和额定输出功率。

改进下垂控制，在有功过剩时，各个分布式电源给各自储能充电，使得pi-piref＜0，即相应电源j下垂系数为：

储能充电功率比为：

其中：δw＝wi-wiref；

储能系统所采用的储能元件是相同产品，所以其min[cess,i]是相同的，在计算过程可以等值消去。

因此，电源j和电源i给各自储能系统充电功率之比为：

采用改进的下垂控制策略后，电源有功输出增量与其储能系统的荷电状态和总容量相关。当电源j储能系统的荷电状态socj与电源i储能系统的荷电状态soci一致时，电源有功变化与储能容量成正比，从而使socj与soci按照同样的速率降低；当socj＞soci时，使得soci增长速率会大于socj，此时soci会逐步向socj靠拢，在负荷扰动时间相对较长且储能容量满足要求的情况下，对于系统中采用此控制策略的多个逆变电源，其储能单元的soc会趋于相等。

类似负荷增加也是如此，故采用此改进下垂控制策略的多个分布式电源，防止对储能的过度充放电，增加储能使用寿命，其储能单元的soc会趋于相等。

步骤1.2，改进的下垂控制是通过调节下垂系数的方式进行有差调节。微网中的每台逆变器通过通信可以获取与其相邻的部分逆变器的信息，结合相应的分布式一致性控制算法，即可实现微电网的无差调频。

一致性是指在一个多智能体系统中，随着时间的推移，系统中所有智能体的状态最终能够趋于一个相同的值，一致性算法(协议)则是指复杂系统中智能体之间相互作用的规则，一致性理论可以结合图论知识加以描述；因此提出了一种基于分布式一致性算法的无差调频控制方法。

其中：b为改进下垂控制中的动态下垂系数，pi^*,分别为逆变器i,j的有功功率的标幺值，wii,wij为xi,xj在节点i上的权值。

不妨设逆变器i,j的额定容量分别为si,sj，则pi^*、满足：

pi^*＝pi/si(8)

其中pi、pj分别为逆变器i、j的有功功率；

由一致性算法的局部度分配权值法可知，会使得所有并联逆变器的有功功率标幺值收敛于其均值，即下式微电网稳态时成立。

因为仅在暂态过程中起作用，其稳态值为0，故角频率的给定值即为期望值wref，即实现了无差调频；同时，因为各逆变器的有功功率标幺值稳态时均相等，故该方法也可以保证有功功率的合理分配。

本发明通过一致性算法的改进下垂控制，不仅解决到储能的均衡有功输出，且实现了分布式电源有功功率的合理分配，大大提高了分布式电源的利用率及提高储能系统使用寿命，实现微电网的频率稳定性，提高电能质量。

步骤2：在二级控制中实现微电网并网频率同步控制策略

步骤2.1，为了实现频率同步，必须得使微电网频率偏差减小到某个规定值(根据不同的电力系统进行确定)。图3是微电网频率偏差框图，从准同期的角度看，必须控制微电网公共连接点处电压的幅值、频率和相角，与主电网一致，否则在并网时不仅会造成很大的冲击，还会对微电网分布式电源的稳定性造成影响。

其中：δf为微电网频率偏差量，kp_δf和ki_δf分别为二级控制的控制参数，fmg是分布式电源端口处输出实际频率，分布式电源端口处参考频率。

通过频率偏差框图计算出频率偏差，为了达到并网瞬间开关两侧频率偏差接近为零，对微电网进行频率补偿，补偿值则为偏差值δf。

步骤2.2，为实现微电网并网频率同步控制，图4是微电网并网的同步控制图；微电网可通过静态转换开关并入主电网；此前，微电网与主电网之间不能有任何能量的交换，因此，必须通过pi控制器消除频率偏差。

根据abc-dq坐标变换下输出的微网侧电压vodq以及主网侧电压vgdq，并将vodq、vgdq分解得到dq轴分量vod、voq、vgd、vgq；当微网电压与主网电压一致时(voabc＝vgabc)时，vgqvod-vgdvoq＝0，这样达到消除电压偏差的目的。

微电网与主电网的同步频率可以表示为：

其中：fsy为微电网与主电网之间的同步频率，ωc为转折频率，s为拉普拉斯变换因子，vod、voq分别为vodq的d轴和q轴分量，vgd、vgq分别为vgdq的d轴和q轴分量，kpsy和kisy分别为同步控制中pi的比例参数和积分参数。

为了使同步频率fsy补偿达到调节频率偏差参数的目的，在微电网同步并网过程中，频率偏差表达式：

综上可知，在同步并网的过程中，首先根据初级控制实现频率恢复，当微电网的频率偏差即δf小于某个值后，即可利用公式(13)实现频率的同步，实现微电网由孤岛模式向并网模式的平滑切换。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。