一种直流微电网电压和电流分配分布式协调控制方法与流程

本发明涉及直流微电网控制领域，具体涉及一种直流微电网电压和电流分配分布式协调控制方法。

背景技术：

利用分布式新能源替代传统化石能源是应对环境污染问题的有效方法。分布式新能源发电系统通常具有直流特性，利用直流微电网对分布式能源进行集成可以提高效率，减少逆变器的使用，降低建造和运营成本。因此直流微电网正在成为一种越来越受关注的供电系统。

直流微电网的基本控制目标有两个，分别是电压稳定性和负荷功率的成比例分配。电压稳定性是指通过控制系统的作用，使得直流微电网的母线电压达到并稳定在额定值附近。但是由于传统的下垂控制方法的使用，以及不同母线间输电线阻抗的存在，造成实际母线电压相对于额定值存在一个电压降，同时不同的母线电压也达不到一致。

在直流微电网中，负荷功率的成比例分配等同于分布式电源输出电流的成比例分配，即所有分布式电源输出电流相对于自身输出电流额定值的比例相等。传统的下垂控制方法的一个重要的作用就是实现分布式电源输出电流的成比例分配。但是当母线间的输电线阻抗不可忽略时，利用传统下垂控制方法实现的电流成比例分配的效果就会变差。为了改善由于下垂控制方法和传输线阻抗引起的问题，一种比较有效的方法是用基于一致性算法的分布式控制方法对传统的下垂控制方法进行补偿。通过一致性算法的使用可以实现电流的成比例分配，但是无法对母线电压的一致性进行控制，不同母线的电压差可能较大，达不到预定的电压稳定条件，造成系统无法稳定运行。

技术实现要素：

本发明采用分布式方案具有更强的扩展性，系统中某一或某些节点出现故障时，并不影响其余节点的正常工作，系统的稳定性更强的一种直流微电网电压和电流分配分布式协调控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种直流微电网电压和电流分配分布式协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：微电网中所有参与协调控制的分布式电源，均设置与其对应的分布式协调控制器；每个分布式协调控制器均与其对应的分布式电源的换流器控制器连接；

步骤2：分布式协调控制器之间通过通信网连接；

通信网中的节点分为领航者节点和跟随者节点，领航者节点提供静态的额定电压参考值跟随者节点为分布式电源；

领航者节点和任一跟随者节点之间的连接情况为gi：

式中：i分布式电源标号，n为微电网中参与协调控制的分布式电源数量；

跟随者节点之间的通信连接用矩阵a表示：

式中：aij为非负实数，为从节点j到节点i的通信加权系数。

进一步的，所述分布式协调控制器中控制方法如下：

通过包含电流一致项和电压一致项的复合一致性算法得到分布式电源的额定输出电压参考值：

式中：ii为第i个分布式电源的输出电流，ij为第j个分布式电源的输出电流，为第i个分布式电源的额定输出电流，为第j个分布式电源的额定输出电流，为第j个分布式电源的额定输出电压参考值，vi^*为第i个分布式电源的额定输出电压参考值，α为一个正常数，λ为一个可调参数，取值范围[0,1]；

根据分布式电源的额定输出电压参考值计算分布式电源的输出工作点电压：

vi＝vi^*-riii

式中：vi为第i个分布式电源的输出工作点电压，ri为第i个分布式电源的下垂系数；

和通过跟随者节点之间的通信网，由节点j传输给节点i。

本发明的有益效果是：

(1)本发明与现有的集中式控制方案相比，分布式方案具有更强的扩展性，允许微电网中分布式电源随机的退出和接入；同时，系统中某一或某些节点出现故障时，并不影响其余节点的正常工作，系统的稳定性更强；

(2)本发明通过分布式协调控制器，对直流微电网各个母线电压一致程度和分布式电源输出电流成比例分配的精度人为可调，使得微电网可以根据实际需要，稳定、可靠的运行。

附图说明

图1为本发明实施例中直流微电网示意图。图中包含6个分布式电源(dg)，每个分布式电源连接到一个母线(bus)上，每个母线上都连接一个负载；母线间通过传输线连接，传输线用电阻(rij)建模。另外，图中虚线表示通信网连接，箭头表示通信的方向。需要特别说明的是，本发明所设计的控制方法适用但不限于图中所示的网络拓扑及其配置方式。

图2为本发明实施例中电压一致性和电流按比例分配分布式控制器框图。图中gi(s)表示比例-积分(pi)控制器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

一种直流微电网电压和电流分配分布式协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：微电网中所有参与协调控制的分布式电源，均设置与其对应的分布式协调控制器；每个分布式协调控制器均与其对应的分布式电源的换流器控制器连接；

步骤2：分布式协调控制器之间通过通信网连接；分布式协调控制器是分布式协调控制方法实现的载体。分布式协调控制方法分成两个层级来实现，第一层采用带修正量的下垂控制方法实现；第二层采用同时包含电流一致项和电压一致项的复合一致性算法来实现。

通信网中的节点分为领航者节点和跟随者节点，领航者节点提供静态的额定电压参考值跟随者节点为分布式电源；领航者节点为分布式协调控制器中的虚拟节点，用于提供静态的额定电压参考值微电网中所有的分布式电源均为跟随者节点，领航者节点和任一跟随者节点之间的连接情况用参数gi描述，领航者节点和任一跟随者节点之间的连接情况为gi：

式中：i分布式电源标号，n为微电网中参与协调控制的分布式电源数量。

跟随者节点之间的连接可以采用单向或者双向通信，通信网的基本要求是从领航者节点到所有的跟随者节点，存在直接或者间接的通信路径。

跟随者节点之间的通信连接用矩阵a表示：

式中：a中任意元素aij为非负实数，为从节点j到节点i的通信加权系数，当节点j到节点i存在通信连接时，aij的取值大于0，否则aij等于0。

分布式协调控制器中控制方法如下：

第二层同时包含电流一致项和电压一致项的复合一致性算法如下：

通过包含电流一致项和电压一致项的复合一致性算法得到分布式电源的额定输出电压参考值：

式中：ii为第i个分布式电源的输出电流，ij为第j个分布式电源的输出电流，为第i个分布式电源的额定输出电流，为第j个分布式电源的额定输出电流，为第j个分布式电源的额定输出电压参考值，vi^*为第i个分布式电源的额定输出电压参考值，α为一个正常数，λ为一个正常数，反映各个分布式电源的输出电压和输出电流的一致程度。得到的vi^*作为分布式控制器第一层的控制信号输出到第一层的带修正量的下垂控制方法中。

第一层带修正量的下垂控制方法如下：

根据分布式电源的额定输出电压参考值计算分布式电源的输出工作点电压：

vi＝vi^*-riii

式中：vi^*为第i个分布式电源的额定输出电压参考值，ri为第i个分布式电源的下垂系数；vi为第i个电源的输出工作点电压，将作为分布式电源换流器控制器的输入电压参考值。

和通过跟随者节点之间的通信网，由节点j传输给节点i，来自于虚拟领导者节点，不需要经过通信网的传递。

反映各个分布式电源的输出电压和输出电流的一致程度的正常数λ根据实际需求人为设定，设定的准则依据如下表所示。

表1.一致度设定表

本发明采用分布式方案，具有更强的扩展性，与现有的集中式控制方案相比，允许微电网中分布式电源随机的退出和接入。同时系统中某一或某些节点出现故障时，并不影响其余节点的正常工作，系统的稳定性更强。与现有的分布式控制方案相比，现有的一致性算法，都不能同时实现电压的一致性调节和电流的成比例分配。而本发明技术方案能够通过控制电压的一致程度和电流成比例分配的精度。