一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法与流程

本发明涉及属于电力电子、通信及控制领域，特别涉及一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法。

背景技术：

世界经济和工业的飞速发展使全球能源供应持续紧张，作为传统能源主体的石油、天然气、煤炭等不可再生能源逐步消耗正日趋枯竭，合理开发利用清洁高效的绿色能源和基于灵活经济的分布式发电dg(distributedgeneration)的微网技术(microgrid)成为解决未来世纪能源问题的主要出路，被各国提上了日程。基于分布式发电的微网技术不仅具有环保、效率高、安装地因地制宜等优点，而且可节省长距离输电线路的投资成本和损耗，保障在大电网发生意外停电时，能够提供基本的能源供应。我国在《能源发展“十三五”规划》和《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》都将注重低碳、高效、可持续的现代能源体系发展作为能源发展的主要目标。国家能源局在2017年的《规划》新闻发布会上明确指出清洁低碳能源将是“十三五”期间能源供应增量的主体，提出了实现2020年非化石能源消费占比15％和2030年非化石能源消费占比20％的战略目标，中国十三五期间微网的增量市场将达到200亿元-300亿元。因此，微网作为未来智能电网发展的重要一环，是我国进一步提高清洁能源渗透率和利用效率，改善能源结构转型的重要载体，对解决可再生能源的大规模接入问题和对负荷多种能源形式的高可靠持续供给问题，实现能源消费高效化、低碳化和清洁化目标有重要的社会和经济意义。

对于逆变型微网系统而言，内部动态特性复杂、集成了多种能源的输入(光、风、氢、天然气等)，并在一定区域内分布部署，运行模态多，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，可以看做是一类典型的网络控制系统。图1-2展现了微网系统的典型结构。

虽然微网有得天独厚的发展前景，但是微网结构复杂，集成了多种能源的输入(光、风、氢、天然气等)，并在一定区域内分布部署，运行模态多，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，图1展现了微网系统的典型结构。这就必然导致了微网在设计、控制、管理等方面都面临了诸多问题：

(1)分布式能源容量小、功率不稳定，具有不可控性及随机性，易对电网造成波动；

(2)微网并网时，会造成电网稳态电压波动、瞬态电压波动(电压跌落和凹陷)、电压闪变以及大量谐波污染的注入，严重影响电网电压和频率的稳定；

(3)孤岛运行时，多样化的微电源难以保证快速跟踪微网内负荷的变化，微网内的电压、频率失去电网的支撑会发生较大的波动，电能质量下降，严重的会损坏配电设备和用户设备；

(4)由于分布式电源具有即插即用的灵活性以及电网线路阻抗的不确定性，导致了电网中各种参数的不平衡，导致较大的感性电流环流出现在电源之间，因此必须对系统参数的变化做出迅速响应。

因此，为了让微网最大限度的发挥其优势，提高电网对分布式新能源的接纳能力，最大限度利用可再生能源和清洁能源，实现微网多目标运行，保证微网多态的稳定性，必须解决模态切换时由过电流和暂态电压峰值突变造成的电能质量恶化问题，必须针对微网内部动态特性复杂，运行结构多变以及控制目标多样化的特性，基于逆变型微源的分布式控制实现多目标微网多态运行的无扰动切换。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，针对微网内部特性(结构复杂，动态性能多变，输入输出接口多)和微网外部输出所需的一致性(电压稳定、频率稳定等)要求，通过对分布式电源的逆变型控制系统的输入输出特性及分布式电源之间的信号传输特性进行分析，基于小信号稳定性方法建立分布式电源的网络化控制模型及微网多种运行状态下的综合状态空间静、动态模型，研究微网系统在各状态和状态切换时的稳定性及保证各状态间平滑过渡的切换控制律，解决微网多态运行的稳定性控制问题、能量平衡和功率平衡的跟踪控制问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，包括以下步骤：

步骤一：为了得到微电网系统的综合状态空间方程，将微网系统分解为各个有独立动态响应的子系统，分别为逆变器控制模块、lcl电路模块、逆变器/母线接口模块、负载模块和传输线路模块；

步骤二：根据各个模块的动态特性，基于小信号稳定性方法定义各个模块的状态向量、输入和输出向量；

(1)逆变器控制模块输入输出

该模块采用pq功率计算、下垂控制及电流电压双闭环控制三个子模块对逆变型微电源进行频率和电压的控制，三个子模块的输入输出如下：

(a)功率控制模块

功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是lpf低通滤波模块。瞬时有功功率p和瞬时无功功率q由功率计算模块算出后送到低通滤波器lpf得到平均有功功率p和平均无功功率q。

功率计算模块

输入：逆变器经过lcl滤波后的输出电流iod，ioq；

逆变器经过lcl滤波后的输出电压vod，voq；

输出：瞬时有功功率p；

瞬时无功功率q；

lpf低通滤波模块：

输入：瞬时有功功率p；

瞬时无功功率q；

输出：平均有功功率p；

平均无功功率q；

(b)下垂控制模块

它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制，一种是f-p和v-q下垂控制方法，它利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源的参考有功和无功功率。另一种方法是p-f和q-v下垂控制方法，利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值。这里采用第二种方法用分布式电源输出的有功功率产生电压参考频率，用输出的无功功率产生电压得参考幅值。

输入：平均有功功率p；

平均无功功率q。

输出：电压控制模块的参考电压频率ω^*；

电压控制模块的参考电压幅值

为了简单起见，选取旋转坐标d轴为控制器设计的定向控制参考坐标，因此

(c)电压电流控制模块

功率控制模块输出的频率和电压幅值作为电压外环控制的参考频率和电压，由pi控制器的作用产生电流内环的参考值，接着再由电流内环的pi控制器作用产生逆变器电压的参考值。

电压外环输入：电压控制模块的参考电压频率ω^*；

电压控制模块的参考电压幅值

电压外环输出：电流控制模块的参考电流

电流内环输入：电流控制模块的参考电流

电流内环输出：逆变器的参考电压频率

(2)lcl电路模块输入输出

输入：逆变器的输出电流iid，iiq；

逆变器的输出电压vid，viq。

输出：lcl滤波后的输出电流iod，ioq；

lcl滤波后的电容电压vod，voq；

lcl滤波后的输出电压vibusd，vibusq；

(3)逆变器/母线接口模块输入输出

输入：逆变器侧输出电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq；

输出：逆变器母线侧电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq；

(4)负载模块输入输出

输入：逆变器母线侧电流和电压vibusd，vibusq；

输出：负载电流iloadd，iloadq；

(5)传输线路模块输入输出

输入：逆变器母线侧电压vibusd，vibusq；

输出：公共母线侧电压vbusd，vbusq；

步骤三：基于小信号稳定性方法对微网系统各模块建立单一动态特性模型,其中包括逆变器控制系统子模型、lcl滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型。

(1)逆变器控制系统子模型建立

(a)功率控制模块模型

功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是lpf低通滤波模块。功率控制模块的状态方程为：

其中

(b)下垂控制模块模型

由逆变器的下垂控制特性可得下垂控制模块的状态方程为

其中

(c)电压电流控制模块模型

根据lcl滤波电路的电力电子特性关系得到其小信号模型为：

进一步得到电压电流双闭环控制系统的小信号状态方程为：

其中

avi＝0，

(2)lcl电路模块模型建立

采用lcl滤波电路，电路各物理量直接的数学关系如下：

对上式进行小信号线性化得：

其中：

其中，ild,ilq,iod,ioq,vod,voq是系统平衡点的输入电压和电流。ω0是系统平衡点的频率。

(3)负载模块模型建立

以基本负荷rl建立负荷的小信号状态方程模型，根据其电力电子关系得到小信号线性化得：

其中：

(4)传输线路模块模型建立

以基本负荷rl建立线路的小信号的状态方程模型，对于并网型微电网，逆变器经过线路mn后连接到系统公共母线，则该线路为从逆变器m到公共母线vbus，则得到并网时的电路方程为：

对上式进行小信号线性化得：

其中

对于孤岛型微电网，逆变器m经过线路mn后连接到逆变器n，则该线路为从逆变器m到逆变器n，则孤岛时的电路方程为：

对上式进行小信号线性化得：

其中

步骤四：针对上述对微网各个模块的动态分析及小信号状态方程模型的建立，以整个系统为研究对象，建立包含n个逆变型微电源，r条线路模型和s个负载模型的微电网模型；

(1)n个逆变型微源及其接口模型

基于上面建立的单一逆变型微源及其接口模型，可知逆变型微源i及其接口的状态空间方程为：

其中

△xinvi＝[△δi△pi△qi△υid△υiq△λid△λiq△iild△iilq△viod△vioq△iiod△iioq]^t

△u1invi＝[△vibusd△vibusq]^t

△u2invi＝△ωcom

(a)并网时

ωcom是公共母线的角频率，则n个逆变型微源及其接口的状态空间方程为:

其中

△xinv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t

△uinv＝[△u1inv1△u1inv2…△u1invn△ωcom]^t

(b)孤岛时

把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1。

根据逆变器的下垂控制方程，可以得到

△ω1＝cinv1△xinv1(14)

那么对于孤岛型微网而言，n个逆变型微源及其接口的状态空间方程为:

其中

△xis_inv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t，

△uis_inv＝[△uinv1△uinv2…△uinvn]^t

(2)r条线路模型

基于上面建立的单一线路状态方程模型，建立r条线路的统一小信号状态方程模型。

(a)并网时

对于并网型微网而言，线路的条数与逆变型微源个数一致，则r＝n。定义新的状态变量，对于线路j有

那么并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型为

其中

△ilinedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

对于线路模型而言，由于其在公共坐标系中，我们可以得到ω＝ωcom。因此，并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型可以改写成：

其中

△ulinedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t

(b)孤岛时

对于孤岛型微网而言，有n个逆变器和r个节点，孤岛型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型为

其中

△iis_linedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vis_busdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

对于线路模型而言，在孤岛模式下，把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1。

因此，并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型为：

其中

△uis_linedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

(3)s个负载模型

基于上面建立的单一负载状态方程模型，建立s个负载的统一小信号状态方程模型。定义新的状态变量，对于负载j有

则微网系统s个负载的统一小信号状态方程模型为：

其中

△iloaddq＝[△i1loaddq△i2loaddq…△isloaddq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

(a)并网时

并网型微网ω＝ωcom。因此，并网型微网系统s个负载模型的统一小信号状态方程模型可以改写成：

其中

△uloaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom]^t

(b)孤岛时

孤岛型微网即ωcom＝ω1。因此，孤岛型微网系统s个负载模型的统一小信号状态方程模型为

△uis_loaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t。

步骤五：建立微网系统多态运行系统模型，包括并网时微网系统的动态方程和孤岛运行时微网系统的动态方程；

(a)并网型微网：

xsys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

usys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t。

(b)孤岛型微网：

xis_sys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

uis_sys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

步骤六：基于切换控制理论将之前建立的微网多态运行系统模型转化为切换控制系统模型；

对于之前建立的微网系统模型而言，两种运行状态分别对应两个子系统。

对于并网型子系统，△ωcom＝0，△vbusdq＝0，为了进行状态反馈切换控制器的设计，将各逆变器母线节点和地之间引入足够大的虚拟阻抗，那么各母线的节点电压表示成：

对于并网型微网的整体模型，将系统输入用向量的形式表示为

usys＝△vbusdq＝rn△xinv+γload△iloaddq+γline△ilinedq(28)

为了设计状态反馈切换控制器，上式可以进一步写出：

usys＝ksysxsys(29)

那么并联型微网子系统的状态方程写成：

对于孤岛型子系统，ωcom＝ω1，△ω1＝0，同理，为了进行状态反馈切换控制器的设计，将各逆变器母线节点和地之间引入足够大的虚拟阻抗，那么各母线的节点电压表示成：

那么对于孤岛型微网的整体模型，将系统输入用向量的形式表示为

uis_sys＝△vbusdq＝rm△xis_inv+γis_load△iis_loaddq+γis_line△iis_linedq(32)

为了设计状态反馈切换控制器，上式进一步写出：

uis_sys＝kis_sysxis_sys(33)

那么孤岛型微网子系统的状态方程写成：

更进一步由于并网型微网子系统和孤岛型微网子系统的状态向量相同，即

xsys＝xis_sys(35)

定义σ(i)是系统的切换信号，ai是各个子系统的系统矩阵，则具有两个切换状态的采样后的离散微网系统可以写成

其中

z(k),是离散后的状态向量和系统矩阵；

步骤七：基于lyapunov稳定性理论，选取合适的lyapunov函数，给出便于求解的闭环微网切换控制系统模型的模态依赖的镇定控制器存在的充分条件。

采用多lyapunov函数法，即每个子系统都有自己的lyapunov函数，分别为子系统1和子系统2，对于子系统i而言，即当σ(i)∈i＝{1,2}时，选取lyapunov函数v(k)＝z^t(k)piz(k)，pi,i∈i＝{1,2}是正定对称矩阵，则沿系统(36)轨迹的一阶前向差分为：

基于lyapunov稳定性理论，如果v(k)>0成立，则闭环多态微网系统切换控制模型(36)全局渐进稳定，因此我们可以得到下面的定理：

定理1若存在2个正定对称矩阵pi,i∈i＝{1,2}，满足：

则公式(36)表示的离散微网系统渐进稳定。

步骤八：设计便于求解的闭环多态微网系统切换控制模型(36)的模态依赖的镇定控制器，实现微网多模态切换的镇定控制。

具体为：将闭环多态微网系统切换控制模型(36)写成

那么用下面的定理给出闭环多态微网系统切换控制模型(36)的状态反馈模态依赖镇定控制器增益求解的线性矩阵不等式，

定理2若存在正定对称矩阵g1,g2及矩阵r1，r2，满足

则系统渐进稳定，并且状态反馈控制器的增益为：

针对微网运行模式切换基于定理2证明本发明所设计的切换控制器的有效性，我们在matlab/simulink中搭建微网系统，验证当微网运行模态发生改变时采用所设计的模态依赖的控制器保证微网系统切换发生时的稳定性。

本发明针对微网多模态的运行特性而导致的微网运行平衡点多、优化参数多的特性，为了避免采用通用控制器而导致的控制器结构复杂、参数繁多、灵活性差的特点，结合电力电子、通信及控制三个技术领域，基于网络控制系统理论分析网络化微网的层次结构及微网内部能量的多路径潮流算法，重新定义网络节点在电力系统中的含义，基于切换系统理论建立了微网多种运行状态下的切换系统状态空间模型，并基于此，针对微网不同运行模态的系统结构和控制目标采用不同的控制策略设计了保证微网多态稳定运行的模态依赖的切换控制器，结构灵活，设计简单，可以有效的解决微网多模态稳定运行的问题，并且随着控制目标和运行模态的增加,解决了由控制器维数增长而导致的数值化求解困难的问题。

本发明以现代控制理论和网络通信技术为指导，通过分析各微电源自身的输出特性及微电源之间的信号传输特性，基于网络控制系统理论设计微网结构全网络特性的分散灵活控制策略，实现电能在微网与大电网之间平滑切换及分布式能源的优化控制。针对逆变型分布式电源微电网系统的动态特性进行系统的分析，采用分解分层的方法建立微网整体的小信号网络化状态空间模型；基于切换系统理论分析微网的状态切换特性，建立微网多种运行状态下(并网、孤岛)的切换系统模型，设计运行模式间的平滑切换控制策略以及微网并网时电压、频率跟踪控制器。

附图说明

图1是微网系统的典型结构示意图。

图2是微网整体模块结构图

图3是单一微源单元的子模块关系图。

图4是逆变器控制系统模块。

图5微网系统等效电路图。

图6是lcl滤波电路模块示意图。

图7是线路电路图。

图8是含三个微源的微网系统模式切换结构图。

图9是切换情况1的系统频率响应图。

图10是切换情况1的系统公共母线电压响应图。

图11是切换情况2的系统频率响应图。

图12是切换情况2的系统公共母线电压响应图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

一种模态依赖的微网多态运行切换控制方法，包括以下步骤：

步骤一：为了得到微电网系统的综合状态空间方程，将微网系统分解为各个有独立动态响应的子系统，分别为逆变器控制模块、lcl电路模块、逆变器/母线接口模块、负载模块和传输线路模块；图3展示了其中一个微源分支单元分解后的各个子模块的关系。主要的子模块有：(1)逆变器控制模块；(2)lcl电路模块；(3)逆变器/母线接口模块；(4)负载模块；(5)传输线路模块；

步骤二：根据各个模块的动态特性，基于小信号稳定性方法定义各个模块的状态向量、输入和输出向量；

(1)逆变器控制模块输入输出

对于电力电子接口的分布式微电源，无论是经过ac-dc-ac变换还是经过dc-dc-ac变换并入大电网或是在孤岛模式下给本地负载供电，逆变器是必经的环节，因此本发明将微电源成为逆变型微电源。逆变型微源的小信号模型是微网整体模型的主要部分，它直接影响到微网的频率和电压，逆变型微电源的输出频率和输出电压是由功率的下垂控制决定的，因此本研究采用pq功率计算、下垂控制及电流电压双闭环控制三个模块对逆变型微电源进行频率和电压的控制。如图4所示，为了确保频率和电压在控制调制的范围之内，功率计算模块计算出来的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q经过低通滤波器lpf得到平均有功功率p和平均无功功率q，再进行下垂控制,从功率控制模块出来的电压信号和频率信号经过电压外环控制模块和电流内环控制模块，再送到lcl滤波电路输出。其中功率控制模块通过下垂控制特性调节逆变器输出基波部分的电压和频率，达到对功率的控制。电压外环控制电流内环控制环是为了防止高频干扰，使的输出电压和电流快速有效的跟随给定值。

(a)功率控制模块

功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是lpf低通滤波模块。瞬时有功功率p和瞬时无功功率q由功率计算模块算出后送到低通滤波器lpf得到平均有功功率p和平均无功功率q。

功率计算模块

输入：逆变器经过lcl滤波后的输出电流iod，ioq；

逆变器经过lcl滤波后的输出电压vod，voq。

输出：瞬时有功功率p；

瞬时无功功率q。

lpf低通滤波模块

输入：瞬时有功功率p；

瞬时无功功率q。

输出：平均有功功率p；

平均无功功率q。

(b)下垂控制模块

它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。一种是f-p和v-q下垂控制方法，它利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源的参考有功和无功功率。另一种方法是p-f和q-v下垂控制方法，利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值。这里采用第二种方法用分布式电源输出的有功功率产生电压参考频率，用输出的无功功率产生电压得参考幅值。

输入：平均有功功率p；

平均无功功率q。

输出：电压控制模块的参考电压频率ω^*；

电压控制模块的参考电压幅值

为了简单起见，选取旋转坐标d轴为控制器设计的定向控制参考坐标，因此

(c)电压电流控制模块

功率控制模块输出的频率和电压幅值作为电压外环控制的参考频率和电压，由pi控制器的作用产生电流内环的参考值，接着再由电流内环的pi控制器作用产生逆变器电压的参考值。

电压外环输入：电压控制模块的参考电压频率ω^*；

电压控制模块的参考电压幅值

电压外环输出：电流控制模块的参考电流

电流内环输入：电流控制模块的参考电流

电流内环输出：逆变器的参考电压频率

(2)lcl电路模块

逆变器的dc/ac逆变电路将直流电压或电流变换为开关脉冲量，为了消除开关频率次谐波电压、电流分量对电网的影响，并网逆变电路和大电网之间都有无源低通滤波网络。本研究采用lcl滤波电路，lcl滤波器结合了l、lc滤波器的优点，即使在低开关频率和较小的电感情况下也能满足电流谐波衰减的要求，而且滤波器的电容也没跟电网直接并联，减少了电网高频谐波的影响，逆变器侧电感lf的主要作用是抑制逆变器侧的电流纹波。网侧电感lc更好的使系统获得高频纹波电流衰减性能。

输入：逆变器的输出电流iid，iiq；

逆变器的输出电压vid，viq。

输出：lcl滤波后的输出电流iod，ioq；

lcl滤波后的电容电压vod，voq；

lcl滤波后的输出电压vibusd，vibusq。

(3)逆变器/母线接口模块

微网系统中每个逆变器及其滤波电路是建立在其出口电压确定的坐标系d-q上,旋转频率由相应的下垂控制特性决定，为了建立微网系统的整体模型，我们需要选定全局参考坐标系。对于孤岛型微网而言，以第一个逆变器模型的参考坐标系d1q1为微网系统的全局参考坐标系，对并网型微网而言，选取公共母线电压确定的坐标系为全局参考坐标系。因此，此接口模块主要是将各微源的模型变换到全局坐标系下。

输入：逆变器侧输出电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq。

输出：逆变器母线侧电流和电压iod，ioq，vibusd，vibusq。

(4)负载模块

一般情况下，微网系统的负载可以归结为rl型负载。

输入：逆变器母线侧电流和电压vibusd，vibusq。

输出：负载电流iloadd，iloadq。

(5)传输线路模块

对于微网系统而言，分布式微源部署在不同的地点，通过传输线路最终汇合到公共母线，并网运行或者孤岛运行给负载供电。和负载模块一样，传输线路模块的阻抗也由rl表示。

输入：逆变器母线侧电压vibusd，vibusq。

输出：公共母线侧电压vbusd，vbusq。

步骤三：基于小信号稳定性方法对微网系统各模块建立动态特性模型,其中包括逆变器控制系统子模型、lcl滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型。与其他微网小信号建模不同的是我们根据实际情况考虑了负载和传输线路的动态特性对微网系统的影响，更加符合实际情况的描述了微网系统整体的动态性能。图5是微网系统整体的等效电路图，其中包括了以上四个子模块。

(2)逆变器控制系统模型建立

对于微电源的控制部分有三个：功率控制、下垂控制和电压电流控制，因此本发明将逆变型微电源和其控制部分作为一个整体的闭环系统称作逆变器控制系统，对其进行整体的模型建立。逆变器控制系统的小信号模型是微网整体模型的主要部分，它直接影响到微网的频率和电压。功率控制器采用低通滤波器lpf得到平均有功功率p和平均无功功率q，通过下垂控制保证频率和电压在控制调制的范围之内,从功率控制模块出来的电压信号和频率信号经过电压外环控制模块和电流内环控制模块，防止高频干扰，使输出电压和电流快速有效的跟随给定值。

(a)功率控制模块模型

功率控制模块包含了两个部分，一个是功率计算模块；一个是lpf低通滤波模块。瞬时有功功率p和瞬时无功功率q由功率计算模块算出后送到低通滤波器lpf得到平均有功功率p和平均无功功率q，基于功率控制模块的电力电子输入输出关系分析，由图5可得功率控制模块的状态方程为：

其中

(b)下垂控制模块模型

该模块测量分布式电源输出的有功功率产生电压参考频率，测量分布式电源输出的无功功率产生电压得参考幅值。选取旋转坐标d轴为控制器设计的定向控制参考坐标。由逆变器的下垂控制特性可得下垂控制模块的状态方程为

其中

(c)电压电流控制模块模型

本发明采用lcl滤波电路输出电容电压的瞬时值和滤波电感电流的瞬时值双闭环反馈控制结构。电压外环采用pi控制器控制输出电压跟随下垂控制产生的参考电压，pi控制器的输出作为电流环的参考输入；电流内环采用pi控制器控制电感电流跟踪电压外环输出的参考值，提高系统的动态响应能力。通过调节pi控制器的比例和积分系数改善系统的控制性能。根据lcl滤波电路的电力电子特性关系得到其小信号模型为：

由以上两式可得电压电流双闭环控制系统的小信号状态方程为：

其中

avi＝0，

(2)lcl电路模块模型建立

本发明采用lcl滤波电路，如图6所示。逆变器侧电感lf抑制逆变器侧的电流纹波。网侧电感lc更好的使系统获得高频纹波电流衰减性能。这里可以认为逆变器控制系统模块电流环输出的电压参考值和逆变器的输出电压vid,viq相等，即逆变器的输出电压准确的跟踪参考电压。

电路各物理量直接的数学关系如下：

对上式进行小信号线性化得：

其中：

其中，ild,ilq,iod,ioq,vod,voq是系统平衡点的输入电压和电流。ω0是系统平衡点的频率。

(3)负载模块模型建立

本研究以基本负荷rl建立负荷的小信号状态方程模型，根据图5负荷部分的电力电子关系得到小信号线性化得：

其中：

(3)传输线路模块模型建立

本发明以基本负荷rl建立线路的小信号的状态方程模型，从母线m到母线n的线路电路如图7所示。

对于并网型微电网，逆变器经过线路mn后连接到系统公共母线，这时，母线n即为系统的公共母线，则该线路为从逆变器m到公共母线vbus，则得到并网时的电路方程为：

对上式进行小信号线性化得：

其中

对于孤岛型微电网，逆变器m经过线路mn后连接到逆变器n，则该线路为从逆变器m到逆变器n，则孤岛时的电路方程为：

对上式进行小信号线性化得：

其中

步骤四：针对上述对微网各个模块的动态分析及小信号状态方程模型的建立，以整个系统为研究对象，建立包含n个逆变型微电源，r条线路模型和s个负载模型的微电网模型；

(1)n个逆变型微源及其接口模型

基于上面建立的单一逆变型微源及其接口模型，建立n个逆变型微源及其接口模型的统一小信号状态方程模型。

根据上述分析得到的功率控制模块状态空间方程、下垂控制模块状态空间方程、电压电流双闭环状态空间方程，以及lcl电路模块状态空间方程导出单个逆变型微源及其接口的状态空间方程为：

其中

△xinvi＝[△δi△pi△qi△υid△υiq△λid△λiq△iild△iilq△viod△vioq△iiod△iioq]^t

△u1invi＝[△vibusd△vibusq]^t

△u2invi＝△ωcom

(a)并网时

ωcom是公共母线的角频率。那么对于并网型微网而言，n个逆变型微源及其接口的状态空间方程为:

其中

△xinv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t

△uinv＝[△u1inv1△u1inv2…△u1invn△ωcom]^t

(b)孤岛时

把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1。

根据逆变器的下垂控制方程，可以得到

△ω1＝cinv1△xinv1(14)

那么对于孤岛型微网而言，n个逆变型微源及其接口的状态空间方程为:

其中

△xis_inv＝[△xinv1△xinv2…△xinvn]^t，

△uis_inv＝[△uinv1△uinv2…△uinvn]^t

(2)r条线路模型

基于上面建立的单一线路状态方程模型，建立r条线路的统一小信号状态方程模型。

(a)并网时

对于并网型微网而言，线路的条数与逆变型微源个数一致，则r＝n。定义新的状态变量，对于线路j有

那么并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型为

其中

△ilinedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

对于线路模型而言，由于其在公共坐标系中，我们可以得到ω＝ωcom。因此，并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型可以改写成：

其中

△ulinedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t

(b)孤岛时

对于孤岛型微网而言，有n个逆变器和r个节点，孤岛型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型为

其中

△iis_linedq＝[△i1linedq△i2linedq…△irlinedq]^t

△vis_busdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

对于线路模型而言，在孤岛模式下，我们把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1。

因此，并网型微网系统r个线路的统一小信号状态方程模型可以改写成：

其中

△uis_linedq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

(3)s个负载模型

基于上面建立的单一负载状态方程模型，建立s个负载的统一小信号状态方程模型，定义新的状态变量，对于负载j有

那么微网系统s个负载的统一小信号状态方程模型为：

其中

△iloaddq＝[△i1loaddq△i2loaddq…△isloaddq]^t

△vbusdq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq]^t

(a)并网时

并网型微网对于负载模型而言，由于其在公共坐标系中，能够得到ω＝ωcom，因此，并网型微网系统s个负载模型的统一小信号状态方程模型改写成：

其中

△uloaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom]^t；

(b)孤岛时

孤岛型微网对于负载模型而言，把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1，因此，孤岛型微网系统s个负载模型的统一小信号状态方程模型改写成

△uis_loaddq＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t。

步骤五：建立微网系统多态运行系统模型，包括并网时微网系统的动态方程和孤岛运行时微网系统的动态方程；

(a)并网型微网：

xsys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

usys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ωcom△vbusdq]^t。

(b)孤岛型微网：

xis_sys＝[△xinv△ilinedq△iloaddq]^t

uis_sys＝[△v1busdq△v2busdq…△vsbusdq△ω1]^t

步骤六：基于切换控制理论将之前建立的微网多态运行系统模型转化为切换控制系统模型；

微网的运行模式有两种：并网运行和孤岛运行。每种运行模式都有自身的动态特性。这两种运行模式可以相互转换。当从并网转成孤岛时，微网检测到pcc处电压/频率发生变化或微电网有流向配电网的短路电流时，并网点测控保护装置发出动作信号给并网点断路器，并网点短路器跳开，微网转为孤岛运行。这种模式的切换是事先未知的，因而称作并网转孤岛的任意切换。当孤岛转并网时，孤岛运行期间，微网控制器时刻检测公共连接点的电压、频率参数，一旦pcc处的运行参数恢复正常，则向微网能量管理主站发送可并网信号，微网能量管理主站再向配电网调度中心发送并网申请，当配电网调度中心回复并网时，微网控制器在准同期装置检测到同期条件满足后发出合闸信号给pcc处的并网开关，实现微电网向配电网的并网，这种恢复并网的切换也是事先未知的，因此称作孤岛转并网的任意切换。

考虑如下的连续时间线性切换系统：

其中，是系统状态，σ(t):[0,∞)→p＝{1,2,…,m}表示切换信号。

系统初始时刻记为t0，设系统在初始时刻驻留在子系统上。令t1,t2,…,tk表示系统在间隔[t0,t)的切换点，且t0<t1<t2<…tk<t，则在切换信号σ(t)的作用下，系统按一些切换序列切换：

∑:{(i0,t0),(i1,t1),…,(ik,tk),…|ij∈p,j＝0,…,k}(26)

当t＝tj时，第ij个子系统激活，从而在时间间隔[tj,tj+1)内，系统驻留在子系统上。

对于之前建立的微网系统模型而言，两种运行状态分别对应两个子系统。

对于并网型子系统，可以认为配电网公共母线的电压和频率的波动忽略不计，则△ωcom＝0，△vbusdq＝0，并且为了进行状态反馈切换控制器的设计，将各逆变器母线节点和地之间引入足够大的虚拟阻抗，那么各母线的节点电压可以表示成：

那么对于并网型微网的整体模型，可以将系统输入用向量的形式表示为

usys＝△vbusdq＝rn△xinv+γload△iloaddq+γline△ilinedq(28)

为了设计状态反馈切换控制器，上式可以进一步写出：

usys＝ksysxsys(29)

那么并联型微网子系统的状态方程可以写成：

对于孤岛型子系统，把第一个逆变型微源的坐标系当做公共坐标系，则ωcom是逆变型微源1的角频率，即ωcom＝ω1，那么可以认为逆变型微源1的频率波动忽略不计，则△ω1＝0，同理，为了进行状态反馈切换控制器的设计，将各逆变器母线节点和地之间引入足够大的虚拟阻抗，那么各母线的节点电压可以表示成：

那么对于孤岛型微网的整体模型，可以将系统输入用向量的形式表示为

uis_sys＝△vbusdq＝rm△xis_inv+γis_load△iis_loaddq+γis_line△iis_linedq(32)

为了设计状态反馈切换控制器，上式可以进一步写出：

uis_sys＝kis_sysxis_sys(33)

那么孤岛型微网子系统的状态方程可以写成：

更进一步由于并网型微网子系统和孤岛型微网子系统的状态向量相同，即

xsys＝xis_sys(35)

定义σ(i)是系统的切换信号，ai是各个子系统的系统矩阵，则具有两个切换状态的采样后的离散微网系统可以写成

其中

z(k),是离散后的状态向量和系统矩阵。

步骤七：基于lyapunov稳定性理论，选取合适的lyapunov函数，给出便于求解的闭环微网切换控制系统模型的模态依赖的镇定控制器存在的充分条件。

下面选取合适的lyapunov函数，由于要设计模态依赖的控制器，即微网并网时有并网控制器，孤岛运行时有孤岛控制器，因此我们采用多lyapunov函数法，即每个子系统都有自己的lyapunov函数，分别为子系统1和子系统2，对于子系统i而言，即当σ(i)∈i＝{1,2}时，选取lyapunov函数v(k)＝z^t(k)piz(k)，pi,i∈i＝{1,2}是正定对称矩阵，则沿系统(36)轨迹的一阶前向差分为：

基于lyapunov稳定性理论，如果v(k)>0成立，则闭环多态微网系统切换控制模型(36)全局渐进稳定。因此我们可以得到下面的定理。

定理1若存在2个正定对称矩阵pi,i∈i＝{1,2}，满足

则系统(36)渐进稳定。

1.设计便于求解的闭环多态微网系统切换控制模型(36)的模态依赖镇定控制器，实现微网多模态切换的镇定控制。

将闭环多态微网系统切换控制模型(36)写成

那么可以用下面的定理给出闭环多态微网系统切换控制模型(36)的状态反馈模态依赖镇定控制器增益求解的线性矩阵不等式，具体如下：

定理2若存在正定对称矩阵g1,g2及矩阵r1，r2，满足

则系统渐进稳定，并且状态反馈控制器的增益为：

本发明针对微网运行模式切换基于定理2证明本发明所设计的切换控制器的有效性，我们在matlab/simulink中搭建微网系统，验证当微网运行模态发生改变时采用所设计的模态依赖的控制器保证微网系统切换发生时的稳定性。

本发明的优点

(1)本发明结合电力电子、通信及控制三个技术领域，基于网络控制系统理论分析网络化微网的层次结构及微网内部能量的多路径潮流算法，重新定义网络节点在电力系统中的含义；研究网络控制系统应用到微网的理论基础以及微网运行要求如何转化为控制系统的稳定性问题。

(2)本发明针对微网内部特性复杂和微网外部输出所需的一致性要求，采用分解分层的方法按照微网内部能量的多路径潮流将微网系统整体分解为子系统的动态模型，分析各微电源自身输出特性和负荷的频率特性和电压特性对网络化微网系统状态方程的输入、输出进行定义；分析分布式电源网络控制器的作用机理，研究网络化多模态分布式电源反馈控制结构和体系。

(3)针对逆变型分布式电源微电网系统的动态特性进行系统的分析，基于小信号稳定性方法对微网系统的各个子系统建立了状态空间模型,其中包括逆变器控制系统子模型、lcl滤波电路子模型、负载小信号动态子模型和传输线路小信号动态子模型，从认识微网复杂动态行为和微网中多种元件相互作用机理的过程中研究多模态微网网络化控制系统的建模问题

(4)将切换系统理论应用到微网运行控制系统中，建立微网多种运行状态下(并网、孤岛及状态切换下)的切换系统状态空间模型，基于切换系统理论研究微网多态运行的稳定性条件及保证系统稳定的切换控制律，设计了微网运行模态依赖的模态切换控制器，在微网系统运行模态发生切换时很好的保证了系统的稳定性。

实施例一

下面针对不同的网络情况下对实施例采用本技术方案进行实施和操作过程的具体说明，并验证本发明的优越性。在matlab/simulink中搭建如图8的微网系统，其包括三个逆变型微源，三个负载和两条线路以及和公共母线并网的接口。表1是系统参数。

表1系统参数

为了得到系统相应时滞状态下的反馈增益，使用matlablmi控制工具箱解决定理2中的lmi可行性问题，求得的并网状态下和孤岛状态下的反馈控制增益如下：

并网时增益：k1,k2,k3＝[0.5303-0.27780.0298]

孤岛时增益：k1,k2,k3＝[0.3635-0.5653-0.0361]

我们用下面两种情况实施验证本发明所设计得反馈控制器的有效性。

情况1：

系统在t＝0s时并网运行，在t＝3s时微网孤岛运行，在t＝6s时微网又并网运行，仿真结果如图9和10所示。

情况2：

系统在t＝0s时离网运行，在t＝2s时微网并网运行，在t＝7s时微网又离网运行，仿真结果如图11和12所示。

由结果可知，在微网运行状态变化的过程中，虽然开关动作过程会产生系统电压和频率的一些波动，但是由于所设计的切换控制器的作用，系统在开关动作过后很快就能够在参考电压和参考频率点附近保持稳定运行。

从以上两种切换情况的验证结果可以看出，本发明所设计的模态依赖的状态反馈控制器在微网系统运行模态发生切换时很好的保证了系统的稳定性，从而说明了本发明的有效性。