自适应下垂和一致性相结合的孤岛微电网的分层控制方法与流程

本发明属于智能电网控制领域，涉及一种自适应下垂和一致性相结合的孤岛微电网的分层控制方法，具体指含有多个智能体的交流微电网分布式分层协调控制方法。

背景技术：

近年来，随着世界经济快速发展和人们生活水平的提高，全球对能源的需求水平急剧上升。分布式电源(distributedenergyresource，简称der)的提出很好地解决了相关难题，也势必将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑。尽管分布式电源具有灵活性高、投资低和环境友好等一系列优点，但由于受自然环境条件的制约，der也存在一些缺点。为了把der整合到主电网中去，同时削弱其对电网的负面影响，微电网概念随之衍生出来。对于微电网系统来说，电压和角频率是两个重要的电能质量指标。微电网在实际运行中，必须采用可靠的控制方法来维持系统的电压和角频率稳定在额定值附近，因此二次控制被广泛应用于微电网系统中。与此同时，功率均分问题也是诸多学者研究的重要方向。

传统的二次控制采用基于中央控制器的集中式控制结构，需要收集每个der的全部信息，然后向每个der发送控制指令。因而导致通信网络复杂，通信量巨大，控制结构复杂且经济成本高。系统中往往含有多个单元个体，所以系统数学模型的维数过大易产生维数灾，降低了系统的稳定性。为了减少系统的通信量和降低系统的经济成本，增加系统的稳定性，近些年来，分布式协调控制方法被广泛应用到微电网的二次控制中。在分布式协调控制中，每个der的控制器仅与邻近的der通信，且不需要中央控制器，减少了系统的通信量，提高了系统的控制效率，提高了系统的鲁棒性。

技术实现要素：

为了实现微电网电压和角频率的稳定，本发明提出一种自适应下垂控制和一致性在孤岛微电网的分层控制方法。本发明方法基于微电网的分布式分层控制技术平台，主要实现电压，角频率和无功功率的调节。

为了实现上述目标，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自适应下垂控制和一致性在孤岛微电网的分层控制方法，该方法内容包括如下步骤：

(1)构建分层控制方案；

(2)构建本地层及改进本地层的控制方法；以改进下垂控制作为电压和角频率的一次控制；

(3)构建网络层及设计带有领航者并考虑数据通信过程中自适应丢包问题的一致性算法来完成对电压和角频率的二次控制；

(4)设计无功功率分配的控制方法；在微电网中，由于各线路阻抗的不同，使得各der输出的无功功率，不能按照各自的额定容量比进行合理的分配；则通过一致性算法来控制各der的输出电流比，以此来合理的分配无功功率；

(5)设置合理的实验场景验证所述分层控制方法的有效性。

由于采用上述技术方案，本发明提供的分层控制方法与现有技术相比，其有益效果具体体现在以下几个方面：

(1)每个der在进行信息交流时只与与其相连的der进行信息交换，而不需与其他所有的der进行通信，这样的通信方式与传统集中式通信有本质的区别；在微电网中所有的der都可以看成是对等节点，从而避免了传统方式下当中心节点出现故障将严重影响系统的稳定性的情况，从而提高了系统的可靠性，使系统的抗干扰能力显著提高；

(2)在本地层控制中采用结合离散时间一致性的自适应下垂控制方法，使得系统的抗扰性能得到大幅提高；因此，在一致性协议中考虑了信息交换过程中的丢包问题，且对丢包问题进行了补偿，使得各der在信息交流过程中即使存在信息丢失问题，各der的状态仍然能跟随虚拟领航者的状态；

(3)将带有虚拟领航者的自适应丢包一致性理论引进微电网中；在网络层中，每个der将本地信息和其相邻der信息通过该一致性协议使所有der的状态都跟随虚拟领航者的状态，且虚拟领航者状态保持不变，再通过添加反馈的方式来实现全网的电压和角频率的稳定；

(4)对网络层的结构进行改进；通过对网络层的改进，使二次控制输出的一部分与本地层的输出相抵消，从而使der的输出状态跟随虚拟领航者的状态；

(5)通过调节der的输出电流对无功功率进行分配；当各der均通过逆变器与大电网连接且运行于孤岛模式时，各个逆变器相当于并联；当系统稳定时，各der的输出电压是一致的，此时，通过对电流使用一致性算法，使各der输出电流成一定的比例，从而实现无功功率能够按照各der额定容量比进行合理的分配。

附图说明

图1为微电网分层控制结构框图；

图2为第i台der的分层控制结构图；

图3为本地控制层简化结构图；

图4为改进p-ω下垂控制的分析说明图；

图5为改进q-u下垂控制的分析说明图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明的一种自适应下垂控制和一致性在孤岛微电网的分层控制方法，该方法内容包括如下步骤：

⑴基于带有虚拟领航者并考虑信息丢包问题的一致性理论，构建分层控制方案；

本发明基于带有虚拟领航者并考虑信息丢包问题的一致性理论，提出了一种新的分布式分层协调控制方法。对于每个der可以分本地层和网络层进行控制；在本地层中，每个der可以利用本地的信息再结合下垂控制方法来输出电压和角频率信息；由于本地层控制只需要自身的相关信息而不需要其它der的信息，控制方法简单快捷，但下垂控制为有差调节，故需要网络层和本地层共同来消除系统误差；在网络层中，每一个der都可视为一个智能体，都具有通信和计算两个功能；即每一个der不仅能利用本地信息还能与相连的der交换信息从而得到其他der的信息；der利用这些信息通过相应的控制方法来产生一个信号，使其反馈给本地层，从而实现本地层和网络层协同合作。下面结合图1进行说明。

图1所示为微电网分层控制结构框图，der将本地信息及与其相连的其它der的信息经过网络层的处理，然后，将处理后的信息反馈给本地层，实现了本地层和网络层协同合作来维持系统电压和角频率的稳定。在微电网中，每一个der都连接一个一级控制智能体和二级控制智能体。图2为第i台der的分层控制结构图。如图2所示，第i台der利用本地信息和相邻der的状态信息经过带有虚拟领航者的一致性协议，将协议计算出的值输入到二次控制，经过二次控制方法的处理后，将二次控制的输出值反馈到一次控制(本地层)。这样将本地层下垂控制方法的电压和角频率的输出与二次控制的电压和角频率输出经过电压合成模块将电压之和与角频率之和合成为一个电压信号作为电压电流双闭环模块的参考值，使电压电流双闭环模块产生的pwm波形控制与第i台der相连的逆变器，从而该der输出的电压和角频率的值能够跟随参考值(虚拟领航者的状态值)。本发明提出的控制方法属于分布式分层协调式控制方法，该控制方法可以实现全网的电压和角频率跟随虚拟领航者，维持系统电压和角频率的稳定并且提高系统的抗扰能力。

(2)构建本地层及本地层的改进控制方法，以改进下垂控制作为电压和角频率的一次控制；

1.构建本地层

本地层主要包括能量计算模块、下垂控制模块、电压合成模块和电压电流双闭环模块；其中，能量计算模块为利用der输出的电压和电流计算输出的有功功率和无功功率；下垂控制模块将计算出的有功功率和无功功率通过下垂算法分别得到下垂输出的角频率和电压；电压合成模块将下垂控制和二次控制输出的电压和角频率合成为一个电压相量，并将其输出给电压电流双闭环模块使其作为电压电流双闭环模块的参考信号；在电压电流双闭环模块中，以电压环作为外环，以电流环作为内环；电压环将合成的电压相量作为参考信号，将电压环输出的信号作为电流环的参考信号；电压电流双闭环模块的输入信号分别为der输出的电压和电流；通过电压电流双闭环模块产生pwm波形信号来控制与der相连的逆变器，使der的电压和角频率输出跟随参考信号；在本地层中，每个der都有自己独立的控制单元，即der仅利用本地信息来进行本地计算，而不会与其它der交流信息。各环节表达式如图2所示。

2.改进本地层的控制方法

在本发明方法中，本地层使用的控制方法为p-ω/q-u下垂控制算法，该方法使逆变器的输出模拟高压电力系统中同步发电机的角频率和端电压与所输出的有功功率和无功功率之间的下垂特性；因为下垂控制适用于高压电网，但现今大多微电网为低压网，所以需要添加虚拟阻抗来实现微电网线路的阻感比降低，具体设计方法见已公开的中国专利cn106877398a。但其为有差调节，故采用一种结合一致性的自适应下垂控制方法来代替传统的p-ω/q-u下垂控制。

分析及设计过程如下：

下垂控制表达式如下：

考虑到当负载发生较大变化时，可表示成为如图4所示情况。对图4的解释说明如下：稳定运行时，微电网系统工作在正常工作点a点，下垂曲线为l1，当在系统中添加负载时，系统将由正常工作点a点沿下垂方向移动到负载变动之后工作点b点，即角频率也将从正常工作点a点的ωa移动到负载变动之后工作点b点的ωb.此时，若角频率下降过大，将对系统造成严重的后果。将角频率恢复至ωa的方法一般有两种：1.将l1平移至l2；2.将l1移动到l3。但第一种方法将会使ωref变换至ω′ref，对后续控制环节不利。所以，本发明方法采用第二种方法来设计改进下垂控制。

将l1移动到l3，实际上就是下垂系数的变化。有如下公式成立：

其中，ωa,ωb分别为a点和b点的角频率；m1,m3分别为l1和l3的下垂系数；pb为b点有功功率。

由(2)式可知，当δm→0时，即下垂控制由l1移动到l3。根据上述分析，利用离散一致性协议可得下式：

p-ω下垂控制的自适应系数为：

mi[k+1]＝(ωref-ωib[k+1])/pb,k＝0,1,2...(4)

同理，对于q-u下垂，如图5所示，也可以采用相同的形式，实现下垂系数自适应的变化，有如下公式成立：

其中，ua,ub分别为a点和b点的电压；n1,n3分别为l1和l3的下垂系数；qb为b点无功功率。

由(5)式可知，当δn→0时，即下垂控制由l1移动到l3。根据上述分析，利用离散一致性协议可得下式：

q-u下垂控制的自适应系数为：

ni[k+1]＝(uref-uib[k+1])/qb,k＝0,1,2...(7)

上述式(3)和式(6)中的增益是与丢包率相关的，当选取适宜的增益后，各der对应的将要旋转的下垂系数的偏差将最终趋于0，即最终将完成下垂曲线的旋转，从而实现了改进下垂控制；利用此方法虽可改进下垂控制，且改进下垂控制可以作为电压和角频率的一次控制，但其仍为有差调节，需要添加二次控制。

(3)构建网络层及设计带有领航者并考虑数据通信过程中自适应丢包问题的一致性算法来完成对电压和角频率的二次控制；

1.构建网络层

在网络层中，每一个der都相当于一个智能体，且由通信器和决策器两部分组成；通信器包括信号接收器和信号发送器；决策器包括传感器和决策控制器；物理层中的电源、储能设备、负荷及其他设备的信息经过传感器传送至信号接收器；信号接收器不仅能接收自己的信息也能接收与其相连der的信息；此时，信号接收器将自己的信息与其它der的信息发送给信号发送器；信号发送器一方面将自己的信息向外发送给邻居der，另一方面将接收器汇总的全部信息发送给决策控制器，由决策控制器产生的控制信号来控制相应的物理设备。

2.设计网络层的控制方法

在网络层中，每一个der都看成一个智能体，且具有通信和计算两个功能，没有中心节点；同时，每个der不仅可以收集本地的相关信息，还可以通过与邻居der交换信息，得到其它der的信息；这样der仅通过有限的信息，通过一致性算法处理后的数据反馈给本地层，从而实现了本地层和网络层的协同合作；因为考虑到实际工业环境中，无法选定合适的领航者，因此，在本发明方法中选定虚拟领航者(virtualleader)的方法来实现一致性效果；其中，只要virtualleader为全局可达点，即指信息可以传输至任意der，则可以实现各der的电压、角频率状态与virtualleader的相应状态量一致；全局可达点通过设计合理的aij和bi来实现。

依据图论：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。如果将具有n个节点集合n＝{1,2…,n}的有向图邻接矩阵a＝aij∈rn×n定义为如果(xi,yj)∈ε，若第i个节点有信息传递至第j个节点，则aij＝1，否则aij＝0。

连续时间一致性理论：单个智能体的信息状态可以用下式表示：

其中，xi∈rⁿ表示第i个智能体的信息状态，ui∈rⁿ代表控制输入。在多智能体网络拓扑中，多智能体系统的信息状态能够达到一致，是由于n个单积分智能体的信息状态可以用n阶线性系统表示。因而可以得到一般的一致性协议：

若考虑有领航者的一致性协议，则有一致性协议如下：

其中，xl(t)是领航者的状态量，ki是增益，bi是第i个智能体与领航者之间的连接权值，若有联系，则bi＞0，否则bi＝0。通过公式(10)可以使得最终第i个智能体的状态量与领航者状态量达到一致。

由于各智能体之间进行信息传输时，难免会遇到信息丢失问题，且可能丢包率为随机的，故在本发明方法中，设计一种与丢包率相关的自适应新型一致性协议为：

即有下式成立：

对上式作laplace变换，有：

化简后，有：

当系统中有两台der追随一个领航者时，假设系统方程为一阶方程，即设两台der的状态分别为x1和x2。虚拟领航者的状态为xl且为常数。则追随者与领航者的误差分别为：

对于上式，再结合(14)可做如下变形：

其中，c1＝∫x1(t)dt|t＝0,c2＝∫x2(t)dt|t＝0，二者均为常数。

故增益k1(θ1,θ2,θl1)和k2(θ1,θ2,θl2)只要满足即可实现一致。

离散时间一致性理论：带有虚拟领航者的离散时间一致性协议可以用下式表示：

其中xi[k]代表系统状态，k是离散时间序列。

当系统中有两台der追随一个领航者时，设两台der的状态分别为x1和x2。虚拟领航者的状态为xl且为常数,则追随者与领航者的误差为式(15)。

再结合(15)可做如下变形：

对式(15)取z变换可得：

故增益k1(θ1,θ2,θl1)和k2(θ1,θ2,θl2)只要满足即可实现一致。

综上，随着丢包率的变化，一致性协议中的增益也是不断变化的，即最终总能按本发明提供的方法找到合适的增益值来克服随机丢包问题。

(1)电压控制器的设计过程如下：

在本地层，第i台der的一次控制方法为下垂控制，其数学表达式为：

其中，ωref和uref分别为角频率和电压参考值；mi和ni为下垂系数，且为常数；pi和qi为der输出的有功功率和无功功率。

由于der输出电压的幅值在dq坐标系中表示为：

所以，一次控制的电压控制方法也可以写为：

如上所述，微电网二次电压协同控制器的作用就是考虑控制输入有界的情况下使各分布式电源的电压同步到给定参考值。对式(22)取微分并取辅助变量uvi：

这个过程是输入—输出反馈线性化。这样就可以将由多个der组成的微电网的电压同步问题转换为一阶线性多智能体网络的同步跟踪问题。

利用图论知识，结合带有虚拟领航者并考虑丢包问题的一致性方法，设计电压一致性协议如下：

其中，ni＝{1,2…,n}；ui，uj和分别为微电网系统中第i，j个der的电压幅值；ul为虚拟领航者的电压，且ul＝uref。

由图2可知，电压二次控制输出值为：

(2)角频率控制器的设计过程如下：

与电压二次控制的设计思路类似,对公式(20)中的角频率进行求导并取辅助变量uωi，得到如下公式：

带有虚拟领导者并考虑丢包问题的一致性方法，则角频率一致性协议如下：

其中，ωi，ωj分别为微电网系统中第i,j个der的输出角频率值；ωl为虚拟领航者的角频率，且ωl＝ωref。

由图2可知，角频率二次控制输出值为：

由图2可知，一次控制的输出和二次控制的输出共同决定der电压和角频率的输出，故：

且有：

由式(30)可得出：

故通过设计的一致性协议就可以实现式(26)的要求，即可完成对各der电压和角频率的二次控制。

(4)设计无功功率分配的控制方法

在微电网中，由于各线路阻抗的不同，使得各der输出的无功功率不能按照各自的额定容量比进行合理的分配；本发明方法通过一致性算法来控制各der的输出电流比，以此来合理的分配无功功率。

因为有并且在稳态运行过程中，通过一致性控制，每一个电压均与其他电压相等。又因为一旦线路被确定后，线路的阻抗也被确定，即(表示功率因数角)也被确定。因此，对于无功功率按容量比例分配可以通过合理的分配电流来实现。

以两个分布式电源并联的情况为例，这时用来按容量比例进行分配的公式预期如下：

式中，q1和q2分别为两台分布式电源输出的无功功率，和分别是两台分布式电源的额定无功功率。

且有：

式中，i1和i2分别是两台分布式电源的电流,u1和u2分别为两台分布式电源的电压,和分别为两台分布式电源对应的功率因数角。

经过初等变换有：

根据上述公式，无功功率分配的控制方法如下：

第一步：当系统是稳定的，由前述分层控制中的电压控制，包括一次控制和二次控制，来实现电压值相等，并联要求电压相等，且环流被有效抑制，并且线路确定，也是确定的；

第二步：设计电流一致性协议，先实现各分布式电源的电流值达到一致；

第三步：将每个分布式电源的电流按照公式(34)，乘上相应的比例系数，实现对无功功率的分配。

结合实际，考虑随机丢包问题，电流控制器可设计如下：

其中，kii(θi,θj)为增益；aij为邻接矩阵的元素；i0i和i0j为der经过逆变器和lc滤波器的输出电流值。

通过一致性协议使电流达到一致，然后根据需要乘上相应的系数，使各der的输出电流成一定的比例，以此可以实现无功功率的分配。

(5)设置合理的实验场景验证所述分层控制方法的有效性。

本发明设置两种实验方法来验证所述分层控制方法的有效性。第一种情况为正常情况下，该方法能使系统的电压和角频率维持在规定值上；第二种为在某个时间点上加一个较大的扰动负荷。这两种情况下都假设信息交换过程中存在信息丢失问题且丢包率相同。实验证明该控制方法能保持系统电压和角频率的稳定，提高了系统的抗扰性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明较佳实施方案而已，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。