基于Markov链的MMC串联结构微电网微源功率分配方法

本发明属于微电网控制领域，特别是涉及mmc串联结构微电网(modularmultilevelconvertermicrogrid,mmc-mg)并网运行时相内微源输出功率控制技术。

背景技术：

近年来，新能源发电产业发展迅速。但是，可再生能源技术存在着诸多问题，比如风能、太阳能易受到风速、光照强度变化等因素的影响，具有波动性、间歇性和不可预测性等特点。

由于风力、光伏等分布式发电输出功率的随机性，在其大规模并网时给电力系统的安全稳定运行带来了一定的挑战。为此，增设储能装置是一种解决光伏电站、风力发电并网相关问题的有效手段，能够平抑随机性微源输出功率的波动。为更进一步地减小分布式电源并网带来的负面影响，提高能量传输效率，微电网结构应运而生。微电网是集分布式电源、储能装置、能量转换、监控和保护、负荷于一体的小型发、配电系统，具有可再生清洁能源渗透率高、运行方式灵活等特点。

并网技术已成为能源短缺、环境污染以及分布式单元集中并网等问题的重要手段。为更大限度地利用风力、光伏等可再生能源，微电网的结构模式发生了较大的变化。模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,mmc)是一种适合多种分布式发电接入的拓扑结构，在实际工程中有着广泛的应用。基于mmc的模块化拓扑结构，专利《一种微源半桥变流器串联型微电网系统》中提出了一种基于mmc串联结构微电网系统(modularmultilevelconvertermicrogrid,mmc-mg)，如图1所示。该系统是一种具有输出电能质量高、发电子模块(powergenerationsub-modular,gm)控制灵活、gm易扩展、接入微源数多、冗余性能好等优势的新型微电网结构。

在mmc-mg系统结构中，将由风力微源、ac/dc整流电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元或者由光伏微源、dc/dc直流变换电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元统称为发电子模块，简称gm。接入发电子模块中的分布式电源大多采用风力、光伏这种交直流互补型的清洁能源。为提高微源的利用率，通常需要光伏和风力等微源工作于最大功率状态。采用传统的载波移相调制、载波变幅移相调制均不能保证输出功率最大的微源一直保持投入状态。而载波层叠调制可以使微源在一段时间内处于投入或切除状态，但同样不能保证投入运行的微源均工作于最大功率状态。文献《基于控制自由度组合的级联h桥逆变器pd功率均衡控制方法》中通过调制波和载波控制自由度对传统的载波层叠调制策略进行了改进，以实现h桥级联单元输出功率的大致均衡。然而，该方法并不适用于接有多个随机性微源的mmc串联结构微电网系统。因此，在mmc-mg并网运行模式下，如何实现相内微源输出功率的合理分配及系统功率的平衡控制是需要解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于markov链的mmc串联结构微电网微源功率分配方法。

本发明是基于markov链的mmc串联结构微电网微源功率分配方法，其步骤为：

步骤(1)系统正常运行时，检测到电网侧所需功率为pe，系统负载总功率为pl，系统期望输出功率为pref；根据能量平衡关系有：pref＝3pxref＝pe+pl(x＝a,b,c)；其中pxref表示x相期望输出功率；

步骤(2)将一个工频周期t划分为m个控制区间，并将这m个控制区间的平均功率叠加起来，得到第i个发电子模块在一个工频周期t内的平均传输功率pxy_avi

其中，1≤i≤n；1≤j≤m；t表示工频周期；ts表示控制周期；n表示每个桥臂中发电子模块的个数；m表示控制区间的个数；m＝t/ts；pxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块的瞬时功率；dxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块中微源半桥变流器功率开关管的占空比；uxyci表示x相y桥臂第i个发电子模块直流链电压；ixy表示桥臂电流；

在m足够大时，每个控制周期内ixy保持不变，则第i个发电子模块在第j个控制周期内的平均功率为

其中，dxyi-av(j)表示x相y桥臂第i个发电子模块在第j个控制周期内微源半桥变流器功率开关管的平均占空比；

步骤(3)通过各微源最大输出功率值与各微源输出功率增长率的预测情况得到微源功率分配系数λxyi(x＝a,b,c；y＝p,n)

其中，αxyi表示微源功率分配修正系数；pmxyi表示各微源运行于最大功率点时的输出功率值；微源功率分配系数λxyi与微源功率分配修正系数αxyi的限定条件为：

步骤(4)建立基于markov链的微源输出功率增长率状态预测模型；计算微源输出功率增长率

其中，s表示微源输出功率增长率；m^*代表一段时间内微源输出功率采样值总个数；p(m)表示第m时刻微源输出功率值；p(m+1)表示第m+1时刻微源输出功率值；

将公式五所得微源输出功率增长率s划分为5个状态：快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3、缓慢下降e4、快速下降e5；则状态空间e＝{e1,e2,e3,e4,e5,}；

根据微源输出功率的历史数据和所划分增长率状态得到5阶状态转移矩阵p＝[pe_ij]5×5；其中，pe_ij表示目前状态ei在未来转向ej的可能性，用公式六表示

式中：fe_ij表示从状态ei到状态ej转移的频次；∑fe_i表示状态ei出现的频次总和；已知状态转移概率pe_ij和初始状态ei，则可建立markov链预测模型；任一个状态ei有状态转移方程

pe_j＝pe_ip(公式七)

微源输出功率增长率处于状态ei(i＝1,2,3,4,5)，此时pe_ij描述了目前状态ei在未来转向ej的可能性；根据最大概率原则，选择pi1、pi2、pi3、pi4、pi5中概率最大者对应的状态为预测结果；

所述步骤(3)中微源功率分配修正系数αxyi与微源输出功率增长率预测状态ei成正比ei∝αxyi；预测到微源输出功率增长率状态处于快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3状态时，将相应的αxyi设置较大；预测到微源输出功率增长率状态处于缓慢下降e4、快速下降e5时，将相应的αxyi设置较小；

步骤(5)根据步骤(1)所得期望输出功率与所述步骤(3)、步骤(4)所得功率分配系数确定x相发电子模块输出功率参考值：

其中，λxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块的微源功率分配系数；表示x相y桥臂第i个发电子模块输出功率参考值；

步骤(6)：对所述步骤(5)中发电子模块输出功率参考值进行排序，并根据的排序情况循环改变载波层叠调制中载波位置xy-cm与发电子模块位置xy-gm之间的映射关系，循环次数不超过m；使较大的发电子模块投入时间较长，使较小的发电子模块投入时间较短；其中，xy-cm代表x相y桥臂载波的位置；xy-gm代表x相y桥臂发电子模块的位置；

步骤(7)将所述步骤(5)中发电子模块输出功率参考值与所述步骤(2)中第j个控制周期内平均传输功率作差，得到微源输出功率分配控制的误差

由公式九可以看出，在第j个控制周期内，pxref、m、uxyci、ixy保持不变，平均占空比dxyi_av(j)只与δpxyi、λxyi相关；而功率分配系数λxyi是通过微源输出的最大功率值与其输出功率增长率的预测状态来确定，故在某控制周期内功率分配系数λxyi可认为是定值；通过δpxyi间接的调整平均占空比dxyi_av(j)；将发电子模块传输功率的误差限制在期望的合理范围内。

本发明的有益之处在于：

(1)mmc串联结构微电网在并网运行模式下，为最大限度地利用可再生能源，通常光伏、风力等清洁能源工作于最大功率状态，并将其最大功率值作为主要因素确定微源输出功率分配系数，以提高微源的利用率；

(2)风力、光伏等随机性微源输出功率的随机性较强，仅根据当前时刻的最大功率状态不能准确得到微源功率分配系数。因此，本发明采用markov链对各微源输出功率增长率进行预测，并根据增长率状态的预测情况对微源功率分配系数进行修正，以提高微源功率分配的准确性，避免不必要的开关动作；

(3)在功率分配控制过程中，根据微源功率分配系数与系统输出功率的期望值得到各发电子模块输出功率参考值；并根据功率参考值的排序情况改变载波层叠调制中载波xy-cm与发电xy-gm之间的位置映射关系；在此基础上，调整平均占空比将输出功率的误差限制在期望的合理范围之内；以实现“能者多投”的目的，达到独立控制发电子模块的输出功率。

(4)在mmc串联结构微电网并网运行模式下，该方法实现了各微源输出功率的协调分配控制，且不会引起相间环流的变化，确保系统输出电流的平衡，保证系统稳定运行。

附图说明

图1是基于mmc串联结构微电网并网拓扑结构图；图2是基于mmc串联结构微电网系统各桥臂(pa/na/pb/nb/pc/nc)拓扑结构图；图3是微源功率分配方法流程图；图4是改进的载波层叠调制中载波与发电子模块的位置映射图；图5是功率分配控制方法框图；图6是a相上桥臂输出电压波形；图7是系统输出线电压波形；图8是系统输出电流波形。

具体实施方式

本发明是基于markov链的mmc串联结构微电网微源功率分配方法，其步骤为：

步骤(1)系统正常运行时，检测到电网侧所需功率为pe，系统负载总功率为pl，系统期望输出功率为pref；根据能量平衡关系有：pref＝3pxref＝pe+pl(x＝a,b,c)；其中pxref表示x相期望输出功率；

步骤(2)将一个工频周期t划分为m个控制区间，并将这m个控制区间的平均功率叠加起来，得到第i个发电子模块在一个工频周期t内的平均传输功率pxy_avi

其中，1≤i≤n；1≤j≤m；t表示工频周期；ts表示控制周期；n表示每个桥臂中发电子模块的个数；m表示控制区间的个数；m＝t/ts；pxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块的瞬时功率；dxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块中微源半桥变流器功率开关管的占空比；uxyci表示x相y桥臂第i个发电子模块直流链电压；ixy表示桥臂电流；

在m足够大时，每个控制周期内ixy保持不变，则第i个发电子模块在第j个控制周期内的平均功率为

其中，dxyi-av(j)表示x相y桥臂第i个发电子模块在第j个控制周期内微源半桥变流器功率开关管的平均占空比；

步骤(3)通过各微源最大输出功率值与各微源输出功率增长率的预测情况得到微源功率分配系数λxyi(x＝a,b,c；y＝p,n)

其中，αxyi表示微源功率分配修正系数；pmxyi表示各微源运行于最大功率点时的输出功率值；微源功率分配系数λxyi与微源功率分配修正系数αxyi的限定条件为：

步骤(4)建立基于markov链的微源输出功率增长率状态预测模型；计算微源输出功率增长率

其中，s表示微源输出功率增长率；m^*代表一段时间内微源输出功率采样值总个数；p(m)表示第m时刻微源输出功率值；p(m+1)表示第m+1时刻微源输出功率值；

将公式五所得微源输出功率增长率s划分为5个状态：快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3、缓慢下降e4、快速下降e5；则状态空间e＝{e1,e2,e3,e4,e5,}；

如表1所示；

根据微源输出功率的历史数据和所划分增长率状态得到5阶状态转移矩阵p＝[pe_ij]5×5；其中，pe_ij表示目前状态ei在未来转向ej的可能性，用公式六表示

式中：fe_ij表示从状态ei到状态ej转移的频次；∑fe_i表示状态ei出现的频次总和；已知状态转移概率pe_ij和初始状态ei，则可建立markov链预测模型；任一个状态ei有状态转移方程

pe_j＝pe_ip(公式七)

微源输出功率增长率处于状态ei(i＝1,2,3,4,5)，此时pe_ij描述了目前状态ei在未来转向ej的可能性；根据最大概率原则，选择pi1、pi2、pi3、pi4、pi5中概率最大者对应的状态为预测结果；

所述步骤(3)中微源功率分配修正系数αxyi与微源输出功率增长率预测状态ei成正比ei∝αxyi；预测到微源输出功率增长率状态处于快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3状态时，将相应的αxyi设置较大；预测到微源输出功率增长率状态处于缓慢下降e4、快速下降e5时，将相应的αxyi设置较小；

步骤(5)根据步骤(1)所得期望输出功率与所述步骤(3)、步骤(4)所得功率分配系数确定x相发电子模块输出功率参考值：

其中，λxyi表示x相y桥臂第i个发电子模块的微源功率分配系数；表示x相y桥臂第i个发电子模块输出功率参考值；

步骤(6)：对所述步骤(5)中发电子模块输出功率参考值进行排序，并根据的排序情况循环改变载波层叠调制中载波位置xy-cm与发电子模块位置xy-gm之间的映射关系，循环次数不超过m；使较大的发电子模块投入时间较长，使较小的发电子模块投入时间较短；其中，xy-cm代表x相y桥臂载波的位置；xy-gm代表x相y桥臂发电子模块的位置；

步骤(7)将所述步骤(5)中发电子模块输出功率参考值与所述步骤(2)中第j个控制周期内平均传输功率作差，得到微源输出功率分配控制的误差

由公式九可以看出，在第j个控制周期内，pxref、m、uxyci、ixy保持不变，平均占空比dxyi_av(j)只与δpxyi、λxyi相关；而功率分配系数λxyi是通过微源输出的最大功率值与其输出功率增长率的预测状态来确定，故在某控制周期内功率分配系数λxyi可认为是定值；通过δpxyi间接的调整平均占空比dxyi_av(j)；将发电子模块传输功率的误差限制在期望的合理范围内。

由于mmc-mg系统结构的特殊性，在微源功率分配控制中，还需考虑随机性微源的波动性、系统输出功率需求等因素。根据微源输出功率参考值对传统载波层叠调制进行改进，以实现“能者多投”的目的。将微源最大功率值作为主要因素确定微源输出功率的分配系数，以提高微源的利用率。采用markov链对各微源输出功率增长率状态进行预测，并根据预测情况对功率分配系数进行修正，以提高微源功率分配的准确性，避免不必要的开关动作；在此基础上，根据发电子模块输出功率参考值与其实际值的误差调整平均占空比，将微源输出功率的误差限制在期望的合理范围之内。该方法可以实现各微源输出功率的协调分配控制，且不会引起相间环流的变化，确保系统输出电流的平衡稳定。

mmc串联结构微电网(modularmultilevelconvertermicrogrid,mmc-mg)并网系统如图1所示。在三个对称的a相子系统1、b相子系统2、c相子系统3中，a相子系统1由上桥臂(pa)4和下桥臂(na)5构成；b相子系统2由上桥臂(pb)6和下桥臂(nb)7构成；c相子系统3由上桥臂(pc)8和下桥臂(nc)9构成。上桥臂和下桥臂均由n个发电子模块组成。基于mmc串联结构微电网(mmc-mg)中每个桥臂(pa/na/pb/nb/pc/nc)均由发电子模块10、11、12、13组成；风力微源14、15经过ac/dc电能变换环节后连接至微源半桥变流器18、19的电容c两端；光伏微源16、17经过dc/dc直流变换环节后连接至微源半桥变流器20、21的电容c两端；储能系统22、23、24、25并联在微源直流链上；各桥臂中微源半桥变流器18、19、20、21的输出端依次串联连接，如图2所示(n＝4)。在相应的调制策略下可以在系统输出端形成多电平的输出电压。经过滤波器后即可获得高质量的电能供负载消耗或传输给电网。储能系统22、23、24、25用于抑制由于天气条件变化引起的微源直流链电压波动；在多变的自然环境条件下：在阴天且光照强度较弱的环境下，光伏出力不足或几乎不出力，此时通过风力微源或由并联在微源直流链上的储能装置出力；在光照较强且风力较弱或无风的环境下，此时通过光伏微源或由并联在微源直流链上的储能装置出力；在光照强度和风力均较弱的环境下，由储能装置出力供负载消耗或传输能量给电网；因此，储能系统可以提高系统的可靠性，为系统的稳定运行提供前提基础。

为了提高微源的利用率，实现系统相内功率的合理分配及发电子模块“能者多投”的目的，本发明提供一种基于markov链的mmc串联结构微电网并网相内微源功率分配方法，本实施例以a相为例说明该功率分配方法，其流程如图3所示，所涉及的具体步骤为：

步骤一：系统正常运行时，检测到电网侧所需功率为pe，系统负载总功率为pl，系统期望输出功率为pref；根据能量平衡关系有：pref＝pe+pl；则paref＝pref/3＝(pe+pl)/3；其中，paref为a相期望的输出功率；

步骤二：将一个工频周期t划分为m个控制区间，并将这m个控制区间的平均功率叠加起来，得到上、下桥臂中各发电子模块在一个工频周期t内的平均传输功率与

其中，1≤i1≤n；1≤i2≤n；1≤j1≤m；1≤j2≤m；t表示工频周期；ts表示控制周期；n表示每个桥臂中发电子模块的个数；m表示控制区间的个数；m＝t/ts；表示a相上桥臂第i1个发电子模块中微源半桥变流器功率开关管的占空比；表示a相下桥臂第i2个发电子模块中微源半桥变流器功率开关管的占空比；表示a相上桥臂第i1个发电子模块中微源直流链电压；表示a相下桥臂第i2个发电子模块中直流链电压；iap表示a相上桥臂的电流；ian表示a相下桥臂的电流；

在m足够大时，可以认为每个控制周期内上桥臂电流iap、下桥臂电流ian均保持不变，则在第j1或j2个控制周期内上桥臂或下桥臂中发电子模块输出的平均功率分别为

其中，表示a相上桥臂第i1个发电子模块在第j1个控制周期内微源半桥变流器功率开关管的平均占空比；表示a相下桥臂第i2个发电子模块第j2个控制周期内微源半桥变流器功率开关管的平均占空比；

步骤三：通过各微源最大输出功率值与各微源输出功率增长率的预测情况得到上、下桥臂中微源功率分配系数

其中，分别表示a相上桥臂和下桥臂中各微源功率分配修正系数；分别表示a相上桥臂和下桥臂中各微源运行于最大功率点时的输出功率值；

微源功率分配系数(x＝a,b,c；y＝p,n；i＝i1,i2；1≤i1≤n；1≤i2≤n)与微源功率分配修正系数的限定条件为：

其中，在y＝p，i＝i1的情况下，分别表示a相上桥臂第i1个发电子模块中微源功率分配系数与微源功率分配修正系数；在y＝n，i＝i2的情况下，分别表示a相下桥臂第i2个发电子模块中微源功率分配系数与微源功率分配修正系数；

步骤四：建立基于markov链的微源输出功率增长率状态预测模型；计算微源输出功率增长率

其中，s表示微源输出功率增长率；m^*代表一段时间内微源输出功率采样总个数；p(m)表示第m时刻微源输出功率值；p(m+1)表示第m+1时刻微源的输出功率值；

将公式五所得微源输出功率增长率s划分为5个状态：快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3、缓慢下降e4、快速下降e5；则状态空间e＝{e1,e2,e3,e4,e5,}；如表1所示；

根据微源输出功率的历史数据和所划分增长率状态得到5阶状态转移矩阵p＝[pe_ij]5×5；其中，pe_ij表示从状态ei转移到ej的一步状态转移概率，用公式六表示

式中：fe_ij表示从状态ei到状态ej转移的频次；∑fe_i表示状态ei出现的频次总和；已知状态转移概率pe_ij和初始状态ei，则可建立markov链；任一个状态ei有状态转移方程

pe_j＝pe_ip(公式七)

微源输出功率增长率处于状态ei(i＝1,2,3,4,5)，此时pe_ij描述了目前状态ei在未来转向ej的可能性；根据最大概率原则，选择pi1、pi2、pi3、pi4、pi5中概率最大者对应的状态为预测结果；

所述步骤三中微源功率分配修正系数与微源输出功率增长率预测状态ei成正比预测到微源输出功率增长率状态处于快速增长e1、缓慢增长e2、相对不变e3状态时，将相应的设置较大；预测到微源输出功率增长率状态处于缓慢下降e4、快速下降e5时，将相应的设置较小；

步骤五：根据步骤一所得期望输出功率与所述步骤三、步骤四所得功率分配系数确定a相上、下桥臂中发电子模块输出功率参考值：

其中，表示a相上桥臂第i1个发电子模块中微源的功率分配系数；表示a相下桥臂第i2个发电子模块中微源的功率分配系数；表示a相上桥臂第i1个发电子模块输出功率的参考值；表示a相下桥臂第i2个发电子模块输出功率的参考值；

步骤六：对所述步骤五中上桥臂发电子模块输出功率参考值进行排序，并根据的排序情况循环改变上桥臂载波层叠调制中载波ap-cm与发电子模块ap-gm之间的位置映射关系，循环次数不超过m；使较大的发电子模块投入时间较长，使较小的发电子模块投入时间较短；同理，根据下桥臂发电子模块输出功率参考值的排序情况循环改变下桥臂载波层叠调制中载波an-cm与发电子模块an-gm之间的位置映射关系；使较大的发电子模块投入时间较长，使较小的发电子模块投入时间较短；

若桥臂发电子模块数n＝4，在某时间段内，上、下桥臂各微源功率参考值分别为则载波和发电子模块的位置映射关系如图4所示；

步骤七：将所述步骤五中上、下桥臂发电子模块输出功率参考值与所述步骤二中上、下桥臂第j1、j2个控制周期内的平均传输功率作差，得到上、下桥臂微源输出功率分配控制误差

在第j1、j2个控制周期内，可以认为paref、m、iap、ian保持不变；根据公式九可以看出，a相上桥臂第i1个微源半桥变流器中功率开关管的平均占空比只与相关；a相下桥臂第i2个微源半桥变流器中功率开关管的平均占空比只与相关；功率分配系数在某一个控制周期内可认为是恒定值；因此，可以通过功率分配误差分别间接的调整平均占空比

对于mmc-mg并网运行模式下，其并网控制系统仍采用双闭环控制，外环功率控制产生电流参考值，内环电流控制产生三相参考电压，然后通过调制策略生成驱动信号，再分配到每个微源半桥变流器上。本发明所涉及微源功率分配策略在调制级中进行，其控制框图如图5所示。该方法在实现mmc串联结构微电网并网运行模式时相内微源功率分配控制的同时，对系统输出电压、电流的稳定性不会产生影响。桥臂输出电压与系统线电压输出电压波形如图6、图7所示。输出电流如图8所示。

本发明的有益之处在于：

(1)mmc串联结构微电网在并网运行模式下，为最大限度地利用可再生能源，通常光伏、风力等清洁能源工作于最大功率状态，并将其最大功率值作为主要因素确定微源输出功率分配系数，以提高微源的利用率；

(2)风力、光伏等随机性微源输出功率的随机性较强，仅根据当前时刻的最大功率状态不能准确得到微源功率分配系数。因此，本发明采用markov链对各微源输出功率增长率进行预测，并根据增长率状态的预测情况对微源功率分配系数进行修正，以提高微源功率分配的准确性，避免不必要的开关动作；

(3)在功率分配控制过程中，根据微源功率分配系数与系统输出功率的期望值得到各发电子模块输出功率参考值；并根据功率参考值的排序情况改变载波层叠调制中载波xy-cm与发电xy-gm之间的位置映射关系；在此基础上，调整平均占空比将输出功率的误差限制在期望的合理范围之内；以实现“能者多投”的目的，达到独立控制发电子模块的输出功率。

(4)在mmc串联结构微电网并网运行模式下，该方法实现了各微源输出功率的协调分配控制，且不会引起相间环流的变化，确保系统输出电流的平衡，保证系统稳定运行。

以上是本发明的实施方法之一，对于本领域内的一般技术员而言，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当明确的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。