一种基于残差的电气网络分层性能提升控制方法与流程

本本发明属于新型电力系统智能配电领域，特别是涉及到一种基于残差的电气网络分层性能提升控制方法。

背景技术：

1、微电网是由分布式电源、负荷、储能装置及控制装置构成的小型发配电系统，旨在解决大规模、多类型分布式电源并网带来的技术、市场和政策上的问题。近年来，随着信息技术的推广，极大的拓展了信息网络在微电网中的应用，实现了微电网中信息网络和电气网络之间的协同互动。

2、在交流微电网中，信息网络采集电气网络中的电气信息，然后利用控制算法生成控制命令，再将控制命令下发给逆变器作为参考信号，从而实现整个微电网电气网络的电压和频率稳定控制，以及分布式电源、负荷及储能间的功率协调。由此可见，逆变器是连接信息网络和电气网络的关键桥梁，整个微电网系统的可靠性依赖于逆变器的稳定、高效运行。

3、目前针对电气网络的性能控制研究较少，主流方法一般都是以单台变换器控制的角度出发，缺少对整个电气网路的性能的研究。在动态性能提升方面，更多的是以变换器为研究对象，通过扰动抑制的方法解决变换器输出电压的性能问题，缺少多台变换器并联情况下的应用。在稳态性能提升控制方面，在线路参数发生变换时，电气网络中的潮流状态会发生变化，造成变换器的输出功率存在稳态误差，该问题在现有技术中鲜有研究。

技术实现思路

1、在交流微电网孤岛运行时，电气网络中的母线电压主要通过逆变器进行稳定控制。然而，逆变器具有低惯性的特点，在负载投切时，传统的下垂控制无法获得理想的动态响应特性，会导致母线电压的暂升、暂降。同时，不平衡负载与非线性负载的接入会导致负序电流与高次谐波电流的注入，造成母线电压波动。同时，逆变器与负载通过线路构建出物理互联关系，在采用下垂控制的理想状态下，逆变器输出电流都流向负载，且输出功率按照下垂系数比例均分。但受到线路阻抗不匹配的影响，逆变器间会出现环流，无功功率输出与信息层协调算法的给定存在稳态误差，由此导致无功功率不均分。为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于残差的电气网络分层性能提升控制方法，以解决现有技术问题。

2、本发明提出了一种基于残差的电气网络分层性能提升控制方法，所述方法具体包括如下步骤：

3、步骤1：构建新能源发电出力模型；

4、s101建立电气网络模型；依据多逆变器并联系统的电气网络，得到逆变器i,j到公共负载间的线路微分方程为：

5、

6、

7、式中，(ipd,i,ipq,i)t为逆变器i到公共负载电流；(ipd,j,ipq,j)t为逆变器j到公共负载电流；ω为交流电角速度；

8、由此，得到母线公共负载的电流关系为：

9、ipd＝ipd,i+ipd,j＝upd/zp

10、ipq＝ipq,i+ipq,j＝upq/zp

11、逆变器i到逆变器j间线路的微分方程为：

12、

13、

14、式中，(icd,ij,icq,ij)t为逆变器i,j间的电流；

15、根据逆变器i,j到公共负载的线路微分方程和逆变器i到逆变器j间线路的微分方程，得到由公共负载和线路组成的电气网络的状态空间模型为：

16、

17、yl＝[cp,ij cc,ij]xl

18、式中，xl＝(ipd,i,ipq,i,ipd,j,ipq,j,icd,ij,icq,ij)t为系统状态量；ul＝(uod,i,uoq,i,uod,j,uoq,j)t为系统输入量；yl＝(ipd,i-icd,ij,ipq,i-icq,ij,ipd,j+icd,ij,ipq,j+icq,ij)t为系统输出量；系数矩阵ap,ij、ac,ij、bp,ij、bc,ij、cp,ij和cc,ij的具体表达如下所示：

19、

20、

21、

22、

23、s102建立逆变器模型；当公共负载中包含非线性负载、不平衡负载或出现负载投切时，基波电流分量中会引入高频非基波分量，逆变器i的输出电流表达式可写为：

24、iod,i＝ilpd,i+ihpb,i-icd,ij

25、ioq,i＝ilpq,i+ihpq,i-icq,ij

26、根据多逆变器并联系统的电气网络状态空间模型和逆变器i的输出电流表达式可以写出考虑分频扰动逆变器i的状态空间方程：

27、

28、yi＝cixi

29、

30、

31、

32、

33、式中，xi＝(ild,i,ilq,i,uod,i,uoq,i)t为状态量；ui＝(uid,i,uiq,i)t为控制输入量；dlp,i＝(ilpd,i,ilpq,i)t为负载基波电流扰动输入量；dhp,i＝(ihpd,i,ihpq,i)t为负载非基波电流扰动输入量；dlc,ij＝(icd,ij,icq,ij)t为互联逆变器间基波电流扰动输入量；yi＝(uod,i,uoq,i)t为输出量；

34、s103建立电气网络与多逆变器扰动闭环结构；根据逆变器i的状态空间方程和电气网络的状态空间模型，可以得到多逆变器与电气网络的扰动闭环结构；

35、所述扰动闭环结构中的输入信号与输出信号分别为多逆变器状态空间模型中电压输出信号和电流扰动输入信号；电气网络中的未知公共负载变化、非线性负载、不平衡负载和线路参数变化会以扰动电流输入的形式影响逆变器的动态控制性能与稳态控制性能；

36、步骤2：设计性能提升控制结构与控制器；

37、s201设计性能提升控制结构；定义逆变器并联系统中的逆变器为子系统，将子系统i中的被控对象gi(s)状态空间方程写为：

38、

39、式中，dl,i(s)为基波扰动，dh,i(s)非基波扰动；

40、基于互质分解与尤拉参数化理论，得到控制信号表达式：

41、

42、式中，fi为状态反馈控制器，vi(s)为给定参考信号，rh,i(s)为非基波残差分量，rl,i(s)为基波残差分量，qi(s)＝[qc,i(s)qh,i(s)]为稳定的自由参数矩阵，和为系统双互质分解得到的参数矩阵；

43、为了实现残差信号rl,i(s)和rh,i(s)的完全解耦，设计残差生成器的参数化表达式为：

44、

45、式中，ri(s)＝[rl,i(s)rh,i(s)]t为残差解耦器，其中，rl,i(s)为低通滤波器，rh,i(s)为高通滤波器；

46、由稳定控制器与残差生成器的参数化形式，得到基于残差生成器的性能提升控制结构；

47、s202设计动态性能提升控制器；针对多逆变器系统中的逆变器i，由残差生成器的参数化表达式可以得到非基波扰动dh,i(s)到非基波残差分量rh,i(s)的状态空间thdr,i(s)，和基波扰动dl,i(s)到基波残差分量rl,i(s)的状态空间tldr,i(s)；其中，thdr,i(s)状态空间表达式为：

48、

49、tldr,i(s)状态空间表达式为：

50、

51、可以得到求解动态性能提升控制器的模型匹配结构，根据状态空间thdy,i(s)、thdr,i(s)、qh,i(s)和thuy,i(s)，进而得到动态性能提升控制器的求解方程为：

52、min||thdy,i(s)-thdr,i(s)qh,i(s)thuy,i(s)||∞

53、s203设计稳态性能提升控制器；基于tldr,i(s)状态空间表达式，得到矩阵的表达式：

54、

55、在微电网的信息网络中，可将逆变器定义为智能体，通过图论理论描述逆变器之间的通信关系；由逆变器输出无功功率与无功下垂系数得到逆变器i的无功功率均分误差表达式为：

56、

57、式中，ni表示与逆变器i相邻的逆变器集合，aij为连接矩阵系数，基于一致性算法可以优化出稳态性能提升控制器ql,i(s)的补偿值，计算公式为：

58、

59、式中，δzvir,i为稳态性能提升控制器补偿值；czr,i和czx,i为增益系数；

60、步骤3：设计电气网络性能提升控制框图；

61、基于步骤1和2的内容，在传统的逆变器下垂控制基础上，加入了基于残差生成器的性能提升控制结构，通过设计非基波残差驱动的动态性能提升控制器，增强了交流母线电压的抗干扰能力，同时，设计基波残差驱动的稳态性能提升控制器，消除逆变器间的环流与无功功率稳态误差，并采用分布式一致性优化算法进行实时优化。

62、同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

63、(1)本发明建立电气网络模型和多逆变器模型的扰动闭环结构，利用逆变器的扰动输入电流转化为基波残差与非基波残差，进而调节逆变器的输出电压，从而解决电气网络中公共负载和线路导致的系统性能下降问题。

64、(2)本发明所设计的动态性能提升控制器可以有效的解决阶跃信号、二倍频信号和高次谐波信号等多种扰动类型导致的动态性能下降问题，且设计方法简单。

65、(3)本发明所设计的稳态性能提升控制器采用多智能体一致性算法进行设计，在系统出现线路参数摄动时，可通过相邻逆变器功率信息进行实时优化，并可以与已有的信息网络分布式协调控制算法进行结合。