一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略制造技术

本发明专利技术提供一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略：首先提出初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式多环控制器，包括外环功率控制器和内环电压电流控制器，实现了分布式电源快速响应，稳定系统电压和频率；然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压—无功下垂系数修正法，分别提出了分布式二级频率控制和二级电压—无功控制策略，修正了初级下垂控制带来的频率和电压偏移，并实现无功功率比例分配；最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，采用拉格朗日对偶分解法进行求解，进一步基于有限时间一致性算法提出孤岛微电网分布式经济调度方法，使各分布式电源在本地独立求解最优输出有功功率。

A Hierarchical Distributed Control Strategy for Isolated Microgrid Based on Consistency Theory

The present invention provides a hierarchical distributed control strategy for islanded microgrid based on consistency theory. Firstly, a primary droop control strategy is proposed, and a distributed multi-loop controller based on droop control is designed, including an outer-loop power controller and an inner-loop voltage and current controller, which achieves fast response of distributed power supply and stabilizes system voltage and frequency; secondly, based on finite-time consistency, a distributed multi-loop controller is designed. Algorithms, translation sag curve method and voltage-reactive sag coefficient correction method are proposed. Distributed two-stage frequency control and two-stage voltage-reactive power control strategy are proposed respectively. Frequency and voltage offset caused by primary sag control are corrected, and reactive power proportional distribution is realized. Finally, economic dispatching model is established with the objective of optimizing the total generation cost of microgrid system and Lagrange method is adopted. The daily dual decomposition method is used to solve the problem, and a distributed economic dispatching method for islanded microgrid is proposed based on the finite time consistency algorithm, which enables each distributed generation to solve the optimal output active power independently.

【技术实现步骤摘要】
一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略
本专利技术涉及微电网控制
，特别涉及一种孤岛微电网的分层分布式控制方法。
技术介绍
随着用户对供电可靠性和电能质量的关注不断提高，以及太阳能、风能等各种形式的可再生能源大量利用，分布式电源(DistributedGenerator，DG)因其充分利用各地丰富的清洁和可再生能源而得到大力发展。微电网作为由DG、储能装置、能量转换装置、可控负荷和监控、保护装置等单元汇集而成的小型发配电系统，能够实现自我控制、保护和管理，被公认为解决分布式电源接入配电网最有效的方案。特别地，在孤岛运行模式下，微电网可以给海岛和边防等偏远地区供电，也可以在外部电网故障时继续向重要负荷供电，具有很大的推广价值。但由于孤岛微电网失去了大电网的支撑，网络结构的改变和负荷的扰动都易造成系统电压和频率的不稳定，并破坏负载分配机制的准确性，因此孤岛微电网的控制问题成为了亟待解决的难题。同时，由于现代电力系统中分布式电源特性各异，数量越来越多且接入具有分散特点。而现有的孤岛微电网分层控制方法多采用传统的集中式，二级控制和三级控制都需要依靠微电网中央控制器。该方法面临计算负担大、通信复杂以及灵活性不足等限制。因此，本领域技术人员需要提供一种新的孤岛微电网分层分布式控制方法，能够克服集中式控制的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种分层分布式协调控制策略，解决含分布式电源的孤岛微电网中电压和频率的控制问题，该方法不仅提高了孤岛微电网系统安全稳定和经济运行水平，而且不需要中央控制器，能够有效地解决集中式控制方式可靠性差及鲁棒性低等缺陷。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，该方法的技术方案如下：根据孤岛微电网系统的频率和电压调整以及经济优化的不同时间尺度，将控制目标划分为三个层次来实现，即：初级下垂控制、二级频率和电压控制、三级经济调度。本专利技术的技术方案主要包括以下步骤：(1)首先引入初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，包括逆变器的硬件部分、外环功率控制器以及内环电压电流控制器，以实现分布式电源的快速响应，稳定系统电压和频率。(2)然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压-无功下垂系数修正法，专利技术了分布式二级频率和电压控制策略，包含分布式二级频率控制和分布式二级电压-无功控制，以去中心化的方式修正初级下垂控制带来的系统频率和电压偏移，并实现无功功率的比例分配。(3)最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，并采用拉格朗日对偶分解法对该模型进行求解，进一步基于有限时间一致性算法，专利技术孤岛微电网三级分布式经济调度方法，使各台分布式电源在本地求解最优输出有功功率，实现孤岛微电网的经济运行。三层控制之间存在着通信联系，共同嵌入在每台DG中，其中初级下垂控制由各台DG自主执行，而分布式二级频率和电压控制以及分布式三级经济调度除了需要本地信息外，还需要通过通信网络与相邻的DG进行信息交换。进一步的，步骤(1)所述的“初级下垂控制策略”的具体内容为：下垂控制是利用与传统同步发电机相似的电压-无功和频率-有功的下垂特性将系统不平衡功率动态分配给并联运行的各台DG，从而获取稳定的电压和频率。进一步的，步骤(2)所述的“分布式二级频率和电压控制策略”的具体内容为：a.建立分布式二级频率控制针对初级下垂控制带来的系统频率偏移，二级频率控制旨在实现频率的无差调节。当系统负荷出现正的波动，初级下垂控制动作，使DG输出有功功率增加，系统频率降低，为了使各台DG的输出频率恢复至额定值，采用下垂曲线平移法补偿频率。传统的频率调节方法是通过实测输出角频率ωi与额定角频率ω*比较得到频率补偿量，这种方法可能导致频率响应较慢，并且在干扰情况下会产生较大的频率偏差。而DG的实时输出有功功率Pi可以很容易由功率计算单元计算得到，因此本专利技术将采集各台DG的实时输出有功功率Pi和三级经济调度下发的最优有功功率参考值Prefi进行计算得到频率补偿量。此外，若各台DG仅利用本地信息各自计算出频率补偿量Δωi进行分散式调节，由于功率计算单元可能产生计算误差，会造成并联的各台DG频率补偿量不相等，容易产生振荡和超调，导致系统频率失稳。因此，本专利技术将各台DG频率补偿量的平均值作为各台DG最终的频率补偿量。为了使各台DG在本地估算出平均频率补偿量实现分布式二级频率控制，本专利技术采用有限时间一致性算法，通过通信网络获取相邻DG的频率补偿量进行迭代计算以获得全局所有DG频率补偿量的平均值。各台DG将最终估算出的频率补偿量反馈至P-ω初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级频率控制，使系统频率恢复至额定值。并且由于频率是全局变量，因此采用上述分布式频率控制方法不会破坏各台DG之间有功功率的比例分配。b.建立分布式二级电压—无功控制传统的分散式电压调节通过各台DG各自改变励磁调压，将输出电压均恢复至额定值，这种方法将恶化各台DG之间本就不成比例的无功功率分配。因此，为了同时能够实现合理的无功分配，可允许小范围的电压偏差，将DG的输出电压幅值调节至额定值附近即可。各台DG与相邻DG交换输出相电压幅值信息，采用有限时间一致性算法，各自在本地进行迭代计算，得到所有DG输出相电压幅值平均值。各台DG将最终估算得到的输出相电压幅值平均值与输出相电压额定值UN相减，得到电压偏差量，再将电压偏差量经过PI控制器Gi(s)得到电压幅值补偿量ΔEi，最后将ΔEi反馈至Q-E初级下垂控制环节，即可实现分布式的二级电压控制，使各台DG的输出电压调节至额定电压值附近的允许范围之内，并且给无功功率的比例分配提供了可能性。进而采用Q-E下垂系数修正法实现无功功率的比例分配，修正过程一直持续到下垂系数偏差量等于零时，Q-E下垂系数便稳定在恒定值，此时各台DG的输出无功功率均调节至与初始下垂系数相匹配，实现了DG之间输出无功功率的比例分配。进一步的，步骤(3)所述的“三级分布式经济调度方法”的具体内容为：在初级控制和二级控制保证孤岛微电网安全稳定运行的基础上，三级经济调度旨在实现孤岛微电网的经济运行。假设微电网系统中含有n台DG，建立第i台DG的发电成本Ci与其有功功率Pi的二次函数：Ci(Pi)＝aiPi2+biPi+ci，式中：ai、bi和ci为相关的燃料消耗系数；以其所有DG发电成本最小为经济调度的目标函数同时建立满足供需平衡的等式约束和DG的发电容量上下限的不等式约束Pi,min≤Pi≤Pi,max，其中：PL是系统负荷需求功率，Pi,max和Pi,min分别为第i台DG的发电功率上下限。引入拉格朗日对偶分解法对上述经济调度模型进行求解，可以得到交替求解方程：式中：i＝1,2,…,n，k为迭代次数；ρ>0为迭代步长；λ为拉格朗日乘子；Prefik+1代表第k+1次迭代下DGi计算出的有功功率参考值。系统总不平衡功率和拉格朗日乘子λ均为全局变量，即需要中央控制器收集和处理系统中的负荷信息以及每台DG的有功功率参考值信息。为了消除中央控制器，得到完全分布式的经济调度方法，本专利技术将利用有限时间一致性算法实现每个DG本地独立迭代求解。与现有技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于设计孤岛微电网分布式三层控制方案，包括：首先提出初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，包括外环功率控制器和内环电压电流控制器，以实现分布式电源的快速响应，稳定系统电压和频率；然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压—无功下垂系数修正法，分别专利技术了分布式二级频率控制策略和分布式二级电压—无功控制策略，以去中心化的方式修正初级下垂控制带来的系统频率和电压偏移，并实现无功功率的比例分配；最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，并采用拉格朗日对偶分解法对该模型进行求解，进一步基于有限时间一致性算法，提出孤岛微电网三级分布式经济调度方法，确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网的经济运行。

【技术特征摘要】
1.一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于设计孤岛微电网分布式三层控制方案，包括：首先提出初级下垂控制策略，并设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，包括外环功率控制器和内环电压电流控制器，以实现分布式电源的快速响应，稳定系统电压和频率；然后基于有限时间一致性算法、平移下垂曲线法以及电压—无功下垂系数修正法，分别发明了分布式二级频率控制策略和分布式二级电压—无功控制策略，以去中心化的方式修正初级下垂控制带来的系统频率和电压偏移，并实现无功功率的比例分配；最后以微电网系统总发电成本最优为目标建立经济调度模型，并采用拉格朗日对偶分解法对该模型进行求解，进一步基于有限时间一致性算法，提出孤岛微电网三级分布式经济调度方法，确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网的经济运行。2.根据权利要求1所述的基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)设计基于下垂控制的分布式电源逆变器多环控制器，通过下垂控制策略向DG逆变器内环控制器提供频率和电压幅值参考值，使DG快速响应系统中的负荷波动，稳定系统频率和电压，实现微电网实时控制，建立初级下垂控制；(2)调整由初级下垂控制带来的系统频率和电压偏差，同时在DG之间保持精确的有功和无功功率比例分配，建立分布式二级频率控制和分布式二级电压—无功控制；(3)由分布式控制方法确定各台DG的最优发电有功功率参考值，并下发给初级下垂控制层，实现孤岛微电网系统经济运行，建立分布式三级经济调度。3.根据权利要求2所述的基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，其特征在于：步骤(2)所述的“建立分布式二级频率控制”的具体内容为：a.采集各台DG的实时输出有功功率Pi和三级经济调度下发的最优...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏世威，张茜，宋靓云，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11