一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，首先采用分布式协同控制理论设计分层控制，并对微电网进行小信号建模；再采用分布式分层控制策略，基于初级下垂控制对二次和三次控制进行调整；再采用小信号建模方法分析分层控制策略在系统中稳定性，通过计算系统状态矩阵的特征值，分析在调整下垂系数时对系统稳定性的影响。本发明专利技术通过微电网分布式分层控制，第三层控制充分考虑分布式电源的功率裕度和其出力情况，以功率约束为目标计算微电网功率裕度，通过分层协调管理个分布式电源出力，达到微电网稳定性的提高。达到微电网稳定性的提高。达到微电网稳定性的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法


[0001]本专利技术涉及电力系统领域，具体是一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法。

技术介绍

[0002]近些年来，由于微电网中分布式电源的大容量接入因其随机属性对电力系统稳定性产生影响，分析分布式电源控制与微电网稳定性间的关系，分布式电源在微电网中达到高渗透下稳定性提高十分必要。一般来说微电网有两种运行模式：孤岛和并网。在孤岛模式下，微源调节电网的频率和电压，并向负载提供电力。并网模式下，微电网与主互联电网交换功率，由于微电网规模较小，其电压和频率由主电网控制。
[0003]为了提高微电网的可靠性，需要采用更先进的控制结构确保微电网的正常运行。微电网的稳定性和效率高度依赖其控制结构，对于控制需要的不同重要性和时间尺度，需要层次控制结构来满足不同控制层次上的要求。微电网的分层控制策略是目前普遍认可的控制方式，广泛应用于交、直流微电网的潮流控制和优化调度。
[0004]传统的分层控制中初级控制基于有功
‑
频率和无功
‑
电压下垂控制实现功率分配和电压、频率调整，以及提供虚拟惯性。二级控制主要负责电压和频率的恢复和改善功率分配。二级控制的常用架构是集中式和分布式类型，通信链路用于在分布式电源间数据传输来实现协调运行。集中控制方式需要一个中央控制单元，并且中央控制单元与各个控制设备之间有双向通信链路。但是集中式方法存在“单点故障”缺点，严重降低了系统的可靠性和灵活性。而分布式控制只需要少量的通信链路，不依赖于中央控制单元，它基于一个稀疏通信网络，每个设备可以与相邻设备进行信息交换从而执行控制动作。三级控制通过调节分布式电源的功率来管理公共电网和微电网之间的潮流，达到最优经济运行条件。
[0005]文献《Distributed cooperative optimal control architecture for AC microgrid with renewable generation and storage》中提出了基于离散一致性算法的分布式协同最优控制方法，第三层控制以多目标优化调度为目标，第二层控制基于离散一致性算法优化频率与电压基准。文献《孤岛微网分层分布式频率调节及功率优化控制》中提出了一种两层分布式控制结构，第二层控制同时实现频率调节和功率优化。当前研究主要针对二次控制频率和电压调节以及三层控制的优化经济调度等方面开展，并未充分考虑微电网中分布式电源的功率裕度与其输出功率对微电网静态稳定的影响。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法。
[0007]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、为实现微电网的分布式分层控制结构，采用分布式协同控制理论设计分层
控制；
[0009]对微电网进行小信号建模，系统的小信号动态模型分为基于逆变器的分布式电源、网络和负载三个主要子模块；首先建立各个子模块的小信号模型，然后组合得到整个系统模型；
[0010]步骤2、采用分布式分层控制策略，基于初级下垂控制对二次和三次控制进行调整；主要控制目标在有功或者无功负荷波动情况下，分布式电源能够稳定输出功率并完成有功功率和无功功率的精确分配，保证微电网的静态稳定性；
[0011]步骤3、采用小信号建模方法分析分层控制策略在系统中稳定性，通过计算系统状态矩阵的特征值，分析在调整下垂系数时对系统稳定性的影响。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0013](1)本专利技术通过微电网分布式分层控制，第三层控制充分考虑分布式电源的功率裕度和其出力情况，以功率约束为目标计算微电网功率裕度，通过分层协调管理个分布式电源出力，达到微电网稳定性的提高。
[0014](2)本专利技术在Matlab/Simulink仿真平台搭建了该微电网仿真模型，并通过算例分析验证了所提控制策略的有效性与优良性。
[0015](3)本专利技术通过小信号稳定性分析评估该控制下微电网动态稳定性，保证系统稳定运行。二次和三次控制采用分布式一致性算法对微电网的频率、电压以及分布式电源出力进行优化，有效的响应负荷功率变化，能保证功率输出稳定，满足负荷需求。
附图说明
[0016]图1为本专利技术所使用的分布式分层控制结构；
[0017]图2为本专利技术所使用的微电网三个子模块框图；
[0018]图3为本专利技术所使用的公共参考坐标系；
[0019]图4为本专利技术的微电网特征值谱；
[0020]图5为本专利技术在下垂系数kp增加时特征值变化情况；
[0021]图6为本专利技术在下垂系数kq增加时特征值变化情况；
[0022]图7为本专利技术在增加负荷时频率变化情况；
[0023]图8为本专利技术在增加负荷时电压变化情况；
[0024]图9为本专利技术在增加负荷时各分布式电源有功功率变化情况；
[0025]图10为本专利技术在增加负荷时各分布式电源无功功率变化情况。
具体实施方式
[0026]下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本专利技术权利要求的保护范围。
[0027]本专利技术提供了一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0028]步骤1、为实现微电网的分布式分层控制结构(如图1所示)，采用分布式协同控制理论设计分层控制：以有向图为模型的稀疏通信网络为基础，假设每个节点i都有一个状态变量x
i
；节点i需要和相邻的节点j进行信息交换来更新状态，基于连续一致性算法，更新规
则可以表示为：
[0029][0030]式(1)中，表示状态变量x
i
对随时间t微分变化量；a
ij
表示邻接矩阵的元素；N
i
为节点邻居的集合；节点j表示节点i的邻居节点；
[0031]当相邻两个节点之间有状态差时，可以通过更新规则使状态差收敛直到趋于一致，并且最终收敛结果可以作为系统中状态量初始值的平均值：
[0032][0033]式(2)中，x
n∞
表示状态变量x
i
收敛值(n＝1,2，
…
)；
[0034]该更新规则表明：当节点i和节点j之间存在状态差量时，可以通过更新状态使其与相邻节点状态一致，适用于二次控制层的消除初级控制存在的频率和电压偏差以及三层控制层中调整各分布式电源出力情况，可以实现该微电网的控制目标；
[0035]对微电网进行小信号建模，系统的小信号动态模型分为基于逆变器的分布式电源、网络和负载三个主要子模块(如图2所示)；首先建立各个子模块的小信号模型，然后组合得到整个系统模型；
[0036]为了在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、为实现微电网的分布式分层控制结构，采用分布式协同控制理论设计分层控制；对微电网进行小信号建模，系统的小信号动态模型分为基于逆变器的分布式电源、网络和负载三个主要子模块；首先建立各个子模块的小信号模型，然后组合得到整个系统模型；步骤2、采用分布式分层控制策略，基于初级下垂控制对二次和三次控制进行调整；主要控制目标在有功或者无功负荷波动情况下，分布式电源能够稳定输出功率并完成有功功率和无功功率的精确分配，保证微电网的静态稳定性；步骤3、采用小信号建模方法分析分层控制策略在系统中稳定性，通过计算系统状态矩阵的特征值，分析在调整下垂系数时对系统稳定性的影响。2.根据权利要求1所述的基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，步骤1中，采用分布式协同控制理论设计分层控制，具体是：以有向图为模型的稀疏通信网络为基础，假设每个节点i都有一个状态变量x
i
；节点i需要和相邻的节点j进行信息交换来更新状态，基于连续一致性算法，更新规则可以表示为：式(1)中，表示状态变量x
i
对随时间t微分变化量；a
ij
表示邻接矩阵的元素；N
i
为节点邻居的集合；节点j表示节点i的邻居节点；当相邻两个节点之间有状态差时，可以通过更新规则使状态差收敛直到趋于一致，并且最终收敛结果可以作为系统中状态量初始值的平均值：式(2)中，x
n∞
表示状态变量x
i
收敛值(n＝1,2，
…
)；该更新规则表明：当节点i和节点j之间存在状态差量时，通过更新状态使其与相邻节点状态一致，适用于二次控制层的消除初级控制存在的频率和电压偏差以及三层控制层中调整各分布式电源出力情况，实现该微电网的控制目标。3.根据权利要求1所述的基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，步骤1中，对微电网进行小信号建模，具体是：为了在公共参考坐标系上获得完整的微电网模型，将第一个逆变器坐标系作为公共参考坐标系；D
‑
Q轴是以公共参考频率ω
com
旋转的公共参考坐标系，(d
‑
q)
i
轴和(d
‑
q)
j
轴是第i和第j个分布式电源的参考系；δ
i
和δ
j
是第i和第j参考系与公共参考系间的夹角，坐标系间的变换如式(1)所示：
式(3)中，f DQ
和f dq
表示在D
‑
Q轴和d
‑
q轴下的控制变量；T
i
为变量在坐标轴的转换矩阵；δ
i
表示两个坐标系之间的夹角；单个逆变器控制包括功率控制器、下垂控制和电压电流控制；LCL滤波器用于抑制高频次谐波并平滑注入电流；下垂控制器确保功率共享，电压和电流控制器保证输出电压跟踪参考电压；将逆变器等效为理想电压源，利用电路定律、Park变换和泰勒级数线性化对其进行小信号建模，如式(4)所示：式(4)中，i
l
、v
o
和i
o
表示逆变器的输入电流、输出电压以及输出电流；R
f
、L
f
和C
f
表示滤波器的电阻、电感和电容值；E是逆变器输出电压；R
c
和L
c
表示耦合电阻和电感参数；v
b
表示母线电压；下标dq表示dq坐标系的分量；为了建立全局参考系下的微电网模型，选择第一个逆变器参考系作为全局参考坐标系，定义每个逆变器的角度为：系，定义每个逆变器的角度为：式(5)和式(6)中，δ、P和Q为逆变器的电压相角、输出有功功率和无功功率；k
p
和k
q
为有功和无功下垂系数；v
odq，ref
表示参考输出电压；采用PI控制的电压电流双闭环控制回路，进一步改善系统的动态响应；电压控制器状态空间模型如式(7)所示：电流控制器状态空间模型如式(8)所示：式(7)和式(8)中，和γ表示电压和电流控制器的状态变量；K
pv
和K
iv
表示电压控制器的比例系数和积分系数；K
pi
和K
ii
表示电流控制器的比例和积分系数；i
ldq,ref
表示电压控制器输出电流参考值；v
odq,ref
表示电压控制器输入电压参考值；将上述状态空间模型相结合，得到逆变器完整状态空间小信号模型；每个逆变器共有13个状态，3个输入和2个输出，如式(9)所示：
式(9)中，状态变量矩阵[Δx
inv
]＝[Δδ，ΔP，ΔQ，Δγ
dq
，Δi
ldq
，Δv
odq
，Δi
odq
]；线路和负载的小信号模型如式(10)和式(11)所示：线路和负载的小信号模型如式(10)和式(11)所示：式(10)和式(11)中，i
line
和i
load
表示线路网络的电流和流过负载电流；母线电压作为线路、负载和逆变器的输入，需要更好的定义母线电压；在母线电压接地之间假设有个虚拟电阻r
v
，应选择足够大虚拟电阻使其引入对系统动态稳定性影响最小；母线电压的小信号模型如式(12)所示：[Δv
bDQ
]＝R
N
(M
inv
[Δi
oDQ
]+M
load
[Δi
loadDQ
]+M
line
[Δi
lineDQ
]) (12)式(12)中，v
b
表示母线电压；R
N
表示虚拟电阻矩阵；M
inv
、M
load
和M
line
表示逆变器、负载以及线路参数矩阵；通过各个子系统模型获得完整的微电网小信号状态空间模型，从而得到系统状态矩阵，如式(13)所示：利用状态矩阵A
mg
的特征值分析微电网系统的稳定性。4.根据权利要求1所述的基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，步骤2具体是：该层对各分布式电源采用下垂控制，包括功率控制器、电压电流控制器；功率控制器根据功率下垂特性得到频率和电压参考值：ω
i
＝ω
n
‑
k
pi
(P
i
‑
P
in
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)v
i
＝V
n
‑
k

【专利技术属性】
技术研发人员：何国杰，李占凯，张福民，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：