一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法

技术领域

本发明涉及微网二级控制领域，应用于分布式发电、智能电网、基于下垂特性的微网电压与频率控制；具体涉及一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法。

背景技术

随着现代工业的快速发展，人们对于能源的需求也越来越大，传统的能源因为不可再生，并且会导致很多环境问题，比如雾霾、温室效应等问题，促使人们去寻找新能源取代一部分传统能源的消耗。

典型的新能源有太阳能、风能等，但这些能源由于受大自然条件的限制，要得到高效稳定的能源比较困难，通常，将这些新型的能源按一定方法组合在一起，构成分布式的发电网络是一种有效的解决方案。

微网作为分布式发电的高级形式，是一组由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元，是一个能够实现自我保护、自我控制和管理的自治系统。与传统大电网不同，微网的系统惯性小，且由于微源受自然条件的影响较强，因此，为了获得高质量稳定的电能，必须对微网加以控制。对于微网的控制一般分为三层，即初级控制、二级控制和三级控制。在该种分层的控制结构中，参数信息通过层层向下传递，达到最终的控制与优化目的，并且在传递过程中，每层具有保证系统稳定性的特性。

初级控制是最底层的控制，与各个微源的输出有着直接的联系，一般采用下垂控制对分布式电源接入点进行就地控制。初级控制具有使系统电压和频率保持稳定的特性，同时具有较好的功率分配特性，由于采用的是本地控制，也具有“即插即用”的特性。尽管初级控制能够很好的保证系统的稳定，但由于电力电子器件的非线性、下垂特性的固有缺陷等使得初级控制为有差控制，使得电压和频率达不到在初级控制中所设置的额定值。为了解决这一有差控制问题，通常在初级控制后加入一个二级控制器，使得微网系统内的电压和频率恢复到额定值。三级控制也即优化调度控制，在这一层里，追求的是经济最大化，即在满足供需平衡和发电量限制的条件下，通过合理调度各个发电单元的输出，以达到效益最大化。

分布式控制不需要中央控制器，大大减少了系统的通讯量，因此已有许多学者提出将分布式协调控制策略引入到微电网的二级控制中去，提高了系统的稳定性并满足了系统“即插即用”的特性。对于微网的二级控制策略，已有一些相关文献公开。这些文献没有考虑二级控制中的通讯滞后以及信息传递滞后给系统带来的影响，更没有考虑时滞下有限时间二级控制器的设计问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法，包括以下步骤：

电压电流采集模块采集逆变器端输出电流电压及负载端输入电流电压，并输出到自身初级控制器、自身二级控制器以及邻居发电单元的二级控制器；二级控制器对自身电压电流信息及邻居节点电压电流信息进行处理，生成初级控制器的电压和频率参考信息；初级控制器根据二级控制器给定的参考信息，通过功率计算、下垂控制、电压电流控制生成SPWM波，控制逆变器的输出电压。

进一步，所述下垂控制的模型为：

V_i＝V_ni-n_QiQ_i>

ω_i＝ω_ni-m_PiP_i>

式中n_Qi、m_Pi为下垂控制系数，Q_i、P_i分别为无功和有功功率，V_i、ω_i分别为系统母线上电压和频率，V_ni、ω_ni分别为二次控制电压和频率输出项，也即初级控制电压频率参考值。

进一步，所述的二级控制器包括二级电压控制器，所述二级电压控制器u_Vi为：

其中，a_ij为邻接矩阵中的元素，g_i为与领导母线节点相连接的权重，τ为定常通讯时延，α为分数阶参数，V_i表示本节点的输出电压，V_j表示邻居节点的输出电压，V^ref表示参考电压。

进一步，所述的二级控制器还包括二级频率控制器，所述二级频率控制器u_ωi为：

其中，a_ij为邻接矩阵中的元素，g_i为与领导母线节点相连接的权重，τ为定常通讯时延，ω_i表示本节点的输出频率，ω_j为邻居节点的输出频率，ω^ref表示参考频率，β为分数阶参数。

进一步，对式(2)求导，则令则

其中P_i表示本节点的有功功率，P_j表示邻居节点的有功功率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、在实际微网二级控制中，必然会存在通讯滞后，本发明能够有效的解决滞后问题。

2、从理论上能够保证，孤岛微网系统电压和频率能够在有限的时间内恢复到额定值。

3、由于本发明二级控制器具有分布式的特点，因此该方法满足即插即用特性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为常见微电网构成框图；

图2为微电网初级控制框图；

图3为功率控制器框图；

图4为二次电压控制框图；

图5为二次频率控制框图；

图6为系统总体框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

通过查阅资料，发现在大多数的技术文献中，微网二级控制策略一般都忽略通讯存在时延带来的影响，并且所提出来的二级控制器从理论上只能保证在无穷时间内收敛到稳定值，无法实现时滞下的有限时间收敛。

虽然随着通讯技术的进步，小的通讯时延在一些情形下是可以接受的。对于一些要求比较高的场合，当通讯链路较复杂时，通讯时滞的影响往往是不能忽略的。因此，设计通讯时滞下的二次控制器不仅具有重要的理论意义，更能为实践给出必要的理论依据。

另一方面，从控制性能的角度，微网控制不仅要有较好的静态性能，也需要有较好的动态性能，目前设计的控制器往往都是当时间趋于无穷时，系统才能达到所需要的静态性能。但是，如果能够从理论上保证，在给定的时间，系统能够达到所要求的静态性能，这无疑也具有很好的理论意义和实践意义。

微电网的构成通常包含有微电源、逆变装置、负载、储能装置等。基本构成如图1所示。

如图1所示，对于直流微源部分，只需要DC/DC逆变装置，对于交流微源模块，一般首先需要变换成直流，然后再通过DC/AC逆变装置。由图中可以知道，每个微源包含两个控制器：初级控制器实现本地控制微源的输出；二级控制器通过采集自身相关信息(电压、电流)和邻居微源信息进行计算，然后将结果输出给初级控制器，作为初级控制器的输入，这样能更好控制微源的输出。

微网底层初级控制框图如图2所示。

如图2所示，初级控制模块框图主要包含三个部分，功率控制器、电压控制器、电流控制器。图3中的功率控制器包含两个部分，功率计算模块和经典的下垂控制器，功率计算模块根据传感器采集到的电压电流值进行功率计算，下垂控制器根据二级控制器的输出V_n、ω_n计算电压和频率值，并通过派克变换成电压控制器的输入，电压电流控制器根据采集到的电压电流信号及功率控制器的输出，产生SPWM波，进而控制逆变器的输出。

由图2可知，二级控制的目标是设计合适的控制器计算变量V_n、ω_n，将其输入初级控制器中，使逆变器的输出满足额定设定条件。

因此，本发明提供一种考虑通讯时滞的微电网分布式有限时间控制方法，包括以下步骤：

首先，电压电流采集模块采集逆变器端输出电流电压及负载端输入电流电压，并输出到自身初级控制器、自身二级控制器以及邻居发电单元的二级控制器。

其次，二级控制器对自身电压电流信息及邻居节点电压电流信息进行处理，生成初级控制器的电压和频率参考信息。区别于传统的二级控制器，本发明的二次控制器不仅能够解决通讯时滞带来的影响同时也具有有限时间收敛的特性，这是本发明的重点。一方面，考虑通讯时滞，在控制器的设计中利用采样到的滞后传输信息；另一方面，为了提高系统的动态性能，使得系统电压和频率在有限时间内收敛到额定值，在控制器地设计中引入了分数阶函数。

最后，初级控制器根据二级控制器给定的参考信息，通过功率计算、下垂控制、电压电流控制生成SPWM波，控制逆变器的输出电压。

下垂控制模型：

V_i＝V_ni-n_QiQ_i>

ω_i＝ω_ni-m_PiP_i>

上式中n_Qi、m_Pi为下垂控制系数，二级控制的目标是设计合适的V_ni、ω_ni使得V_i、ω_i在有限时间内收敛到额定值，并满足设定的功率分配特性。

将式(1)求导得，引入辅助控制变量u_Vi，并令

$>{\stackrel{·}{V}}_i=u_{Vi}---\left(3\right)$>

则有因此下面的问题是如何设计好控制器u_Vi。提出如下的控制器设计：

$>u_{Vi}=sig{\left\{\underset{j\in N_i}{\Sigma }{a}_{ij}\right[V_j(t-\tau )-V_i(t-\tau )]+g_i[V^{ref}-V_i(t-\tau )\left]\right\}}^{\alpha }---\left(4\right)$>

上式中a_ij为邻接矩阵中的元素，g_i为与领导母线节点相连接的权重，τ表示定常通讯时延，α为分数阶参数，sig(x)^α＝sign(x)|x|^α，只要时延有界且在一定范围，微网电压将在有限时间内收敛到额定值。从控制策略(4)可以看出：首先，通过控制局部跟踪误差从而实现全局误差的跟踪控制，进而保证系统电压收敛到额定值；其次，采用分数阶函数有利于系统电压在有限时间内收敛到额定值。二次电压控制器框图如图4所示。

同电压控制器设计步骤一致，将式(2)进行求导得，引入辅助控制变量u_ωi，令

$>{\stackrel{·}{\omega }}_i=u_{\omega i}---\left(5\right)$>

设计u_ωi如式(6)所示，

$>u_{\omega i}=sig{\left\{\underset{j\in N_i}{\Sigma }{a}_{ij}\right[{\omega }_j(t-\tau )-{\omega }_i(t-\tau )]+g_i[{\omega }^{ref}-{\omega }_i(t-\tau )\left]\right\}}^{\beta }---\left(6\right)$>

式中β为分数阶参数。控制器(6)只能保证频率在有限时间内收敛，但不能保证设定的功率分配特性。为了保证精确的功率分配，令并将u_pi设计成式(7)所示，

$>u_{pi}=sig{\left\{\underset{j\in N_i}{\Sigma }{a}_{ij}\right[m_{pj}{P}_j(t-\tau )-m_{pi}{P}_i(t-\tau )\left]\right\}}^{\gamma }---\left(7\right)$>

根据式(6)和式(7)，可知ω_ni＝∫u_ωi+u_pidt。二级频率控制器框图如图5所示。

如图6所示，二级控制器根据自身相关信息及邻居节点信息，并通过二次电压频率控制算法，产生初级控制器所需要的电压和频率参考，初级控制器根据二级控制器输出的参考信息和自身信息控制逆变器的输出。由于二级控制器能够使电压频率在有限时间内收敛到额定值，并考虑了二级控制中通讯时滞带来的影响，因此极大的提高了系统的可靠性和稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。