【《孤岛微电网分布式二次控制策略分析案例》4700字】

孤岛微电网分布式二次控制策略分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32329孤岛微电网分布式二次控制策略分析案例 1288741.1引言 1198691.2多智能体一致性算法 1299041.2.1一致性算法 1302441.2.2快速有限时间一致性算法 3157571.3分布式频率二次控制 5134591.4分布式二次电压控制 765131.4.1电压恢复与无功均分矛盾性分析 7143321.4.2分布式协同电压恢复与无功均分 8133351.5整体控制策略 9151021.6仿真分析 101.1引言上一章已经对传统下垂控制进行了改进，并以此作为孤岛微电网分层控制中的一次控制层，然而下垂控制实质是有差控制，负载变化后，DG输出的频率与电压幅值虽能保持稳定，但与各自额定值有一定偏差，这种偏差会影响微电网的稳定可靠运行。针对这个问题，本章在上一章基础上，以分布式为控制架构对分层控制中的二次控制层进行设计。分布式二次控制不像传统集中式二次控制一样依赖于微电网中央控制器（MGCC），分布式控制中单个DG的故障不影响系统运行，也不存在MGCC故障而导致集中式控制失去有效性的情况。本章首先基于图论描述了一致性算法，并对传统静态一致性算法进行优化为快速有限时间一致性算法。其次，为使频率恢复至额定值设计分布式二次频率控制，分析了DG的电压恢复与无功功率均分之间存在的矛盾性，最后基于优化的一致性算法设计平均电压观测器和无功二次控制器来协同控制这两个矛盾的目标，最大限度的处理二者所存在的矛盾性，同时保证系统的快速性。1.2多智能体一致性算法现阶段，基于多智能体网络的一致性理论已经广泛用于人工智能、微电网等领域来解决复杂协同控制问题。在微电网中一致性算法的应用体现在分布式的稀疏通信网络条件下，各DG不断与邻近DG进行信息交互来获取类全局信息，从而实现协同控制目标。1.2.1一致性算法一致性算法可由图论来描述，如图4-1所示，将孤岛微电网中各DG的通信网络连接等效为一个多智能体系统，各DG则是多智能体网络中的一个节点，各DG间的相互作用关系用连接线来表示。用有向图来表示n个个体形成的通信网络，其中为网络节点集合，表示节点的边；为连接矩阵，可由通信网络拓扑求得，若节点传递信息给节点，则相应矩阵元素，反之，若节点与节点间无信息传递，则；表示节点的邻近节点集合。据此，定义节点的出度和入度如式（4-1）、（4-2）所示： (1.1) (1.2)图4-1基于图论分析的分布式一致性拓扑有向图的度矩阵是一个对角矩阵，，则与通信网络信息交互结构相关的拉式矩阵的表达式为：。如果有向图中的任一节点都能过通过一条路径与节点相连，则称该有向图为连通图。假设节点的状态变量表示为，可以是的输出电压、输出电流、输出功率等物理量，则基于图论的静态一致性算法可表示为： (1.3) (1.4)也可写成状态方程形式： (1.5)式（1.5）中L为表示通信网络结构的拉式矩阵。从式（1.3）～（1.3）可知，当某节点邻居节点的状态变量存在差异时，该节点通过不断与相邻节点进行信息交互，不断更新迭代自身状态变量，随着时间的发展，各节点的状态变量差异越来越小，最终网络中所有节点状态变量趋于相同，即最终有，此时成系统实现了一致性收敛。1.2.2快速有限时间一致性算法为提升静态一致性算法的收敛速度，学者们在此基础上提出了有限时间一致性算法[41]，即各个体的状态量在有限的时间内达到一致性收敛。若多智能体系统中至少存在有一个个体达到稳定的平衡状态，其所对应的时间为，当时间时，所有个体的状态量都满足，则可认为此时多智能体系统在有限时间实现了一致性，称为系统的收敛时间。如果满足，则可认为系统达到了有限时间平均一致性。典型的有限时间一致性协议可表示为： (1.6)式中为控制因子，为符号函数，其表达式为： (1.7)为进一步提高多智能体系统达到全局一致性的速度，改善收敛性能，实现时间和速度的的双重优化，本文采用快速有限时间一致性算法，引入有限时间控制方程降低迭代次数，个体的状态取决于当前自身的实时状态和邻近相连个体的实时状态，其表达式如式（1.8）所示： (1.8)为了对比上述典型一致性算法、有限时间一致性算法、快速有限时间一致性算法的性能进行对比分析，以4节点多智能体系统为例，在MATLAB/Simulink中进行仿真分析。通信连接拓扑如图4-2所示，节点1接收节点4传递的信息，节点2接收节点1传递的信息，节点3接收节点2传递的信息，节点4接收节点3传递的信息。图4-24节点多智能体系统通信拓扑设置4个节点的初始状态为：，，，，控制因子，仿真时间为5s，则三种算法的输出如图4-3～4-5所示。从图中可以看出，典型静态一致性算法的一致性收敛时间为4s左右，有限时间一致性算法的一致性收敛时间为3.5s左右，快速有限时间一致性算法的一致性收敛时间为2s左右。采用快速有限时间一致性算法可以大大提升收敛速度，极大优化了收敛时间，为后续以此为基础设计性能更好的分布式二次控制提供技术支持。图4-3静态一致性算法输出图4-4有限时间一致性算法输出图4-5快速有限时间一致性算法输出1.3分布式频率二次控制由上一章分析与仿真可知，下垂控制中由于负载突然投切导致出现有功功率缺额，通过调节会使得频率稳定但会一定程度偏离额定值。引入频率二次控制的目的是通过控制系统中各DG的输出有功功率实现按容量均分的同时使系统频率恢复至额定值。频率二次控制的曲线图如图4-6所示。图4-5频率二次控制曲线图由图4-5可知，初始状态运行点为点对应的初始频率为额定值，初始有功功率为。假设某一时刻系统的有功负荷突然增大，此时DG按下垂特性调节输出有功功率使其增大以满足系统需求，运行点发生偏移频率下降最终DG稳定运行到一个新的平衡点，这个过程为基于下垂控制的一次控制。引入频率二次控制后，曲线向上平移，运行点由过渡到，DG输出的频率被修正至额定值。一次控制和二次控制在均每个DG单元中实现，二次控制器位于通信链路和一次控制层之间。本文频率二次控制策略设计的基本思想是各DG单元通过通信链路获取其他DG单元实时测量的频率信息，然后求取平均值后产生相应的控制信号送入一次控制层，以弥补下垂控制所产生的频率偏差。具体设计为： (1.9) (1.10)式中，、为PI控制器的相关参数，为系统的额定频率，为所有DG单元的平均频率，为的二次控制器所产生的送往一次控制层的控制信号，，，是通信系统中收到的频率测量值的个数，是DG单元的个数。引入二次控制后各DG的输出频率表达式为： (1.11)频率二次控制的结构图如图4-6所示。图4-5频率二次控制框图1.4分布式二次电压控制在上一章对下垂控制进行改进后，虽然可以实现无功功率在各DG中均匀分配，但由于负荷的波动，会导致DG输出电压偏离额定值，因此需要引入电压二次控制。与频率二次控制有所不同，频率二次控制的两个控制目标具有统一性，而电压二次控制的两个控制目标则是存在矛盾性，本节首先对这一矛盾性进行理论分析，然后基于分布式架构设计协同电压二次控制策略。1.4.1电压恢复与无功均分矛盾性分析二次电压控制的两个控制是电压恢复、无功功率均分，在孤岛微电网的实际运行中，各并联DG的输出等效阻抗往往存在一定的差异，这就会导致控制各DG端电压恢复至额定电压和控制各DG输出精确均分的无功功率间存在着矛盾。具体矛盾性分析由图4-6所示的二次电压控制曲线图说明。图4-6分布式电压二次控制曲线假设两DG并联的系统，的线路阻抗与的线路阻抗不一致，在一次控制层下垂控制调节下，的电压为，无功功率为，的电压为，无功功率为，，，如图4-6所示。以图4-6（a）说明实现电压恢复的控制目标，引入电压二次控制后，与的电压均恢复至额定值，运行点由变为，运行点由变为。可以看出，无功功率，无功功率，两DG无功不均分的情况因电压恢复至额定值而变得更严重。以图4-6（b）说明实现无功功率精确均分的控制目标，引入电压二次控制后，实现与的无功功率相等且等于，运行点由变为，运行点由变为，相应地端电压升高为，端电压升高为，，，都不能恢复至额定电压。不同于频率是一个全局变量，电压是一个局部变量，又称本地变量，故若孤岛微电网中各DG输出等效阻抗不一致时，DG端电压恢复和无功功率精确均分总是不能同时满足。1.4.2分布式协同电压恢复与无功均分本节协同电压恢复与无功均分是通过分布式通信链路进行本和相邻的信息交互实现的，目的是将这两个矛盾的目标进行最大限度的折中处理，即协同平均电压恢复和系统无功功率均分，具体设计如下：一般地，逆变器的电压-无功下垂系数与无功功率容量有着如下关系： (1.12)，代表n个逆变器，所提及的无功功率均分指的是各DG的输出无功功率按容量大小成比例均匀分配，即，由此推得下垂系数与输出无功功率间的关系： (1.13)基于本单元与邻近单元的无功功率信息，利用1.2.2节所提的快速有限时间一致性算法可对无功功率进行协同分配，所得的分布式无功功率偏差的表达式如下式（1.14）所示： (1.14)式中，表示第个的无功功率均分偏差，为分布式通信网络的邻接矩阵元素，为耦合系数。仅当时，达到一致性收敛，此时各输出的无功功率实现按容量均匀分配。为补偿下垂控制所造成的电压幅值与额定值的偏差，设计二次控制使系统平均电压恢复至额定值，从而使得各的输出电压也相应地恢复至额定值附近范围。采用动态的一致算法设计平均电压观测器，从局部DG的角度估计全局平均电压。 (1.15)式（1.15）中，为DG实时输出电压，、为第i、j个的平均电压观测值，为耦合系数。因此，分布式二次电压控制的表达式为： (1.16) (1.17)式（1.16）～（1.17）中是二次电压控制的输出，是电压积分项，为系统额定电压。通过所设计的协同控制便可以精确地分配各DG的无功功率，并使权重平均电压恢复至额定值，各DG基波输出电压恢复至额定电压附件一定的允许范围内，这样很好的处理了输出电压恢复至额定值和无功功率均匀分配这两个控制目标的矛盾性。1.5整体控制策略结合前文所设计的频率二次控制与电压二次控制，构成一个完全的整体，作为孤岛微电网的二次控制层，再加上以改进的下垂控制作为一次控制层，则本文所设计的整体有关孤岛微电网的分层控制策略结构如图4-7所示。图4-7单个DG的控制体系结构框图1.6仿真分析为验证所设计二次控制策略的有效性与优越性，在MATLAB/Simulink中搭建3DG并联的孤岛微电网仿真模型，模型结构如图3-3（i取3）。三个并联的分布式电源间的通信拓扑如图4-8所示，即相互进行信息交互。系统部分仿真参数见表4-1。图4-83DG的通信连接拓扑表4-13DG并联系统的部分参数线路阻抗额定电压额定频率LC滤波器直流侧电压控制因子311V50HZ=800V有功-频率下垂系数无功-电压下垂系数为验证分布式二次控制策略的有效性，不使用一次控制层的自适应虚拟电感来均分各DG的无功功率，而完全采用分布式协同电压二次控制来实现。此时，一次控制层的虚拟阻抗环由线路观测器形成的虚拟负电阻和传统虚拟电感组成。由表4-1可知，三个并联的DG的下垂系数比为，对应容量比为，三条线路阻抗不相同，其比值分别为：。设置孤岛微电网系统0.3s投入负载，系统在1.75s施加扰动，1.9s启动线路电阻观测器，2.5s启动分布式二次控制，总仿真时间为4s。仿真结果如下图所示：图4-83DG的输出有功功率波形图4-93DG的输出无功功率波形由图4-8可知，三个并联的DG输出有功功率按容量成精确均匀分配，注意到2.5s二次控制器启动时，有功功率会出现轻微波动，很快便调节到稳态值。由图4-9可知，2.5s前，三个并联的DG输出无功功率由于等效阻抗不一致而不能够按容量成比例均匀分配，2.5s启动二次控制器后，由于采用了快速有限时间一致性算法，无功功率在2.7s便实现了各DG输出无功功率按容量成精确均匀分配，充分体现了控制策略的快速性。图4-103DG的输出频率波形图4-113DG的输出电压波形图4-10显示了3DG输出频率波形，可以看到0.3s由于负载的突然投入，在下