基于事件触发机制的微网分层采样分布式协调控制方法

摘要

本发明设计微电网分层采样事件触发机制的分布式协调控制方法，即分两层对系统的状态进行采样，先对来自母线的状态进行周期采样，获取母线中所有的潮流状态信息，然后对周期采样的状态按照事件触发条件进行非均匀的采样，同时更新系统的控制输入，再由下垂控制器对逆变器的状态进行调整，最终实现逆变器功率分配的精确调整。选取一个合适的Lyapunov函数对系统的稳定性进行了证明，对所选取的Lyapunov函数对时间进行求导，设计了系统的事件触发条件并证明了系统的稳定性。最后通过分析得出了系统能够对微网中功率进行精确分配的结论。本发明具有以下优点：以较低的信息交互代价实现精确的电压和频率跟踪、相位同步、有功功率和无功功率分配等协调控制任务。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网多发电机协调控制领域，尤其涉及一种基于事件触发机制的分布式协调控制方法。

背景技术

近年来，微电网(简称微网)为分布式发电提供了一种有效的解决方式。通常，在微网中广泛使用了可再生能源来降低对环境的负面影响。这些可再生能源包括小型发动机，光伏电池，生物燃料，风能发电机等等。微网通过有机的组织，将这些不同的能源系统纳入到一个统一的网络中，来对用户提供可靠的电力。通常，微网可以运行在独立工作模式，也可以通过PCC接入主网并工作在并网模式下。

当前，微网的控制方式主要有集中式控制、分散式控制和分布式控制三种类型。集中式控制需要有中央控制器来收集各逆变器信息，并统一下发控制指令。当逆变器数量较多时，需要的通信和计算成本高昂，可扩展性很差。分散式控制中每个逆变器在本地完成信息采集、计算和控制，但逆变器之间缺少信息交互，从而很难实现如电压、频率同步、功率分配等协调控制任务。鉴于微网中的分布式逆变器通常分布于不同的物理位置，为保证整个网络的稳定性、安全性和可扩展性，使用分布式的控制和管理方法成为一种很好的选择。

为完成微网中不同逆变器之间的协调控制，各逆变器之间需要有必要的信息交互，而通过无线网络进行信息交互能大大增强系统的可扩展性。然而，当网络中逆变器节点增多时，无线通信的代价增高，不仅通信压力将增大，随之而来的信息计算与处理的成本也将大大增加。这些因素会严重影响微网的稳定和安全。

与本发明相关的现有技术一--一种以大电网为虚拟储能的微电网功率平衡控制方法(专利公布号：CN 103354643 A)，该方法是以与微电网连接的大电网为虚拟储能系统，当微电网内分布式电源供电功率不足时，从大电网中吸收功率为微电网负荷供电；当微电网内分布式电源供电功率超出微电网内部所需功率时，通过微电网功率调节系统，控制分布式电源的出力，从而使得微电网内分布式电源流向大电网的输出功率低于设定阈值。该方法没有对微网中功率如何分配进行说明,没有对系统的稳定性作出证明。

与本发明相关的现有技术二--一种微电网功率下垂控制方法(专利公布号：CN106300431 A)，该方法构建了P-ω和Q-V下垂控制器及三相并网逆变器系统。将参考电压与实际电压作差得到误差电压值，经PI调节器将输出信号经过SVPWM调制生成PWM脉冲波，使三相并网逆变系统并网发电。并网运行时，无功功率可控制为零，即逆变器不输出无功功率。该方法的缺点是没有实现对有功功率和无功功率的同时调节；系统的实时性要求高，通信量很大。

与本发明相关的现有技术三--一种交直流混合微电网功率平衡控制方法(专利公布号：CN 106451572A)，该发明给出在因电网发生故障引起电压跌落时，接口变换器可根据直流电压的上升程度来相应降低交流子网的电压幅值。电源逆变器根据交流子网的电压幅值的降低来相应减小输出功率，以使系统的有功功率达到平衡。该技术方案中没有实现精确的电压和频率跟踪，并且由于包含直流和交流，控制过程较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种实现精确的电压和频率跟踪、相位同步、有功功率和无功功率分配等协调控制任务的基于事件触发机制的微网分层采样分布式协调控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于事件触发机制的微网分层采样分布式协调控制方法，微网中的各种分布式发电设备通过直流滤波电路接入逆变器，逆变器通过交流滤波电路进行滤波后接入微网母线，，对每个逆变器i编号，i∈{1,2,...,N}，其特征在于，每个逆变器i采用分层控制方式实现对微网有功功率、无功功率的调节，其中分层控制方式具体包括：上层协调控制、底层下垂控制；

(1)上层协调控制

上层协调控制包括通信模块、协调控制设定、事件触发采样，且第i个逆变器以及与第i个逆变器有通信联系的邻居逆变器的事件触发采样状态接入到通信模块中；通信模块的输出端连接到事件触发采样，且事件触发采样的输出端连接到通信模块，每个逆变器i通过通信模块与邻居逆变器j通信，并且它们之间的通信是双向的，每个逆变器i配备事件触发采样作为上层协调控制，上层协调控制根据微网的需求给底层下垂控制器下发下垂控制设定点；

(2)底层下垂控制

底层下垂控制包括下垂控制器、逆变器、周期采样，通过上层协调控制设定底层下垂控制设定点；下垂控制器的输出端连接到逆变器，逆变器的输出端分别连接到微网母线和周期采样中，周期采样的状态分别发送到底层下垂控制器和上层事件触发采样中；

周期采用对逆变器i输出端的以下状态进行周期采样：

V_i：第i个逆变器输出端的基波电压；

ω_i：第i个逆变器输出端的频率；

P_i：第i个逆变器输出端的有功功率；

Q_i：第i个逆变器输出端的无功功率；

将周期采样的信号传送给底层下垂控制器和上层事件触发采样中判断：当事件触发采样条件满足时，对逆变器的周期采样状态信号进行非均匀采样，通过通信模块将与逆变器i有通信联系的邻居逆变器的状态采集过来，并更新逆变器_i的控制输入u_i(t)，同时，根据微网的需求下发下垂控制设定点给底层下垂控制器，每个底层下垂控制器根据接收来的周期采样数据和上层事件触发采样下发的下垂控制设定点进行下垂控制，调节逆变器输出的电压V_i和频率ω_i。

优化的，下垂控制按照以下方法进行：

其中分别是逆变器输出的额定频率和额定有功功率，是有功功率下垂控制的下垂系数，ω_i，P_i分别是逆变器实际输出的频率和有功功率；V_i^*，分别是逆变器输出的额定电压和额定无功功率，是无功功率下垂控制的下垂系数，V_i，Q_i分别是逆变器实际输出的电压和无功功率。

优化的，有功功率与无功功率的控制过程是相同的，以下以无功功率作为控制对象设计上层协调控制合适的控制输入u_i(t)：

定义1：无功功率Q_i(t)的权重无功功率为：

其中χ_i∈(0,1]是无功功率Q_i(t)的分配权重；

定义2：系统的量测状态y_i(t)为：

其中N_i是与逆变器i有通信联系的所有其它逆变器组成的集合；

则在一个周期性采样周期中量测状态y_i(mh)为：

其中Q_i(mh)表示离散的周期采样状态，h表示底层的采样周期，且m∈{0,1,2,...}；

定义3：量测状态的测量误差e_i(mh)为：

其中为第i逆变器的第k个触发时刻，表示第i逆变器的第k次触发(同理)；当考虑步长为时，(6)式改写为：

设定系统状态更新的动力学方程为：

其中u_i(t)是系统的控制输入；取控制输入u_i(t)为：

其中k_i∈(0,5)是选取的一个合适的反馈增益系数。

优化的，以下以无功功率作为控制对象设计上层协调控制的事件触发采样机制：

选取Lyapunov函数其中L是系统通信图的Laplace矩阵；并基于此Lyapunov函数设计系统的事件触发时刻序列

其中N⁺表示正整数集合；

对状态Q_i(t)进行周期性采样，生成采样数据状态Q_i(mh)，并报送到事件触发采样并根据(10)式判定是否触发非均匀采样，事件触发采样由通信模块接收由邻居逆变器传来的非均匀采样状态且和本地周期性采样状态数据Q_i(mh)一起进入事件触发采样中，当不等式条件(10)满足时，对逆变器的状态Q_i(mh)进行非均匀采样，生成事件触发状态将状态传递给逆变器i的邻居逆变器，并更新控制输入u_i(t)，再由相应的执行器作用于逆变器，达到控制的目的；否则，不进行非均匀采样，一直等待到下个触发时刻的生成。

优化的，该基于事件触发机制的微网分层采样分布式协调控制方法，还包括证明系统的稳定性的步骤，包括：

由(8)，(9)两式可得：

则考虑权重状态的动态，可得

其中ξ_i＝k_i/χ_i；则

其中u(t)＝col(u_i(t))，y(t)＝col(y_i(t))，e(t)＝col(e_i(t))；

取Lyapunov函数

其中L是根据代数图论知识得到的系统的Laplace矩阵；对该Lyapunov函数对时间进行求导可得：

由于采样和控制输入的零阶保持特性，可得

则

因为t∈[mh,mh+h)，所以t-mh≤h；因此(17)式可写为：

由于(18)式可改写为：

利用以下不等式

可得

其中λ_N是Laplace矩阵L的最大特征值；为了使令下列不等式成立

将(23)式带入到(22)式中，可得

其中选择合适的参数ξ，β_max，使得下列不等式成立

可得，

由(25)式可得

由(26)式可知，系统是稳定的；因此，根据(23)式所设计的事件触发条件(10)式是可行的，并且能保证系统是稳定的。

本发明相比现有技术具有以下优点：利用该方法可以实现微网中信号的周期性均匀采样和非均匀采样双层架构，利用事件触发通信的方式实现多逆变器间按需信息交流，从而以较低的信息交互代价实现精确的电压和频率跟踪、相位同步、有功功率和无功功率分配等协调控制任务。

附图说明

图1为本发明单个逆变器分层采样控制结构图。

图2为本发明算法流程图。

图3为本发明中逆变器的通信交流图及通信交流图对应的Laplace矩阵L。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对微网中的各种分布式发电设备通过直流滤波电路接入逆变器，逆变器通过交流滤波电路进行滤波后接入微网母线，微网中的每个逆变器有且仅有一个唯一的编号，为方便描述，对每个逆变器i编号，i∈{1,2,...,N}。

如图1，每个逆变器i采用分层控制方式实现对微网有功功率、无功功率的调节，其中分层控制方式具体包括：上层协调控制、底层下垂控制。

1.上层协调控制

上层协调控制包括通信模块、协调控制设定、事件触发采样，其中协调控制设定、事件触发采样组成事件触发控制器，且第i个逆变器以及与第i个逆变器有通信联系的邻居逆变器的事件触发采样状态接入到通信模块中；通信模块的输出端连接到事件触发采样，且事件触发采样的输出端连接到通信模块。每个逆变器i通过通信模块与邻居逆变器j通信，并且它们之间的通信是双向的(如图3)。每个逆变器i配备事件触发控制器作为上层协调控制，其事件触发时刻为为第i个逆变器的第k+1次触发且k∈{0,1,2,...}，h是采样周期。同时，上层协调控制根据微网的需求给底层下垂控制器下发下垂控制设定点。

2.底层下垂控制

底层下垂控制包括下垂控制器、逆变器、周期采样，通过上层协调控制设定底层下垂控制设定点V_i^*，下垂控制器的输出端连接到逆变器，逆变器的输出端分别连接到微网母线和周期采样中，周期采样的状态分别发送到底层下垂控制器和上层事件触发采样中。

下垂控制按照以下方法进行：

其中分别是逆变器输出的额定频率和额定有功功率，是有功功率下垂控制的下垂系数，ω_i，P_i分别是逆变器实际输出的频率和有功功率；V_i^*，分别是逆变器输出的额定电压和额定无功功率，是无功功率下垂控制的下垂系数，V_i，Q_i分别是逆变器实际输出的电压和无功功率；

每个逆变器i在本地实现内环电压和电流控制，外环采用下垂控制方式进行控制。

周期采用对逆变器i输出端的以下状态进行周期采样：

V_i：第i个逆变器输出端的基波电压；

ω_i：第i个逆变器输出端的频率；

P_i：第i个逆变器输出端的有功功率；

Q_i：第i个逆变器输出端的无功功率；

将周期采样的信号传送给底层下垂控制器和上层事件触发采样中判断：当事件触发采样条件满足时，对逆变器的周期采样状态信号进行非均匀采样，通过通信模块将与逆变器i有通信联系的邻居逆变器的状态采集过来，并更新逆变器i的控制输入。同时，根据微网的需求下发下垂控制设定点给底层下垂控制器，每个底层下垂控制器根据接收来的周期采样数据和上层事件触发采样下发的下垂控制设定点进行下垂控制，调节逆变器输出的电压V_i和频率ω_i。

上层协调控制负责逆变器间的相互通信、事件触发采样，并对逆变器i的功率P_i，Q_i进行分配，以及根据控制要求下发合适的底层下垂控制设定点V_i^*，底层下垂控制根据下发的下垂控制设定点及周期采样的状态调整逆变器i输出的电压V_i和频率ω_i，最后将逆变器接入到微网母线中。

采用事件触发控制的优点在于：该方式在周期性采样减少信息处理和通信成本的基础上，进一步降低逆变器之间的通信量，提高稳定性和安全性；本发明利用事件触发协调控制和局部下垂控制相结合的分层控制的方法，该方法对于电压和频率跟踪，有功功率和无功功率分配等协调控制任务均能胜任。

由于有功功率与无功功率的控制过程是相同的，所以以下以无功功率作为控制对象设计上层协调控制合适的控制输入u_i(t)和事件触发采样机制：

定义1：无功功率Q_i(t)的权重无功功率为：

其中χ_i∈(0,1]是无功功率Q_i(t)的分配权重；

定义2：系统的量测状态y_i(t)为：

其中N_i是与逆变器i有通信联系的所有其它逆变器组成的集合；

则在一个周期性采样周期中量测状态y_i(mh)为：

其中Q_i(mh)表示离散的周期采样状态，h表示底层的采样周期，且m∈{0,1,2,...}；

定义3：量测状态的测量误差e_i(mh)为：

其中为第i逆变器的第k个触发时刻，表示第i逆变器的第k次触发(同理)；当考虑步长为时，(6)式可改写为：

设定系统状态更新的动力学方程为：

其中u_i(t)是系统的控制输入；取控制输入u_i(t)为：

其中k_i∈(0,5)是选取的一个合适的反馈增益系数；

选取Lyapunov函数其中

L是系统通信图的Laplace矩阵，L的取值如图3；并基于此Lyapunov函数设计系统的事件触发时刻序列

其中N⁺表示正整数集合；

对状态Q_i(t)进行周期性采样，生成采样数据状态Q_i(mh)，并报送到事件触发采样并根据(10)式判定是否触发非均匀采样。事件触发采样由通信模块接收由邻居逆变器传来的非均匀采样状态且和本地周期性采样状态数据Q_i(mh)一起进入事件触发采样中。

当不等式条件(10)满足时，对逆变器的状态Q_i(mh)进行非均匀采样，生成事件触发状态将状态传递给逆变器i的邻居逆变器，并更新控制输入u_i(t)，再由相应的执行器作用于逆变器，达到控制的目的；否则，不进行非均匀采样，一直等待到下个触发时刻的生成。

事件触发采样中根据周期性采样状态Q_i(mh)，事件触发非均匀采样状态以及邻居事件触发状态生成本逆变器的下垂控制设定点，用于当前逆变器下垂控制，从而实现多个逆变器之间的协调。

综上所述，当(10)式成立时，可使得则可得lim_t→∞y(t)＝0且系统是渐进稳定的；因为其中L是系统图的Laplace矩阵，所以L特征值为0的特征向量为1_N；因此，当且仅当收敛于α1_N时，lim_t→∞y(t)＝0成立；所以即所有的逆变器将实现无功功率按比率渐进地分配。

以下结合图2和以上给出的无功功率调节实例，简述本发明的控制算法：

1.该实例中，我们考虑一个由6个逆变器组成的微网，即N＝6。为表达方便，每个逆变器赋予一个唯一的编号i，i∈{1,2,...,6}；

2.设置算法中的参数，取其中S^N＝(0.54,0.72,0.34,0.66,0.45,0.26)Sbase是标称额定功率，S_base是分配的基准功率；k_i∈(0_,5)，β_i＝0_.5，β_max＝0_.5，ξ＝2，λ_N＝5，h＝0.01s；3.对无功功率Q_i(t)进行周期采样，得离散的周期采样状态Q_i(mh)；

4.将步骤3得到的Q_i(mh)代入到事件触发条件(10)中计算，并进行如下的判断及操作：

当不等式(10)式成立是，执行步骤5；否则，不执行步骤5，继续计算(10)式，直到(10)式成立时才执行步骤5；

5.对状态Q_i(mh)进行非均匀采样，得事件触发采样状态

6.由步骤5所得的事件触发采样状态代入到所设计的控制输入(9)式计算并更新控制输入u_i(t)，并根据微网的需求给底层下垂控制器下发下垂控制设定点；

7.底层下垂控制器根据步骤6中下发的下垂控制设定点对逆变器i进行下垂控制；

8.返回步骤4，继续按上述步骤运行。

以下对系统的稳定性进行证明：

由(8)，(9)两式可得：

则考虑权重状态的动态，可得

其中ξ_i＝k_i/χ_i；则

其中u(t)＝col(u_i(t))，y(t)＝col(y_i(t))，e(t)＝col(e_i(t))；

取Lyapunov函数

其中L是根据代数图论知识得到的系统的Laplace矩阵(如图3)；对该Lyapunov函数对时间进行求导可得：

由于采样和控制输入的零阶保持特性，可得

则

因为t∈[mh,mh+h)，所以t-mh≤h；因此(17)式可写为：

由于(18)式可改写为：

利用以下不等式

可得

其中λ_N是Laplace矩阵L的最大特征值；为了使令下列不等式成立

将(23)式带入到(22)式中，可得

其中选择合适的参数ξ，β_max，使得下列不等式成立

可得，

由(25)式可得

由(26)式可知，系统是稳定的；因此，根据(23)式所设计的事件触发条件(10)式是可行的，并且能保证系统是稳定的。

以上的设计原理，方法应理解为对本发明的进一步解释，而不用于限定本发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。