一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制方法及介质

技术领域

本发明属于电力系统及调频应用领域，尤其涉及一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制系统。

背景技术

近年来，新能源和储能技术飞速发展，新能源发电并网容量占比逐渐升高，导致电力系统的惯量逐渐降低，削弱了电网应对功率短缺和频率波动的能力。随着火电机组在线比例的持续下降，高比例可再生能源和高度电力电子化以及低惯量将成为我国未来电力系统的重要特征。如何引入更加优质的调频资源以替代火电减少带来的惯性支撑和一次调频能力，以缓解可再生能源大规模并网背景下电网的频率稳定和电能质量问题。

微电网作为由分布式电源、负荷、储能组成的配电网络，可以实现离网的自治运行，以及作为一个可控单元并网运行，是实现分布式电源即插即用的技术手段之一，也是未来电网的重要组成部分。微网中风电、光伏、储能等分布式电源和可调控负荷如电动汽车等均通过电力电子变换装置接入电网，使得微电网的惯量水平显著下降。微网并网运行时，可看作电网的一个可控单元，接受电网的调度控制；而当微网孤岛自治运行时，其稳定性问题值得深入研究。当遭受相同功率不平衡量冲击后孤岛微电网的频率偏差变大，频率变化速率变快，降低了其抗扰动能力。构网型逆变器控制是支撑微电网孤岛运行时的一种控制模式，而虚拟同步发电机控制由于其对外等效为同步发电机的特性而得以广泛应用，进而缓解弱惯量支撑问题给微电网带来的稳定性问题。

微电网的容量有限，其调频资源相对匮乏，仅靠传统调节手段，维持微电网频率稳定的难度日益加大。而微电网中接入的EV等灵活负荷，具有较强的随机性，也会进一步地为微电网的运行稳定性造成威胁。电动汽车作为典型的可调控柔性负荷，单个充电站内可调控的电动汽车数量和容量存在较大的随机性。若能通过相应控制技术手段使电动汽车和充电站进行聚合，并进一步协同参与微电网频率控制，则能有效提升充电站集群的调频范围以及提升微电网频率稳定水平。因此，为了提高孤岛微电网的惯量支撑和主动调频能力，挖掘电动汽车的调频能力，需要研究充电站集群弱中心化调频控制技术，实现充电站集群内的协同聚合，从而改善频率的动态特性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制系统。首先设计充电站的虚拟同步发电机控制架构，结合充电站的可调控功率范围和充电站电动汽车的充电功率响应控制策略，提出站内各电动汽车的实时充放电功率分配算法；进而根据多个充电站之间的协同拓扑以及控制策略，设计虚拟领导者一致性算法；最后提出充电站集群的协同调频率控制系统。

本发明结合工程实际，可适用于不同规模下的充电站集群聚合以及频率响应控制系统的设计。

本发明的技术方案如下：

一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制方法，其特征在于，包括

采集风电光伏及随机负荷系统数据，包括所控制区域内，风电、光伏、居民负荷和各个充电站的实时出力；

当扰动发生时，基于充电站的虚拟同步发电机控制架构，充电站集群根据一致性协议以及虚拟领导者算法执行控制算法，更新各个充电站VSG的控制输入，在各个充电站VSG中协同分配调频响应功率，并更新各个充电站VSG的状态量即充放电功率以及调频成本率协同变量、功率容量系数协同变量；

根据频率恢复的情况判断是否达到稳定状态，当系统频率恢复稳定时，输出各个充电站的协同变量，以及各充电站调频功率。

作为优选，充电站的虚拟同步发电机(VSG)控制策略的定义是包含同步发电机的转子运动方程和电磁暂态方程的控制策略，具体是：VSG接收P

其中，E

作为优选，将充电站VSG参与调频，且在功率-频率控制器中加入了EV-f控制器反馈补偿环节，以修正VSG输入机械功率的参考值，具体是：

P

其中，P

ΔP

作为优选，多个充电站之间的一致性协议的协同拓扑设计控制方法包括

建立充电站的二阶智能体系统；

建立协同变量，包括功率容量系数和相对调频成本系，定义电动汽车的调频成本以及相对调频成本系数，

设计一致性协议并按照设计的一致性协议执行控制。

作为优选，二阶智能体系统中，目标是使充电站的调频成本率协同变量、功率容量系数协同变量相同，并实现电网的调频，将一个虚拟充电站视为领导者，并预先定义期望状态k

电网调度中心根据系统频率状态更新领导者的期望状态p

根据设计的一致性协同控制的输入，使系统中跟随者的状态变量通过拓扑网络跟随领导者的状态。

作为优选，协同变量包括功率容量系数k

功率容量系数k

相对调频成本系数

其中，k

作为优选，电动汽车的调频成本cost

其中，cost

作为优选，

根据功率容量系数k

其中，sign(.)表示符号函数，α为控制增益，取α，k

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述控制方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述控制方法。

因此，本发明具有如下优点：在一致性协议下，分布式网络中的所有充电站与相邻充电站协同，最终就相对调频成本率k

附图说明

图1是充电站虚拟同步发电机拓扑结构；

图2是充电站内EV的电量和充放电功率；

图3是

图4是

图5是充电站集群弱中心化调频控制系统；

图6是充电站集群协同拓扑；

图7是虚拟领导者一致性算法流程图；

图8是功率容量系数k

图9是调频成本系数k

图10是微电网频率恢复过程；

图11是充电站总调频成本的趋势；

图12是各个充电站响应功率。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-7，对本发明的技术方案作具体说明。

实施例1

首先介绍本发明的第一具体实施方式：

步骤1，设计充电站的虚拟同步发电机控制架构，如图1所示，具体如下：

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略的定义是将同步发电机的转子运动方程和电磁暂态方程引入到逆变器并网控制策略中。

根据转子运动方程中的转矩方程有：

因此，在VSG中，接收P

其中，E

为了使得充电站VSG参与调频，在功率-频率控制器中加入了EV-f控制器反馈补偿环节，以修正VSG输入机械功率的参考值，如下式所示。

P

式中，P

针对EV充电站的特性，设计二次无差调频控制器EV-f控制器，将EV调频能力引入到频率偏差反馈指令中，作为VSG有功-频率控制器的前馈补偿，因此，VSG的二次频率控制有下式：

P

其中，ΔP

步骤2，进一步地，需要分析EV需求对充电站调控功率范围的影响。VSG的出力P

从频率调节的角度来看，电动汽车可以作为移动存储设备承担调节任务。因此，妥善承担调控任务是电动汽车参与微电网二次频率调节的V2G策略的控制目标。另一方面，由于用户使用EV进行运输，EV的SoC和充电功率也受到了一些限制。

当EV接入充电站的充电桩后，其荷电状态和充放电功率的范围如图4所示。其中，

当一辆EV停在充电站的预期时长大于其充电耗时，且EV的允许最小电量小于初始电量时，

其中η

当

因此，通过上述方式，能够确定出EV在充电站中的可调控情况，进而将站内各EV的调控容量聚合起来，如下式所示。

其中，

上述电动汽车建模和聚合模型，从用户需求和电动汽车SoC出发，将充电站电动汽车的充电功率和容量与停车时间相结合，得到电动汽车参与VSG调频的能量和功率边界，进而可以得到充电站内，在满足各EV充电需求的前提下，整个充电站内EV聚合起来后的可调控功率和容量。进而，根据充电站内充电桩功率等参数，为充电站VSG的控制提供ΔP

步骤3，根据多个充电站之间的协同拓扑设计控制策略，确定虚拟领导者以及设计弱中心化的一致性算法，如图5所示。

首先，建立充电站的二阶智能体系统，如下。

其中，q

其次，建立协同变量。

(1)功率容量系数k

其中，k

(2)相对调频成本系数k

定义电动汽车的调频成本cost

其中，cost

进而得到相对调频成本系数如下：

其中，k

最后，设计一致性协议。

p

其中，sign(.)表示符号函数。α为控制增益，取α，k

步骤4，提出充电站集群的协同调频率控制策略。

在二次控制中，控制目标是使充电站的协同变量k

其中

1)电网调度中心根据系统频率状态更新领导者的期望状态p

2)根据设计的一致性协同控制的输入，使系统中跟随者的状态变量通过拓扑网络跟随领导者的状态。

在实现多充电站协同控制时，将根据网络拓扑矩阵交换充电站的调频成本和频率信息。虚拟领导可以接收上层调度中心的指令。因此，可以通过协同变量k

在频率控制过程中，通过虚拟领导者一致性算法解决了降低调频成本和频率偏差的问题。算法的结果反馈到被控的充电站，改变充电站的功率输出，进而影响孤岛微电网的状态，形成这样一个闭环的实时迭代。一致性算法的求解依赖于微电网频率的恢复。而在频率恢复的动态过程中，一致性协议中的协同变量k

这个循环过程和收敛步骤是：当扰动发生时，充电站集群根据所设计的一致性协议以及虚拟领导者算法执行控制算法，从而更新各个充电站VSG的控制输入，在各个充电站VSG中协同分配调频响应功率，进而对频率产生影响，并更新各个充电站VSG的状态量(即充放电功率)以及调频成本率、功率容量系数协同变量。根据频率恢复的情况判断是否达到稳定状态。由于一致性协议和协同变量的设计，当系统频率恢复稳定时，协同变量必定收敛。

最终输出：收敛之后，输出的是各个充电站的协同变量趋于一致，以及各充电站均输出一致性算法对应的调频功率。

步骤5，所用算例的参数如表1所示，得到功率容量系数和相对调频成本系数的收敛过程，以及频率、调频成本、各充电站的出力情况，如图8、图9、图10、图11、图12所示。

表1

因此，充电站集群弱中心化调频控制系统，能够实现协同调频响应，恢复频率，提高了电网的频率稳定。所提出的方法可以应用于充电站的聚合和协同控制。受控的充电站可以响应频率扰动，作为分布式网络中的负载需求响应。所提出的大规模电动汽车应用方法的基本前提是充电站的建模。在建模过程中，有必要区分可调节电动汽车的数量和限制。此外，根据充电站之间的通信链路和电气拓扑结构，创建网络拓扑矩阵，进而生成协同关系也是前提。各个充电站在频率响应过程的协同关系可以实现弱集中甚至分散的协同控制。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的控制方法。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的控制方法，该方法包括。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。