一种微电网二级电压控制方法、装置、设备和存储介质

技术领域

本发明属于微电网分布式电压控制技术领域，特别是涉及一种微电网二级电压控制方法、装置、设备和存储介质。

背景技术

近年来，人们越来越重视能源问题、环境问题和经济问题，而分布式发电(DGs)具有污染少、损失小和运行灵活等优点，因此引起了人们的广泛关注，为了有效地管理DGs，需要用到微电网，微电网是一种低压配电系统，能够解决局部能源问题，增强供电的灵活性，既可在孤岛模式下运行，又可以连接至主电网。

为了满足微电网内部用户的用电不间断的需求，微电网需要在联网状态和孤岛状态之间自由的无缝切换，由于分布式发电的间歇性和负荷的随机变化，特别是孤岛运行时，如果没有快速有效的功率平衡策略，微电网的频率和电压将出现强烈的波动甚至导致不稳定。为解决这一问题，目前广泛采用基于分级控制方案的微电网控制策略，将孤岛微电网分为两级进行控制，为实现功率共享，第一级通常是下垂控制，其可以快速处理功率平衡的问题，但下垂控制会产生频率和电压偏差，这就要通过二级控制来消除频率和电压偏差，来实现精确功率共享。在现有技术中，基于集中控制、分散控制和分布式控制的二级控制策略的前期工作已经完成，其中，集中控制需要全局信息和集中计算，灵活性和可扩展性差，分散控制减少了通信负担，但牺牲了DGs的高效协调，这些矛盾可通过分布式控制来协调，也就是通过局部通信网络与相邻单元共享信息，这种分布式控制结构被广泛应用于二级控制中，以避免使用微电网中央控制器。但是，尽管分布式控制有上述能够对频率和电压进行调节以及功率共享的优点，但它需要一个密集的通信架构，还不能扩展。

现有技术中，有一种基于一致性理论的孤岛微电网分层分布式控制策略，先提出一级下垂控制策略，实现了分布式电源的快速响应，然后基于有限时间一致性算法提出了分布式二级频率控制和二级电压-无功控制策略，修正了一级下垂控制带来的频率和电压偏移，并实现无功功率比例分配，最后，进一步基于有限时间一致性算法提出孤岛微电网分布式经济调度方法，使各分布式电源在本地独立求解最优输出有功功率。然而，在上述控制策略中，部分具有渐近收敛速度的线性控制策略可能不适合快速控制微电网运行工况，如DGs的间歇性和随机变化的负荷；针对这些工况，部分分布式非线性控制策略都仅侧重于鲁棒性和快速恢复来加快收敛速度，而很少考虑到精确的有功和无功功率共享的实现，也就是说很少采用电压和无功进行协同控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种微电网二级电压控制方法、装置、设备和存储介质，能够在快速响应的同时，解决电压调节和无功功率共享之间的冲突，消除电压偏差且实现准确的无功功率共享，具有更强的鲁棒性，增加系统的灵活性，实现即插即用的功能。

本发明提供的一种微电网二级电压控制方法，包括：

计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标；

为所述二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标；

计算所述预设微电网的二级电压调节目标；

为所述二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标；

将所述加权后的二级无功功率共享调节目标与所述加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整所述第一加权系数和所述第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷。

优选的，在上述微电网二级电压控制方法中，所述计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标包括：

采集所述预设微电网的第一无功功率测量值，将所述第一无功功率测量值除以第一无功功率参考值，得到第一无功功率比值；

采集与所述预设微电网相邻的微电网的第二无功功率测量值，将所述第二无功功率测量值除以第二无功功率参考值，得到第二无功功率比值；

将所述第一无功功率比值减去所述第二无功功率比值，得到相邻微电网无功功率比值差，并对其分配第三加权系数，所述第三加权系数为邻接矩阵中的元素；

将所有的所述相邻微电网无功功率比差值相加后，得到所述二级无功功率共享调节目标。

优选的，在上述微电网二级电压控制方法中，所述计算所述预设微电网的二级电压调节目标包括：

采集所述预设微电网的输出电压幅值，将所述输出电压幅值减去参考电压幅值，得到输出电压幅值差，得到所述二级电压调节目标。

优选的，在上述微电网二级电压控制方法中，还包括选择其中的一个微电网作为领导者微电网，其他的微电网作为跟随者微电网，将所述领导者微电网的第一加权系数设置为非零，第二加权系数设置为零以实现二级电压调节目标，并且将所述跟随者微电网的第一加权系数设置为零，第二加权系数设置为非零以实现二级无功功率共享调节目标。

本发明提供的一种微电网二级电压控制装置包括：

第一计算部件，用于计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标；

第一加权部件，用于为所述二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标；

第二计算部件，用于计算所述预设微电网的二级电压调节目标；

第二加权部件，用于为所述二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标；

加权系数调整部件，用于将所述加权后的二级无功功率共享调节目标与所述加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整所述第一加权系数和所述第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷。

优选的，在上述微电网二级电压控制装置中，所述第一计算部件包括：

第一采集单元，用于采集所述预设微电网的第一无功功率测量值，将所述第一无功功率测量值除以第一无功功率参考值，得到第一无功功率比值；

第二采集单元，用于采集与所述预设微电网相邻的微电网的第二无功功率测量值，将所述第二无功功率测量值除以第二无功功率参考值，得到第二无功功率比值；

第一加权单元，用于将所述第一无功功率比值减去所述第二无功功率比值，得到相邻微电网无功功率比值差，并对其分配第三加权系数，所述第三加权系数为邻接矩阵中的元素；

二级无功功率共享调节目标确定单元，用于将所有的所述相邻微电网无功功率比差值相加后，得到所述二级无功功率共享调节目标。

优选的，在上述微电网二级电压控制装置中，所述第二计算部件包括：

第三采集单元，用于采集所述预设微电网的输出电压幅值，将所述输出电压幅值减去参考电压幅值，得到输出电压幅值差，得到所述二级电压调节目标。

优选的，在上述微电网二级电压控制装置中，还包括领导者和跟随者确定单元，用于选择其中的一个微电网作为领导者微电网，其他的微电网作为跟随者微电网，将所述领导者微电网的第一加权系数设置为非零，第二加权系数设置为零以实现二级电压调节目标，并且将所述跟随者微电网的第一加权系数设置为零，第二加权系数设置为非零以实现二级无功功率共享调节目标。

本发明提供的一种计算机设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上面任一种所述微电网二级电压控制方法的步骤。

本发明提供的一种计算机可读存储介质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上面任一种所述微电网二级电压控制方法的步骤。

通过上述描述可知，本发明提供的上述微电网二级电压控制方法，由于包括为二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标，还为二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标，然后将加权后的二级无功功率共享调节目标与加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整第一加权系数和第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷，可见这就充分考虑了电压调节和无功功率共享这两个因素，不会顾此失彼，因此能够在快速响应的同时，解决电压调节和无功功率共享之间的冲突，消除电压偏差且实现准确的无功功率共享，具有更强的鲁棒性，增加系统的灵活性，实现即插即用的功能。本发明提供的上述微电网二级电压控制装置、设备和存储介质，具有与上述微电网二级电压控制方法相同的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种微电网二级电压控制方法的实施例的示意图；

图2为并行的微电网的连接示意图；

图3为现有技术中下垂控制和单独SRPSRG的E-Q图；

图4为现有技术中单独利用E-Q下垂特性来达到SVRG之前和之后的电压与无功功率之间关系的示意图；

图5为邻接矩阵构造的示意图；

图6为本发明提供的一种微电网二级电压控制装置的实施例的示意图；

图7为本发明提供的一种计算机设备的实施例的示意图；

图8为单个DG的DCSM控制体系结构框图；

图9为DG1的DCSM控制系统在相平面中的轨迹示意图；

图10为微电网设置示意图；

图11为下垂控制时的电压幅值和无功功率共享的示意图；

图12为强制二级无功功率调节的示意图；

图13为强制二级电压调节的示意图；

图14为电压调节和无功功率共享调节的折衷的示意图；

图15为实现准确的无功功率共享和良好的电压调节的示意图；

图16为通信失败情况下DCSM控制器的性能的示意图；

图17为DCSM控制器在即插即用操作下去掉微电网中的任意DGs的性能的示意图；

图18为DCSM控制器在即插即用操作下在微电网中添加任意DGs的性能的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种微电网二级电压控制方法、装置、设备和存储介质，能够在快速响应的同时，解决电压调节和无功功率共享之间的冲突，消除电压偏差且实现准确的无功功率共享，具有更强的鲁棒性，增加系统的灵活性，实现即插即用的功能。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种微电网二级电压控制方法的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种微电网二级电压控制方法的实施例的示意图，该方法包括如下步骤：

S1：计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标；

需要说明的是，微电网是包括分布式电源、储能装置、负荷和监控、保护装置的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的系统，既可以与大电网并网运行，也能以孤立电网独立运行，每个逆变器的电压都是通过一级下垂来控制的，参考图2，图2为并行的微电网的连接示意图，X

E

ω

E

其中E

为了简化分析，假设DGi具有与DGj相同的容量和下垂系数。当相角θ

通过公式(6)，可以通过减小DG之间的线电抗差，增加无功压降系数的增益以及减小线阻抗来减小无功功率的相对差，但是，这些调整可能会影响输出电压的大小，甚至会导致微电网崩溃。因此，为了快速消除电压偏差，同时实现精确的无功功率分配，需要进行鲁棒的非线性二级控制。而二级调压有两个目标，其中，第一个目标即二级无功功率共享调节目标即SRPSRG，用于处理功率分配不准确的问题，相邻的微电网之间可以通过稀疏通信方式获取各自的各种参数。

S2：为二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标；

需要说明的是，为了简化分析，使用包含两个相同DG的并行的微电网为例进行说明，而结论可以放宽到多个DG的情况，将DG连接到公共总线的电抗不同，设置为X

S3：计算预设微电网的二级电压调节目标；

需要说明的是，二级电压调节目标即SVRG，用于调节电压偏差，如图4所示，图4为现有技术中单独利用E-Q下垂特性来达到SVRG之前和之后的电压与无功功率之间关系的示意图，其中，实线和虚线分别是电压降和SVRG。与实线相比，两条不同颜色的虚线表示两个DG的输出电压不同，尽管与参考值没有偏差，但无功功率注入变为Q′

S4：为二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标；

基于上述步骤中的描述，在本实施例中，就为二级电压调节目标分配第二加权系数，以在后续调整过程中也考虑这种因素。

S5：将加权后的二级无功功率共享调节目标与加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整第一加权系数和第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷。

需要说明的是，这样就可以在电压和无功功率的冲突目标之间实现折衷，具体加权系数的大小由对这两个目标的折衷程度确定，通过这种方式，电压调节和无功功率分配就可以更加精确。

通过上述描述可知，本发明提供的上述微电网二级电压控制方法的实施例中，由于包括为二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标，还为二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标，然后将加权后的二级无功功率共享调节目标与加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整第一加权系数和第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷，可见这就充分考虑了电压调节和无功功率共享这两个因素，不会顾此失彼，因此能够在快速响应的同时，解决电压调节和无功功率共享之间的冲突，消除电压偏差且实现准确的无功功率共享，具有更强的鲁棒性，增加系统的灵活性，实现即插即用的功能。

在上述微电网二级电压控制方法的一个具体实施例中，计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标可以包括如下步骤：

采集预设微电网的第一无功功率测量值Q

采集与预设微电网相邻的微电网的第二无功功率测量值Q

将第一无功功率比值减去第二无功功率比值，得到相邻微电网无功功率比值差，并对其分配第三加权系数a

将所有的相邻微电网无功功率比差值相加后，得到二级无功功率共享调节目标如下式：

其中，上述邻接矩阵A的表达式为

这种邻接矩阵的构造如图5所示，图5为邻接矩阵构造的示意图，这里用到的是一致性算法，DG之间的通信层将由加权图G(υ,ε,A)描述，结构可由对称的n×n阶矩阵A表示，矩阵的元素a

在上述微电网二级电压控制方法的进一步的实施例中，计算预设微电网的二级电压调节目标可以包括如下步骤：

采集预设微电网的输出电压幅值E

具体的，整体控制方法可以采用如下公式组合来确定：

其中，s

当上述公式(7)中的b

为了提高控制性能，在上述微电网二级电压控制方法实施例基础上，还可以包括选择其中的一个微电网作为领导者微电网，其他的微电网作为跟随者微电网，将领导者微电网的第一加权系数设置为非零，第二加权系数设置为零以实现二级电压调节目标，并且将跟随者微电网的第一加权系数设置为零，第二加权系数设置为非零以实现二级无功功率共享调节目标。

具体的，领导者DG(例如DG

本发明提供的一种微电网二级电压控制装置的实施例如图6所示，图6为本发明提供的一种微电网二级电压控制装置的实施例的示意图，该装置包括：

第一计算部件601，用于计算预设微电网和与其相邻的微电网的二级无功功率共享调节目标，二级调压有两个目标，其中，第一个目标即二级无功功率共享调节目标即SRPSRG，用于处理功率分配不准确的问题；

第一加权部件602，用于为二级无功功率共享调节目标分配第一加权系数，得到加权后的二级无功功率共享调节目标，为这种二级无功功率共享调节目标进行加权，在后续调整过程中就可以考虑这种因素；

第二计算部件603，用于计算预设微电网的二级电压调节目标，二级电压调节目标即SVRG，用于调节电压偏差；

第二加权部件604，用于为二级电压调节目标分配第二加权系数，得到加权后的二级电压调节目标，为二级电压调节目标分配第二加权系数，在后续调整过程中也可考虑这种因素；

加权系数调整部件605，用于将加权后的二级无功功率共享调节目标与加权后的二级电压调节目标相加后得到滑模面，调整第一加权系数和第二加权系数，直到在电压调节和无功功率共享之间达到折衷，需要说明的是，这样就可以在电压和无功功率的冲突目标之间实现折衷，具体加权系数的大小由对这两个目标的折衷程度确定，通过这种方式，电压调节和无功功率分配可以更加精确。

综上所述，上述装置充分考虑了电压调节和无功功率共享这两个因素，不会顾此失彼，因此能够在满足快速响应的同时，解决电压调节和无功功率共享之间的冲突，能够消除电压偏差且实现准确的无功功率共享，具有更强的鲁棒性，增加系统的灵活性，实现即插即用的功能。

在上述微电网二级电压控制装置的一个具体实施例中，第一计算部件可以包括：

第一采集单元，用于采集预设微电网的第一无功功率测量值Q

第二采集单元，用于采集与预设微电网相邻的微电网的第二无功功率测量值Q

第一加权单元，用于将第一无功功率比值减去第二无功功率比值，得到相邻微电网无功功率比值差，并对其分配第三加权系数a

二级无功功率共享调节目标确定单元，用于将所有的相邻微电网无功功率比差值相加后，得到二级无功功率共享调节目标如下式：

在上述微电网二级电压控制装置的进一步的实施例中，第二计算部件可以包括：

第三采集单元，用于采集预设微电网的输出电压幅值E

具体的，上述控制装置的控制原理可以采用如下公式组合来确定：

其中，s

为了提高控制性能，在上述微电网二级电压控制装置实施例的基础上，还可以包括领导者和跟随者确定单元，用于选择其中的一个微电网作为领导者微电网，其他的微电网作为跟随者微电网，将领导者微电网的第一加权系数设置为非零，第二加权系数设置为零以实现二级电压调节目标，并且将跟随者微电网的第一加权系数设置为零，第二加权系数设置为非零以实现二级无功功率共享调节目标。

具体的，领导者DG(例如DG

本发明提供的一种计算机设备的实施例如图7所示，图7为本发明提供的一种计算机设备的实施例的示意图，该计算机设备可以包括：

存储器701，用于存储计算机程序；

处理器702，用于执行计算机程序时实现如上面任一种微电网二级电压控制方法的步骤。

本发明提供的一种计算机可读存储介质上存储有计算机程序的实施例中，计算机程序被处理器执行时实现如上面任一种微电网二级电压控制方法的步骤。

本发明提供的上述微电网二级电压控制设备和存储介质，具有与上述方法和装置相同的优点。

基于上述各个实施例提供的方法、装置、计算机设备和存储介质，可以制作出孤岛微电网非线性分布式二级电压控制器DCSM，即DCSM控制器，参考图8，图8为单个DG的DCSM控制体系结构框图，使用相轨迹法来分析系统的稳定性。为了简化分析过程，通过简单的低通滤波器在公式(7)中的输出电压中会产生延迟，然后生成一个动态系统，如下所示：

因此，我们用ΔE

以DG1为例，在孤岛微电网中，参考图9，图9为DG1的DCSM控制系统在相平面中的轨迹示意图，实心圆表示原点，空心矩形表示起点，图9说明了采用DCSM控制器的状态变量ΔE

然后，利用一系列仿真验证上述DCSM控制器的性能，考虑一个并行的多逆变器孤岛微电网，如图10所示，图10为微电网设置示意图，其具有三个DG和一个可变负载，每个DG单元的DCSM控制器在MATLAB/Simulink软件中以数字方式实现(适合在DSP或微控制器中使用)，在稀疏通信下的邻接矩阵A如下所示：

有效性验证包括下面三个部分。在A部分中，通过更改控制增益来演示前述中提出的DCSM二级控制器的性能；B部分显示了通信失败时的鲁棒性；C部分展示了即插即用操作下的灵活性。

A、控制器性能

1)为了验证DCSM控制器在孤岛微电网中的有效性，在10s时增加可变负载10kW/6kVar，在20s时降低负载。如图11所示，图11为下垂控制时的电压幅值和无功功率共享的示意图，图11示出了一级下垂控制的结果，电压偏离参考值，由于线路电抗的差异，每个DG的无功功率无法按比例分配。

2)根据上面的分析，SVRG和SRPSRG是冲突的，为了实现二级无功功率控制，设置DCSM控制器的b

3)为了验证DCSM控制器在SVRG和SRPSRG之间折衷的有效性，设置b

4)为了实现DCSM控制器的最佳折衷，将DG2设置为b

B、通讯失败

为了测试DCSM控制器的鲁棒性，将DG1和DG3之间的通信链接设置为在t＝7.5s时失效，并在t＝15s时恢复。可变负载在10s处添加，在20s处释放。当控制器设置为b

C、即插即用

为了验证DCSM控制器的即插即用功能，首先，在t＝10s时断开DG3的连接，并在t＝20s时将其恢复，DCSM控制器的参数与上面部分相同，结果如图17所示，图17为DCSM控制器在即插即用操作下去掉微电网中的任意DGs的性能的示意图，然后，随机切换20kVar DG4，如图18所示，图18为DCSM控制器在即插即用操作下在微电网中添加任意DGs的性能的示意图，DG4在10s时连接到微电网，并在20s时断开。结果表明，当DG在即插即用过程中和之后切入或切出时，控制器仍可以实现准确的无功功率共享和较小的电压偏差，因此，DCSM控制器具有更好的灵活性。

综上所述，本发明提供的DCSM控制器具有强大的鲁棒性和快速响应能力，可以很好地适应DG和负载的随机性和不确定性，此外，基于稀疏通信下的一致性算法，改进的DCSM控制器还提高了系统灵活性，并在调压和无功共享的冲突目标之间达成了折衷。在MATLAB/Simulink中进行了一系列仿真研究，验证了所提出的DCSM控制器的改进性能，仿真结果表明：在负载变化的情况下，DCSM控制器可以更快地折衷冲突的目标并保持高性能；面对通讯故障，控制器显示出强大的鲁棒性，尽管DG3断开连接，但总线电压和总线频率仍保持良好的调节，这表明了即插即用过程的灵活性。对于将来的工作，可以将非线性控制策略应用于更复杂的电力网络，例如AC/DC混合微电网。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。