一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体是一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法。

背景技术

近些年来，由于微电网中分布式电源的大容量接入因其随机属性对电力系统稳定性产生影响，分析分布式电源控制与微电网稳定性间的关系，分布式电源在微电网中达到高渗透下稳定性提高十分必要。一般来说微电网有两种运行模式：孤岛和并网。在孤岛模式下，微源调节电网的频率和电压，并向负载提供电力。并网模式下，微电网与主互联电网交换功率，由于微电网规模较小，其电压和频率由主电网控制。

为了提高微电网的可靠性，需要采用更先进的控制结构确保微电网的正常运行。微电网的稳定性和效率高度依赖其控制结构，对于控制需要的不同重要性和时间尺度，需要层次控制结构来满足不同控制层次上的要求。微电网的分层控制策略是目前普遍认可的控制方式，广泛应用于交、直流微电网的潮流控制和优化调度。

传统的分层控制中初级控制基于有功-频率和无功-电压下垂控制实现功率分配和电压、频率调整，以及提供虚拟惯性。二级控制主要负责电压和频率的恢复和改善功率分配。二级控制的常用架构是集中式和分布式类型，通信链路用于在分布式电源间数据传输来实现协调运行。集中控制方式需要一个中央控制单元，并且中央控制单元与各个控制设备之间有双向通信链路。但是集中式方法存在“单点故障”缺点，严重降低了系统的可靠性和灵活性。而分布式控制只需要少量的通信链路，不依赖于中央控制单元，它基于一个稀疏通信网络，每个设备可以与相邻设备进行信息交换从而执行控制动作。三级控制通过调节分布式电源的功率来管理公共电网和微电网之间的潮流，达到最优经济运行条件。

文献《Distributed cooperative optimal control architecture for ACmicrogrid with renewable generation and storage》中提出了基于离散一致性算法的分布式协同最优控制方法，第三层控制以多目标优化调度为目标，第二层控制基于离散一致性算法优化频率与电压基准。文献《孤岛微网分层分布式频率调节及功率优化控制》中提出了一种两层分布式控制结构，第二层控制同时实现频率调节和功率优化。当前研究主要针对二次控制频率和电压调节以及三层控制的优化经济调度等方面开展，并未充分考虑微电网中分布式电源的功率裕度与其输出功率对微电网静态稳定的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、为实现微电网的分布式分层控制结构，采用分布式协同控制理论设计分层控制；

对微电网进行小信号建模，系统的小信号动态模型分为基于逆变器的分布式电源、网络和负载三个主要子模块；首先建立各个子模块的小信号模型，然后组合得到整个系统模型；

步骤2、采用分布式分层控制策略，基于初级下垂控制对二次和三次控制进行调整；主要控制目标在有功或者无功负荷波动情况下，分布式电源能够稳定输出功率并完成有功功率和无功功率的精确分配，保证微电网的静态稳定性；

步骤3、采用小信号建模方法分析分层控制策略在系统中稳定性，通过计算系统状态矩阵的特征值，分析在调整下垂系数时对系统稳定性的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过微电网分布式分层控制，第三层控制充分考虑分布式电源的功率裕度和其出力情况，以功率约束为目标计算微电网功率裕度，通过分层协调管理个分布式电源出力，达到微电网稳定性的提高。

(2)本发明在Matlab/Simulink仿真平台搭建了该微电网仿真模型，并通过算例分析验证了所提控制策略的有效性与优良性。

(3)本发明通过小信号稳定性分析评估该控制下微电网动态稳定性，保证系统稳定运行。二次和三次控制采用分布式一致性算法对微电网的频率、电压以及分布式电源出力进行优化，有效的响应负荷功率变化，能保证功率输出稳定，满足负荷需求。

附图说明

图1为本发明所使用的分布式分层控制结构；

图2为本发明所使用的微电网三个子模块框图；

图3为本发明所使用的公共参考坐标系；

图4为本发明的微电网特征值谱；

图5为本发明在下垂系数kp增加时特征值变化情况；

图6为本发明在下垂系数kq增加时特征值变化情况；

图7为本发明在增加负荷时频率变化情况；

图8为本发明在增加负荷时电压变化情况；

图9为本发明在增加负荷时各分布式电源有功功率变化情况；

图10为本发明在增加负荷时各分布式电源无功功率变化情况。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于分布式分层控制的微电网稳定性优化方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、为实现微电网的分布式分层控制结构(如图1所示)，采用分布式协同控制理论设计分层控制：以有向图为模型的稀疏通信网络为基础，假设每个节点i都有一个状态变量x

式(1)中，

当相邻两个节点之间有状态差时，可以通过更新规则使状态差收敛直到趋于一致，并且最终收敛结果可以作为系统中状态量初始值的平均值：

式(2)中，x

该更新规则表明：当节点i和节点j之间存在状态差量时，可以通过更新状态使其与相邻节点状态一致，适用于二次控制层的消除初级控制存在的频率和电压偏差以及三层控制层中调整各分布式电源出力情况，可以实现该微电网的控制目标；

对微电网进行小信号建模，系统的小信号动态模型分为基于逆变器的分布式电源、网络和负载三个主要子模块(如图2所示)；首先建立各个子模块的小信号模型，然后组合得到整个系统模型；

为了在公共参考坐标系上获得完整的微电网模型，将第一个逆变器坐标系作为公共参考坐标系，如图3所示；D-Q轴是以公共参考频率ω

式(3)中，f

单个逆变器控制包括功率控制器、下垂控制和电压电流控制；LCL滤波器用于抑制高频次谐波并平滑注入电流；下垂控制器确保功率共享，电压和电流控制器保证输出电压跟踪参考电压；

将逆变器等效为理想电压源，利用电路定律、Park变换和泰勒级数线性化对其进行小信号建模，如式(4)所示：

式(4)中，i

为了建立全局参考系下的微电网模型，选择第一个逆变器参考系作为全局参考坐标系，定义每个逆变器的角度为：

式(5)和式(6)中，δ、P和Q为逆变器的电压相角、输出有功功率和无功功率；k

采用PI控制的电压电流双闭环控制回路，进一步改善系统的动态响应；电压控制器状态空间模型如式(7)所示：

电流控制器状态空间模型如式(8)所示：

式(7)和式(8)中，

将上述状态空间模型相结合，得到逆变器完整状态空间小信号模型；每个逆变器共有13个状态，3个输入和2个输出，如式(9)所示：

式(9)中，状态变量矩阵

在传统电力系统分析小信号模型时由于旋转设备控制时间常数远大于线路时间常数，可以忽略线路动态；在微电网中逆变器响应时间很小，线路动态会影响系统的稳定性；和逆变器接口建模相似，线路和负载的小信号模型如式(10)和式(11)所示：

式(10)和式(11)中，i

母线电压作为线路、负载和逆变器的输入，需要更好的定义母线电压；在母线电压接地之间假设有个虚拟电阻r

[Δv

式(12)中，v

通过各个子系统模型获得完整的微电网小信号状态空间模型，从而得到系统状态矩阵，如式(13)所示：

利用状态矩阵A

步骤2、采用分布式分层控制策略，基于初级下垂控制对二次和三次控制进行调整；主要控制目标在有功或者无功负荷波动情况下，分布式电源能够稳定输出功率并完成有功功率和无功功率的精确分配，保证微电网的静态稳定性；

该层对各分布式电源采用下垂控制，包括功率控制器、电压电流控制器；功率控制器根据功率下垂特性得到频率和电压参考值：

ω

v

式(14)和式(15)中，ω

在零输出情况下，式(14)和式(15)可以改写成：

ω

v

式(16)和式(17)中，ω

对各分布式电源输出功率进行合理分配，需要调整下垂系数来实现；互相并联的分布式电源输出频率和电压需相等，即：

k

k

式(18)和(19)中，K

为了使各分布式电源的频率和电压达到系统额定角频率和电压值，需要补偿一次控制存在的频率和电压偏差；二次控制确保负荷变动或者输出功率变化后分布式电源频率和电压偏差可以调整为零；如前所述基于一致性算法的分布式控制通过估算电压和频率的平均值得到补偿量，使得各分布式电源在独立调节电压和频率时保持补偿量一致，功率均衡控制；

该频率与电压补偿量表示为：

式(20)和式(21)中，Δω、Δv和Δω

经过一致性算法可将分布式电源输出功率收敛为平均值，如式(22)和式(23)所示：

最终得到频率与电压补偿量为：

式(24)和式(25)中，P

三次控制目的是优化微电网的运行；该层的控制目标是增大分布式电源功率裕度，并在响应负荷变化中优化功率分配，使各分布式电源的出力达到最大，提高微电网整体的静态稳定性；由于频率和电压动态恢复速度较快，三次控制过程中可以将频率和电压考虑为稳态情况；

分层控制重点关注该交流微电网的稳定性问题，微电网中各分布式电源容量不同，响应负荷变化的功率输出也不同；若存在一些分布式电源运行在最大功率点而其他分布式电源出力较低，则会出现难以响应负荷变化等扰动情况，甚至会影响分布式电源的寿命和发电效率；采用分布式三次控制可以实现各分布式电源协调功率分配功能，通过计算微电网功率裕度在各单元功率约束下进行更加合理有效分配；下面以有功功率为例分析三次控制过程，无功功率同理；

功率平衡约束：

分布式电源输出功率上下限：

P

式(26)和式(27)中，P

为了达到更好的微电网功率裕度，各分布式电源的实际输出功率与最大功率点之间裕量作为其功率可调量；分布式电源根据负荷发生变化情况进行功率重新分配并能保证稳定功率输出，使用一致性算法估算微电网功率裕度；

功率可调量为：

P

最终得到微电网功率裕度为：

P

式(28)-式(31)中，P

根据上述功率平衡约束可知，负荷增加会影响分布式电源的出力；而三次控制层的目标就是运行在不同功率点的分布式电源响应负荷变化时输出功率可以及时按比例进行分配，保证微电网功率输出稳定即静态稳定性；分布式电源之间通过通信进行信息交换，将负荷变化测量值信息传递给分布式电源，再经本层控制调整分布式电源的输出功率；为了得到响应负荷变化输出功率和微电网功率裕度关系，引入响应负荷比L；

式(32)中，L

每个分布式电源的功率裕度不同，承担负荷变化的功率可以根据功率裕度的大小分配；上式中功率裕度大的分布式电源承担负荷变化功率多，可以转化为响应负荷比趋于一致实现目标；为此，使用分布式一致性算法将响应负荷比收敛为一致值，如式(33)和(34)所示：

式(34)中，L

当响应负荷比收敛一致时，可以求出各分布式电源输出功率调整量ΔP

ΔP

负荷变化时更新一次控制中下垂系数：

式(36)中，K

将调整后的下垂系数经过一次控制层实现功率比例分配并输出稳定，能够有效提高微电网的静态稳定；

步骤3、采用小信号建模方法分析分层控制策略在系统中稳定性，通过计算系统状态矩阵的特征值，分析在调整下垂系数时对系统稳定性的影响。系统的控制参数如表1所示；

表1

由图4可以看出系统在初始状态下的特征值分布，可以看到所有特征值的实部为负即所有特征值都位于左半平面，初始状态的系统是稳定的；虚轴附近的低频特征值是系统稳定性关键的特征值，而实轴附近的低频特征值会影响系统的动态性能；负荷变化引起微电网输出功率变化，需要调整下垂系数保持系统输出功率的持续稳定，下垂系数调整过程会影响系统关键低频特征值变化，影响系统稳定性；

经过下垂系数的调整，微电网特征值变化如图5和图6所示。由图5可以看到，随着下垂系数kp增加，主要特征值逐渐远离实轴提高了系统动态性能，同时靠近虚轴，系统逐渐不稳定。由图6可以看出，下垂系数kq增加对系统动态性能影响较小，但会使系统走向不稳定；因此保持下垂系数在一定范围内调整就可以保证微电网系统的稳定性；通过对微电网稳定性分析以及动态评估进一步分析分布式分层控制策略的可行性；

为验证所提控制策略有效性，在MATLAB仿真平台上搭建交流微电网的仿真模型；该微电网系统由3个分布式电源组成，DG1、DG2和DG3的最大输出有功功率为7kW，4kW和2kW，最大输出无功功率为7kvar，4kvar和2kvar；各个分布式电源的仿真参数如表2所示；

表2

设置系统仿真时间为：0～5s，在0～2s初始阶段微电网有功负荷为8kW，无功负荷为8kvar，经过初级控制的功率分配比例为4:3:1；2s时刻系统增加有功负荷4kW，无功负荷4kvar；仿真过程中系统的频率、电压以及功率变化分析如下：

由图7可以看到，初始时刻有功功率达到额定值，系统频率稳定在额定值50Hz附近；2s时有功负荷增加，初级下垂控制为有差调节，频率会下降偏离额定值，此时经过分布式二次控制的频率偏差补偿后系统频率恢复到50.02Hz；而由图8可以看出表明系统电压在无功功率增加也会出现偏差，经过电压补偿控制可将其恢复到额定值311V；

DG1～DG3在初始情况时经初级控制按4:3:1比例实现8kW有功功率分配。负荷功率增加后仅采用初级控制比例分配功率，DG1～DG3理想状态下分别承担6kW、4.5kW和1.5kW有功功率，此时DG2超过其最大输出功率4kW。这种情况导致微电网无法满足负荷功率增加需求并且影响系统稳定性。

微电网采用分布式三次功率控制后各分布式电源输出功率变化如图9所示。0～2s时DG1～DG3根据比例4:3:1输出功率分别是4086W，2950W和962W。2s时增加负荷有功功率4kW，此时基于分布式电源功率裕度进行功率调整，并更新调整下垂系数进行功率重新合理分配，保证分布式电源出力稳定。经过调整优化后的DG1～DG3输出功率变为6427W，3872W，1703W，调整后的分配比例变为5:2:1。

微电网的无功功率输出与有功类似，如图10所示。无功负荷增加时初级控制作用下的分布式电源并不能实现功率最优分配，采用分布式三次控制调整无功下垂系数进行无功功率合理分配，尽可能保证每个分布式电源出力最大化，实现微电网整体功率裕度提高。

由仿真结果可知，采用该分布式分层控制策略最主要目标是优化分布式电源出力，提高微电网功率裕度从而提高微电网静态稳定性。同时系统频率和电压能够实现无差调节保证频率和电压稳定性。

本发明未述及之处适用于现有技术。