基于事件觸發機制的微網分層采樣分布式協調控制方法與流程

本發明涉及微電網多發電機協調控制領域，尤其涉及一種基于事件觸發機制的分布式協調控制方法。

背景技術：

近年來，微電網(簡稱微網)為分布式發電提供了一種有效的解決方式。通常，在微網中廣泛使用了可再生能源來降低對環境的負面影響。這些可再生能源包括小型發動機，光伏電池，生物燃料，風能發電機等等。微網通過有機的組織，將這些不同的能源系統納入到一個統一的網絡中，來對用戶提供可靠的電力。通常，微網可以運行在獨立工作模式，也可以通過pcc接入主網并工作在并網模式下。

當前，微網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種類型。集中式控制需要有中央控制器來收集各逆變器信息，并統一下發控制指令。當逆變器數量較多時，需要的通信和計算成本高昂，可擴展性很差。分散式控制中每個逆變器在本地完成信息采集、計算和控制，但逆變器之間缺少信息交互，從而很難實現如電壓、頻率同步、功率分配等協調控制任務。鑒于微網中的分布式逆變器通常分布于不同的物理位置，為保證整個網絡的穩定性、安全性和可擴展性，使用分布式的控制和管理方法成為一種很好的選擇。

為完成微網中不同逆變器之間的協調控制，各逆變器之間需要有必要的信息交互，而通過無線網絡進行信息交互能大大增強系統的可擴展性。然而，當網絡中逆變器節點增多時，無線通信的代價增高，不僅通信壓力將增大，隨之而來的信息計算與處理的成本也將大大增加。這些因素會嚴重影響微網的穩定和安全。

與本發明相關的現有技術一--一種以大電網為虛擬儲能的微電網功率平衡控制方法(專利公布號：cn103354643a)，該方法是以與微電網連接的大電網為虛擬儲能系統，當微電網內分布式電源供電功率不足時，從大電網中吸收功率為微電網負荷供電；當微電網內分布式電源供電功率超出微電網內部所需功率時，通過微電網功率調節系統，控制分布式電源的出力，從而使得微電網內分布式電源流向大電網的輸出功率低于設定閾值。該方法沒有對微網中功率如何分配進行說明,沒有對系統的穩定性作出證明。

與本發明相關的現有技術二--一種微電網功率下垂控制方法(專利公布號：cn106300431a)，該方法構建了p-ω和q-v下垂控制器及三相并網逆變器系統。將參考電壓與實際電壓作差得到誤差電壓值，經pi調節器將輸出信號經過svpwm調制生成pwm脈沖波，使三相并網逆變系統并網發電。并網運行時，無功功率可控制為零，即逆變器不輸出無功功率。該方法的缺點是沒有實現對有功功率和無功功率的同時調節；系統的實時性要求高，通信量很大。

與本發明相關的現有技術三--一種交直流混合微電網功率平衡控制方法(專利公布號：cn106451572a)，該發明給出在因電網發生故障引起電壓跌落時，接口變換器可根據直流電壓的上升程度來相應降低交流子網的電壓幅值。電源逆變器根據交流子網的電壓幅值的降低來相應減小輸出功率，以使系統的有功功率達到平衡。該技術方案中沒有實現精確的電壓和頻率跟蹤，并且由于包含直流和交流，控制過程較復雜。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供了一種實現精確的電壓和頻率跟蹤、相位同步、有功功率和無功功率分配等協調控制任務的基于事件觸發機制的微網分層采樣分布式協調控制方法。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：一種基于事件觸發機制的微網分層采樣分布式協調控制方法，微網中的各種分布式發電設備通過直流濾波電路接入逆變器，逆變器通過交流濾波電路進行濾波后接入微網母線，，對每個逆變器i編號，i∈{1,2,...,n}，其特征在于，每個逆變器i采用分層控制方式實現對微網有功功率、無功功率的調節，其中分層控制方式具體包括：上層協調控制、底層下垂控制；

(1)上層協調控制

上層協調控制包括通信模塊、協調控制設定、事件觸發采樣，且第i個逆變器以及與第i個逆變器有通信聯系的鄰居逆變器的事件觸發采樣狀態接入到通信模塊中；通信模塊的輸出端連接到事件觸發采樣，且事件觸發采樣的輸出端連接到通信模塊，每個逆變器i通過通信模塊與鄰居逆變器j通信，并且它們之間的通信是雙向的，每個逆變器i配備事件觸發采樣作為上層協調控制，上層協調控制根據微網的需求給底層下垂控制器下發下垂控制設定點；

(2)底層下垂控制

底層下垂控制包括下垂控制器、逆變器、周期采樣，通過上層協調控制設定底層下垂控制設定點；下垂控制器的輸出端連接到逆變器，逆變器的輸出端分別連接到微網母線和周期采樣中，周期采樣的狀態分別發送到底層下垂控制器和上層事件觸發采樣中；

周期采用對逆變器i輸出端的以下狀態進行周期采樣：

vi：第i個逆變器輸出端的基波電壓；

ωi：第i個逆變器輸出端的頻率；

pi：第i個逆變器輸出端的有功功率；

qi：第i個逆變器輸出端的無功功率；

將周期采樣的信號傳送給底層下垂控制器和上層事件觸發采樣中判斷：當事件觸發采樣條件滿足時，對逆變器的周期采樣狀態信號進行非均勻采樣，通過通信模塊將與逆變器i有通信聯系的鄰居逆變器的狀態采集過來，并更新逆變器i的控制輸入ui(t)，同時，根據微網的需求下發下垂控制設定點給底層下垂控制器，每個底層下垂控制器根據接收來的周期采樣數據和上層事件觸發采樣下發的下垂控制設定點進行下垂控制，調節逆變器輸出的電壓vi和頻率ωi。

優化的，下垂控制按照以下方法進行：

其中分別是逆變器輸出的額定頻率和額定有功功率，是有功功率下垂控制的下垂系數，ωi，pi分別是逆變器實際輸出的頻率和有功功率；vi^*，分別是逆變器輸出的額定電壓和額定無功功率，是無功功率下垂控制的下垂系數，vi，qi分別是逆變器實際輸出的電壓和無功功率。

優化的，有功功率與無功功率的控制過程是相同的，以下以無功功率作為控制對象設計上層協調控制合適的控制輸入ui(t)：

定義1：無功功率qi(t)的權重無功功率為：

其中χi∈(0,1]是無功功率qi(t)的分配權重；

定義2：系統的量測狀態yi(t)為：

其中ni是與逆變器i有通信聯系的所有其它逆變器組成的集合；

則在一個周期性采樣周期中量測狀態yi(mh)為：

其中qi(mh)表示離散的周期采樣狀態，h表示底層的采樣周期，且m∈{0,1,2,...}；

定義3：量測狀態的測量誤差ei(mh)為：

其中為第i逆變器的第k個觸發時刻，表示第i逆變器的第k次觸發(同理)；當考慮步長為時，(6)式改寫為：

設定系統狀態更新的動力學方程為：

其中ui(t)是系統的控制輸入；取控制輸入ui(t)為：

其中ki∈(0,5)是選取的一個合適的反饋增益系數。

優化的，以下以無功功率作為控制對象設計上層協調控制的事件觸發采樣機制：

選取lyapunov函數其中l是系統通信圖的laplace矩陣；并基于此lyapunov函數設計系統的事件觸發時刻序列

其中n⁺表示正整數集合；

對狀態qi(t)進行周期性采樣，生成采樣數據狀態qi(mh)，并報送到事件觸發采樣并根據(10)式判定是否觸發非均勻采樣，事件觸發采樣由通信模塊接收由鄰居逆變器傳來的非均勻采樣狀態且和本地周期性采樣狀態數據qi(mh)一起進入事件觸發采樣中，當不等式條件(10)滿足時，對逆變器的狀態qi(mh)進行非均勻采樣，生成事件觸發狀態將狀態傳遞給逆變器i的鄰居逆變器，并更新控制輸入ui(t)，再由相應的執行器作用于逆變器，達到控制的目的；否則，不進行非均勻采樣，一直等待到下個觸發時刻的生成。

優化的，該基于事件觸發機制的微網分層采樣分布式協調控制方法，還包括證明系統的穩定性的步驟，包括：

由(8)，(9)兩式可得：

則考慮權重狀態的動態，可得

其中ξi＝ki/χi；則

其中u(t)＝col(ui(t))，y(t)＝col(yi(t))，e(t)＝col(ei(t))；

取lyapunov函數

其中l是根據代數圖論知識得到的系統的laplace矩陣；對該lyapunov函數對時間進行求導可得：

由于采樣和控制輸入的零階保持特性，可得

則

因為t∈[mh,mh+h)，所以t-mh≤h；因此(17)式可寫為：

由于(18)式可改寫為：

利用以下不等式

可得

其中λn是laplace矩陣l的最大特征值；為了使令下列不等式成立

將(23)式帶入到(22)式中，可得

其中選擇合適的參數ξ，βmax，使得下列不等式成立

可得，

由(25)式可得

由(26)式可知，系統是穩定的；因此，根據(23)式所設計的事件觸發條件(10)式是可行的，并且能保證系統是穩定的。

本發明相比現有技術具有以下優點：利用該方法可以實現微網中信號的周期性均勻采樣和非均勻采樣雙層架構，利用事件觸發通信的方式實現多逆變器間按需信息交流，從而以較低的信息交互代價實現精確的電壓和頻率跟蹤、相位同步、有功功率和無功功率分配等協調控制任務。

附圖說明

圖1為本發明單個逆變器分層采樣控制結構圖。

圖2為本發明算法流程圖。

圖3為本發明中逆變器的通信交流圖及通信交流圖對應的laplace矩陣l。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

對微網中的各種分布式發電設備通過直流濾波電路接入逆變器，逆變器通過交流濾波電路進行濾波后接入微網母線，微網中的每個逆變器有且僅有一個唯一的編號，為方便描述，對每個逆變器i編號，i∈{1,2,...,n}。

如圖1，每個逆變器i采用分層控制方式實現對微網有功功率、無功功率的調節，其中分層控制方式具體包括：上層協調控制、底層下垂控制。

1.上層協調控制

上層協調控制包括通信模塊、協調控制設定、事件觸發采樣，其中協調控制設定、事件觸發采樣組成事件觸發控制器，且第i個逆變器以及與第i個逆變器有通信聯系的鄰居逆變器的事件觸發采樣狀態接入到通信模塊中；通信模塊的輸出端連接到事件觸發采樣，且事件觸發采樣的輸出端連接到通信模塊。每個逆變器i通過通信模塊與鄰居逆變器j通信，并且它們之間的通信是雙向的(如圖3)。每個逆變器i配備事件觸發控制器作為上層協調控制，其事件觸發時刻為為第i個逆變器的第k+1次觸發且k∈{0,1,2,...}，h是采樣周期。同時，上層協調控制根據微網的需求給底層下垂控制器下發下垂控制設定點。

2.底層下垂控制

底層下垂控制包括下垂控制器、逆變器、周期采樣，通過上層協調控制設定底層下垂控制設定點vi^*，下垂控制器的輸出端連接到逆變器，逆變器的輸出端分別連接到微網母線和周期采樣中，周期采樣的狀態分別發送到底層下垂控制器和上層事件觸發采樣中。

下垂控制按照以下方法進行：

其中分別是逆變器輸出的額定頻率和額定有功功率，是有功功率下垂控制的下垂系數，ωi，pi分別是逆變器實際輸出的頻率和有功功率；vi^*，分別是逆變器輸出的額定電壓和額定無功功率，是無功功率下垂控制的下垂系數，vi，qi分別是逆變器實際輸出的電壓和無功功率；

每個逆變器i在本地實現內環電壓和電流控制，外環采用下垂控制方式進行控制。

周期采用對逆變器i輸出端的以下狀態進行周期采樣：

vi：第i個逆變器輸出端的基波電壓；

ωi：第i個逆變器輸出端的頻率；

pi：第i個逆變器輸出端的有功功率；

qi：第i個逆變器輸出端的無功功率；

將周期采樣的信號傳送給底層下垂控制器和上層事件觸發采樣中判斷：當事件觸發采樣條件滿足時，對逆變器的周期采樣狀態信號進行非均勻采樣，通過通信模塊將與逆變器i有通信聯系的鄰居逆變器的狀態采集過來，并更新逆變器i的控制輸入。同時，根據微網的需求下發下垂控制設定點給底層下垂控制器，每個底層下垂控制器根據接收來的周期采樣數據和上層事件觸發采樣下發的下垂控制設定點進行下垂控制，調節逆變器輸出的電壓vi和頻率ωi。

上層協調控制負責逆變器間的相互通信、事件觸發采樣，并對逆變器i的功率pi，qi進行分配，以及根據控制要求下發合適的底層下垂控制設定點vi^*，底層下垂控制根據下發的下垂控制設定點及周期采樣的狀態調整逆變器i輸出的電壓vi和頻率ωi，最后將逆變器接入到微網母線中。

采用事件觸發控制的優點在于：該方式在周期性采樣減少信息處理和通信成本的基礎上，進一步降低逆變器之間的通信量，提高穩定性和安全性；本發明利用事件觸發協調控制和局部下垂控制相結合的分層控制的方法，該方法對于電壓和頻率跟蹤，有功功率和無功功率分配等協調控制任務均能勝任。

由于有功功率與無功功率的控制過程是相同的，所以以下以無功功率作為控制對象設計上層協調控制合適的控制輸入ui(t)和事件觸發采樣機制：

定義1：無功功率qi(t)的權重無功功率為：

其中χi∈(0,1]是無功功率qi(t)的分配權重；

定義2：系統的量測狀態yi(t)為：

其中ni是與逆變器i有通信聯系的所有其它逆變器組成的集合；

則在一個周期性采樣周期中量測狀態yi(mh)為：

其中qi(mh)表示離散的周期采樣狀態，h表示底層的采樣周期，且m∈{0,1,2,...}；

定義3：量測狀態的測量誤差ei(mh)為：

其中為第i逆變器的第k個觸發時刻，表示第i逆變器的第k次觸發(同理)；當考慮步長為時，(6)式可改寫為：

設定系統狀態更新的動力學方程為：

其中ui(t)是系統的控制輸入；取控制輸入ui(t)為：

其中ki∈(0,5)是選取的一個合適的反饋增益系數；

選取lyapunov函數其中

l是系統通信圖的laplace矩陣，l的取值如圖3；并基于此lyapunov函數設計系統的事件觸發時刻序列

其中n⁺表示正整數集合；

對狀態qi(t)進行周期性采樣，生成采樣數據狀態qi(mh)，并報送到事件觸發采樣并根據(10)式判定是否觸發非均勻采樣。事件觸發采樣由通信模塊接收由鄰居逆變器傳來的非均勻采樣狀態且和本地周期性采樣狀態數據qi(mh)一起進入事件觸發采樣中。

當不等式條件(10)滿足時，對逆變器的狀態qi(mh)進行非均勻采樣，生成事件觸發狀態將狀態傳遞給逆變器i的鄰居逆變器，并更新控制輸入ui(t)，再由相應的執行器作用于逆變器，達到控制的目的；否則，不進行非均勻采樣，一直等待到下個觸發時刻的生成。

事件觸發采樣中根據周期性采樣狀態qi(mh)，事件觸發非均勻采樣狀態以及鄰居事件觸發狀態生成本逆變器的下垂控制設定點，用于當前逆變器下垂控制，從而實現多個逆變器之間的協調。

綜上所述，當(10)式成立時，可使得則可得limt→∞y(t)＝0且系統是漸進穩定的；因為其中l是系統圖的laplace矩陣，所以l特征值為0的特征向量為1n；因此，當且僅當收斂于α1n時，limt→∞y(t)＝0成立；所以即所有的逆變器將實現無功功率按比率漸進地分配。

以下結合圖2和以上給出的無功功率調節實例，簡述本發明的控制算法：

1.該實例中，我們考慮一個由6個逆變器組成的微網，即n＝6。為表達方便，每個逆變器賦予一個唯一的編號i，i∈{1,2,...,6}；

2.設置算法中的參數，取其中sⁿ＝(0.54,0.72,0.34,0.66,0.45,0.26)sbase是標稱額定功率，sbase是分配的基準功率；ki∈(0,5)，βi＝0.5，βmax＝0.5，ξ＝2，λn＝5，h＝0.01s；3.對無功功率qi(t)進行周期采樣，得離散的周期采樣狀態qi(mh)；

4.將步驟3得到的qi(mh)代入到事件觸發條件(10)中計算，并進行如下的判斷及操作：

當不等式(10)式成立是，執行步驟5；否則，不執行步驟5，繼續計算(10)式，直到(10)式成立時才執行步驟5；

5.對狀態qi(mh)進行非均勻采樣，得事件觸發采樣狀態

6.由步驟5所得的事件觸發采樣狀態代入到所設計的控制輸入(9)式計算并更新控制輸入ui(t)，并根據微網的需求給底層下垂控制器下發下垂控制設定點；

7.底層下垂控制器根據步驟6中下發的下垂控制設定點對逆變器i進行下垂控制；

8.返回步驟4，繼續按上述步驟運行。

以下對系統的穩定性進行證明：

由(8)，(9)兩式可得：

則考慮權重狀態的動態，可得

其中ξi＝ki/χi；則

其中u(t)＝col(ui(t))，y(t)＝col(yi(t))，e(t)＝col(ei(t))；

取lyapunov函數

其中l是根據代數圖論知識得到的系統的laplace矩陣(如圖3)；對該lyapunov函數對時間進行求導可得：

由于采樣和控制輸入的零階保持特性，可得

則

因為t∈[mh,mh+h)，所以t-mh≤h；因此(17)式可寫為：

由于(18)式可改寫為：

利用以下不等式

可得

其中λn是laplace矩陣l的最大特征值；為了使令下列不等式成立

將(23)式帶入到(22)式中，可得

其中選擇合適的參數ξ，βmax，使得下列不等式成立

可得，

由(25)式可得

由(26)式可知，系統是穩定的；因此，根據(23)式所設計的事件觸發條件(10)式是可行的，并且能保證系統是穩定的。

以上的設計原理，方法應理解為對本發明的進一步解釋，而不用于限定本發明。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。