[发明专利]基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法

权利要求书

1.基于分布式协同控制的微网功率平衡和环流抑制控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据孤岛型微网组成单元及其之间的电力电子特性，得到含有n个并联逆变型微源的等效电路图；

步骤二：分析和得出抑制逆变器之间环流的条件；

步骤三：根据上述步骤所做的逆变器之间的环流分析以及实现控制目标需要满足的条件，建立基于分布式协同控制的分层控制架构；

步骤四：建立基于消息框架的交互式复合通信机制，实现系统的无缝通信；

步骤五：针对上述建立的基于分布式通信的分层控制架构，确定一级控制层分布式微源基于下垂控制的补偿参数；

步骤六：根据一级控制层的电力电子输出特性，基于分布式一致性算法设计二级控制层即协同控制层的补偿控制器，实现孤岛型微网多逆变器的功率均衡和环流抑制；

步骤一所述的n个并联逆变型微源的等效电路图由n个逆变型微源单元、n个等效线路阻抗和一个公共负载组成，每一个逆变型微源单元包含有一个主要的发电单元、一个三相逆变器和一个LCL滤波器；其中，Z_n表示全等效阻抗，包括第n个逆变型微源单元的阻抗和其到公共母线的线路阻抗；θ_n是Z_n的等效相角；E_n是逆变器n的输出电压.φ_n是逆变器n的功率角；I_n是逆变器n的输出电流，U_pcc为公共母线电压；

步骤二的分析和得出抑制逆变器之间环流的条件具体为：

当有n个逆变型微源并联运行时，为了保证功率均分和逆变器间无环流出现，每一个逆变型单元的输出电流应满足下面的式子

对于逆变器n得到下面的式子：

I_nZ_n(cosθ_n+jsinθ_n)+U_pcc＝E_n(cosφ_n+jsinφ_n) (2)

根据dq变换，逆变器n的输出电流I_n分成两个部分：有功电流I_dn和无功电流I_qn,分别用下面的式子表示：

采用下垂控制技术，加入虚拟电感来解决线路阻抗问题，θ_n＝90°，定义逆变型微源单元n的等效输出阻抗Z_n∠θ_n＝R_n+jX_n,那么式子(3)则写成

而在实际系统中功率角φ_n一般很小,所以有下面的近似cosφ_n≈1和sinφ_n≈φ_n.那么式子(4)进一步写成

从式子(5)中看出，有功电流I_dn通过控制功率角φ_n来控制，无功电流I_qn由逆变器输出电压和公共母线之间的电压差来调节，基于相角和电压的动态特性以及它们与有功电流和无功电流之间的关系，进一步得到下面基于电流的下垂控制方程

其中，是参考频率,是逆变器n的参考输出电压.逆变器n的参考输出有功电流,是逆变器n的参考输出无功电流.m_n和n_n分别是二者的下垂系数；I_dn是逆变器n输出有功电流的实际值，I_qn是逆变器n输出无功电流的实际值；

为了保证系统频率跟踪参考值，并同时在逆变型微源单元参数不一致的情况下实现功率均衡和环流抑制，需要设计控制器去补偿参数不平衡所带来的电压偏差，以保证每个逆变器的输出电流一样，即式子(1)需要满足，防止逆变器间环流的发生，从基于电流的下垂控制特性方程(6)可知，逆变器n的输出电流实际测量值要跟踪参考值，因此，为了防止环流，方程(6)的参考值应该被设置如下：

其中是逆变器n的参考输出有功电流是逆变器n的参考输出无功电流，期望值取负载电流的平均值，保证每个逆变器的输出电流一样，I_{d_load}是负载总的有功电流，I_{q_load}是负载总的无功电流；实际情况中，n个逆变器的有功电流和无功电流还满足下面的式子：

所以，为了实现电流均分，达到功率均衡和环流抑制的目的，需要设计相应的二级控制器，保证每个逆变器的输出电流的测量值跟踪期望值，如下式所示

步骤五具体为：两级分层控制架构中的第一级是基于下垂控制特性的逆变器控制单元，包含dc/ac逆变器、LCL滤波器、电流测量单元、基于电流的下垂控制器、电压和电流双闭环控制回路，逆变器的输出经过一个LCL滤波器防止高频干扰，为了准确的达到功率均衡和实现逆变器之间的环流抑制，采用基于电流的下垂控制器，因此，这里用电流测量单元取代了传统的功率测量单元将测量值转换为dq坐标系的值，电流测量单元的输出发送到基于电流的下垂控制器中，下垂控制器的输出被作为电压和电流双闭环控制器的参考值；

步骤六所述的一致性算法的特性，对于每一个逆变型微源的任何一个关心的参数变量，都能够通过一致性算法使各个逆变型微源某一参数的值最终保持一致，通过不断的采集周围相邻个体的参数信息，根据自身参数值和相邻个体参数值的差，不断调节自身值，最终使自身值和周围个体的参数值操持一致，式子(10)是该算法的基本描述

其中x_i(t)和x_j(t)分别是逆变型微源单元i和逆变型微源单元j所关心的变量，j∈{1,Kn}代表了和逆变型微源单元i连接的所有微源，a_ij是加权变量，用来表示系统中各个单元不同的分量，由于各个微源分量一样，因此有a_ij＝a_ji＝1,i,j∈{1,Kn}；

采用基于上述一致性算法的分布式协同控制策略补偿由一级控制中基于电流的下垂控制所导致的逆变器电压和频率的跟踪偏差，定义二级控制层的控制输出即作为一级控制层的控制输入为这个控制量将作用到一级控制层，因此，加入补偿控制量后，将基于电流的下垂控制方程进一步改进为：

其中和分别是一级控制中频率和电压偏差的补偿值，m_n和n_n分别是二者的下垂系数；基于上述由式子(10)表示的一致性算法的原理，以及电压和电流之间的关系，将和的设计方法表述成下面的式子

其中和是相应的控制器增益ΔI_dn和ΔI_qn分别是经过通信机制得到的有功电流的输出偏差和无功电流的输出偏差，此偏差是本地逆变器n的输出电流和与其相连逆变器电流的偏差，如下式所示

当基于一致性算法的分布式协同控制器工作时，逆变器n的有功电流输出偏差ΔI_dn和无功电流输出偏差ΔI_qn将会趋近与0，即ΔI_dn＝ΔI_qj＝0和ΔI_qn＝ΔI_qj＝0无偏差发生；在这个趋于一致性的过程中，二级补偿控制器的输出和连续不断的帮助基于下垂控制的一级控制层抑制环流最终当和时完成了精确的功率分配和环流抑制。