基于背靠背变流器的环形柔性互联微网群的有功均分控制方法

1.本发明涉及柔性互联微网群的分层协同恢复控制领域，具体指一种针对背靠背变流器环形柔性互联微网群的有功均分控制方法。


背景技术：

2.将多个地理位置上毗邻的微网(microgrid，mg)互联构成微网群(microgrid cluster，mgc)方式运行，是消纳分布式电源(distributed generation，dg)的有效方式之一，也是提升偏远山区、海岛地区乃至城市配电网末端供电可靠性的有效途径。同时，背靠背变流器型(back-to-back converter，btbc)柔性多状态开关(flexible multi-state switch，fmss)作为一种新兴的互联方案由于具备扰动隔离效果好、调节能力强以及故障恢复快等优势，已成为解决多微网互联集成问题的全新选择。然而考虑到背靠背变流器设备的非线性受控源特性，与常规阻抗互联的微网群相比，柔性互联微网各微网单元间不再遵从阻抗线路的功率传输规律，电网运行频率从全局退化为局部变量，不同微网单元可异步运行于不同频率。在异步互联特性影响下，各微网单元间无法形成有效的“频率信号”传递，各微网单元的频率扰动平抑任务只能由区域内的发电设备独自承担，集群层面的分布式电源有功按容量比率出力的均分控制目标难以实现。
3.在传统下垂控制方法作用下，各微网单元内部可自动实现各分布式电源的有功均分控制目标，但在没有合理给定背靠背变流器设备传输指令的前提下，不同微网单元之间的有功均分比率并不相同，即各微网单元的负载率水平不同。可能会导致部分小容量微网单元在负荷突增情况下出现暂态失稳情况，严重威胁柔性互联微网群的稳定性。因此，如何有效计算各背靠背变流器传输功率指令，并保证负荷变化下柔性互联微网群中各分布式电源输出有功功率仍能够精确按下垂系数(最大容量)合理分配是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有背靠背变流器柔性互联微网群有功均分控制存在的问题，本发明提出一种基于背靠背变流器的环形柔性互联微网群的有功均分控制方法，以期能实现各微网单元间的扰动均担和出力均衡，最终达成微网群所有分布式电源有功按容量均分比率一致的目标，从而能保证孤立柔性互联微网群的安全稳定运行。
5.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
6.本发明一种基于背靠背变流器的环形柔性互联微网群的有功均分控制方法的特点也在于，包括以下步骤：
7.s1：将环形柔性互联微网群中的n个微网单元分别与n个背靠背变流器对应连接后再首尾相连并构成环形结构；以微网单元作为点，以背靠背变流器作为边，从而构建微网群互联拓扑连通图；
8.s2：所述环形柔性互联微网群的中央控制器在固定采样时间间隔δt下，采集第τ个采样时刻的第k个微网单元内的负荷侧变压器的负荷数据p
load,k
(τ)以及领导者分布式电源的有功均分比率α
k,pin
(τ)，1《k《n；
9.s3：所述中央控制器比较第τ个采样时刻的各微网单元的有功均分比率值，并得到最小有功均分比率对应的微网单元，其编号记为min；1≤min≤n；
10.s4：所述环形柔性互联微网群的有功均分控制：
11.s41、利用式(1)计算第τ个采样时刻的第min个微网单元所对应的背靠背变流器的传输功率指令
[0012][0013]
式(1)中，表示第min个微网单元的传输容量限值，表示第τ个采样时刻的第min个微网单元的预设可传输容量，r表示传输指令可调比例系数，表示第τ个采样时刻的第min个微网单元所对应背靠背变流器的局部最优可传输容量，并有：
[0014][0015]
式(2)中，为第k个微网单元的等效下垂系数；为第l个微网单元的等效下垂系数；p
ld,k
(τ)为第τ个采样时刻第k个微网单元负荷和线损的有功功率；p
ld,l
(τ)为第τ个采样时刻的第l个微网单元负荷和线损的有功功率；n
min
为第min个背靠背变流器两端互联微网单元的集合；
[0016]
s42、以所有微网单元内的分布式电源有功均分比率一致作为控制目标，构建功率平衡约束方程组，并基于所述传输功率指令，利用式(3)得到所述环形柔性互联微网群的唯一解功率平衡约束方程组；
[0017][0018]
式(3)中，为各微网单元的等效下垂系数的倒数向量；m
mgc
＝{m
k,q
}n×n为微网群互联拓扑连通图中边与点的关联矩阵；m
k,q
表示第k个微网单元与第q个背靠背变流器之间的关联系数，并以背靠背变流器中定直流电压控制侧变流器向定功率控制侧变流器传输有功为正方向，则由背靠背变流器流入微网单元的方向为1，由微网单元流入背靠背变流器的方向为-1，不相关为0；为各背靠背变流器所计算的传输功率指令向量；表示第τ个采样时刻第n个微网单元的传输功率指令，为负荷和线损构成的功率向量，并有：p
ld,k
(τ)＝p
load,k
(τ) p
loss,k
(τ)；p
load,k
(t)为第k个微网单元的负荷总量；p
loss,k
(t)为第k个微网单元的传输损耗；e
min
为n维单位列向量，且满足第min个元素为1，其他元素为0；
[0019]
s43、对式(3)进行求解，得到第τ个采样时刻其余各背靠背变流器的传输功率指令，从而实现环形柔性互联微网群中所有分布式电源的有功均分控制。
[0020]
本发明所述的基于背靠背变流器的环形柔性互联微网群的有功均分控制方法的特点也在于，所述步骤s42中的功率平衡约束方程组是按如下步骤获得：
[0021]
sa：利用式(4)得到任意t时间第k个微网单元内部的基础功率平衡约束方程：
[0022][0023]
式(4)中，p
c,q
(t)为t时间第q个背靠背变流器传输的有功功率；p
k,i
(t)为t时间第k个微网单元内第i个分布式电源的输出有功功率；
[0024]
sb：根据第k个微网单元内部的各分布式电源出力在下垂控制下满足式(5)所示的有功均分关系式，从而利用式(6)得到t时间第k个微网单元的整体有功出力p
mg,k
(t)：
[0025][0026][0027]
式(5)中，pin为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的编号，α
k,pin
(t)为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的有功均分比率值；且元内部的领导者分布式电源的有功均分比率值；且为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的有功下垂系数；nk表示第k个微网单元内分布式电源的数量；
[0028]
式(6)中，式(6)中，表示第k个微网单元内第i台分布式电源的有功下垂系数；
[0029]
sc：利用式(7)得到t时间第k个微网单元的有功平衡方程：
[0030][0031]
sd：利用式(8)得到环形柔性互联微网群在第τ个采样时刻的控制目标：
[0032]
α
1,pin
(τ)＝α
2,pin
(τ)＝...＝α
n,pin
(τ)＝α0(τ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0033]
式(8)中，α0(τ)为有功均分比率一致的收敛值；α
n,pin
(τ)为第τ个采样时刻下第n个微网单元的领导者分布式电源的有功下垂系数；
[0034]
se：利用式(9)得到第τ个采样时刻下第k个微网单元的功率平衡约束方程：
[0035][0036]
式(9)中，为第τ个采样时刻下第q台背靠背变流器待计算的有功传输指令值；p
load,k
(τ)为第τ个采样时刻下第k个微网单元的负荷总量；p
loss,k
(τ)为第τ个采样时刻下第k个微网单元的传输损耗；
[0037]
sf：利用式(10)构建考虑n个微网单元的功率平衡约束的线性方程组：
[0038][0039]
sg：利用式(11)构建功率平衡约束的矩阵形式：
[0040][0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0042]
1)本发明针对现有背靠背变流器柔性互联微网群有功均分控制存在的问题，设计了全新的集中-分布式混合的分层协同控制通信网络架构，基于功率平衡方程组推导并提出柔性互联微网群的有功均分控制方法，克服了其他方法无法实现集群层面的无差有功均分控制或依赖储能电源实现控制的问题在该控制方法下，实现了环形柔性互联微网群所有分布式电源的有功均分比率一致，有效提升了微网群的扰动均担能力和安全稳定运行水平。
[0043]
2)本发明所提改进有功均分控制方法相比于其他方法，无需在背靠背变流器直流侧附加储能电源，也未改变微网群中分布式电源和背靠背变流器的底层控制方法。同时，本技术所提方法仅需求解n阶非齐次线性方程，采集数据量少、求解工作量小且操作简单，有效保证了控制算法的实时性，易于在工程实践中推广。
附图说明
[0044]
图1为本发明针对背靠背变流器环形柔性互联微网群的有功均分控制方法的流程图；
[0045]
图2为本发明基于背靠背变流器环形柔性互联微网群系统结构示意图；
[0046]
图3为本发明四背靠背变流器环形柔性互联微网群系统案例图；
[0047]
图4为本发明柔性互联微网群系统的分层协同控制架构图；
[0048]
图5为本发明柔性互联微网群系统元件和控制器参数图；
[0049]
图6为本发明轻载负荷接入下环形柔性互联微网群有功均分比率动态响应图；
[0050]
图7为本发明重载负荷接入下环形柔性互联微网群有功均分比率动态响应图。
具体实施方式
[0051]
本实施例中，一种基于背靠背变流器的环形柔性互联微网群的有功均分控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0052]
s1：将环形柔性互联微网群中的n个微网单元分别与n个背靠背变流器对应连接后再首尾相连并构成环形结构；以微网单元作为点，以背靠背变流器作为边，从而构建微网群互联拓扑连通图。其中，本方法实施对象环形柔性互联微网群详尽的拓扑结构和连通关系可如图2所示，它由n个交流微网单元及各单元间n个背靠背变流器组成，其中n≥3。第k个交
流微网单元内部包含nk个采用下垂控制的分布式电源和1个接在公共连接母线上的等效恒阻抗等值负荷，分布式电源和负荷间通过常规交流线路连接。在常规背靠背变流器型柔性多状态开关的交流/直流/交流的变流器控制结构中，一端变流器采用定直流电压控制(v
dc
q控制)，维持直流侧电压v
dc
的稳定；另一端采用定功率控制(pq控制)，控制背靠背变流器的传输功率。
[0053]
在以上组网拓扑和控制方式设定下，为了说明问题方便，以图3所示的4个微网单元与4个背靠背变流器设备环形首尾柔性互联的微网群为例，说明微网群的顺序编号问题。本实施例中，定义背靠背变流器设备的传输功率正方向为由v
dc
q控制侧变流器向pq控制侧变流器传输，其相应的顺序编号方式可写作：《mg1,mg2》
→
btbc1，《mg2,mg3》
→
btbc2，《mg3,mg4》
→
btbc3，《mg4,mg1》
→
btbc4，具体如图3所示。
[0054]
s2：本实施例中，环形柔性互联微网群采用分层控制架构，可如图4所示，为常见四微网单元、四背靠背变流器柔性互联微网群的分层协同控制架构图，分为两层。即，1)微网单元层；2)集群层。
[0055]
上述微网单元层中各分布式电源采用常规下垂控制，如式(1)所示，
[0056][0057]
式(1)中：v
k,i
(t)和ω
k,i
(t)分别为分布式电源输出的电压幅值和频率；由于采用d轴电压定向，因此有存在。p
k,i
和q
k,i
是经过低通滤波器后的平均有功和无功功率；和分别为有功和无功下垂系数，其大小通常与每台分布式电源的最大有功和无功容量，即和成反比关系。
[0058]
上述集群层采用集中式控制方式计算各背靠背变流器传输功率指令，利用微网群中央控制器在固定采样时间间隔δt下，采集第τ个采样时刻的第k个微网单元内的负荷侧变压器的负荷数据p
load,k
(τ)以及领导者分布式电源的有功均分比率α
k,pin
(τ)，1《k《n。
[0059]
s3：中央控制器比较第τ个采样时刻的各微网单元的有功均分比率值，并得到最小有功均分比率对应的微网单元，其编号记为min；1≤min≤n。
[0060]
s4：环形柔性互联微网群的有功均分控制分为两个控制目标：
[0061]
1)控制目标1：各微网单元内实现各分布式电源的有功功率均分控制，即使各微网单元内每台分布式电源按照其容量(下垂系数)均衡出力。
[0062][0063]
式(2)中：表示第i台分布式电源按照下垂系数的有功出力比率。
[0064]
2)控制目标2：集群层各微网单元之间的有功功率均分控制，即协调各背靠背变流器传输功率实现不同微网单元间按照其容量均衡出力。
[0065][0066]
式(3)中：表示微网单元k按照其等效下垂系数的整体有功出
力比率，为微网单元k的等效下垂系数，满足关系其中,为微网单元k中每台分布式电源的有功下垂系数。结合目标2可以推出目标2的另一种表达形式如式(4)所示：
[0067][0068]
即柔性互联微网群系统中所有分布式电源都实现有功均分控制目标。
[0069]
按照传统下垂控制方式，在负荷动态变化时，各微网单元内分布式电源可通过频率变化动态调节输出有功功率，实现频率恢复的同时自动实现控制目标1。但由于背靠背变流器依赖传输功率指令给定，在未合理计算情况下，控制目标2无法自动实现。因此需要求解满足有功均分比率一致条件的背靠背变流器传输功率指令。下面具体分析各背靠背变流器的传输功率指令。
[0070]
根据微网单元内的能量守恒关系，可得到如式(5)所示的任意t时间第k个微网单元内部的基础功率平衡约束方程：
[0071][0072]
式(5)中，p
c,q
(t)为t时间第q个背靠背变流器传输的有功功率；p
k,i
(t)为t时间第k个微网单元内第i个分布式电源的输出有功功率；
[0073]
sb：根据第k个微网单元内部的各分布式电源出力在式(1)下垂控制下满足式(6)所示的有功均分关系式，从而利用式(7)得到t时间第k个微网单元的整体有功出力p
mg,k
(t)：
[0074][0075][0076]
式(6)中，pin为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的编号，α
k,pin
(t)为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的有功均分比率值；且微网单元内部的领导者分布式电源的有功均分比率值；且为第k个微网单元内部的领导者分布式电源的有功下垂系数；nk表示第k个微网单元内分布式电源的数量；
[0077]
式(7)中，式(7)中，表示第k个微网单元内第i台分布式电源的有功下垂系数。
[0078]
将式(7)关系代入式(5)，进而得到t时间第k个微网单元的有功平衡方程，如式(8)所示：
[0079][0080]
为实现集群层的有功均分控制目标，因利用式(9)得到环形柔性互联微网群在第τ个采样时刻的控制目标：
[0081]
α
1,pin
(τ)＝α
2,pin
(τ)＝...＝α
n,pin
(τ)＝α0(τ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0082]
式(9)中，α0(τ)为有功均分比率一致的收敛值，未知待求；α
n,pin
(τ)为第τ个采样时刻下第n个微网单元的领导者分布式电源的有功下垂系数；
[0083]
将式(9)控制目标代入式(8)，可得到第τ个采样时刻下第k个微网单元的功率平衡
约束方程：
[0084][0085]
式(10)中，为第τ个采样时刻下第q台背靠背变流器待计算的有功传输指令值；p
load,k
(τ)为第τ个采样时刻下第k个微网单元的负荷总量；p
loss,k
(τ)为第τ个采样时刻下第k个微网单元的传输损耗。
[0086]
显然，微网群中n个微网单元都存在如式(10)所示功率平衡关系，因而写作功率平衡约束的线性方程组：
[0087][0088]
利用式(12)构建功率平衡约束的矩阵形式：
[0089][0090]
式(12)中，为各微网单元的等效下垂系数的倒数向量；m
mgc
＝{m
k,q
}n×n为微网群互联拓扑连通图中边与点的关联矩阵；m
k,q
表示第k个微网单元与第q个背靠背变流器之间的关联系数，并以背靠背变流器中定直流电压控制侧变流器向定功率控制侧变流器传输有功为正方向，则由背靠背变流器流入微网单元的方向为1，由微网单元流入背靠背变流器的方向为-1，不相关为0；为负荷和线损构成的功率向量，并有：p
ld,k
(τ)＝p
load,k
(τ) p
loss,k
(τ)；p
load,k
(t)为第k个微网单元的负荷总量；p
loss,k
(t)为第k个微网单元的传输损耗。
[0091]
观察上式，存在n个等式关系和n 1个未知量。根据非齐次线性方程组求解特点，上述控制方程组欠定，存在无穷多组非零解。一种常规思路是利用优化算法设计约束条件和优化目标求最小范数解，但优化算法收敛时间不定，实时性难以保证。另一种思路是预先求出一个背靠背变流器传输指令，转换为求确定可行解问题，本方法的技术方案采用后者思路。
[0092]
首先，利用式(13)计算第τ个采样时刻的第min个微网单元所对应的背靠背变流器的传输功率指令
[0093][0094]
式(13)中，表示第min个微网单元的传输容量限值，表示第τ个采样时
刻的第min个微网单元的预设可传输容量，r表示传输指令可调比例系数，表示第τ个采样时刻的第min个微网单元所对应背靠背变流器的局部最优可传输容量，并有：
[0095][0096]
式(14)中，为第k个微网单元的等效下垂系数；为第l个微网单元的等效下垂系数；p
ld,k
(τ)为第τ个采样时刻第k个微网单元负荷和线损的有功功率；p
ld,l
(τ)为第τ个采样时刻的第l个微网单元负荷和线损的有功功率；n
min
为第min个背靠背变流器两端互联微网单元的集合。
[0097]
式(14)是假定只有微网单元k和l以及背靠背变流器min下，为平衡微网单元k和l有功均分比率所应传输的局部最优有功功率。式(13)是在式(14)基础上，增加了可调比例系数r和传输容量上限。
[0098]
将式(13)的预传输功率指令代入式(12)功率平衡约束方程组，得到式(15)所示的新的功率平衡约束方程组，式(15)满足方程组的唯一解条件；
[0099][0100]
式(15)中，为各背靠背变流器所计算的传输功率指令向量；表示第τ个采样时刻第n个微网单元的传输功率指令，e
min
为n维单位列向量，且满足第min个元素为1，其他元素为0。
[0101]
对式(15)进行求解，得到第τ个采样时刻其余各背靠背变流器的传输功率指令，从而实现环形柔性互联微网群中所有分布式电源的有功均分控制。通过以上步骤求解得到的背靠背变流器传输指令可实现环形柔性互联微网群全局层面的各分布式电源有功按容量比率出力的均分控制目标。
[0102]
为验证本技术方案所提分层控制方法的有效性，在matlab/simulink中搭建如前述图3所示的仿真模型，其相应的通信链路如图4所示。采用0-1权重方式，各微网单元的邻接矩阵表示如式(16)所示：
[0103][0104]
相应的领导节点连接矩阵如式(17)所示：
[0105][0106]
本方法技术方案所研究的微网群系统中，各微网单元采用单母线结构的多机并联方式，各单元中分布式电源建模为不考虑直流侧波动的理想逆变型分布式电源，负荷都设置为恒阻抗负载。各背靠背变流器设备的双端变流器分别采用定直流电压控制和定功率控制，并且始终定义功率正方向为定直流电压控制侧流向定功率控制侧。则根据背靠背变流器(边)与微网单元(点)的关联关系，得到微网群系统的关联矩阵如式(18)所示：
[0107][0108]
算例中柔性互联微网群系统在初始时刻的元件和控制参数分别如图5所示。
[0109]
本方法技术方案所提出的柔性互联微网群系统的有功均分控制方法，本质是在各微网单元独立下垂控制架构基础上，利用集中调控方式，采集各微网单元的负荷、有功均分比率状态，实时计算各背靠背变流器设备的传输功率指令，实现集群层面的有功均分控制。
[0110]
为验证控制方案的有效性，在微网单元层控制中，采用频率和电压下垂控制作为一次控制，在二次控制中设计频率、电压恢复和有功均分的控制器；在集群层，采用集中式控制方式实时调整背靠背变流器设备传输指令实现全网有功均分控制。为此设置两个工况验证本方法所提技术方案的有效性。
[0111]
工况1：轻载负荷接入下系统动态响应(未饱和)；
[0112]
为此，工况1的仿真算例设计为，0～1s，系统仅采用下垂控制；1s时刻，投入微网单元层的二次恢复控制；3s时刻，再投入集群层有功均分控制；5s时刻，微网单元1内接入轻载load
1,2
，容量为6kw j6kvar；8s时刻，轻载load
1,2
退出运行；10s时刻，微网单元3内load
3,1
负荷减少了7kw j7kvar；15s仿真结束。其中，关键参数r＝0，δt＝0.01。
[0113]
观察图6可知，在0～1s时段，仅在下垂控制作用下的微网群，各微网单元的有功均分比率都不相同。在1～3s时段，各微网单元内各分布式电源施加二次恢复控制。但图6显示，集群层面的有功均分控制仍然未实现。在3～5s时段，进一步施加集群层面的有功均分控制，可以观察到各微网单元的有功均分比率已趋于一致，集群层面的有功均分控制已实现。在5～10s时段，微网单元1和3中负荷连续投退对系统整体的频率/电压恢复和有功均分的控制效果未造成显著影响，说明本方法技术方案所提控制方法的有效性。
[0114]
工况2：重载负荷接入下系统动态响应(已饱和)；
[0115]
与工况1情景类似，0～5s时段，设置完全相同；5s时刻，微网单元1内接入重载load
1,3
，容量为30kw j30kvar；由于背靠背变流器1进入传输指令进入饱和，系统于9s传输指令控制自动清零，并持续2s时间；8s时刻，重载load
1,3
退出运行，同时；10s时刻，微网单元3内load
3,1
负荷减少了7kw j7kvar；15s仿真结束。其中，关键参数r＝0，δt＝0.01。
[0116]
不同于轻载接入情况，可以观察到5s时刻接入重载后，图7中背靠背变流器1设备首先达到反向饱和-10kw，此时，有功均分比率来判断，集群层的有功均分控制已无法实现。在饱和阶段经历1s后，微网群中央控制器将各背靠背变流器传输指令清零，并于8s重新启动，此时恰好重载load
1,3
退出运行，在8～15s时段，集群层的有功均分控制又能够实现，在整个动态阶段，系统的频率和电压仍然保持稳定。由此可见，在实际工程应用时，应通过设置合理背靠背变流器容量确保其可调范围能满足集群层有功均分控制需求。