基于动态事件触发的微电网分布式协调控制策略

岳有军, 田 涛, 赵 辉,2, 王红君

(1.天津理工大学 电气工程与自动化学院 天津市复杂系统控制理论与应用重点实验室, 天津 300384; 2.天津农学院 工程技术学院, 天津 300392)

0 引言

微电网(Microgrid,MG)是由分布式电源、负载、储能系统等装置组成的小型电力系统,可同时容纳多个分布式发电单元(Distributed Generation units,DGs)并网供电,可以有效发挥各个DG的优势,进而满足负荷的电力需求[1].分布式发电单元是指直接配置在配电网或负荷附近的发电装置,包括风力发电机、燃料电池和光伏发电等装置[2].微电网有着电网连接和孤岛两种运行模式,并且具备灵活性、可靠性和鲁棒性等优良性能.因此,微电网近年来获得了社会的极大关注.

在孤岛分布式微电网中,信息传递和控制过程起到了至关重要的作用.针对孤岛MG中的DGs的协调控制问题,学者们提出了分层控制结构.具体而言,分层控制结构包含三个层次:(1)一次控制;(2)二次控制;(3)三次控制[3].当电力供应和需求变化时,一次控制主要通过下垂控制将DG的电压和频率维持稳定,但只能使输出电平保持在可接受的范围内,偏离其所需的参考值[4].由此引入二次控制来补偿由一次控制引起的频率和电压偏差.分布式二次控制不需要中央控制器,只需要邻近信息就可以计算控制输入,因此被认为是传统集中式二次控制策略的一种较好的替代方案[5].利用反馈线性化技术,二次控制问题可以转化为一阶或二阶共识问题.由此,基于多智能体的一致性算法在分布式微电网中得到了广泛的应用[6].在实际应用中通信带宽是有限的,随着DG数量的增加,基于周期的触发机制会降低系统运行效率,即控制器不断地执行控制和通信操作,这造成了计算资源和通信资源的极大浪费,并会造成巨大的通信负担.

为了减弱通信负担,在一致性算法的基础上引入了事件触发机制.事件触发机制(Event Trigger control,ET)可以通过判断系统当前信息是否满足触发条件,来决定当前信息是否被传输.ET所控制的通信是离散、非周期、间歇性的,相比于周期触发机制可极大地减小通信开销[7].而在传统的事件触发控制中仍然受到有限通信带宽的限制,并且需要先验知识,会存在通信延迟、执行器偏置故障等问题,导致一系列随机不完全测量现象.因此在保持控制性能的前提下,需进一步降低通信次数.为了保持事件触发的正确性和事件触发控制协议的实现,需要解决关于严格正最小事件间隔时间的关键问题,避免Zeno行为(在有限的时间内会导致无数次事件的发生)[8].文献[9]和文献[10]运用了事件触发控制,仅在事件发生时刻通信,在保证频率和电压一致以及准确的无功功率比例分配的基础上,有效的节约了通信资源.文献[11]在分布式控制器中引入自适应事件触发机制,可以动态调整触发参数.而文献[12]成功解决了上述未解决的考虑量化数据传输的问题.文献[13]和文献[14]排除了芝诺行为,并确定了正的最小事件间隔时间(MIET).证明了闭环系统动力学的渐近稳定性,并讨论了正MIET的调整.文献[15]设计了有向通信拓扑下的微电网分布式触发机制.文献[16]和文献[17]在减少触发事件的数量的同时,提高控制过程中的收敛速度,文献[18]将协调控制问题转化为优化问题,提供了一种异步事件触发机制.文献[19]是基于频率误差越限建立事件触发机制.

基于此,本文提出了一种基于动态事件触发的分布式协调控制策略.在一次控制的基础上,将发电单元看作多智能体,利用多智能体系统的追踪一致性.并在控制过程中引入与系统反馈和触发函数有关的动态变量,合理地调整反馈增益和触发阈值.在满足触发条件时,只进行相邻发电单元之间的通信,实现电压和频率的恢复,以及有功功率的比例分配的目标.并通过仿真验证了所提策略的可行性.

1 交流MG系统和下垂控制

交流MG系统是一个典型的信息物理系统,由电力网络和信息通信网络组成.物理网络主要包括本地负载、电网和具有本地控制器的逆变器接口DG单元.每个DG单元由可再生直流电压源、电压源转换器(VSC)、LC滤波器和输出导体组成.一般情况下,经常通过控制电力电子逆变器接口的工作状态来调节输出功率、电压和频率,这是交流MG中常见的电力电子转换装置.

图1是关于交流微电网的分布式电源和控制结构.一般而言,功率控制器、嵌套电压和电流控制器以及脉冲宽度调制器构成主控制层.一次控制是由DG自主执行,时间尺度短,调整秒级的负荷波动.广泛采用下垂控制使孤岛MG系统内的电压和频率实现初步稳定,并向逆变器内环控制器提供参考信号,使各台DG按照上层控制下达的指令调节.第i个DG的下垂特性如下所示:

图1 交流微电网的分布式电源及控制结构

ωi=ωni-mpiPi

(1)

vodi=Vni-nqiQi,υoqi=0

(2)

式(1)、(2)中:ωni和Vni分别为频率参考信号和电压参考信号;mpi和nqi是与DG容量相关的下垂系数;Pi和Qi分别为实测输出有功功率和无功功率.传统的下垂控制技术遵循分散式策略,由于没有实现必要的信息交换,因此不需要任何通信链路.这种控制策略实现了MG的电压和频率稳定,但只能使其保持在可接受的范围内,且DG之间的功率共享不准确.

2 分布式事件触发协调控制设计

2.1 二次控制

二次控制是在较长时间尺度内,各个DG通过通信网络获得相邻单元的信息,通过与自身信息的比较,反馈到本地控制器.进而消除因一次控制导致的系统电压、频率偏差,提高电能质量,同时实现精确的有功和无功功率分配.微电网分布式协调控制结构如图2所示.

图2 微电网分布式协调控制结构

为了解决一次控制中电压和频率不能收敛到所需额定值,以及功率共享不准确的问题,提出了一种基于动态事件触发的分布式二次协调控制策略.

对式(1)、(2)求导所得结果:

(3)

(4)

2.2 分布式事件触发电压控制

(5)

相邻发电单元之间的触发时刻电压误差:

(6)

动态变量cvi的设计如下:

(7)

对于每个DG,电压测量误差表示为:

(8)

本文提出的动态控制策略在满足上面的条件的情况下,设计了触发函数:

(9)

所用事件触发控制是完全分布式的,适用于实际应用中的分布式微电网控制,与以往所用静态事件触发机制不同,在事件触发函数中引入了动态变量cvi和δvi.由此可以根据系统的反馈状态和系统偏差来调整事件触发阈值,更加合理的调控系统.动态变量δvi的设计如下所示:

(10)

(11)

上述所提事件触发控制策略可以通过矩阵理论和李雅普诺夫函数,为系统的稳定性提供充分的证明,并可以严格保证了任意两个连续时间间隔之间的明确的正下界,避免了Zeno行为[20].

2.3 分布式事件触发频率控制及功率分配

与二次电压控制器相似,各DG的工作频率应恢复到标称值ωref.因此,第i个DG的频率控制目标如下:

(12)

第i个DG的分布式频率控制器设计如下:

(13)

相邻发电单元之间的触发时刻频率误差为:

(14)

动态变量cωi的设计如下:

(15)

对于每个DG,频率测量误差为:

(16)

频率触发函数设计如下:

(17)

实现二次频率控制的同时,还需要按比例分配有功功率,即实现以下的控制目标:

(18)

(19)

相邻DG的功率控制误差:

(20)

动态变量cPi的设计如下:

(21)

对于每个DG,有功功率测量误差表示如下:

(22)

功率触发函数设计如下:

(23)

综上所述,基于事件触发的二次协调控制框图如图3所示.

图3 分布式事件触发二次协调控制图

3 仿真验证与分析

在Matlab/Simulink中验证了所提的分布式交流微电网二次控制策略的有效性,建立了50 Hz/380 V的DG测试MG系统.MG的电气和通信拓扑示意图如图4所示.

图4 孤岛微电网系统结构图和通信拓扑图

由图4(b)可得到微电网通信拓扑的拉普拉斯矩阵L为:

电气和控制参数如表1所示.

表1 MG系统的电气和控制参数表

3.1 案例研究

MG系统在t=0秒时工作在孤岛模式.最初,只有一次控制被激活;在t=1秒的时候,二次控制系统被激活;在t=3秒的时候,负载2断开;在t=5秒的时候,负载2连接.

所提出的分布式动态事件触发二次控制方案下的频率和电压仿真结果如图5所示,有功功率和无功功率的变化如图6所示.

图5 DGs电压和频率随时间的变化

图6 DGs输出的有功功率和无功功率

在0

当负载变化时,系统频率和电压仍能恢复到额定值,并且合理的分配了有功功率,验证了所提策略的可行性.

3.2 对比验证

以1～2 s为例,DGs的电压控制器ET时刻如图7所示,比静态的ET的触发时刻(如图8所示)间隔更长.

图7 各个DG在1～2 s的触发时刻

图8 静态ET在1～2 s的触发时刻

模拟中四个DG的总触发次数与静态的事件触发控制相比大大减少,如图9所示.由图9可知,所提方案更好的减少了信息交换量,降低了系统的通信负担.

图9 各个DG的触发次数

仿真结果表明,所提出的控制策略在即插即用的情况下,可以使各DG的电压和频率同步到参考值,并且合理的分配了有功功率.与静态的事件触发控制相比,在保证控制性能的前提下,触发次数大大减少,降低了通信负担,并且自适应控制保证了控制过程中不会出现大反馈增益.达到了想要的控制效果,验证了所提策略的合理性.

4 结论

本文所提出的分布式微电网动态事件触发协调控制策略,有效地结合了事件触发控制和自适应控制.能够在降低通信负担的同时实现DGs电压和频率的协调控制,以及有功功率的合理分配.节约了资源,降低通信次数,并且在控制过程中不会出现大的反馈增益.通过对MG系统在孤岛运行时、负载变化、即插即用等情况下的仿真结果验证了所提出的分布式动态事件触发二次控制的有效性.所提方案对孤岛交流分布式微电网来说是高效可靠的,这对分布式微电网的发展和应用有着一定意义.