1.本发明属于微电网一次控制及二次控制领域，特别涉及微电网经济性下垂控制、最优一致性算法以及事件触发的微电网有功功率经济性分配和频率恢复控制方法。
背景技术：2.以煤、石油、天然气等不可再生能源为主的发电方式不可持续，且引发的环境污染问题日趋严重，现实困境催生了以光伏、风能、太阳能等可再生能源为主的分布式发电技术。分布式电源(distributedgenerator,dg)可以本地使用或者连接到电力系统使用，已经逐渐取代传统发电并在未来的智能电网中扮演着重要角色。然而dg也面临控制难度大，成本高，间歇性强等问题，为了协调dg和大电网之间的矛盾、充分探索分布式发电的价值，学者们提出了微电网(microgrid,mg)的概念。
3.微电网的经济调度是一个以总运行成本最小为目标的优化问题，通常由一个集中控制器用优化算法来解决。这些集中控制方案具有精度高、可控性好等优点。然而，它们会带来高通信和高计算负担，还可能出现单点故障问题。此外，考虑到dg的分散性和即插即用技术的实施，集中控制方案在经济上也不可行。有的研究提出了基于多智能体一致性的控制策略，以分布式方式解决经济调度问题，选取各dg的微增率作为一致性变量，通过与相邻dg通信生成各dg的最优功率指令。这些控制策略移除了中央控制器，提高了可靠性。但是，为了实现微增率一致性，不同的dg之间仍然需要进行通信开销。为了进一步提高系统的可靠性、可扩展性和经济性，需要开发完全分散的经济调度方案。
技术实现要素：4.本发明的目的是提出一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，在不需要任何通信的情况下实现微电网的经济调度，同时，基于最优一致性算法设计二次频率控制器，通过dg之间的少量通信实现微电网频率恢复，维持微电网稳定运行。采用事件触发控制减少dg之间的通信量，更加契合实际的微电网通信环境。
5.本发明采用一种基于微增率(incrementalcost,ic)的下垂控制策略用于优化交流微电网经济运行。所有dg都采用相同的微增率-频率(ic-w)下垂控制，伴随着所有dg在稳定状态下的频率同步，然后，所有dg的微增率可以自动趋于相等。通过这种方式，在不涉及任何通信的情况下，微电网总的运行成本得到了优化。
6.针对ic-w下垂控制造成的微电网频率偏差问题，本发明将频率恢复转化为一个优化问题，并通过最优一致性算法设计分布式二次频率控制器，该控制器功能的实现只需要dg之间频率补偿量的信息交换。分布式控制功能的实现高度依赖于连续不断的状态测量和信息交流，考虑到微电网通信带宽和信道容量有限，因此，针对设计的二次频率控制器引入了事件触发通信机制，在节约通信资源的同时完成控制目标，更加契合实际的微电网网络环境。
7.本发明是通过以下技术方案实现的。
8.本发明所述的一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.(1)根据传统的p-w下垂控制方程和微增率表达式，建立了频率和微增率的线性关系，即ic-w下垂控制。ic-w下垂控制可以随着并联微电网的频率同步，自发实现微增率一致，等价于实现无任何通信下的微电网有功功率按经济性分配，但此时频率依然会偏离额定值
10.(2)针对ic-w下垂控制中的频率偏差问题，基于最优一致性算法设计二次频率控制器，实现频率恢复，但此时频率控制器功能的实现依赖于连续不断的状态监测和信息交流。
11.(3)考虑到实际的微电网通信资源有限，采用事件触发控制，通过构造一个和采样时间有关的函数作为触发函数，并且设定一个满足特定功能的阈值，然后将触发函数与阈值进行实时比较，确定dg何时应该触发通信，以便更新自身及其邻居的控制器，避免连续的通信交流。
12.进一步，步骤(1)所述的根据传统的p-w下垂控制方程和微增率表达式，建立了频率和微增率的线性关系，即ic-w下垂控制，实现无任何通信下的微电网有功功率按经济性分配方法为：
13.(1-1)dg的发电成本与许多因素相关，但一般来说，可以由以下给出的二次函数表示：
14.ci(pi)＝aip
i2
+bipi+ciꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，ai，bi，ci是dgi的成本系数；pi为dgi输出的有功功率；ci(pi)为dgi的总发电成本。
16.(1-2)根据传统的拉格朗日方法，当所有dg的微增率达到一致时，微电网的运行成本最低。dgi的运行成本对功率的偏导数定义为它的微增率：
[0017][0018]
其中，ici是dgi的微增率。
[0019]
(1-3)在交流微电网中，频率可以看作是一个全局状态量，对于处于稳态的所有dg，它始终保持不变。如果可以建立起频率和微增率之间的联系，那么微增率也能随着交流微电网频率的同步而自发收敛到一致。传统的p-w下垂控制为：
[0020]
wi＝w
n-mipiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]
从式(2)和(3)可以看出频率和微增率有线性关系，dgi的ic-w下垂控制可以表示为：
[0022]
wi＝w
n-m
ic
·
ici(pi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]
其中，各dg的下垂系数m
ic
保持一致。在稳态时，所有dg的输出频率wi一致，因此ici(pi)也一致，这种情况下可以实现微电网在经济最优的情况下运行。
[0024]
进一步，步骤(2)所述的针对一次ic-w控制中的频率偏差问题，基于最优一致性算法设计二次频率控制器，实现频率恢复的方法为：
[0025]
(2-1)从式(4)可以看出，微电网的频率依然会偏离额定值，这不利于微电网的稳定运行。因此，需要设计二次控制方案来补偿频率偏差，二次频率控制器建立如下：
[0026]
wi＝w
n-m
ic
·
ici(pi)+u
wi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0027]
其中，u
wi
为二次频率控制器的频率补偿量。在ic-w下垂控制下，dg的输出频率以及频率偏差都相等，要使所有dg频率恢复到额定值，只需要控制输出频率和额定频率之间的偏差最小，即控制(w
i-wn)最小，等价于(u
wi-m
ic
·
ici(pi))最小，因此可以把频率恢复转化为一个如下凸优化问题：
[0028][0029]
(2-2)如下多智能体最优一致性算法可用于解决凸优化问题：
[0030][0031]
其中，α＞0；β＞0；γ＝αβ；l
ij
对应智能体之间的通信关系；x为智能体的状态；qi为附加变量，用于保证算法稳定；为优化目标的梯度。
[0032]
(2-3)把微电网中每个dg看成一个智能体，根据式(7)最优一致性算法，设计如下频率控制器：
[0033][0034]
其中，α＞0；β＞0；γ＝αβ；l
ij
对应dg之间的通信关系；是优化目标函数(6)的梯度。
[0035]
进一步，步骤(3)所述的考虑到实际的微电网通信资源有限，采用事件触发控制，构造一个和采样时间有关的函数作为触发函数，并且设定一个满足特定功能的阈值，然后将触发函数与阈值进行实时比较，确定dg何时应该触发通信，以便更新自身及其邻居的控制器的方法为：
[0036]
(3-1)传统的微电网是定期通信的，因此，当微电网运行稳定时仍然会周期地触发控制任务，这势必会造成资源浪费现象。这里介绍一种非周期通信的分布式事件触发控制方式，只有dg的当前状态满足设计的事件触发条件才发生一次通信并更新控制输出，否则控制器维持上一触发时刻的状态不变。对dgi，将事件触发通信引入到频率控制器可以由以下式子表示：
[0037][0038]
其中为dgi最近一次和邻居通信的时刻。在时刻，dgi所测量的频
率补偿量为并且直到下一次触发时刻来临以前都保持不变。是待定的触发时间序列，且
[0039]
(3-2)事件触发控制的关键在于触发条件的设计，需要满足以下条件：1)稳定性。不能过多影响控制器性能，即控制目标达到期望。2)可行性。当事件触发控制在有限的时间内产生无限多的触发时刻(事件)时，就会出现芝诺现象，无法适用于实际微电网，在控制设计中应考虑这一问题。
[0040]
为满足上述条件，所有dg都采用一个事件检测器来确定何时和邻居通信并更新控制器，触发条件设计如下：
[0041][0042]
其中，为u
wi
的局部测量误差，表示当前时间和最近一次触发时刻u
wi
的状态偏差，每次通信之后e
wi
都会置0。ε
wi
是一个大于0的常数，ε
wi
的取值会影响到控制器的性能，一般来说，ε
wi
取值大小和通信次数反比，和收敛误差也成反比。
[0043]
本发明的特点及有益效果：
[0044]
(1)采用分层控制，当微电网负荷发生变化时，可保证频率稳定在额定值。
[0045]
(2)一次控制下，不需要任何通信就能完成经济调度。
[0046]
(3)二次控制采用了分布式控制方式，避免了对中央控制器的依赖。
[0047]
(4)引入事件触发控制用于微电网二次控制，可有效缓解微电网通信压力，节省通信资源，更加契合实际的微电网通信条件。
[0048]
(5)在本发明的控制方式下，可以实现dg的即插即用，灵活性强。
附图说明
[0049]
附图1为dg的整体框图。
[0050]
附图2为事件触发控制框图。
[0051]
附图3为孤岛交流微电网测试系统结构图。
[0052]
附图4为p-w下垂控制下的有功功率变化情况。
[0053]
附图5为p-w下垂控制下的频率变化情况。
[0054]
附图6为ic-w下垂控制下的有功功率变化情况。
[0055]
附图7为ic-w下垂控制下的各dg的微增率变化情况。
[0056]
附图8为二次频率控制器下各dg频率变化情况。
[0057]
附图9为事件触发控制下各dg的通信时刻。
具体实施方式
[0058]
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
[0059]
在matlab/simulink环境下搭建了图3所示的孤岛交流微电网测试系统，其中包含4个并联dg和公共负载。运行环境如下：cpu型号：amd ryzen 7 5800h with radeon graphics、主频：3.20ghz、内存16gb的pc。微电网系统和控制器参数在表1中给出：
[0060]
表1微电网系统和控制器参数
[0061][0062]
1、为了验证ic-w下垂控制的有效性，先对各dg仅在传统的p-w下垂控制下进行仿真，仿真结果下的有功功率和频率变化情况分别如图4和图5所示。在图4中，dg1，dg2，dg3，dg4分担的有功功率分别为2kw，3kw，4kw，5kw。显然，各dg按下垂系数成比例分配有功功率。在图5中，所有dg的输出频率相等，为49.9hz，输出频率全部偏离额定值50hz。
[0063]
2、如图1所示，将传统的p-w下垂控制替换为ic-w下垂控制，所有的dg下垂系数m
ic
的取值保持一致。在这种情况下，利用dg并联的微电网稳态下频率一致的特性，实现微增率ic自发收敛到一致，在没有任何通信的情况下完成经济调度。此时dg的有功功率和微增率变化情况如图6和图7所示。显然，与传统的p-w下垂控制不同，系统稳态时各dg的有功功率不再按下垂系数的比例分配。各dg的微增率在0.6s左右达到了一致，根据前文理论分析的结果可知，有功功率实现了按经济最优分配。
[0064]
3、在dg之间构建稀疏通信网络，dg之间可以互相传递信息。
[0065]
4、dg之间通过通信网络相互传递频率补偿量u
wi
的信息，在频率控制器(8)的作用下更新本地频率补偿量，并且频率补偿量作用于本地下垂控制，最终逐步实现频率恢复。此时的仿真结果如图8所示，与图5的仿真结果不同，因为加入了频率控制器，各dg频率先是偏离额定值，随后逐渐恢复到了额定值50hz。显示了本发明频率控制器的有效性。
[0066]
5、如图2所示，事件触发控制下，连续不断的对频率补偿信息u
wi
进行采样，并根据式(10)的触发条件，把当前信息和dg最近一次通信信息进行对比。根据对比判断是否达到
触发条件。
[0067]
6、如果达到触发条件，则dg把自身信息传递给邻居，并且本地控制器更新一次。如果没有达到触发条件，则不通信，控制器也不更新，继续采样。图9记录了仿真过程中各dg与邻居的通信时刻。从图中可以看出，在系统刚启动时，各dg的输出频率与额定频率差距较大，会频繁触发通信以尽快实现频率恢复。随着频率恢复到额定值附近，各dg的触发次数越来越少。dg之间的通信显然不连续，显示了本发明可以有效缓解通信压力，节省通信资源。
技术特征：1.一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据传统的p-w下垂控制方程和微增率表达式，建立频率和微增率的线性关系：ic-w下垂控制；(2)针对ic-w下垂控制中的频率偏差问题，基于最优一致性算法设计二次频率控制器，实现频率恢复；(3)采用事件触发控制，通过构造一个和采样时间有关的函数作为触发函数，并且设定一个满足特定功能的阈值，然后将触发函数与阈值进行实时比较，确定分布式电源dg何时应该触发通信，以便更新自身及其邻居的控制器，避免连续的通信交流。2.根据权利要求1所述的一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，其特征在于，步骤(1)所述的建立频率和微增率的线性关系，按如下步骤：(1-1)dg的发电成本，由以下给出的二次函数表示：其中,a
i
，b
i
，c
i
是dg
i
的成本系数；p
i
为dg
i
输出的有功功率；c
i
(p
i
)为dg
i
的总发电成本；(1-2)根据传统的拉格朗日方法，当所有dg的微增率达到一致时，微电网的运行成本最低；dg
i
的运行成本对功率的偏导数定义为它的微增率：其中,ic
i
是dg
i
的微增率；(1-3)传统的p-w下垂控制为：w
i
＝w
n-m
i
p
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)从式(2)和(3)可以看出频率和微增率有线性关系，dg
i
的ic-w下垂控制可以表示为：w
i
＝w
n-m
ic
·
ic
i
(p
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，各dg的下垂系数m
ic
保持一致；在稳态时，所有dg的输出频率w
i
一致，因此ic
i
(p
i
)也一致，可以实现微电网在经济最优的情况下运行。3.根据权利要求1所述的一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，其特征在于，步骤(2)所述的基于最优一致性算法设计二次频率控制器，实现频率恢复的方法，按如下步骤：(2-1)设计二次控制方案来补偿频率偏差，二次频率控制器建立如下：w
i
＝w
n-m
ic
·
ic
i
(p
i
)+u
wi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，u
wi
为二次频率控制器的频率补偿量；在ic-w下垂控制下，dg的输出频率以及频率偏差都相等，要使所有dg频率恢复到额定值，只需要控制输出频率和额定频率之间的偏差最小，即控制(w
i-w
n
)最小，等价于(u
wi-m
ic
·
ic
i
(p
i
))最小，因此可以把频率恢复转化为一个如下凸优化问题：(2-2)如下多智能体最优一致性算法可用于解决凸优化问题：
其中，α＞0；β＞0；γ＝αβ；l
ij
对应智能体之间的通信关系；x为智能体的状态；q
i
为附加变量，用于保证算法稳定；
▽
f
i
(x)为优化目标的梯度；(2-3)把微电网中每个dg看成一个智能体，根据式(7)最优一致性算法，设计如下频率控制器：其中，α＞0；β＞0；γ＝αβ；l
ij
对应dg之间的通信关系；
▽
f
i
(u
wi
)是优化目标函数(6)的梯度。4.根据权利要求1所述的一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，其特征在于，步骤(3)的步骤如下：(3-1)对dg
i
，将事件触发通信引入到频率控制器，由以下式子表示：其中其中为dg
i
最近一次和邻居通信的时刻；在时刻，dg
i
所测量的频率补偿量为并且直到下一次触发时刻来临以前都保持不变；是待定的触发时间序列，且(3-2)事件触发控制的条件：1)稳定性：不能过多影响控制器性能，即控制目标达到期望；2)可行性：当事件触发控制在有限的时间内产生无限多的触发时刻或事件时，就会出现芝诺现象，无法适用于实际微电网；为满足上述条件，所有dg都采用一个事件检测器来确定何时和邻居通信并更新控制器，触发条件设计如下：其中，为u
wi
的局部测量误差，表示当前时间和最近一次触发时刻u
wi
的状态偏差，每次通信之后e
wi
都会置0；ε
wi
是一个大于0的常数，ε
wi
的取值会影响到控制器的性能，ε
wi
取值大小和通信次数反比，和收敛误差也成反比。
技术总结一种微电网有功功率经济分配及频率恢复方法，包括以下步骤：采用微电网分层控制。一次控制下，将传统的微电网有功-频率(P-w)下垂控制替换为微增率-频率(IC-w)下垂控制，随着微电网中所有并联分布式电源在稳态下的频率同步，它们的微增率可以自动趋于相等。二次控制下，在分布式电源之间构建稀疏通信网络，采用了分布式控制方式实现频率恢复；引入事件触发控制用于二次控制，避免了分布式电源之间的连续通信，更加契合实际的微电网通信条件。本发明的技术效果是：一次控制下，不需要任何通信就能完成经济调度；二次控制下，当微电网负荷发生变化时，可保证频率稳定在额定值；事件触发控制可有效缓解通信压力。发控制可有效缓解通信压力。发控制可有效缓解通信压力。
技术研发人员：万晓凤 王恒 丁小华 张俊坤
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
