微電網(wǎng)下垂控制的穩(wěn)定性、功率分配與分布式二級(jí)控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微電網(wǎng)下垂控制的穩(wěn)定性、功率分配與分布式二級(jí)控制摘 要出于對(duì)智能電網(wǎng)技術(shù)最近的和不斷增長(zhǎng)的興趣，我們研究了微電網(wǎng)中的下垂控制DC/AC逆變器運(yùn)算。我們提供一個(gè)存在唯一的和局部指數(shù)穩(wěn)定的同步解決方案的必要和充分條件。我們提出了一個(gè)選擇控制器在逆變器之間有理想的電源共享，并且指定該組的負(fù)載，它可以不違反給的的驅(qū)動(dòng)約束下實(shí)現(xiàn)。此外，我們提出了一個(gè)分布式的基礎(chǔ)上平均積分控制器算法，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載的存在。值得注意的是，這分布平均積分控制器有額外的性質(zhì)保持功率共享特性的主要下垂調(diào)節(jié)器。最后，我們目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證我們的控制器設(shè)計(jì)。我們的研究結(jié)果在沒(méi)有假設(shè)有相

2、同的線性調(diào)節(jié)和電壓幅值也成立。引言微電網(wǎng)是低壓配電網(wǎng)絡(luò)，不均勻組成的分布式發(fā)電，存儲(chǔ)，負(fù)載，和從更大的主要網(wǎng)絡(luò)中自主管理的網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)是能夠連接到廣域電力系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)共通點(diǎn)聯(lián)軸器（PCC），但也“孤島”自己和獨(dú)立運(yùn)作1。在微網(wǎng)能源發(fā)電可以是高度異質(zhì)性，包括光伏發(fā)電，風(fēng)能，地?zé)崮?，微型渦輪機(jī)等許多這些來(lái)源產(chǎn)生或者可變頻率的交流電源或直流電源，具有同步交流電網(wǎng)通過(guò)電力電子接口DC/ AC逆變器。它在孤島的操作，是通過(guò)這些逆變器，必須采取措施以確保同步，安全性，動(dòng)力平衡性和負(fù)載均衡在網(wǎng)絡(luò)中2。所謂的下垂控制器已成功地用于實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)，請(qǐng)參見(jiàn)2 - 7。盡管形成的基礎(chǔ)并聯(lián)逆變器的操作（圖2），下垂控制

3、從未逆變器和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)受非線性分析8。小信號(hào)穩(wěn)定性分析兩個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的下9 - 12和參考文獻(xiàn)中的各種假設(shè)。所呈現(xiàn)的穩(wěn)定性結(jié)果依賴于線性約已知的操作點(diǎn)，兩個(gè)逆變器的特殊情況下，有時(shí)會(huì)打包帶無(wú)關(guān)的假設(shè)5。圖1微電網(wǎng)的示意圖，與四個(gè)逆變器（節(jié)點(diǎn)VI）提供負(fù)載（節(jié)點(diǎn)VL），通過(guò)非循環(huán)互連。 之間的逆變器的虛線代表的通信鏈路，這將是專門(mén)用于第六部分。在這項(xiàng)工作中，我們調(diào)查我們最近的理論結(jié)果同步，共享，和次級(jí)控制的微電網(wǎng)13。經(jīng)檢討后的下垂控制方法和次級(jí)控制（第二部分），我們提供必要的穩(wěn)定的工作存在的充分條件下垂控制的逆變器和負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)（第III-IV），并嚴(yán)格地建立控制參數(shù)導(dǎo)致逆變器的負(fù)載的選擇和

4、范圍滿足給定的驅(qū)動(dòng)約束（第五節(jié)）。在第六，我們提出了一種新的分布式二級(jí)控制器，基于拉普拉斯平均算法，快速調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)頻率標(biāo)稱值的。值得注意的是，這控制器來(lái)完成此任務(wù)，同時(shí)保持電源的主要下垂控制器的共享屬性。在第七，我們提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證我們的控制器設(shè)計(jì)，并終于在第VIII我們提供了一些結(jié)論和未來(lái)的發(fā)展方向。所有結(jié)果的詳細(xì)證明可以13。微型電網(wǎng)的分布式控制回顧A. 問(wèn)題提出和電路理論的回顧對(duì)我們而言，微電網(wǎng)是一個(gè)連通的，無(wú)向的并且復(fù)雜的加權(quán)圖有節(jié)點(diǎn)集，邊集，對(duì)稱的邊權(quán)重對(duì)沒(méi)一個(gè)邊。我們分隔節(jié)點(diǎn)集如，對(duì)應(yīng)于負(fù)載和逆變器。對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們關(guān)聯(lián)一個(gè)復(fù)功率，向量電壓變量對(duì)應(yīng)于幅度值和諧波電壓的相角偏移在

5、AC功率流等式。對(duì)于無(wú)耗損線路，功率流方程是如果一個(gè)數(shù)和任意的方向分配給每一邊，關(guān)聯(lián)矩陣定義為元素如果節(jié)點(diǎn)是邊的匯節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)是邊的源節(jié)點(diǎn)，其他的元素為0。在無(wú)耗損的網(wǎng)絡(luò)情形里，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)向量滿足，存在一個(gè)邊向量滿足基爾霍夫電流定理。對(duì)于沒(méi)有環(huán)的網(wǎng)絡(luò)，是唯一的并且定義為。向量解釋為節(jié)點(diǎn)注入，是關(guān)聯(lián)的邊流。我們表示為邊向量中的元素，對(duì)于與邊。和微電網(wǎng)文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)一樣，我們將逆變器建模為一個(gè)可控有電抗的電壓源。B.基本的下垂控制回顧傳統(tǒng)的下垂控制器是基礎(chǔ)技術(shù)主控制（同步和功率平衡）島狀微網(wǎng)中，并是一個(gè)啟發(fā)式基于經(jīng)典的有功/無(wú)功的解耦假設(shè)小功角和非混行情況，請(qǐng)參閱1 - 3，5，6，8 - 12

6、，16。對(duì)于無(wú)耗損線路，下垂方法指定在逆變器的頻率和電壓大小其中是額定的網(wǎng)絡(luò)頻率，是額定電壓集合點(diǎn)對(duì)于第個(gè)逆變器，（）是測(cè)得的有功（無(wú)功功率）功率的注入。控制器增益是作為下垂系數(shù)。從（2a），如果一個(gè)逆變器注入功率和預(yù)先決定的額定注入不同，頻率將偏離。圖2逆變器并聯(lián)運(yùn)行的示意圖C.傳統(tǒng)的二級(jí)控制回顧去除產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)頻率偏差，由下垂控制器是通過(guò)所謂的“二級(jí)”積分控制器。如果主控制器穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，然后，每一個(gè)逆變器的頻率具有會(huì)聚到一個(gè)恒定值，和較慢的額外控制環(huán)路然后，可以在本地使用在每個(gè)逆變器16。每一個(gè)局部二級(jí)控制器逐漸更改控制增益通過(guò)直到頻率偏移為0。所測(cè)得的，此過(guò)程隱含假設(shè)局部頻率是一個(gè)很好的近似

7、穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)頻率，并依賴于時(shí)間尺度的分離之間的快速，同步實(shí)施的主要下垂控制器和較慢的，二次積分控制器7，16，17。對(duì)于小下垂系數(shù)，這種方法可以特別慢，導(dǎo)致該方法不能以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的頻率一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。此外，這些分散的（即，局部）上二級(jí)的控制器可能會(huì)功率共享屬性成立由初級(jí)下垂控制器。主控制器的穩(wěn)定性結(jié)果逆變器通過(guò)下垂方法（2a）控制，由（1a）給出，常數(shù)功率負(fù)載在功率節(jié)點(diǎn)必須滿足功率平衡關(guān)系和等式（2a）和（3）組成網(wǎng)絡(luò)模型。一個(gè)自然的問(wèn)題出現(xiàn)了：在什么條件下的負(fù)載，額定功率注射，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)納，和下垂系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)擁有一個(gè)穩(wěn)定，同步的解決方案嗎？下面的結(jié)果提供一般無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)中確切的答案

8、。這個(gè)類(lèi)網(wǎng)絡(luò)包括標(biāo)準(zhǔn)的“水貨”微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后（圖2），和大多數(shù)的配電網(wǎng)絡(luò)孤島事件。為了簡(jiǎn)化描述結(jié)果，定義負(fù)載向量和額定功率注入對(duì)角矩陣的逆下垂系數(shù)，令是n維向量，其中每個(gè)元素為1。定理3.1：（同步時(shí)間的解決方案的存在性和穩(wěn)定性）考慮的頻率下垂控制系統(tǒng)（圖2a）與負(fù)載（3）。定義不平衡功率范圍為令是唯一的有功功率流的邊向量，滿足KCL，即。下面的兩個(gè)語(yǔ)句是等價(jià)的：（i）同步：有一數(shù)使得閉環(huán)系統(tǒng)有一個(gè)局部指數(shù)穩(wěn)定和唯一的同步結(jié)果使對(duì)于全部的邊都成立；（ii）流可行性：有功功率流是可行的，即和相關(guān)聯(lián)唯一的通過(guò)，網(wǎng)絡(luò)同步頻率同步角度差滿足對(duì)于每個(gè)邊。證明參照13。要了解上述結(jié)果，請(qǐng)考慮以下推理。如

9、果一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)存在對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重排下垂控制器（2a）可得是穩(wěn)定狀態(tài)功率注入在逆變器。因此，穩(wěn)定狀態(tài)節(jié)點(diǎn)功率注入向量，滿足。所以，滿足KCL，是邊之間的功率流關(guān)聯(lián)向量。在物理上，因此，參數(shù)的條件（4）指出沿每個(gè)分支的有功功率流是可行的，即，小于物理上的最大值。此外，條件（4）下是不變的常數(shù)縮放的所有下垂系數(shù)，的整體比例和相反。魯棒的電壓動(dòng)態(tài)目前的分析基于這樣的假設(shè)，乘積是一定常和知道的系數(shù)對(duì)于全部的邊。在一個(gè)現(xiàn)實(shí)的電力系統(tǒng)中，有效的行納和電壓幅值僅約已知的，并且動(dòng)態(tài)地調(diào)整由額外的控制器，比如控制器（2b）。下面的結(jié)果指出，只要這些額外控制器可調(diào)節(jié)的有效納和節(jié)點(diǎn)電壓超過(guò)預(yù)先設(shè)定的下限，穩(wěn)定的結(jié)

10、果定理3.1經(jīng)過(guò)稍加修改。推論4.1：（魯棒的穩(wěn)定性條件）?？紤]的頻率下垂控制系統(tǒng)（2a）與負(fù)載（3）。假設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓幅值滿足對(duì)于所有的節(jié)點(diǎn)，邊電納大小滿足。下面的兩個(gè)語(yǔ)句是等價(jià)的：（i）魯棒同步：對(duì)于全部可能的電壓大小和線點(diǎn)納，存在一個(gè)數(shù)使得閉環(huán)系統(tǒng)（2a）有負(fù)載（3）有一局部指數(shù)穩(wěn)定和唯一的同步情況，對(duì)全部的邊有；（ii）最壞情況下流穩(wěn)定性：有功功率流是可行的對(duì)最壞情況下電壓的大小和線電納，即功率共享和功率注入限制雖然定理3.1給出了充分必要條件的頻率下垂控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（2a）與負(fù)載（3），它沒(méi)有提供直接的指導(dǎo)，就如何選擇控制參數(shù)和滿足逆變器驅(qū)動(dòng)約束對(duì)于某一叫做逆變器等級(jí)。下面的定義給出了

11、選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。定義1：（比例下垂系數(shù)）下垂系數(shù)選擇成比例的，如果和對(duì)于全部的。雖然定義1中的第一條件是標(biāo)準(zhǔn)微電網(wǎng)文獻(xiàn)，第二個(gè)是一個(gè)泛化的選擇。結(jié)果表明，這個(gè)比例選擇理想的穩(wěn)定狀態(tài)功率注入。定理5.1：（功率流約束和功率共享）考慮一個(gè)同步的情況中的頻率下垂控制系統(tǒng)（2a）與負(fù)載（3），并讓下垂系數(shù)的選擇比例。定義全部的負(fù)載。下面的兩個(gè)語(yǔ)句是等價(jià)的：（i）注入約束：（ii）負(fù)載約束：。此外，逆變器共享的總負(fù)載比例根據(jù)其額定功率，即對(duì)于每個(gè)。特別的，定理5.1中表明如果逆變器的總負(fù)載是可行的，定理5.1保證每一個(gè)逆變器滿足其驅(qū)動(dòng)約束。并且，對(duì)于任何負(fù)載滿足定理5.1（ii），將定理3.1中的表達(dá)和

12、定理5.1（ii）中的邊界結(jié)合起來(lái)即。通過(guò)，可得傳統(tǒng)的下垂系數(shù)的選擇為，其中是選擇為。一種新型分布式二級(jí)控制器使用平均在定理3.1中的表達(dá)式可以看出，頻率下垂方法總是導(dǎo)致偏差在穩(wěn)定狀態(tài)工作頻率從額定值。和在13中解釋的一樣，修改額定的有功功率注入通過(guò)轉(zhuǎn)換（對(duì)于）在控制器（2a）得到0穩(wěn)定狀態(tài)頻率偏差和保持電源共享，由于當(dāng)。不過(guò)，公式包括系數(shù)對(duì)全部的逆變器和負(fù)載，這些信息是不能在每一個(gè)逆變器局部得到的。在下文中，我們追求的備選方案不隱式地依賴于頻率恢復(fù)分離的時(shí)間尺度如7，16，17。假設(shè)一個(gè)稀疏的存在之間的通信網(wǎng)絡(luò)逆變器，擴(kuò)展于傳統(tǒng)的頻率下垂設(shè)計(jì)（2a）和提出的分布式平均比例積分（DAPI）控制

13、器其中是一輔助電源變量，是一比例系數(shù)，對(duì)每一矩陣是拉布拉斯矩陣對(duì)應(yīng)于一個(gè)加權(quán)，無(wú)向連通的交互圖在逆變器之間，見(jiàn)圖1.控制結(jié)構(gòu)在圖3中描述。DIAP控制器有以下三個(gè)重要的性質(zhì)。首先，控制器能夠迅速調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)頻率下，快速的負(fù)載變化。其次，控制器完成此調(diào)控，同時(shí)保留的功率共享特性主要下垂控制器（2a）（見(jiàn)第五部分）。第三，交互網(wǎng)絡(luò)在逆變器之間需要連通，不要求全部到全部的交互在逆變器之間（圖1和3）。定理6.1：（DIAP控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性）考慮一個(gè)無(wú)環(huán)的DIAP控制逆變器和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，和（6a）-（6b）和（3）那樣系數(shù)，對(duì)于，負(fù)載對(duì)于，連通的交互拉布拉斯。以下兩個(gè)語(yǔ)句是等價(jià)的：（i）下垂控制器的穩(wěn)定性：

14、下垂控制器的穩(wěn)定相條件（4）成立；（ii）DIAP控制器的穩(wěn)定性：存在一個(gè)數(shù)使得系統(tǒng)（3），（6a）-（6b）有一局部指數(shù)穩(wěn)定和唯一的平衡點(diǎn)其中對(duì)于全部。唯一的平衡點(diǎn)在定理3.1中給出，和對(duì)于，網(wǎng)絡(luò)同步額定頻率一起。此外，如果下垂系數(shù)選擇比例，然后DAPI控制器會(huì)保留比例主要下垂的功率共享控制器。圖3 DAPI控制器的原理結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果奧爾堡大學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的DAPI控制器（6a） - （6b）中的性能進(jìn)行評(píng)估。是在圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，在其中兩個(gè)逆變器工作在并行供給功率到非線性負(fù)載。圖4 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖圖5 標(biāo)記實(shí)驗(yàn)裝置圖圖5顯示實(shí)驗(yàn)裝置，組成為：2個(gè)2.2kW逆變器工作在10kHz與L

15、CL輸出過(guò)濾器，1個(gè)控制板，電壓和電流傳感器。1個(gè)二極管整流器作為一個(gè)非線性負(fù)載，負(fù)載是一個(gè)電容和200電阻。電氣安裝和控制系統(tǒng)參數(shù)的詳細(xì)表一。兩個(gè)逆變器的控制參數(shù)是相同的，逆變器電壓通過(guò)下垂方法（2b）其中，控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖6。圖6（a）微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)到其標(biāo)稱值由的DAPI控制器。在第一個(gè)兩秒鐘的操作下下垂控制器的（2a），穩(wěn)態(tài)頻率偏差的存在。當(dāng)在t = 2s實(shí)施充分的DAPI控制器，系統(tǒng)頻率為成功調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)的后半期，負(fù)載迅速變化兩倍：在t=9s（從200到400），在t=14s（從400到200）。正如所看到的，在控制器是能夠快速地調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)頻率盡管負(fù)載快速變化。為了清楚起見(jiàn)，輔助增益已被調(diào)整，使得頻率恢復(fù)可見(jiàn)。由瞬時(shí)頻率偏差引起的負(fù)載的步驟可以進(jìn)一步抑制，并且其持續(xù)時(shí)間減少，由減少。圖6（b）顯示相應(yīng)的有功功率的注入在逆變器中。這說(shuō)明初級(jí)的下垂方法是充分的在兩個(gè)逆變器之間精確地的共享有功功率，該DAPI控制器會(huì)保留建立的功率共享特性由主控制器。是由于這樣的事實(shí)：在t = 2s負(fù)載是不是一個(gè)真正的恒定功率負(fù)載，并且確實(shí)包含一個(gè)頻率依賴分量有功功率的小增加。圖6 性能