微電網(wǎng)下垂控制的穩(wěn)定性、功率分配與分布式二級控制

1、精選優(yōu)質文檔-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控制摘 要出于對智能電網(wǎng)技術最近的和不斷增長的興趣，我們研究了微電網(wǎng)中的下垂控制DC/AC逆變器運算。我們提供一個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，并且指定該組的負載，它可以不違反給的的驅動約束下實現(xiàn)。此外，我們提出了一個分布式的基礎上平均積分控制器算法，動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)頻率一個隨時間變化的負載的存在。值得注意的是，這分布平均積分控制器有額外的性質保持功率共享特性的主要下垂調節(jié)器。最后，我們目前的實驗結果驗證我們的控制器設計。我們的研究結果在沒有假設有相

2、同的線性調節(jié)和電壓幅值也成立。引言微電網(wǎng)是低壓配電網(wǎng)絡，不均勻組成的分布式發(fā)電，存儲，負載，和從更大的主要網(wǎng)絡中自主管理的網(wǎng)絡。微電網(wǎng)是能夠連接到廣域電力系統(tǒng)通過一個共通點聯(lián)軸器（PCC），但也“孤島”自己和獨立運作1。在微網(wǎng)能源發(fā)電可以是高度異質性，包括光伏發(fā)電，風能，地熱能，微型渦輪機等許多這些來源產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)通過電力電子接口DC/ AC逆變器。它在孤島的操作，是通過這些逆變器，必須采取措施以確保同步，安全性，動力平衡性和負載均衡在網(wǎng)絡中2。所謂的下垂控制器已成功地用于實現(xiàn)這些任務，請參見2 - 7。盡管形成的基礎并聯(lián)逆變器的操作（圖2），下垂控制

3、從未逆變器和負載網(wǎng)絡受非線性分析8。小信號穩(wěn)定性分析兩個逆變器并聯(lián)運行的下9 - 12和參考文獻中的各種假設。所呈現(xiàn)的穩(wěn)定性結果依賴于線性約已知的操作點，兩個逆變器的特殊情況下，有時會打包帶無關的假設5。圖1微電網(wǎng)的示意圖，與四個逆變器（節(jié)點VI）提供負載（節(jié)點VL），通過非循環(huán)互連。 之間的逆變器的虛線代表的通信鏈路，這將是專門用于第六部分。在這項工作中，我們調查我們最近的理論結果同步，共享，和次級控制的微電網(wǎng)13。經(jīng)檢討后的下垂控制方法和次級控制（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載的網(wǎng)絡點（第III-IV），并嚴格地建立控制參數(shù)導致逆變器的負載的選擇和

4、范圍滿足給定的驅動約束（第五節(jié)）。在第六，我們提出了一種新的分布式二級控制器，基于拉普拉斯平均算法，快速調節(jié)網(wǎng)絡頻率標稱值的。值得注意的是，這控制器來完成此任務，同時保持電源的主要下垂控制器的共享屬性。在第七，我們提供了實驗結果，驗證我們的控制器設計，并終于在第VIII我們提供了一些結論和未來的發(fā)展方向。所有結果的詳細證明可以13。微型電網(wǎng)的分布式控制回顧A. 問題提出和電路理論的回顧對我們而言，微電網(wǎng)是一個連通的，無向的并且復雜的加權圖有節(jié)點集，邊集，對稱的邊權重對沒一個邊。我們分隔節(jié)點集如，對應于負載和逆變器。對每一個節(jié)點，我們關聯(lián)一個復功率，向量電壓變量對應于幅度值和諧波電壓的相角偏移在

5、AC功率流等式。對于無耗損線路，功率流方程是如果一個數(shù)和任意的方向分配給每一邊，關聯(lián)矩陣定義為元素如果節(jié)點是邊的匯節(jié)點，如果節(jié)點是邊的源節(jié)點，其他的元素為0。在無耗損的網(wǎng)絡情形里，對于每個節(jié)點向量滿足，存在一個邊向量滿足基爾霍夫電流定理。對于沒有環(huán)的網(wǎng)絡，是唯一的并且定義為。向量解釋為節(jié)點注入，是關聯(lián)的邊流。我們表示為邊向量中的元素，對于與邊。和微電網(wǎng)文獻中的標準一樣，我們將逆變器建模為一個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技術主控制（同步和功率平衡）島狀微網(wǎng)中，并是一個啟發(fā)式基于經(jīng)典的有功/無功的解耦假設小功角和非混行情況，請參閱1 - 3，5，6，8 - 12

6、，16。對于無耗損線路，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)絡頻率，是額定電壓集合點對于第個逆變器，（）是測得的有功（無功功率）功率的注入?？刂破髟鲆媸亲鳛橄麓瓜禂?shù)。從（2a），如果一個逆變器注入功率和預先決定的額定注入不同，頻率將偏離。圖2逆變器并聯(lián)運行的示意圖C.傳統(tǒng)的二級控制回顧去除產生的穩(wěn)態(tài)頻率偏差，由下垂控制器是通過所謂的“二級”積分控制器。如果主控制器穩(wěn)定網(wǎng)絡，然后，每一個逆變器的頻率具有會聚到一個恒定值，和較慢的額外控制環(huán)路然后，可以在本地使用在每個逆變器16。每一個局部二級控制器逐漸更改控制增益通過直到頻率偏移為0。所測得的，此過程隱含假設局部頻率是一個很好的近似

7、穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡頻率，并依賴于時間尺度的分離之間的快速，同步實施的主要下垂控制器和較慢的，二次積分控制器7，16，17。對于小下垂系數(shù)，這種方法可以特別慢，導致該方法不能以動態(tài)調節(jié)網(wǎng)絡中出現(xiàn)的頻率一個隨時間變化的負載。此外，這些分散的（即，局部）上二級的控制器可能會功率共享屬性成立由初級下垂控制器。主控制器的穩(wěn)定性結果逆變器通過下垂方法（2a）控制，由（1a）給出，常數(shù)功率負載在功率節(jié)點必須滿足功率平衡關系和等式（2a）和（3）組成網(wǎng)絡模型。一個自然的問題出現(xiàn)了：在什么條件下的負載，額定功率注射，網(wǎng)絡拓撲結構，導納，和下垂系數(shù)的網(wǎng)絡擁有一個穩(wěn)定，同步的解決方案嗎？下面的結果提供一般無環(huán)網(wǎng)絡中確切的答案

8、。這個類網(wǎng)絡包括標準的“水貨”微網(wǎng)的拓撲結構后（圖2），和大多數(shù)的配電網(wǎng)絡孤島事件。為了簡化描述結果，定義負載向量和額定功率注入對角矩陣的逆下垂系數(shù)，令是n維向量，其中每個元素為1。定理3.1：（同步時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。下面的兩個語句是等價的：（i）同步：有一數(shù)使得閉環(huán)系統(tǒng)有一個局部指數(shù)穩(wěn)定和唯一的同步結果使對于全部的邊都成立；（ii）流可行性：有功功率流是可行的，即和相關聯(lián)唯一的通過，網(wǎng)絡同步頻率同步角度差滿足對于每個邊。證明參照13。要了解上述結果，請考慮以下推理。如

9、果一個穩(wěn)定的狀態(tài)存在對每一個節(jié)點，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)點功率注入向量，滿足。所以，滿足KCL，是邊之間的功率流關聯(lián)向量。在物理上，因此，參數(shù)的條件（4）指出沿每個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。魯棒的電壓動態(tài)目前的分析基于這樣的假設，乘積是一定常和知道的系數(shù)對于全部的邊。在一個現(xiàn)實的電力系統(tǒng)中，有效的行納和電壓幅值僅約已知的，并且動態(tài)地調整由額外的控制器，比如控制器（2b）。下面的結果指出，只要這些額外控制器可調節(jié)的有效納和節(jié)點電壓超過預先設定的下限，穩(wěn)定的結

10、果定理3.1經(jīng)過稍加修改。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）與負載（3）。假設節(jié)點電壓幅值滿足對于所有的節(jié)點，邊電納大小滿足。下面的兩個語句是等價的：（i）魯棒同步：對于全部可能的電壓大小和線點納，存在一個數(shù)使得閉環(huán)系統(tǒng)（2a）有負載（3）有一局部指數(shù)穩(wěn)定和唯一的同步情況，對全部的邊有；（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）與負載（3），它沒有提供直接的指導，就如何選擇控制參數(shù)和滿足逆變器驅動約束對于某一叫做逆變器等級。下面的定義給出了

11、選擇適當?shù)臉藴?。定義1：（比例下垂系數(shù)）下垂系數(shù)選擇成比例的，如果和對于全部的。雖然定義1中的第一條件是標準微電網(wǎng)文獻，第二個是一個泛化的選擇。結果表明，這個比例選擇理想的穩(wěn)定狀態(tài)功率注入。定理5.1：（功率流約束和功率共享）考慮一個同步的情況中的頻率下垂控制系統(tǒng)（2a）與負載（3），并讓下垂系數(shù)的選擇比例。定義全部的負載。下面的兩個語句是等價的：（i）注入約束：（ii）負載約束：。此外，逆變器共享的總負載比例根據(jù)其額定功率，即對于每個。特別的，定理5.1中表明如果逆變器的總負載是可行的，定理5.1保證每一個逆變器滿足其驅動約束。并且，對于任何負載滿足定理5.1（ii），將定理3.1中的表達和

12、定理5.1（ii）中的邊界結合起來即。通過，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控制器使用平均在定理3.1中的表達式可以看出，頻率下垂方法總是導致偏差在穩(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轉換（對于）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。不過，公式包括系數(shù)對全部的逆變器和負載，這些信息是不能在每一個逆變器局部得到的。在下文中，我們追求的備選方案不隱式地依賴于頻率恢復分離的時間尺度如7，16，17。假設一個稀疏的存在之間的通信網(wǎng)絡逆變器，擴展于傳統(tǒng)的頻率下垂設計（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)，對每一矩陣是拉布拉斯矩陣對應于一個加權，無向連通的交互圖在逆變器之間，見圖1.控制結構在圖3中描述。DIAP控制器有以下三個重要的性質。首先，控制器能夠迅速調節(jié)網(wǎng)絡頻率下，快速的負載變化。其次，控制器完成此調控，同時保留的功率共享特性主要下垂控制器（2a）（見第五部分）。第三，交互網(wǎng)絡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)絡的穩(wěn)定性）考慮一個無環(huán)的DIAP控制逆變器和負載網(wǎng)絡，和（6a）-（6b）和（3）那樣系數(shù)，對于，負載對于，連通的交互拉布拉斯。以下兩個語句是等價的：（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)定和唯一的平衡點其中對于全部。唯一的平衡點在定理3.1中給出，和對于，網(wǎng)絡同步額定頻率一起。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控制器的原理結構圖實驗結果奧爾堡大學進行實驗的DAPI控制器（6a） - （6b）中的性能進行評估。是在圖4所示的實驗裝置的示意圖，在其中兩個逆變器工作在并行供給功率到非線性負載。圖4 實驗裝置的示意圖圖5 標記實驗裝置圖圖5顯示實驗裝置，組成為：2個2.2kW逆變器工作在10kHz與L

15、CL輸出過濾器，1個控制板，電壓和電流傳感器。1個二極管整流器作為一個非線性負載，負載是一個電容和200電阻。電氣安裝和控制系統(tǒng)參數(shù)的詳細表一。兩個逆變器的控制參數(shù)是相同的，逆變器電壓通過下垂方法（2b）其中，控制。實驗結果示于圖6。圖6（a）微網(wǎng)頻率調節(jié)到其標稱值由的DAPI控制器。在第一個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。當在t = 2s實施充分的DAPI控制器，系統(tǒng)頻率為成功調節(jié)。在實驗的后半期，負載迅速變化兩倍：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節(jié)網(wǎng)絡頻率盡管負載快速變化。為了清楚起見，輔助增益已被調整，使得頻率恢復可見。由瞬時頻率偏差引起的負載的步驟可以進一步抑制，并且其持續(xù)時間減少，由減少。圖6（b）顯示相應的有功功率的注入在逆變器中。這說明初級的下垂方法是充分的在兩個逆變器之間精確地的共享有功功率，該DAPI控制器會保留建立的功率共享特性由主控制器。是由于這樣的事實：在t = 2s負載是不是一個真正的恒定功率負載，并且確實包含一個頻率依賴分量有功功率的小增加。圖6 性能