基于非线性一致性算法的微电网的功率协调控制

基于非线性一致性算法的微电网的功率协调控制

刘华

 中石化石油工程设计有限公司

摘要:直流微电网是由电源、负载和互连线路组成，本文提出并分析了一种新型的直流微网功率一致算法，主要控制目标是维持母线电压稳定以及实现功率按比例分配。本文提出的控制算法通过控制分布式电源在通信网络上交换瞬时功率的信息，并相应地调整注入电流，在此基础上实现了功率一致性以及母线电压稳定，以期确保微电网系统的合理产能、智慧用能和电力安全稳定运行，这对微电网大规模推广具有重要的理论意义和广泛的工程实用价值。经过仿真试验论证，该控制器适用于阻抗恒定、电流恒定、功率负载恒定的油区直流微电网。

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0引言

随着"互联网+"时代的到来，传统油田正逐步向“智慧油田”迈进[1]。这加大了油区对电力的需求，然而油区一般位置偏远，难以采用大电网供电，独立微电网为解决油区电能供应问题提供了新思路。然而，在油区为了满足油井供电要求，微电网内分布式发电单元只能布置在限定的位置，而负荷分散地分布在整个油区，分布式电源到负荷（或分布式电源）之间需长距离输送电能。在此背景下，与交流微电网相比，直流微电网线路造价低、损耗小，更适合应用于油区。

在建立直流微电网理想数学模型的基础上，通过考虑的负载多样性，提出基于非线性一致性算法的功率分配策略，能够实现不同分布式电源之间按比例输出功率。

本文通过考虑油区可再生能源分布式电源和储能可输出功率的限制，以及油区负荷的多样性，提出基于非线性一致性算法的直流微电网功率协调策略，以实现在负荷投切和可再生能源电源输出功率波动的场景下全网电压稳定。最终，仿真验证了本文所提功率协调策略的有效性。

1 数学模型的建立

1.1  油区微电网拓扑结构

油区直流微电网的分布式电源和负荷具有分散的特性，因此它们之间需长距离的线路输送电能，为了满足油区生态保护的要求，分布式光储电源通常由光伏发电单元和储能单元构成，这里负载主要考虑为恒阻性、恒电流、恒功率三种类型。

1.2 光储分布式电源模块的数学模型

分布式光储电源模块，主要由光伏电池、控制器、DC-DC变换器和储能构成，通过光伏和储能的协调控制，分布式光储电源能够输出稳定的直流电压。

光伏电池通过最大功率追踪（MPPT）控制，实现在不同光照度下，光伏电池按最大出力运行。储能通过直流母线电压控制，根据光伏电池出力和负载所需功率进行实时充放电。当光照度较强时，储能作为用电负载，接收光伏电池发出来的电能；当光照度较弱时，光伏电池的输出功率近似为零，储能作为供电电源的角色，为负载提供电能。

在MPPT控制模式下，由串并联电阻、二极管、光生电流源组成。是光生电流，主要受光照度影响，可看作受控电流源。

油区的储能装置一般使用锂电池，根据其放充放电控制策略，其动态等值电路可等效为一个受控电压源和内阻串联的模型，主要受充放电控制策略中参考电压影响，可看作受控电压源。

1.3油区负荷的数学模型

油区的负载主要包括油井、生活用电等，主要类型包括恒阻性、恒电流、恒功率三种类型，负载端口电流随其端口电压或功率变化的数学模型为:

（1）

其中，负载端口电流，为恒电流负荷的恒电流值，为恒阻抗负荷的恒电导值，为恒功率负荷的恒功率值。

2基于一致性算法的功率协调控制策略

本文选择较为简单的一阶离散一致性算法作为有功功率协调的基础，该算法具有收敛条件简单，收敛速度快等优点。

2.1  稀疏通信网络的描述

为了基于一致性算法实现功率分配的分布式控制，油区直流微电网内建立了一个稀疏的通信网络。与该通信网络相关联的是一个的拉普拉斯矩阵（表示微电网内分布式电源个数），即：

其中为度矩阵，通常为对角矩阵。为节点的度，表示与该节点进行通信联络的节点个数。

为通信网络的邻接矩阵，为邻接矩阵中对应元素，若节点与节点之间有链路，则，反之则为，其对角元素均为。

2.2兼顾不同电源功率分配的电压一致性控制

在考虑可再生能源电源可输出功率限制的基础上，为了确保油区微电网内不同分布式电源按规定的分配比例注入功率，（表示微电网内所有分布式电源），不同分布式电源功率分配比例如以下关系式：

式中，KI KJ本地注射功率以及需要通信连接的邻源输出功率组成的函数控制。

在上述规定功率分配比例下，假设微电网内所有分布式电源（表示集合）都是可控的电压源，为确保所有分布式电源电压保持在一个收敛的设置范围内，即始终保持源电压不变，本文设计的目标控制器如下式所示：

其中

，它实际可看作是一个非线性电容，可适应不同类型负载的大范围变化。

，它可看作是一个理想电流源，由本地电压和邻源点的输出功率控制。

两边同时乘以，可得到基于非线性一致性算法的分布式电源电压闭环控制数学模型，如下式所示：

其中，，集合 ，表示在通信图中连接到节点的邻居。

3仿真

为了验证所提基于非线性一致性算法的油区微电网的功率协调控制策略，本文基于IEEE 37标准节点模型的数据，搭建了油区直流微电网的仿真模型。

本文建立的直流微电网仿真模型采用“点”对“点”分布式通信方式。

论文设计了如下3种仿真情景:情景A：不同电源具有不同的输出功率限制，即功率分配比例系数根据电源可输出功率最大值发生变化;情景 B:油区负载大范围扰动;情景C:光照度变化情况下光伏电池输出功率扰动。

3.1 场景A：考虑电源最大功率限制的功率分配

不同分布式光储电源的最大输出功率能力不同，所以功率分配比例系数可以随意设定，以满足具有不同电源容量分布式光储电源的实际情况。

假设有两组不同发电能力的分布式光储电源，两组电源的功率分配比例系数分别为、。模拟稳态情况下，非线性一致性算法在油区直流微电网中功率分配的有效性。

3.2 场景B：负载扰动分析

本文建立的仿真模型中含有26个负载，其中有8个恒功率负载、9个恒阻抗负载和9个恒电流负载。模拟11个负载全程持续工作，15个负载初始时被关闭，在100ms时逐渐打开的情况下，非线性一致性算法在油区直流微电网中功率分配的有效性。

3.2 场景B：负载扰动分析

实际情况中，油区中的光照强度时刻发生变化，模拟t=100ms时光伏出力由于光照强度增强而变大的情况下，非线性一致性算法在油区直流微电网中功率分配的有效性。

4结论

近年来，微电网的发展使其相关课题成为研究的热点。本文针对油区直流微电网的实时功率分配问题展开研究，基于非线性一致性理论提出油区微电网实时协同功率分配的框架，在此基础上对油区微电网进行建模并引入一致性算法实现功率分配计算。得到结论如下。

１）本文提出的非线性一致性功率分配算法能够合理分配功率，保证油区直流微电网整体的实时功率平衡。

2）本文控制架构的通信负担小，各微电网仅需要本地及邻近微电网的少量信息，能够适应孤岛型微电网群实时性强的动态功率分配需求。

3）本文提出的功率一致性控制器在考虑了实际工作中负载、光照对系统的影响下依旧实现了微电网的功率分配，保证系统电压稳定。

综上，本文算法在油区直流微电网实时协同功率分配问题的应用中具有可行性。本文研究的过程中，笔者将微电网群视为能够直接实现能量互济的互联系统，而未考虑时滞条件，该问题需要在后续工作中继续研究。

参考文献：

[1]李世东. 大数据时代中国智慧林业门户网站建设[J]. 电子政务, 2014(3):111-117.

[2]黄宜平,马晓轩. 微电网技术综述（英文）[J]. 电工技术学报,2015,30(S1):320-328. [2017-10-09].

[3]杨新法,苏剑,吕志鹏,刘海涛,李蕊.微电网技术综述[J].中国电机工程学报,2014,34(01):57-70.

项目：北京林业大学热点追踪项（2018BLRD）

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