基于事件触发的孤岛微电网分布式容错二次控制方法

本发明涉及一种孤岛微电网分布式容错二次控制方法，具体涉及一种基于事件触发的孤岛微电网分布式容错二次控制方法。

背景技术：

1、微电网能整合多种分布式微源(dg)，是消纳可再生能源、解决能源危机与环境问题的重要手段，现已成为新能源分布式发电技术的一种重要方式。微电网一般具备两种常态运行模式，即并网运行模式和孤岛运行模式。当微电网处于并网运行模式时，其不但能够对内部能量进行管理，还能够与主电网之间进行能量交换。当微电网孤岛运行时，由于失去大电网的支撑，需要其对内部的能量、电压、频率等进行自主、有效控制，因此微电网孤岛运行时的控制策略对微电网的安全、稳定、高效运行十分关键。孤岛运行模式下常采用下垂控制来实现功率均衡，而下垂控制会带来电压和频率的静差，为此需要引入二次控制方法消除静差。

2、对于孤岛微电网的二次控制问题，存在分布式、集中式和去中心化三类设计方案。分布式控制具有高灵活性、可靠性、稳定性的特点，被视为二次控制优越的代替方案。目前大多数分布式控制都基于连续触发机制，控制信号的触发和分布式电源间的通信均是周期性的，且触发十分频繁，使微电网的通信压力较大，因此基于事件触发的一致性算法便被应用到微电网分布式二次控制当中。另一方面，通常有两种方法来处微电网控制通道中有执行器出现故障和传感器出现故障的潜在风险，第一种方法是实时检测、定位和识别故障，第一时间补偿或消除故障影响，这种方法虽然可以保证微电网系统的运行性能，但效率低、成本高；第二种方法是设计容错控制器增加系统的灵活性和可靠性，使系统即使处于带故障运行状态也能达到一定的性能指标。

技术实现思路

1、针对孤岛交流微电网控制通道中可能存在执行器出现故障以及通信带宽存在约束的问题，本发明提供了一种基于事件触发的孤岛微电网分布式容错二次控制方法。该方法能同时考虑系统出现部分失效故障和偏置故障的情况，能够使系统在出现故障情况下恢复正常频率、电压，并且做到功率按系统内各电源容量进行精确分配。而且本发明设立了事件触发的触发条件，各个分布式电源之间只需在事件触发时刻进行信息交换，大大降低了分布式电源之间的通信压力。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于事件触发的孤岛微电网分布式容错二次控制方法，包括如下步骤：

4、步骤一、微电网系统模型设计

5、步骤一一、网络系统模型设计

6、设通信拓扑图为g＝(v,e,a)，其中v＝{1,2,···,n}为顶点非空有限集，n为节点总数，e∈v×v为边集，a＝[aij]∈rn×n为加权邻接矩阵，如果在节点i和节点j之间存在路径，那么通信拓扑图g被称为连接图；如果存在边(i,j)∈e并且假设边的邻接元素满足aij＞0、aii＝0，那么节点i和节点j被称为相邻，表示为ni＝{j|j∈v,(j,i)∈e}；设节点i的对角度为di＝∑aij(j∈ni)，度矩阵为d＝diag{di}，i＝1,2,···,n，通信拓扑图g的拉普拉斯矩阵定义为l＝d-a，且l＝[lij]∈rn×n；

7、步骤一二、微电网控制系统设计

8、微电网控制系统由能量源、vsc、串联lc滤波器、rl输出连接器和局部控制器和二次控制器组成，局部控制器包含功率、电压和电流控制回路，功率控制采用下垂控制，电压和电流控制采用pi控制，二次控制器与通信网络连接接收相邻dg状态变量信息和发送本地状态变量信息；

9、步骤一二一、微电网一次控制

10、dgs采用模拟同步发电机的下垂控制实现微电网一次控制，通过下垂控制，dgs能在微电网发生负荷、出力变化或运行模式切换扰动下根据下垂关系调整自身的出力，从而实现即插即用，频率-有功、电压-无功具体下垂关系为：

11、ωi＝ωref-mipi+ωni

12、vi＝vref-niqi+vni

13、其中ωi、vi为角频率和电压，ωref、vref为角频率参考值和电压参考值，ωni、vni为补偿量，pi、qi为滤波后的有功功率和无功功率，mi、ni为下垂系数；

14、步骤一二二、微电网二次控制

15、为补偿一次控制所造成的频率的静差，同时使有功功率均分，频率二次控制写做如下形式：

16、

17、

18、

19、其中，uωi,upi为二次频率控制器；

20、考虑到功率计算环节中的低通滤波器，电压二次控制写作：

21、

22、

23、其中，uvι为二次电压控制器，qi为实时无功功率，ωc为滤波器带宽；

24、步骤二、基于事件触发控制微电网频率二次频率容错控制器设计

25、步骤二一、执行器故障模型建立

26、执行器故障发生在微电网软件密集型控制器向实际物理系统输入控制指令的过程，若同时考虑部分失效故障项和偏置故障项，执行器故障模型表示为：

27、

28、

29、

30、其中，lωivωi、lvivvi、lpivpi分别是由于传感器故障对uωi、uvi、upi所产生的等效偏置干扰，ρωi、ρvi、ρpi分别是由于控制器故障对uωi、uvi、upi所产生的等效失效干扰；

31、步骤二二、容错二次控制器设计

32、频率二次控制：

33、

34、

35、

36、其中vωi表示偏置故障发生时执行器所受到的干扰，表示故障发生后执行器输出，ρωi、lωi表示故障系数，tk表示第k次触发时刻，kωi,kω1i,kω2i为可调参数，σωi为正数；

37、只有每个逆变器的触发条件满足下式时，向相邻逆变器发送自己的状态信息：

38、

39、测量误差eωi＝ωi(tk)-ωi(t)，κωi、cωi为可调参数，λωmax为通信拓扑矩阵gω的最大特征值，aωi、μωi、αω1i、为正数，μωi满足ρωi≥μωi，满足ηωi为内部动态变量，用来延长触发间隔，其变化率由下式决定：

40、

41、其中bωi为正数，动态变量ηωi的初值ηωi(0)＞0；

42、电压二次控制：

43、

44、

45、

46、其中vvi表示偏置故障发生时执行器所受到的干扰，表示故障发生后执行器输出，ρvi、lvi表示故障系数；tk表示第k次触发时刻，kvi,kv1i,kv2i为可调参数，σvi为正数；

47、只有每个逆变器的触发条件满足下式时，向相邻逆变器发送自己的状态信息：

48、

49、测量误差evi＝vi(tk)-vi(t)，κvi、cvi为可调参数，λvmax为通信拓扑矩阵gv的最大特征值，avi、μvi、αv1i、为正数，μvi满足ρvi≥μvi，满足ηvi为内部动态变量，用来延长触发间隔，其变化率由下式决定：：

50、

51、其中bvi为正数，动态变量ηvi的初值ηvi(0)＞0；

52、有功二次控制：

53、

54、

55、

56、其中vpi表示偏置故障发生时执行器所受到的干扰，表示故障发生后执行器输出，ρpi、lpi表示故障系数；tk表示第k次触发时刻，kpi,kpi,kp2i为可调参数，σpi为正数；

57、只有每个逆变器的触发条件满足下式时，向相邻逆变器发送自己的状态信息：

58、

59、测量误差epi＝pi(tk)-pi(t)，κpi、cpi为可调参数，λpmax为通信拓扑矩阵l的最大特征值，api、μpi、αp1i、为正数，μpi满足ρpi≥μpi，满足ηpi为内部动态变量，用来延长触发间隔，其变化率由下式决定：：

60、

61、其中bpi为正数，动态变量ηpi的初值ηpi(0)＞0；

62、步骤二四、稳定性分析

63、频率二次控制稳定性分析：

64、定义如下李雅普诺夫函数：

65、vω＝vω1+vω2+vω3

66、

67、其中，gω为通信拓扑矩阵；

68、

69、其中，αωi，βωi为一个正数；

70、

71、电压二次控制稳定性分析：

72、定义如下李雅普诺夫函数：

73、vv＝vv1+vv2+vv3

74、

75、其中，gv为通信拓扑矩阵；

76、

77、其中，αvi，βvi为一个正数；

78、

79、有功二次控制稳定性分析：

80、定义如下李雅普诺夫函数：

81、vp＝vp1+vp2+vp3

82、

83、其中，l为通信拓扑矩阵；

84、

85、其中，αpi，βpi为一个正数；

86、

87、步骤二五、结论

88、通过对李雅普诺夫函数放缩可以得到，当时，调节参数使κωi≤μωiαω2i，频率跟踪误差将以指数形式收敛到集合内；当时，调节参数使κvi≤μviαv2i，电压跟踪误差将以指数形式收敛到集合内；当时，调节参数使κpi≤μpiαp2i，有功共识误差将以指数形式收敛到集合内；且频率、电压、有功二次控制的任意两个触发间隔均大于零，

89、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

90、1、为了解决传统分布式下垂控制电压和角频率存在通信负担大和无法容错的问题，本发明基于dg自身信息和其相邻dg信息设计了基于事件触发的分布式容错二次协调控制策略，与现有控制策略相比，本发明所提控制策略不仅提高了系统的鲁棒性，还使系统具有容错能力，同时，在对系统进行上述改进的基础上，由于引入了事件触发机制，系统内电源间仅在触发时刻传输信息，节约了系统通信资源。

91、2、本发明设计的全分布式事件触发控制机制能在保证系统稳态性能的前提，减少系统的通信次数，节约通信资源。

92、3、本发明所提控制策略在执行器部分失效故障和偏置故障情况下，在可允许范围内实现了频率、电压的恢复和功率按照容量的分配，使系统具有容错能力。

93、4、本发明所提控制策略在物理网络变拓扑结构和切换负荷的情况下，实现了频率、电压的恢复和功率按照容量的分配，增强了系统的鲁棒性。