基于分布式模型预测控制的直流配电系统协同控制方法

本发明属于预测控制，具体涉及一种基于分布式模型预测控制的直流配电系统协同控制方法。

背景技术：

1、目前，分布式电源和以电动汽车为代表的直流负荷的大规模接入，对传统配电网的可靠性和灵活性提出了新的挑战。随着电力电子换流器的发展，直流配电系统因灵活易控、供电半径长、供电容量大等优势而日益受到重视。然而随着新能源发电装机容量的急剧增大，新能源的消纳已成为电力系统亟需解决的难题。直流配电系统可以更为灵活、高效地接纳分布式电源，已成为现代配电系统的重要发展趋势，但直流配电系统是典型的低惯性、弱阻尼系统。对于采用传统的下垂控制的系统，新能源出力的随机性和以及负荷的负载功率突变都可能导致直流电压的振荡，甚至诱发系统失稳。

2、目前，以一致性控制为代表的分布式协同控制在多端直流配电系统中得到了广泛应用，其基于相邻节点间的稀疏通信，在通信要求较低的情况下即可实现控制，且具有控制变量趋于一致、灵活可靠等优势。但是，相较于直流微电网，直流配电系统的节点更多、供电范围更广，这也导致系统内各个换流器之间、本地控制与上层控制器之间的物理距离增大。同时，直流配电系统正处于初级发展阶段，通信设备还不完善，由于各个地区通信网络的不同、通信设备性能的差异等影响因素，导致通信时延对分布式协同控制的性能产生较大的影响。因此，结合直流配电系统点多、面广的特性，考虑实际直流配电系统的建设经济性以及通信时延对控制性能的影响，研究具有一定时延抗性的多端直流配电系统分布式协同控制策略，在实现直流电压振荡控制的同时消除通信延时造成的电压偏差问题，对于直流配电系统的推广应用具有重要意义。

技术实现思路

1、根据以上现有技术中的不足，本发明提供了一种基于分布式模型预测控制的直流配电系统协同控制方法，消除了时延引起的电压观测误差，实现了对系统电压实际均值的准确预估；通过电压和功率的动态一致性控制，实现了电压源型功率模块输出电压的补偿和功率的精确分配。

2、为达到以上目的，本发明提供了基于分布式模型预测控制的直流配电系统协同控制方法，包括以下步骤：

3、s1、在直流配电系统中，将供电端的功率模块等效为电压源型功率模块，将分布式电源单元和直流负荷等效为负荷型功率模块；

4、s2、以惯量调整系数为输入控制变量，建立第i个电压源型功率模块的状态空间方程；

5、s3、以滤波电流和输出电压为状态变量，建立第k个负荷型功率模块的状态空间方程；

6、s4、以电压源型功率模块的输出电压偏差和的增量加权平方和最小值为优化目标，建立目标函数，并设定其约束条件；

7、s5、根据电压源型功率模块的扰动源定位指标，以及的振荡情况，自适应地调整；

8、s6、以负荷型功率模块的电流信号以及输出占空比加权平方和最小值为目标，建立目标函数，并根据负荷型功率模块的扰动源定位指标及负荷型功率模块的输出电压偏差，自适应地处理电压控制的瞬态响应；

9、s7、以的可测量输出值设计luenberger observer观测器，准确估计出的瞬时状态值；

10、s8、设计一致性电压-功率控制器，用于实现协同控制；

11、s9、对一致性电压-功率控制器进行改进，实现最终的协同控制。

12、所述的s1中，根据直流配电系统内供电端的功率模块的特性，将供电端的功率模块等效为电压源型功率模块；根据直流配电系统分布式电源单元和直流负荷的负阻抗特性，将分布式电源单元和直流负荷等效为负荷型功率模块。

13、所述的s2中，以为输入控制变量，建立第i个电压源型功率模块的状态空间方程表示为：

14、；

15、式中，、、、分别为第i个电压源型功率模块的下垂系数、电压实测值、电压参考值、功率实测值；和分别为第i个电压源型功率模块的d轴电流实测值和q轴电流实测值；、为第i个电压源型功率模块的电压外环的控制参数；、分别为第i个电压源型功率模块的d轴电流内环的比例系数和积分系数；、分别为第i个电压源型功率模块的q轴电流内环的比例系数和积分系数；、分别为第i个电压源型功率模块的交流侧滤波电感、等效电阻；、为dq轴电流的开关函数；为中间变量；、、分别为第i个电压源型功率模块的比例积分环节的中间变量；为第i个电压源型功率模块直流侧的输出电流；为第i个电压源型功率模块直流侧的电容；t为高通滤波环节的时间常数；t为时间，d为微分符号。

16、所述的s3中，以和为状态变量建立第k个负荷型功率模块的状态空间方程表示为：

17、；

18、式中，、分为第k个负荷型功率模块的占空比、占空比稳态值；、分别为直流母线电压及其稳态值；为第k个负荷型功率模块输出侧的滤波电感；为第k个负荷型功率模块输出侧的滤波电容；为第k个负荷型功率模块的输出侧负荷。

19、所述的s4中，目标函数为：

20、；

21、式中，j为目标函数，表示电压源型功率模块的输出电压偏差和的增量加权平方和；、分别为h时刻电压源型功率模块的输出电压矩阵、参考电压矩阵；为第i个电压源型功率模块的的增量的权重系数；为h时刻电压源型功率模块的惯量调整系数矩阵；p为预测时域，m为控制时域，且满足m≤p；表示离散变量相邻时刻的增量；f为预测时刻；

22、其约束条件为：

23、；

24、式中，为第i个电压源型功率模块的有功功率最大值；、分别为电压源型功率模块能承受的最小控制增量、最大控制增量；是电压源型功率模块的实际控制增量。

25、所述的s5中，自适应地调整的方式为，对于：

26、当时，的增量大于直流配电系统能承受的最大控制增量，保持在最小值，在保证最大控制效果的同时限制控制增量；

27、当时，的增量在直流配电系统能承受的最大范围内，根据直流配电系统状态自适应调整；

28、由此，表示为：

29、；

30、式中，为的最小值（这个最小值是由直流配电系统的不同特性决定的，具体根据直流配电系统的控制结构、电路参数等决定）；、分别为第i个电压源型功率模块h时刻的电压参考值和电压实测值；是h-1时刻的电压源型功率模块的实际控制增量。

31、所述的s6中，建立的目标函数为：

32、；

33、式中，是第k个负荷型功率模块的电流信号以及输出占空比加权平方和；、分别为第k个负荷型功率模块h时刻的电流信号以及电流信号参考值；为第k个负荷型功率模块的占空比增量权重系数；是第k个负荷型功率模块h时刻的占空比；

34、通过自适应地处理电压控制的瞬态响应，表示为：

35、；

36、式中，、分别为第k个负荷型功率模块h时刻的输出电压以及电压参考值；为第k个负荷型功率模块控制增量目标项的权重系数初始值。

37、所述的s7中，luenberger observer观测器表示为：

38、；

39、、、；

40、；

41、式中，、为第k个负荷型功率模块状态变量的估计值、输出变量的估计值；为第k个负荷型功率模块状态变量与状态变量估计值之间的偏差；、为第k个负荷型功率模块的状态变量和输出变量；第k个负荷型功率模块的输出占空比；、、分别为第k个负荷型功率模块状态变量的估计值的系数、输出占空比的系数和输出变量的估计值的系数；是的微分形式。

42、所述的s8中，设计的一致性电压-功率控制器表示为：

43、；

44、其中：

45、；

46、式中，、分别为第i个电压源型功率模块、第j个电压源型功率模块的电压观测值；为第i个电压源型功率模块的邻居节点集合；为第i个电压源型功率模块的功率分配偏差；是第i个电压源型功率模块的输出电压；、分别是电压一致性控制的增益、管理一致性控制的增益；、分别为第i个电压源型功率模块、第j个电压源型功率模块的输出功率偏差；为第i个电压源型功率模块的输出功率；表示第i个电压源型功率模块和第j个电压源型功率模块之间的通信权重；为积分变量。

47、所述的s9中，改进后的一致性电压-功率控制器表示为：

48、；

49、式中，为第i个电压源型功率模块电压外环的输入参考指令调整值；是的微分形式；、分别为第i个电压源型功率模块的电压一致性系数、功率一致性系数；为第i个电压源型功率模块的偏差系数；、分别为第i个电压源型功率模块、第j个电压源型功率模块引入的中间变量；是的微分形式；n是电压源型功率模块的个数。

50、本发明涉及的算法可以通过电子设备执行，电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，通过处理器执行程序实现上述的算法。

51、本发明所具有的有益效果是：

52、本发明提出了基于电压前馈补偿的虚拟惯性控制方法，通过分散式模型预测控制优化虚拟惯性参数，有效增强了电压源型功率模块的本地控制对系统的惯性支持；对于负荷型功率模块，结合电压偏差以及扰动源定位指标，提出将自适应模型预测控制作为电流控制环节的方法，提高了换流器动态性能。在协同控制时，针对线路阻抗、通信时延等因素造成的功率分配不均以及较大电压偏差等问题，提出了基于改进一致性算法的电压-功率控制器，消除了时延引起的电压观测误差，实现了对系统电压实际均值的准确预估；通过电压和功率的动态一致性控制，实现了电压源型功率模块输出电压的补偿和功率的精确分配。

53、本发明结合负荷型功率模块输出电压偏差情况和扰动源定位指标设计了自适应模型预测控制，通过所设计的自适应模型预测控制来处理电压控制的瞬态响应，而电压控制环节只需要补偿由参数不确定性引起的信号偏移，有效提高了模块的瞬态响应性能。

54、本发明采用了改进的一致性电压-功率控制器，该控制器通过设计改进的观测器消除了时延引起的电压观测误差，实现了对系统电压实际均值的准确预估。同时，通过电压和功率的动态一致性控制，实现了电压源型功率模块输出电压的补偿和功率的精确分配。

55、本发明消除了时延引起的电压观测误差，实现了对系统电压实际均值的准确预估；通过电压和功率的动态一致性控制，实现了电压源型功率模块输出电压的补偿和功率的精确分配。