基于分布式滑模一致性的微网控制研究.pdf

13ElectricalAutomation1CyRPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期基于分布式滑模一致性的微网控制研究朱正林，熊永旭，张冕，张欢（南京工程学院电力工程学院，江苏南京2 1116 7）摘要：为实现对等架构下孤岛微电网的二次控制，提出基于一致性理论的分布式控制策略。将各节点频率、有功功率引人分布式控制器得到频率二次补偿项，实现了频率补偿和有功功率的精确分配。同时设计自适应滑模控制器与分布式控制器相配合，实现系统频率二次补偿快速收敛并消除未知扰动。最后基于所搭建的四节点微电网分布式控制模型的仿真结果，验证了所提控制策略的有效性关键词：微电网；滑模控制；频率补偿；功率分配D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.005中图分类号TM73文献标志码A文章编号】10 0 0-38 8 6（2 0 2 30 4-0 0 13-0 3esearch on Microgrid Control Based on Distributed Sliding Mode ConsisterZhu Zhenglin,Xiong Yongxu,Zhang Mian,Zhang Huan(School of Energy and Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing Jiangsu 211167,China)Abstract:In order to realize the secondary control of the island microgrid under the peer-to-peer architecture,a distributed control strategybased on the consistency theory was proposed.The frequency and active power of each node were introduced into the distributedcontroller to obtain the frequency secondary compensation term,which realized the frequency compensation and the accuratedistribution of active power.At the same time,the adaptive sliding mode controller was designed to cooperate with the distributedcontroller to realize the rapid convergence of the system frequency secondary compensation and eliminate the unknown disturbance.Finally,based on the simulation results of the four-node microgrid distributed control model,the effectiveness of the proposed controlstrategy is verified.Keywords:microgrids;sliding mode control;frequency compensation;power distribution0 引 言随着分布式电源（distributedgeneration，D G）广泛应用，微电网控制技术备受关注。传统集中式控制将各DG单元数据传输至中央处理器后进行处理计算。这种控制方式易受单点故障影响，通信可靠性低，灵活性与可拓展性较差。基于一致性协议的分布式控制方式，利用各DG单元与相邻节点间通信实现全局信息共享，各DG单元间具有协同性，且需较小通信压力，保存微电网灵活性的特点。目前利用一致性算法实现微网控制已有多篇文献从各角度进行研究。文献2 利用一致性算法进行改进下垂控制，通过计算无功功率偏差以补偿电压，实现功率精确分配。文献3在微网二次控制中分别对有功一频率，无功-电压环节引人基于电压频率偏差与有功无功偏差的控制率，实现电压频率无静差调节和功率精确分配。文献4在此基础上提出有限时间一致性协议，加快系统收敛速度，保证在有限时间内收敛。上述控制方式直接使各DG单元与相邻节点状态量偏差得到补偿控制率，并未考虑系统扰动及不确定性。在实际工况下，降低干扰对微网电压频率稳定影响至关重要。文献5将模型预测控制引人分布式协调控制中，通过滚动优化和反馈校正提高控制策略鲁棒性，实现直流母线电压控制。滑模控制因具有较好应对不确定因素的鲁棒性被广定稿日期：2 0 2 2-0 4-0 7基金项目：江苏省产学研合作项目（BY2019013）图1中：虚线连接表示多智能体DG单元通信拓扑G；各DG单元智能体表示图G节点；节点状态x由自身与相邻节点状态决定，最终实现各节点状态的统一。若系统状态需要收敛到指定参考值，可设置某一通信节点为虚拟领导者节点用于接收全局信息。其中泛地应用于分布式协同控制中。文献6 设计自适应滑模控制的分布式一致性算法，实现分布式电源频率电压稳定至额定值。本文在传统微电网一致性控制中引人自适应滑模控制以应对微网运行中系统参数变化及扰动。所提策略能够快速收敛，并能在扰动存在下保证各DG单元电压频率稳定，功率按下垂系数成比例分配，具有较好鲁棒性能。最终通过仿真验证所提出控制策略有效性。1微电网一致性控制理论从图论出发，基于多智能体分布式理论，将微电网各DG单元视作多智能体通信节点，各通信节点仅能与相邻节点进行信息交互。分布式DG单元通信拓扑如图1所示。领导节点ACDG1AC/DCDG2交流母线DG3AC%cDG4图1分布式DC单元通信拓扑14ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期邻接矩阵A=.用来表示各节点通信约束，虚拟节点与跟随节点通信约束由B=diagbi，b 2，,b，表示，a=1,b,=1表示节点间存在通信。定义Laplscian矩阵L=D-A;度矩阵D=diagId，dz，,d,l。在领导者节点作用下，系统状态可表示为：2 ag(0)(a,-2.)+b(0)(a)(t)(1)X=(L+B)(X-InXXrer)I,=1,1,1,T式中：x为节点i状态量；xrer为领导节点接收全局信息。在微电网一次控制中，传统下垂控制无需各节点通信，频率一有功、电压一无功关系可表示为：fui-m.Pi(2)Umi-niPi三式中：f.、u;分别为各DG节点逆变器频率和输出电压;fnvUmi分别为系统频率和电压设定值；m;vn，分别为有功无功下垂系数;Piv9分别为各DG节点逆变器输出有功功率和无功功率。下垂控制作为有差调节会导致各DG单元频率电压与设定参考值间存在偏差，本文目的便是设计二次控制实现频率补偿和有功功率按下垂系数比例均分，即：lim,of.(t)=frerlim,omiP;=mjPj(3)i+e)dt式中：frer为频率额定值。结合一致性协议公式（1），频率一有功环节设计控制频率同步二次控制器为：Nefa;(f,-f.)+b,(f-frer)(4)考虑有功功率按有功下垂系数合理分配可设计有功功率辅助控制器为：a,(m;P:-mp,)(5)epi可将各节点视为趋于各节点mP，平均值。e,和e能够使各DG单元频率趋于设定额定值，且保证有功功率按下垂系数合理分配。综上设计一致性频率一有功控制器为：Ne=kZaag(f,-f.)+b(fi-frer)+=1Nka,(m;P;-m,p,)(6)P2分布式滑模一致性控制若拓扑图包含一以领导节点为根节点的生成树，则（L+B)是正定的7 传统一致性二次控制收敛较慢且鲁棒性能较差，本文提出控制策略将自适应积分滑模控制引人传统一致性二次控制中，具有较快收敛速度，且能够在有界干扰情况下保证系统稳定。在微电网运行实际工况下，系统有不确定性，有扰动存在。并存在|d|D(D为扰动上界）的情况。f.=us+up+d(7)式中：ufu为考虑扰动下频率同步和功率平衡滑模一致性控制率。,=(L+B)f=(L+B)(us+d)(8)定义滑模函数为：s,=ef+ce,dt(9)其中c满足Hurwitz条件，c0。系统运动点收敛在滑模面，即使系统跟踪误差e=0,则实现各DG频率收敛至设定值。设计滑模一致性频率二次控制器为：us=(L+B)-s(s)-cefSf-XIls,+8(10)式中：（s）为自适应连续函数，用于考虑系统不确定和干扰造成的抖振的影响；为趋于零的正常数。证明：为正常数，构造Lyapunov函数：1.T+2(0.-D-)2NL=(11)求导得：i=sf(L+B)(ug+d)+ce,+(0.-D-)(12)将式（10）控制器us代人得：i=Lo(cs)+(L+B)d+aN0lls,ll-NNN十1=1=1=NNllsl+ZDIls,l-s(L+B)d(13)D为扰动上界，可设定D使得：NNNL台=N112NS(14)/s,+i=1i=1因为8 为趋于零的正常数，则L0,即控制器式（10）渐近稳定，当Ils,ll=0时可以在有限时间内达到稳定，此时频率收敛至额定值。同理，设计基于有功功率的滑模一致性二次控制器为：up=(L+B)-(s,)-ce(15)即可实现有功功率按容量分配。证明过程与上述频率二次控制器一致，电压-无功环节控制器与频率有功环节控制器原理一致，但相较频率为全局变量，应考虑各DG单元阻抗特性差异的影响。综上，设计得到分布式微电网频率一有功滑模一致性控制器，其控制框图如图2 所示。滑模控制率公式如式（16）所示。15ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期u,=ky(L+B)-p(sf)-cef+k,(L+B)-(s,)-ce,)(16)式中：k,、k，为设计滑模一致性控制器频率恢复和有功功率分配权值。PWMU-Iabc-dq功率双闭环计算滑模P控制率1/s式（2）(16)us频率-有功二次补偿图2频率一有功滑模一致性控制框图3仿真分析为验证所提出频率一有功滑模一致性控制器的有效性，本文在Simulink仿真平台搭建以DG1为领导节点的四节点分布式微电网，给定全局信息额定频率为50 Hz，其通信拓扑如图1所示。设计各DG单元有功下垂系数之比为2：2：1：1，对设计滑模一致性控制器c=100,r=50,ksf=10,ks,=20。3.1较常规一致性控制优越性验证以式(6)为对比，验证所提出式（16)的优越性。两种控制方式运行如下步骤：0 s时，系统控制策略下垂控制；0.5s时，常规一致性控制和滑模一致性控制分别启动；1s、1.5s 时，系统控制分别为50 W、50 v a r 有功和无功功率；系统分别在2 s和2.5s切除和接人DG43s时，仿真停止。仿真结果如图3所示。50.680.0一f-2P-.2P250.4-P360.0D50.2ZH/幸50.040.049.820.049.649.400.51.01.52.02.53.0%0.51.01.52.02.53.0t/sT/s(a)常规一致性50.680.0-2P*-2P250.4.PP60.050.2ZH/归50.040.049.820.049.649.400.51.01.52.02.53.0%0.51.01.52.02.53.0t/st/s(b）滑模一致性图3常规一致性与滑模一致性控制策略当微电网仅下垂控制作用时，频率较额定值之间存在偏差，当二次补偿作用在负荷投切和拓扑变化时，常规一致性控制和本文控制方式都能有效补偿频率偏差，使有功功率按比例分配，实现即插即用。但本文提出的控制方式较常规一致性控制有更好的收敛能力，能够快速响应，控制精确3.2带扰动情况有效性验证常规一致性控制并不具有消除扰动的功能，本文仿真将在二次补偿项中注人有界扰动。将执行如下步骤：0 s时，仿真以下垂控制启动；0.5s时，本文控制策略作用；1s时，向DG1频率二次补偿控制律加人=10 的不变信号；1.5s时，向DC2频率二次补偿控制律加人f2=10sin(5t）的交变信号；2 s时，仿真停止。图4为扰动下滑模控制图。50.250.040.050.040.0ZH/本归30.0140.049.850.050.020.049.61.01.11.51.61.01.11.51.610.02P-.2XP2P49.400.51.01.52.00.51.01.52.0t/st/s图4扰动下滑模控制图由图4可以看出，所提出控制策略能够很好地抑制扰动信号，在波形信号发生小波动后能较快稳定，使频率收敛至额定值，有功功率实现比例分配4丝结束语针对孤岛微电网对等架构下的二次控制问题，考虑扰动影响，将自适应滑模引人常规一致性控制方法中，并证明了设计控制策略的收敛能力。基于仿真数据验证,所提出控制策略能够实现分布式二次控制且能够消除未知扰动，确保频率补偿和有功功率均分，具有良好的鲁棒性。本文所提出的控制策略虽然能够消除未知扰动，但并未考虑实际工况下信号采集局限对控制策略的影响，将把离散一致性引入微电网分布式控制以降低对通信的要求。同时，提高离散一致性分布式控制策略的鲁棒性也是未来研究重点。参考文献：【1杨珺，侯俊浩，刘亚威，等分布式协同控制方法及在电力系统中的应用综述J。电工技术学报，2 0 2 1，36（19）：40 35-40 49【2 张莹，孟润泉，王子昂，等一种基于一致性算法的改进下垂控制策略_张莹J电力系统保护与控制，2 0 2 1，49（14）：10 4=111.3柏少童。基于分布一致性算法的孤岛微电网二次控制D南京：南京邮电大学，2 0 2 0.4】马秀娟，李范，赵玫，等基于有限时间一致性的微网分布式二次控制J电机与控制学报，2 0 2 1，2 5（2）：45-53.5李得民，吴在军，赵波，等基于模型预测控制的孤岛微电网二次调节策略J.电力系统自动化，2 0 19，43（10）：6 0-6 7.6 PILLONI A.PISANO A,USAI E.Robust finite-time frequency andvoltage restoration of inverter-based microgrids via sliding-modecooperative control J.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2018,65(1):907-917.7 赵广社，张文慧，高雷涛，等。切换拓扑下时变非线性多智能体系统的一致性J信息与控制，2 0 2 0，49（6）：8.【作者简介】朱正林（19 7 1一），男，江苏扬州人，博士，副教授，研究方向：能源与动力工程、新能源发电及应用。