一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制方法及介质

本发明属于电力系统及调频应用领域，尤其涉及一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制系统。

背景技术：

1、近年来，新能源和储能技术飞速发展，新能源发电并网容量占比逐渐升高，导致电力系统的惯量逐渐降低，削弱了电网应对功率短缺和频率波动的能力。随着火电机组在线比例的持续下降，高比例可再生能源和高度电力电子化以及低惯量将成为我国未来电力系统的重要特征。如何引入更加优质的调频资源以替代火电减少带来的惯性支撑和一次调频能力，以缓解可再生能源大规模并网背景下电网的频率稳定和电能质量问题。

2、微电网作为由分布式电源、负荷、储能组成的配电网络，可以实现离网的自治运行，以及作为一个可控单元并网运行，是实现分布式电源即插即用的技术手段之一，也是未来电网的重要组成部分。微网中风电、光伏、储能等分布式电源和可调控负荷如电动汽车等均通过电力电子变换装置接入电网，使得微电网的惯量水平显著下降。微网并网运行时，可看作电网的一个可控单元，接受电网的调度控制；而当微网孤岛自治运行时，其稳定性问题值得深入研究。当遭受相同功率不平衡量冲击后孤岛微电网的频率偏差变大，频率变化速率变快，降低了其抗扰动能力。构网型逆变器控制是支撑微电网孤岛运行时的一种控制模式，而虚拟同步发电机控制由于其对外等效为同步发电机的特性而得以广泛应用，进而缓解弱惯量支撑问题给微电网带来的稳定性问题。

3、微电网的容量有限，其调频资源相对匮乏，仅靠传统调节手段，维持微电网频率稳定的难度日益加大。而微电网中接入的ev等灵活负荷，具有较强的随机性，也会进一步地为微电网的运行稳定性造成威胁。电动汽车作为典型的可调控柔性负荷，单个充电站内可调控的电动汽车数量和容量存在较大的随机性。若能通过相应控制技术手段使电动汽车和充电站进行聚合，并进一步协同参与微电网频率控制，则能有效提升充电站集群的调频范围以及提升微电网频率稳定水平。因此，为了提高孤岛微电网的惯量支撑和主动调频能力，挖掘电动汽车的调频能力，需要研究充电站集群弱中心化调频控制技术，实现充电站集群内的协同聚合，从而改善频率的动态特性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制系统。首先设计充电站的虚拟同步发电机控制架构，结合充电站的可调控功率范围和充电站电动汽车的充电功率响应控制策略，提出站内各电动汽车的实时充放电功率分配算法；进而根据多个充电站之间的协同拓扑以及控制策略，设计虚拟领导者一致性算法；最后提出充电站集群的协同调频率控制系统。

2、本发明结合工程实际，可适用于不同规模下的充电站集群聚合以及频率响应控制系统的设计。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种基于虚拟领导者的充电站集群弱中心化调频控制方法，其特征在于，包括

5、采集风电光伏及随机负荷系统数据，包括所控制区域内，风电、光伏、居民负荷和各个充电站的实时出力；

6、当扰动发生时，基于充电站的虚拟同步发电机控制架构，充电站集群根据一致性协议以及虚拟领导者算法执行控制算法，更新各个充电站vsg的控制输入，在各个充电站vsg中协同分配调频响应功率，并更新各个充电站vsg的状态量即充放电功率以及调频成本率协同变量、功率容量系数协同变量；

7、根据频率恢复的情况判断是否达到稳定状态，当系统频率恢复稳定时，输出各个充电站的协同变量，以及各充电站调频功率。

8、作为优选，充电站的虚拟同步发电机(vsg)控制策略的定义是包含同步发电机的转子运动方程和电磁暂态方程的控制策略，具体是：vsg接收pm输入功率指令后，通过转矩方程，确定虚拟转子的转动角速度，并与额定转动角速度ωn作差，得到虚拟功角δ的角加速度，并积分得到虚拟功角，根据功角特性，vsg的输出功率pe可由下式计算得到：

9、

10、其中，e0为vsg的空载电动势，u为vsg输出端电压，xf为滤波电抗。

11、作为优选，将充电站vsg参与调频，且在功率-频率控制器中加入了ev-f控制器反馈补偿环节，以修正vsg输入机械功率的参考值，具体是：

12、pm＝pref+δpev-f

13、其中，pm为充电站vsg的总调频指令；pref是不考虑调频时的额定功率，δpev-f是ev-f控制器反馈补偿环节输出的补偿功率，

14、δpev-f的取值范围是[δpev-fmin,δpev-fmax]，δpev-fmin和δpev-fmax基于以下公式计算：

15、

16、

17、作为优选，多个充电站之间的一致性协议的协同拓扑设计控制方法包括

18、建立充电站的二阶智能体系统；

19、建立协同变量，包括功率容量系数和相对调频成本系，定义电动汽车的调频成本以及相对调频成本系数，

20、设计一致性协议并按照设计的一致性协议执行控制。

21、作为优选，二阶智能体系统中，目标是使充电站的调频成本率协同变量、功率容量系数协同变量相同，并实现电网的调频，将一个虚拟充电站视为领导者，并预先定义期望状态kc0、kpq0，网络中的其余n个充电站称为跟随者，二次调频响应功率将在充电站之间根据调频成本和可控容量进行分配，具体包括

22、电网调度中心根据系统频率状态更新领导者的期望状态p0和q0；

23、根据设计的一致性协同控制的输入，使系统中跟随者的状态变量通过拓扑网络跟随领导者的状态。

24、作为优选，协同变量包括功率容量系数kpqi和相对调频成本系数kci，其中，

25、功率容量系数kpqi

26、

27、相对调频成本系数

28、其中，kpq0是虚拟领导者的功率容量系数，其意义在于n个充电站协同时功率容量系数的平均值，pn是充电站协同的总调频功率指令，也是一致性协同控制算法的输入，pi为第i个充电站的实时功率，qi为第i个充电站的可控容量，kpqi为第i个充电站的功率容量系数，kci为第i个充电站的相对调频成本系数，kc0为虚拟领导者的相对调频成本系数，n为充电站集群中充电站的数量，costcs,i为第i个电动汽车充电站的调频成本率，costcs,i为调频成本率，为第i个充电站中evk的充电功率，和为第i个充电站中evk的期望soc上限和下限，为第i个充电站中evk的电池额定容量，ki为第i个充电站中此时可调节的ev总数，kc0为虚拟领导者的相对fr成本率，取值为0，它的意义在于在n个充电站在协同中提供调频成本率的参考值。

29、作为优选，电动汽车的调频成本costcs,i(t)如下：

30、

31、其中，costcs,i为调频成本率，为第i个充电站中evk的充电功率，和为第i个充电站中evk的期望soc上限和下限，为第i个充电站中evk的电池额定容量，ki为第i个充电站中此时可调节的ev总数。

32、作为优选，

33、根据功率容量系数kpq和相对fr成本率kc建立了以下一致性控制协议，

34、

35、

36、其中，sign(.)表示符号函数，α为控制增益，取α，kc0(t)＝0，pn为充电站协同的总fr功率指令，也是协同控制输入，控制算法的一致性体现在频率稳定后功率容量系数比值保持一致，使频率恢复过程的总调频成本最小，aij是表征第i个充电站与第j个充电站间是否能够通信协同的0-1逻辑变量，若能协同，aij＝1,否则，aij＝0，gi表示第i个充电站是否能接收虚拟领导者的状态信息，若能接收，则gi＝1，否则gi＝0，kpqi为第i个充电站的功率容量系数，kpq0是虚拟领导者的功率容量系数，kci为第i个充电站的相对调频成本系数，kc0为虚拟领导者的相对调频成本系数，当x>0,sign(x)＝1；当x＝0,sign(x)＝0；当x<0,sign(x)＝-1。

37、一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述控制方法。

38、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述控制方法。

39、因此，本发明具有如下优点：在一致性协议下，分布式网络中的所有充电站与相邻充电站协同，最终就相对调频成本率kci和功率容量系数kpqi的取值达成共识。这样既降低了充电站的调频成本，又提高了调频功率分配的准确性。提出的充电站集群调频控制结构能够实现弱中心化的聚合控制，使得电网的频率动态特性得到改善。此外，增强了电动汽车充电负荷的管理以及充电站的调控能力。