基于MTDC的孤岛互联微网全局功率均分控制方法及稳定性分析方法

本发明涉及孤岛互联交流微网的分布式协调控制领域，具体指一种基于mtdc的孤岛互联微网全局功率均分控制方法及其稳定性分析方法。

背景技术：

1、微网(microgrid，mg)一直被推荐为整合分布式电源(dg)和本地负荷的首选解决方案，也被认为是推进虚拟电厂建设的关键设施。近年来，面对大量分散且相邻的微网，互连微网(interconnected microgrids，imgs)已成为进一步提高整个系统的可靠性和弹性，同时提分布式电源渗透率的有效途径。通常，设计良好的imgs能够最大程度地应对负载波动并平衡整个系统的潮流。此外，当发生紧急情况时，可以提供和安排强大、快速的电力支持，以保持稳定。

2、imgs有多种互连结构，特别是对于互连的交流微网，主要有三种互连结构：1)与交流线路和断路器互连的微网，称为(cb-imgs)；2)与背靠背变流器(back-to-backconverter，btbc)和交流线路互连的微网，称为(btbc-imgs)；3)与交流线路、多端双向互连变流器(bidirectional interlinking converters，bics)和公共直流母线互连的微网，也称为基于多端直流控制的互联电网(mtdc-imgs)。在这三种类型的imgs中，btbc-imgs和mtdc-imgs在功率交换方面可以获得更大的灵活性。在这两种互连方案中，与cb-imgs不同的是，所有微网都可以异步运行，更重要的是，它们的有功和无功功率交换模式是完全解耦的。参考高压直流输电系统，mtdc-imgs具有成本效益，并且可以轻松扩展为混合交流-直流微网。由于与交流线路相比，mtdc-imgs中的双向互连变流器具有更高的非线性，因此没有遵循电力线路的常见电力传输关系(例如p-δ和q-v)。而且双向互连变流器在有功功率传输和无功功率传输中发挥着两种不同的作用。更准确地说，对于由n个双向互连变流器端子组成的mtdc-imgs来说，只有n-1个双向互连变流器端子可以被视为有功电源，而所有双向互连变流器端子都是无功电源。上述问题将导致mtdc-imgs需要采取完全不同的有功和无功功率交换的控制方法，从而更难实现频率、电压调节和有功功率、无功功率的均分等目标。

3、最后，一些研究还提出，通过在mtdc-imgs中采用自适应下垂控制策略或基于共识协议的分布式协作控制策略，能够为mtdc-imgs提供频率支撑。然而，上述方法都无法解决零误差频率调节、精确有功功率均分和零误差直流电压跟踪之间的矛盾，更不用说电压调节和无功功率均分控制的问题。

4、总的来说，关于mtdc-imgs的分级协同控制研究仍然存在许多问题尚未解决，特别是在二级控制层面。微网之间的调频与有功功率均分的解耦以及有功功率、无功功率均分控制之间的内在差异尚未彻底揭示。因此，如何对mtdc-imgs进行一次和二次控制设计，通过微网和双向互连变流器之间的协调来实现微网单元之间能够实现全局有功功率和无功功率的均分控制是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足之处，本发明提出一种基于mtdc的孤岛互联微网全局功率均分控制方法及稳定性分析方法，以期能实现在全局层面对各微网的有功功率和无功功率进行均分，从而能保证基于mtdc的孤岛互联微网运行的稳定性。

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种基于mtdc的孤岛互联微网全局功率均分控制方法的特点在于，包括以下步骤：

4、s1：构建基于多端直流控制mtdc的孤岛互联微网，包含：n个微网单元mg1,…,mgk,…,mgn和n个双向互连变流器bic1,…,bick,…,bicn；其中，mgk表示第k个微网单元，bick表示第k个微网单元mgk连接的双向互连变流器，且bick的交流侧与第k个微网单元mgk的交流母线相连，bick的直流侧与公共直流母线相连；k∈{1,…,n}；

5、令第k个微网单元mgk由nk个分布式电源组成，其中dgk,i表示第k个微网单元mgk中的第i个分布式电源，i∈{1,…,nk}；

6、令第k个微网单元mgk中的第pin个分布式电源dgk,pin为领导者dg，其余nk-1个分布式电源为跟随者dg；

7、令第r个双向互联变流器bicr采用vdcq控制策略，r∈{1,…,n}，其余的n-1个双向互联变流器{bics|s＝1,…,r-1,r+1,…,n}采用pq控制策略，其中，bics表示第s个采用pq控制策略的双向互联变流器；

8、s2：每个微网单元内部采用一次控制策略和分布式二次控制策略，并在每个双向互联变流器中构造基于两阶段一致性的有功功率均分协调控制器；其中，第一阶段stagei的有功功率均分协调控制器没有启用微网单元内的分布式二次控制策略，第二阶段stageii的有功功率均分协调控制器中启用微网单元内的分布式二次控制：

9、s21：利用式(1)构建第一阶段stagei的有功功率均分协调控制器，用于在没有启用微网单元内的分布式二次控制时，对孤岛互联微网进行全局有功功率均分：

10、

11、式(1)中，ωs,pin、ωl,pin和ωr,pin分别为第s个微网单元mgs的领导者分布式电源dgs,pin输出的频率、第l个微网单元mgl的领导者分布式电源dgl,pin输出的频率、第r个微网单元mgr的领导者分布式电源dgr,pin输出的频率；为第s个微网单元mgs与第l个微网单元mgl有关的误差权重系数；为第s个微网单元mgs与第r个微网单元mgr有关的误差权重系数；ns表示与第s个微网单元mgs直接通信的微网单元下标的集合；为双向互联变流器的有功功率偏移系数；和分别为由bics得到的有功功率均分的频率偏差量和有功功率均分比例偏差量；为第一阶段i下bics的输出有功功率参考值；dt表示对时间t的微分；

12、s22：利用式(2)构建第二阶段stageii的有功功率均分协调控制器，用于在启用微网单元内的分布式二次控制时，对孤岛互联微网进行全局有功功率均分：

13、

14、式(2)中，αs,pin、αl,pin和αr,pin分别为第s个微网单元mgs的领导者分布式电源dgs,pin的有功功率均分比例、第l个微网单元mgl的领导者分布式电源dgl,pin的有功功率均分比例、第r个微网单元mgr的领导者分布式电源dgr,pin的有功功率均分比例；为第二阶段ii下bics的输出有功功率参考值；

15、s3：利用式(3)构造双向互联变流器中的分布式全局无功功率均分协调控制器，以实现对孤岛互联微网进行全局无功功率均分：

16、

17、式(3)中，βk,pin、βl,pin分别为第k个微网单元mgk的领导者分布式电源dgk,pin的无功功率均分比例、第l个微网单元mgl的领导者分布式电源dgl,pin的无功功率均分比例；为第k个微网单元mgk与第l个微网单元mgl有关的误差权重系数；nk表示与第k个微网单元mgk直接通信的微网单元下标的集合；为双向互联变流器的无功功率偏移系数；为由双向互联变流器bick得到的无功功率均分比例的偏差量；为双向互联变流器能输出的最大无功功率；为bick的输出有功功率参考值；

18、s4：定义条件一：各微网单元中的变量在分布式二次控制的作用下已经达到收敛；

19、定义条件二：忽略功率交换的参考值与其实际值之间的动态过程；

20、定义条件三：负载波动的时间尺度设置为分钟级，仅存在负荷的阶跃变化；

21、当孤岛互联微网满足三个条件时，利用式(4)得到简化后的全局有功功率和无功功率均分控制器，以实现对孤岛互联微网进行全局无功功率均分：

22、

23、式(4)中，是孤岛互联微网的拉普拉斯矩阵；αmg是所有微网单元的有功功率均分比例组成的列向量；是所有双向互联变流器的输出有功功率组成的列向量；βmgs是除最小无功功率均分比例βmgmin之外的所有无功功率均分比例组成的列向量，即βmgs＝βmg\{βmgmin}，βmg为所有微网的无功功率均分比例组成的列向量；为βmgs对应微网单元组成的时变无功功率控制通信图的拉普拉斯矩阵；是的前导邻接矩阵；表示所有双向互联变流器的输出无功功率最小值组成的列向量，表示βmgs对应的双向变流器输出无功功率组成的列向量。

24、本发明一种基于mtdc的孤岛互联微网全局功率均分控制的稳定性分析方法的特点在于，通过构造李雅普诺夫函数对权利要求1所述的均分控制后的孤岛互联微网进行稳定性分析，并包括如下步骤：

25、s5.1：利用式(5)构建稳态下每个微网单元的有功功率平衡方程：

26、

27、式(5)中，pmg1,…,pmgk,...,pmgn分别为mg1,…,mgk,…,mgn输出的有功功率；pbic1,…,pbick,...,pbicn分别为bic1,…,bick,…,bicn输出的有功功率；pld1,…,pldk,...,pldn分别为mg1,…,mgk,…,mgn的负载和线损的有功功率之和；

28、s5.2：利用式(6)构建稳态下每个微网单元的无功功率平衡方程：

29、

30、式(6)中，qmg1,…,qmgk,...,qmgn分别为mg1,…,mgk,…,mgn输出的无功功率；qbic1,…,qbick,...,qbicn分别为bic1,…,bick,…,bicn输出的无功功率；qld1,…,qldk,...,qldn分别为mg1,…,mgk,…,mgn的负载和线损的无功功率之和；

31、s5.3：利用式(7)构建有功功率和无功功率平衡方程的矩阵形式：

32、

33、式(7)中，pmg表示所有微网单元输出有功功率组成的列向量，且pmg＝(pmg1，...，pmgn)t；pbic表示所有双向互联变流器输出有功功率组成的列向量，且pbic＝(pbic1，…，pbicn)t；pld表示所有微网单元的负载和线损的有功功率之和组成的列向量，且pld＝(pld1，…，pldn)t；qmg表示所有微网单元输出无功功率组成的列向量，且qmg＝(qmg1，…，qmgn)t；qbic表示所有双向互联变流器输出无功功率组成的列向量，且qbic＝(qbic1，…，qbicn)t；qld表示所有微网单元的负载和线损的无功功率之和组成的列向量，且qld＝(qld1，…，qldn)t；

34、s5.4：利用式(8)构建考虑孤岛互联微网的总输出有功功率、无功功率与其功率均分比例之间的关系方程：

35、

36、式(8)中，αmg＝(αmg1，…，αmgt)t；αmg1,…,αmgn分别为mg1,…,mgn的有功功率均分比例；βmg＝(βmg1，…，βmgn)t；βmg1,…,βmgn分别为mg1,…,mgn输出的无功功率均分比例；分别为mg1,…,mgn的有功功率比例系数；分别为mg1,…,mgn的无功功率比例系数；

37、s5.5：利用式(9)得到全局有功功率均分比例的误差组成的列向量和全局无功功率均分比例的误差组成的列向量

38、

39、式(9)中，1n和1n-1分别为元素全为1的n维列向量和n-1维列向量；αmg(0)为孤岛互联微网的有功功率均分比例的初始值组成的列向量；βmgmin(0)为孤岛互联微网的最小无功功率均分比例的初始值组成的列向量；为有功功率均分比例的权重；为克罗内克积；

40、s5.6：令全局有功功率均分比例误差变量全局无功功率均分比例误差变量从而利用式(10)建立双向互联变流器的全局有功功率、无功功率均分控制器的李雅普诺夫函数vbic(ε，η)：

41、vbic(ε，η)＝(εtε+ηtη)/2   (10)

42、式(10)中，εt和ηt分别为ε和η的转置；

43、s5.7：对式(10)进行时间求导，得到式(11)：

44、

45、式(11)中，和分别为和去除各自的最小值后得到的对角矩阵；表示vbic(ε，η)对时间进行求导后的导数；表示ε对时间进行求导后的导数，表示η对时间进行求导后的导数；

46、s5.8：由式(12)得到多端直流控制mtdc的孤岛互联微网的李雅普诺夫函数vimgs(x，y，ε，η)：

47、vimgs(x，y，ε，η)＝vmg(x，y)+vbic(ε，η)   (12)

48、式(12)中，vmg(x，y)是关于状态量x和状态量y的微网单元的李雅普诺夫函数；

49、s5.9：对式(12)进行时间求导，得到式(13)：

50、

51、式(13)中，表示vmg(x，y)对时间进行求导后的导数；表示vimgs(x，y，ε，η)对时间进行求导后的导数；

52、当(x，y，ε，η)→0，vimgs(x，yε，η)→0，且时，则表示均分控制后的孤岛互联微网运行稳定，否则，均分控制后的孤岛互联微网运行不稳定。

53、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述孤岛互联微网全局功率均分控制方法及稳定性分析方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

54、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述孤岛互联微网全局功率均分控制方法及稳定性分析方法的步骤。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

56、1)本发明针对现有针对现有mtdc-imgs在全局有功功率和无功功率的均分控制方面存在的问题，基于mtdc的孤岛互联微网设计了全新的控制器，通过在双向互联变流器bic中设计全局功率均分控制器，从而有效实现了全局的有功功率和无功功率均分。

57、2)本发明所提的基于mtdc的孤岛互联微网全局功率均分控制方法相比于其他方法，首先实现了全局的有功功率和无功功率均分，且未改变微网群中分布式电源和双向互联变流器的底层控制方法。同时，本发明所提方法采集数据量少、且操作简单，有效保证了控制算法的实时性，易于在工程实践中推广。

58、3)本发明通过构造李雅普诺夫函数，对全局功率均分控制后的孤岛互联微网进行稳定性分析，从而有效保证了采用均分控制后的孤岛互联交流微网运行的稳定性。