[發明專利]一種用于直流微電網群落的能量管理預測控制方法

有效

• 申請號: 201911031873.8
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110867848B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 劉宿城;劉銳;劉曉東;方煒
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H02J1/12
• 分類號: H02J1/12;H02J13/00
• 代理公司: 合肥順超知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 34120
• 代理人: 謝永

1.一種用于直流微電網群落的能量管理預測控制方法，包括直流微電網和分層控制策略，其特征在于：所述分層控制策略在直流微電網群落上進行時，各直流微電網與鄰近單元通信，采用基于一致性算法的三次控制策略處理網間的功率流動與能量管理，由于所述三次控制策略處于上層控制，控制帶寬低，導致三次控制策略響應速度較慢，因而對控制算法進行改進，采用預測函數控制代替原有的PI調節器，采用PFC算法進行多目標優化，跟蹤控制目標，PFC算法注重改進控制輸入量的結構性，使相鄰直流微電網的母線電壓產生偏差；

所述三次控制策略包括初級控制、二次控制和三級控制，所述初級控制主要用于控制本地直流微電網內各分布式電源的輸出功率以及控制直流微電網母線電壓平衡，所述初級控制包括內環控制以及基于SOC的自適應下垂控制，可根據儲能系統的SOC自動確定下垂系數，可有效延長蓄電池的使用壽命；所述二次控制引入基于一致性算法的電壓調節器，補償了初級控制帶來的母線電壓跌落，提升母線電壓至額定值48V；在所述二次控制的基礎上，所述三級控制通過PI調節器，可使一致性算法收斂，降低直流微電網之間的電流偏差，最終趨于一致，使相鄰直流微電網母線電壓有所偏差，實現功率以及能量的流動，可使直流微電網的負載均衡；

各所述直流微電網中均設有儲能單元，根據自身SOC及額定容量分配負載功率，以防止所述儲能單元過度充放電而影響使用壽命，提高整個直流微電網群落的可靠性，下式中b_mn為鄰接加權矩陣，節點m的功率流控制器接收來自相鄰節點n的SOC_n，然后比較相鄰直流微電網的SOC，計算SOC_n與相鄰SOC_m的不匹配項δSOC_m，如下，

δSOC_m＝∑b_mn(SOC_m-SOC_n)；

所述PFC算法與傳統模型預測控制相比注重控制輸入量的結構性，并將其看作是由若干個基函數線性疊加而成，把對PFC控制輸入量的求解轉化為對線性組合系數的求解，使PFC的在線計算量降低，保證了直流微電網群落間功率流動的準確控制；

其中：δv(k+i|k)為k時間推導出的k+i時刻的三級控制產生的電壓偏差量，g_kj(i)為第j基函數在未來t＝i·T_S時刻對應的函數值，T_s為系統采樣時間，μ_j(k)為k時刻基函數g_kj(i)的線性組合系數，N為基函數的個數，P為預測時域；

優化所述三次控制策略帶來的負面影響，設定直流微電網群落僅含有2個直流微電網，通過π型聯絡線互聯，各自母線電壓標稱值為48V，采用PFC控制算法代替PI調節器，PFC在實現過程包括基函數、參考軌跡、預測模型、反饋校正和滾動優化，所述基函數采用PFC算法從控制量的控制規律著手，注重控制輸入量的結構性，并把它看作是保證直流微電網之間電壓產生偏差的主要因素，PFC算法產生的三級控制的電壓偏差量是由已選定的基函數線性疊加而成，由于兩個直流電網相連進行通信，產生兩個電壓偏差量，即

從上式可以看出PFC算法中的控制輸入量為三級控制產生的電壓偏差，此參數與基函數的選擇密切相關，基函數依據相鄰直流微電網母線電壓特性、分層控制的控制精度以及控制過程的復雜度來進行折中選擇，選擇階躍函數作為基函數，對于每個已經選定的基函數g_kj(i)，離線計算出該基函數對應的輸出值，通過對不同的基函數輸出值線性疊加，得到三級控制產生的電壓偏差量，使各直流微電網母線電壓值產生偏差，實現功率流動；

所述預測模型可將當前母線電壓狀態量和電壓偏差控制量來預測將來的母線電壓值，根據直流微電網群落等效模型建立基于狀態空間表達式的預測模型，因為直流微電網群落含有多個變量，將建立多輸入多輸出MIMO系統的離散狀態空間模型，如下

其中，i_L，v_c1，v_c2為預測模型的狀態變量，δv1，δv2為預測模型的控制量，即三級控制產生的電壓偏差量，L為直流微電網間聯絡線電感，C₁，C₂分別為相鄰兩個直流微電網的等效電容，r₁，r₂分別為相鄰兩個直流微電網的線路電阻，R₁，R₂分別為相鄰兩個直流微電網的負載電阻；

由上式可知直流微電網群落的系數矩陣A_m，B_m，C_m，u為模型輸入量，現對直流微電網群的狀態空間表達式進行推導；

對k時刻預測的k+1時刻的模型狀態變量X_m(k+1|k)為：

X_m(k+1|k)＝A_mX_m(k)+B_mu(k|k)；

由對k時刻預測的k+2時刻的模型狀態變量X_m(k+2|k)為：

同理，可以得到k時刻預測的k+i時刻的模型狀態變量值X_m(k+i|k)為

因此，由上式可得k+i時刻的預測模型輸出值為：

所述滾動優化利用PFC算法在有限時域求解控制變量的最優解，即對三級控制產生的電壓偏差量進行求解，并且在求解過程中對每一時刻通過滾動的方式實時更新下去，

建立模型輸出母線電壓的目標函數為：

其中，v_c(k+h_i|k)為校正后的k+h_i時刻的母線電壓值，v_r(k+h_i|k)為k時刻預測的k+h_i時刻的參考軌跡值，s為擬合點的個數，h_i為擬合點的具體時刻值；

目標函數表示為

其中：與β均為系數，T_r是參考軌跡時間常數，T_s為系統采樣時間：

為求解最優控制量，對J(k)進行求偏導數，使得

則有

μ(k)＝(G_kTG_k)^-1G_kTL(k)；

令(G_kTG_k)^-1G_k^T＝M，

則

μ(k)＝M·L(k)；

為了保證三級控制的電壓偏差的準確性，取當前時刻控制量作用于兩個相鄰直流微電網，e(k)為誤差量，則有

其中，

g_k(0)＝[g_k1(0) g_k2(0) g_k3(0) g_k4(0)]^T；

k₂＝g_k(0)^TM[C_mA C_mA² C_mA³ C_mA⁴]^T；

k₃＝g_k(0)^TM[a₁ a₂ a₃ a₄]^T，a為可調節權重系數；

由以上計算可知，k₀，k₁，k₂，k₃的值均可通過離線求解得到，且c₀(k)、y(k)的值是已知的，因此，只需在線求解出直流微電網群的狀態變量X_m(k)的值，即可推導出三次控制策略的控制輸入量u(k)的具體表達式。