[发明专利]一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法

权利要求书

1.一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：引入经济调度问题；

S2：对直流微电网集群及控制电路进行建模；

S3：搭建预测函数控制器；

其中，针对网内具有不同性质的分布式电源且发电成本不同的情况，从减少全局发电成本的角度对集群的稳定运行进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：微电网内的分布式电源可分为可调度和不可调度电源，可调度电源例如蓄电池；不可调度电源例如光伏电源以及风力涡轮机，不可调度的分布式电源在系统运行时，可在本地进行控制，使其工作在最大功率点，假设有n个可调度的分布式电源在微电网中运行，则经济调度问题的目标是将全局发电成本降至最低，即:

P_D＝P_Load-P_RES (2)

其中n是微电网i中分布式电源的个数，P_i,m是微电网i内第m个分布式电源所产生的功率，C_i,m(P_i,m)是电源i的运行成本，P_D为微电网i内所需求的负载功率，P_loss代表网内传输线路所产生的损耗，P_Load和P_RES表示微电网内所需；

可调度的分布式电源的发电成本函数通常由二次函数近似：

其中α_m,i，β_m,i和γ_m,i表示相应分布式电源的成本函数系数；

使用拉格朗日算子计算发电成本最小值：

λ表示与功率相关的拉格朗日乘数，通过求解方程使拉格朗日算子最小化；

上述步骤匹配所有本地分布式电源的增量成本值，即成本函数的导数，对于为微电网内的经济运行至关重要，为了优化全局负载均衡，互连的微电网必须收敛到相同的增量成本以实现全局最优工作点，以实现系统级的经济调度。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：采用基于领导者-跟随者协议的分布式三级控制策略，其通信层包含两级通信网络，在网内进行本地信息交互，以实现经济调度来收敛本地增量成本值；每个直流微电网都有一个专用的代理节点，集群内各直流微电网通过代理节点在全局进行信息共享，借助代理节点，全局最优增量成本以完全分布式的方式扩散至整个系统的所有分布式电源中，简化了通信链路的复杂性，并节约了系统的通信成本，缓解集群的通信压力；

设定直流微电网集群含有两个直流微电网，每个直流微电网由两个分布式电源和buck电路组成，通过π型联络线互联，各自母线电压标称值为48V，通过对各个发电单元进行平均化，转化为一个线性时不变电路，然后对其线性化处理，就可以使用线性控制方法设计预测函数控制器。

4.根据权利要求3所述的一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于：所述预测函数控制器实现对非线性DC/DC变换器的控制，将其与直流微电网内的DC/DC变换器相结合，可在有限时域内对被控量进行优化，通过滚动的方式，有效消除了模型误差以及干扰的影响，比线性PI控制器更具优势。

5.根据权利要求4所述的一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于：所述预测函数控制器相比于其他模型预测控制算法，具有算法简单和计算量小的优点，并采用分布式控制框架，降低了控制器本身的在线计算时间，解决了提高动态性能与预测控制计算量较大的矛盾问题，同时直流微电网容量一般较小，不具备良好的抗扰动能力；微电网互联组成集群后，其运行过程中工作情况繁多，例如负载投切、内部单元的即插即用和通信链路故障，对DC/DC变换器的稳态精度和动态性能都有严格的要求，该控制器可显著改善系统的动态响应，有效避免变换器在高频运行时，大信号变化带来的负面影响。

6.根据权利要求1所述的一种用于直流微电网集群的分布式经济调度预测控制方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下步骤：

S30：建立基函数

采用预测函数控制算法从控制量的控制规律着手，注重控制输入量的结构性，并把它看作是保证三次控制效果好坏的主要因素；预测函数控制算法产生的三次控制的电压偏差量是由已选定的基函数线性叠加而成，由于采用完全分布式控制结构，分别对每个直流微电网建立基函数即可，即：

从上式可以看出预测函数控制算法中的控制输入量为三次控制产生的电压偏差，此参数与基函数的选择密切相关，基函数通常依据相邻被控模型的特性、控制精度以及控制过程的复杂度来进行折中选择；通过选择为阶跃函数作为基函数，对于每个已经选定的基函数g_kj(i)，可离线计算出该基函数对应的输出值，通过对不同的基函数输出值线性叠加，得到三次控制产生的电压偏差量，使各直流微电网母线电压值产生偏差，实现经济调度；

S31：建立参考轨迹

在预测函数控制算法控制过程中，为了能够避免电压偏差量发生剧烈变化以及超调或者振荡现象，通常让被控系统跟随一条设定好的渐趋于设定值的参考轨迹，参考轨迹可用下式表示：

IC_r(k+i|k)＝f(IC(k),IC_sp(k+i)) (7)

其中：IC_r(k+i|k)为k时刻预测的k+i时刻的各直流微电网参考输出IC值、f(IC(k),IC_sp(k+i))为与IC(k)和IC_sp(k+i)相关的函数、IC(k)为k时刻的实际输出电流值、IC_sp(k+i)为k+i时刻的设定输出电流值；

将参考轨迹设定为一阶指数的形式，即：

IC_r(k+i|k)＝IC_sp(k+i)-βⁱ(IC_sp(k)-IC(k)) (8)

其中：β为系数，T_r是参考轨迹时间常数，T_s为系统采样时间；

对于给定的设定值IC_sp(k+i)，通常都可以用多项式和的形式表示出来，即：

其中：N_c为多项式的阶数；c_j(k)为多项式的系数；c₀(k)为一数值，由于输出电流设定值不变，c₀(k)的值即为该定值；

由上式可得预测函数控制算法的参考轨迹表达式为：

S32：预测模型

预测模型可根据当前母线电压状态量和电压偏差控制量来预测将来的母线电压值，考虑单个微电网的拓扑及内环控制器结构，采用状态空间平均法建立其小信号模型，并将得到的传递函数作为预测函数控制算法的内部预测模型，其传递函数表达式如下：

其中：δv^t为预测模型的控制变量，即三次控制产生的电压偏差量；i为预测模型的输出变量，即变换器的输出电流；v_in为变换器的输入电压；K_pv，K_pi分别为电压环与电流环的PI比例系；L为网内变换器的电感；C为网内变换器的输出电容；R为直流微电网的负载电阻；

S33：反馈校正

由于分层控制的控制层级较多，并且建立模型时存在误差、干扰、参数变化、以及模型失配的因素，导致其预测模型无法实际系统完全匹配，因此引入反馈校正，将误差量补偿到相邻直流微电网产生的母线电压之中，以校正模型预测值；

通常把误差量定义为：

e(k)＝IC(k)-IC_m(k|k-1) (12)

对于k+i时刻的误差量可选为：

e(k+i)＝a_i·e(k)，i＝0,1,…P-1 (13)

其中：a_i为第i个时刻的误差补偿系数，为了后续计算方便，此处a_i取常数1；

通过将该误差量反馈补偿到预测的相邻直流微电网的输出电流中，纠正了模型的输出值，使得反馈更加精确；校正后的模型输出值如下：

IC_c(k+i|k)＝IC_m(k+i|k)+e(k+i) (14)

S34：滚动优化

利用预测函数控制算法在有限时域求解控制变量的最优解，即对三次控制产生的电压偏差量进行求解，并且在求解过程中对每一时刻通过滚动的方式实时更新下去，对于三次控制的运行提供了控制条件；

建立三次控制的目标函数为：

其中：IC_c(k+h_i|k)为校正后的k+h_i时刻的母线电压值；IC_r(k+h_i|k)为k时刻预测的k+h_i时刻的参考轨迹值；s为拟合点的个数；h_i为拟合点的具体时刻值；

为求解最优控制量，对J(k)进行求偏导数，使得则有：

μ(k)＝(G_k^TG_k)^-1G_k^TL(k) (16)

令(G_kTG_k)^-1G_kT＝M，则

μ(k)＝M·L(k) (17)

为了保证三次控制的电压偏差的准确性，通常只取当前时刻控制量作用于两个相邻直流微电网，则有：

其中：g_k(0)＝[g_k1(0) g_k2(0)…g_kN(0)]^T；

由以上计算可知，k₀，k₁，k₂的值均可通过离线求解得到，且c₀(k)、i(k)的值是已知的，因此，只需在线求解出直流微电网群的状态变量[i(k) v(k)]的值，即可推导出三次控制的控制输入量u(k)的具体表达式；此外，拟合点的个数对闭环稳定性与鲁棒性产生影响，经过调试，采用四个拟合点控制效果较优。