考慮微電源無功出力均衡度的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓控制方法
【專利說明】考慮微電源無功出力均衡度的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微電網(wǎng)系統(tǒng)中微電源的運(yùn)行控制領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種考慮微電源無功 出力均衡度的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 微電網(wǎng)作為一種充分利用分布式清潔能源進(jìn)行電力生產(chǎn)的有效組織形式，在當(dāng)前 能源危機(jī)與環(huán)境問題的嚴(yán)峻形勢下具有良好的發(fā)展前景。與大電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)中的負(fù)荷 與風(fēng)電、光伏分布式電源具有較大的波動性，運(yùn)對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，特別是電壓穩(wěn)定問題 造成了巨大的挑戰(zhàn)，需要一套完善的能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)中的分布式電源和負(fù)荷進(jìn) 行有序管理，W維持微電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0003] 能量管理系統(tǒng)的是微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，引起了國內(nèi)外科研工作者的 廣泛關(guān)注。但是目前對于微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究主要集中在對有功功率的管理上，對 于無功功率的管理設(shè)及甚少。特別是在實(shí)時(shí)控制層面上，由于風(fēng)、光、荷的波動造成的微電 網(wǎng)電壓偏移，僅通過對有功功率的調(diào)節(jié)很難完成電壓的恢復(fù)，可W考慮統(tǒng)籌有功無功進(jìn)行 綜合調(diào)節(jié)控制。首先，通過對有功的一次調(diào)節(jié)(類似于大電網(wǎng)的AGC功能），在滿足供需平衡 的基礎(chǔ)上使得電壓得到一定的恢復(fù)，然后啟動無功調(diào)節(jié)(類似于大電網(wǎng)的AVC功能)措施，進(jìn) 一步對電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，得到更高質(zhì)量的運(yùn)行電壓。
[0004] 由于電力電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，逆變器有功無功功率的解禪控制為微電源注 入無功功率研究提供了理論基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)的無功調(diào)壓設(shè)備分接頭可調(diào)變壓器和并聯(lián)電 容器組相比，逆變器注入無功功率具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不存在頻繁改變無功出力 對設(shè)備的使用壽命造成影響的問題，能夠很好地適應(yīng)微電網(wǎng)中的風(fēng)、光、荷的隨機(jī)波動性。 然而現(xiàn)有的實(shí)時(shí)電壓控制方法均未考慮其注入無功功率，微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行不能夠得 到有效的保證，微電網(wǎng)中無功調(diào)節(jié)設(shè)備的投資相對較高。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于:提供一種考慮微電源無功出力均衡度的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓控制 方法，W實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)無功電壓控制，提高微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在在線監(jiān)測或?qū)崟r(shí)有功控制給定微電源有功出力的基 礎(chǔ)上，建立了一種考慮微電源無功出力均衡度的無功優(yōu)化模型進(jìn)行微電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓控制的 方法。具體的方法如下：
[0007] 步驟1:對微電網(wǎng)中的微電源分類，分為直接并網(wǎng)型微電源和逆變器接口型微電 源；
[000引對于直接并網(wǎng)型微電源，按照給定功率因數(shù)來確定其無功功率范圍；
[0009] 對于逆變器接口型微電源，建立不同有功出力工況下，通用的微電源無功出力上 限分段線性數(shù)學(xué)模型;擬合逆變器無功出力上限值；
[0010] 步驟2:在在線監(jiān)測或?qū)崟r(shí)有功控制給定微電網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)有功數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立 考慮微電源無功出力均衡度的實(shí)時(shí)電壓調(diào)節(jié)優(yōu)化模型；
[0011] 步驟3:采用靈敏度分析的方法，將所提無功優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃子問題進(jìn)行 快速求解，得到微電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、微電源注入功率和微電源無功出力均衡度。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟1之前首先獲取微電網(wǎng)系統(tǒng)的基本參數(shù)、微電源 的基本參數(shù)W及微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，包括：
[0013] 微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與線路參數(shù)；
[0014] 直接并網(wǎng)型微電源的運(yùn)行功率因數(shù)范圍、逆變器接口型微電源逆變器的基本參 數(shù)；
[0015] 微電網(wǎng)運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)電壓上下限、系統(tǒng)中實(shí)時(shí)的負(fù)荷W及微電源實(shí)時(shí)的有功出力數(shù) 據(jù)。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟1中的建立了不同有功出力工況下，通用的逆變 器無功出力上限分段線性數(shù)學(xué)模型的具體計(jì)算步驟為：
[0017] 步驟1.1:逆變器在功率平面的運(yùn)行區(qū)域由考慮逆變器電流限值約束的穩(wěn)態(tài)功率 不等式(1)和考慮逆變器最大交流調(diào)制電壓限值約束的穩(wěn)態(tài)功率不等式(2)共同確定：
[0020] 式中:P為逆變器的有功出力，Q為逆變器的無功出力，Vs為逆變器端口電壓，Ismax為 逆變器允許流過的最大電流，Vsmax為逆變器的最大交流調(diào)制電壓，X為逆變器的橋臂等值電 抗；
[0021] 步驟1.2:忽略運(yùn)行電壓對逆變器的影響，在功率平面上，采用與逆變器有功出力 相關(guān)的分段線性函數(shù)擬合微電源無功出力極限：在逆變器允許的最低端電壓Vs = V"in和最 高電壓Vs = Vmax下，畫出逆變器運(yùn)行區(qū)域，然后利用式（3)和式(4)的關(guān)系，W逆變器有功出 力為變量對其無功出力上限進(jìn)行近似：
[0024] 其中：ai~a6，bi~b6為待計(jì)算系數(shù)，將（1)和（2)轉(zhuǎn)換為等式，代入Vs = Vmin和Vs = Vma冰解相應(yīng)的方程，可W得到Pl、P2和P3及其對應(yīng)的無功上限，代入(3)和(4)即可確定ai~ as'bi~bs;
[0025] 步驟1.3:代入當(dāng)前微電源有功出力值，計(jì)算微電源無功出力上限。
[0026] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在計(jì)算微電源無功出力上限之后，還包括根據(jù)實(shí)際機(jī) 組的啟停狀態(tài)進(jìn)行無功出力上限修正步驟:對于儲能元件，在整個(gè)過程中始終處于運(yùn)行狀 態(tài)，當(dāng)其有功出力為0時(shí)，能夠最大限度的發(fā)出無功功率;對于除去儲能元件的其余微電源， 當(dāng)其有功出力為加寸，認(rèn)為機(jī)組停運(yùn)，不能提供無功功率，需要將其無功出力上限設(shè)為0。
[0027] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟2具體包括：
[0028] 步驟2.1:分析實(shí)時(shí)無功電壓控制的優(yōu)化目標(biāo)各微電源無功出力均衡度保持一 致作為優(yōu)化目標(biāo)，使得微電網(wǎng)中分散的微電源有著均衡的無功裕度;微電源無功出力均衡 度在數(shù)學(xué)形式上表現(xiàn)為全部微電源的無功裕度的方差最??；
[0029] 步驟2.2:根據(jù)步驟2.1中的優(yōu)化目標(biāo)，確立無功優(yōu)化問題相應(yīng)的約束條件，考慮的 約束條件包括:節(jié)點(diǎn)電壓的運(yùn)行上下限、微電源無功出力的上下限。
[0030] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟3進(jìn)行求解是指：選擇微電源無功出力為控制變 量，節(jié)點(diǎn)電壓作為狀態(tài)變量，利用靈敏度關(guān)系，將微電網(wǎng)的潮流方程在一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)線性 化，消去原模型中的狀態(tài)變量，將難W求解的非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃子問題，進(jìn)行快 速求解二次規(guī)劃子問題。
[0031] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，快速求解的具體步驟如下：
[0032] 步驟3.1:結(jié)合微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷信息，按照步驟1計(jì)算得到的微電源無功出力上 限對微電網(wǎng)中的無功負(fù)荷進(jìn)行預(yù)安排；
[0033] 步驟3.2:結(jié)合給定的微電源有功出力和預(yù)安排的無功出力，進(jìn)行潮流計(jì)算得到一 個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)；
[0034] 步驟3.3:計(jì)算微電網(wǎng)系統(tǒng)在所得穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)處的微電源無功出力與節(jié)點(diǎn)電壓的 靈敏度關(guān)系；
[0035] 步驟3.4:利用靈敏度關(guān)系，在穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)處，將優(yōu)化模型中的節(jié)點(diǎn)電壓，用微電源 無功出力修正量線性表示，消去模型中的節(jié)點(diǎn)電壓，將模型轉(zhuǎn)化為僅包含微電源無功出力 修正量的標(biāo)準(zhǔn)二次規(guī)劃子問題；
[0036] 步驟3.5:求解步驟3.4中所得的二次規(guī)劃子問題，得到微電源注入無功出力修正 量，并利用修正量對微電源無功出力進(jìn)行修正，重新計(jì)算微電網(wǎng)中的潮流信息；
[0037] 步驟3.6:判斷所得修正量是否滿足收斂條件，如果滿足則輸出步驟3.5的潮流信 息，統(tǒng)計(jì)微電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、微電源的注入功率和微電源無功出力均衡度；否則轉(zhuǎn)入步驟 3.3繼續(xù)迭代計(jì)算，直到滿足步驟3.6中的收斂條件為止；
[0038] 如果在步驟3.2和步驟3.5中的潮流計(jì)算過程中出現(xiàn)潮流不收斂的情況，說明系統(tǒng) 已經(jīng)偏離了穩(wěn)定運(yùn)行范圍，需要采取緊急的切負(fù)荷措施來維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0039] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟2.1的數(shù)學(xué)模型如式(5)所示：
[0040]
(5；
[0041] 式中:Μ為微電網(wǎng)中可調(diào)無功源的數(shù)量，Qupi表示第i個(gè)無功源在當(dāng)前無功出力下的 上調(diào)裕度，可由式(6)計(jì)算的得到：
[0042]
C6)
[0043] 其中：Qimax為第i個(gè)無功源的無功出力上限，可由式(3)或(4)計(jì)算得到。
[0044]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟2.2中的約束條件包括交流潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓和 微電源的無功出力約束，具體數(shù)學(xué)模型如式(7)~(9)所示：
[004引式中：N為微電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，Μ為微電網(wǎng)中的微電源數(shù)，Pi和化分別為節(jié)點(diǎn)i的凈注 入有功和無功功率，Gij和Bij分別為導(dǎo)納陣中的實(shí)部和虛部元素，0ij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的相角 差;Vimin和Vimax分別為節(jié)點(diǎn)i電壓運(yùn)行的上下限值，Qimin和化max分別為無功源i無功出力的下 上限值；
[0049] 在求解上述的優(yōu)化問題過程中，選擇微電源的無功出力為控制變量;其余各未知 量，包括微電源的節(jié)點(diǎn)電壓和節(jié)點(diǎn)間的相角差為狀態(tài)變量。
[0050] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，快速求解過程如下：
[0051] 1)根據(jù)微電網(wǎng)的負(fù)荷信息W及微電源的無功出力上限對無功負(fù)荷進(jìn)行預(yù)安排，每 個(gè)無功源的無功出力按照式(10)確定：
no)
[0化2]
[0053] 式中：Qimax為無功源i無功出力的上限值，終為微電源i預(yù)給定的無功注入，gLi為 節(jié)點(diǎn)j的無功負(fù)荷，N為