CN102104320A - 微型电网系统拓扑优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型电网系统拓扑优化方法，步骤如下：(1)确定微网系统的初始限定条件；(2)穷举系统拓扑结构(3)选择需要验证的拓扑(4)将待验证的拓扑抽象为节点和连线构成的图；(4)列出图所对应的邻接矩阵；(5)对拓扑的邻接矩阵进行同构判定；如果同构则进入步骤(7)；否则进入步骤(8)；(7)说明拓扑冗余，剔除，进入步骤(9)；(8)说明拓扑具有个异性，保留，进入步骤(9)；(9)将优化后的图还原其电气结构，得到优化后的微型电网系统拓扑结构(10)结束。本方法以图论理论为指导，结合电力电子学特点，根据限定条件，可以有效地去除微型电网系统结构穷举中出现的冗余的部分，提高了拓扑生成的有效性，优化了拓扑选择的范围。

Description

微型电网系统拓扑优化方法

技术领域：

本发明属于微型电网拓扑领域，涉及一种微型电网系统拓扑优化方法。

背景技术：

目前，国内外学者已对单一的电力电子装置、变换器的拓扑进行了深入的研究，取得了非常多的研究成果，装置效率、体积、控制性能等方面均达到了很高的水平。在系统层面上进行的拓扑结构研究工作主要集中于通讯系统及计算机电源系统的分析和优化。此类系统中一般为单输入系统，采用的变换器也主要以DC/DC变换器为主。当系统有多个输入电源、多种电能(电压或频率)输出，需要多种类型变换器组成时，如何选择系统的拓扑结构仍是一个需要进行深入研究的问题。

基于电力电子装置的微型电网系统拓扑的研究在微型电网领域中占据重要地位。长期以来，新的电力电子装置拓扑的创立过程主要依赖于灵感，没有充分的理论基础和可以遵循的模式，并且目前的电力电子拓扑研究主要集中在单个装置的水平，而多个电力电子装置级联构成的多个输入电源、多种电能输出，需要多种类型变换器组网的微型电网拓扑的整体结构推导演绎方法却鲜有研究。

发明内容：

本方法以图论理论为指导，结合电力电子装置的特点，根据输入输出条件的限定，有效地去除微型电网的系统结构穷举出的系统拓扑中冗余的部分，提高了系统拓扑生成的有效性，优化了可行的拓扑范围，缩小了可能拓扑的范围，消除了不必要的重复研究。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种微型电网系统拓扑优化方法，该方法按照如下步骤：

(1)选择微型电网系统拓扑生成的限定条件；

(2)对拓扑进行穷举；

(3)选择需要验证的电力电子装置拓扑；

(4)将整个系统抽象为节点和连线构成的图；

(5)通过邻接矩阵来对系统拓扑进行数学表达；

(6)通过特征值对系统的数学表达式进行同构判定；

(7)判断两系统拓扑是否同构；如果同构则进入步骤(7)；如果不同构，则进入步骤(8)；

(7)如果同构则说明拓扑出现冗余，予以剔除，进入步骤(9)；

(8)如果不同构，说明拓扑具有个异性，予以保留，进入步骤(9)；

(9)将得到优化后的图还原其电气特性，生成微型电网系统拓扑结构；

(10)优化方案结束。

所述步骤(1)中，对输入能源的类型、数量以及从源到负载之间进行能源变换的次数进行提前给定作为系统初始的限定条件。

所述步骤(2)中，在限定条件的基础之上对可能拓扑结构进行穷举，涵盖所有可能的结构。

众多电力电子变流电路大多都特异性，即它们仅仅是在某些特殊的场合具有优势，当众多电力电子装置相互组合构成级联的系统拓扑时，必须在一定的应用背景下或者一定的工程条件下，才有可能进行拓扑的选优，否则就毫无意义。我们的技术方案以图论方法为指导，通过电能变换的功能来划分各个电力电子装置，从而进行系统拓扑的穷举，研究的重点在于将列举出系统可能的拓扑结构通过科学，富有逻辑的技术方法进一步的优化，筛检，以便于进一步对有效地的微型电网拓扑进行分析研究。

由于分布式电源系统具有多种类型的输入能源形式，例如风能，太阳能，各种储能装置等，其所输出送给负载的电能类型也是多种多样。所以，我们需要不同的电力电子装置按照其电能变换的功能来进行组合。首先，按照功能划分，电力电子电路可归为四类：整流电路，逆变电路，直流斩波电路以及交交变频电路。在上述四种基本变流电路的基础上，根据需要的能源形式，进行不同的排列组合，然后穷举出所有可以实现目标功能的拓扑结构。

本发明的微型电网系统拓扑优化方法适用于微型电网拓扑优化方面的研究，通过将系统拓扑转化为数学表述方式，再通过对其数学表达式的邻接矩阵特征值来辨别是否同构拓扑，从而推导出系统结构是否冗余，通过判断剔除冗余拓扑，提高了系统拓扑生成的有效性，减少了后继系统控制研究中不必要的重复劳动，提高了微型电网系统结构的拓扑有效率。本方法可适用于多级多种输入输出源的微型电网系统结构的分析。在此以4级能量变换的微型电网拓扑实例进行了判定。可以证明该理论在微型电网拓扑应用中的正确性。

附图说明：

图1实际系统的数学抽象原理图；

图2微型电网系统拓扑优化方法示意图；

图3微型电网系统同构拓扑辨识举例。

其中：1为单相整流电路AC-DC；2为三相整流电路AC-DC；3为单相逆变电路DC-AC；4为三相逆变电路DC-AC；5为降压斩波电路DC-DC；6为升压斩波电路DC-DC；7为交流调压电路AC-AC；8为交流调功电路AC-AC；9为交流调功电路AC-AC。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，在对系统级电路进行数学描述的过程中，我们需要首先将实际的电力电子电路系统及模型抽象为图论中节点和连线的表达形式。其中，节点代表能源形式，而连线代表我们所需要的进行能源形式变换的电力电子变流器装置，如图2所示。然而，在确定的节点数的基础上，产生的可能拓扑是一个非常大的数字，会大大增加挑选系统结构的时间和精力。在此，提出一种优化方案，可以有效地筛除穷举出拓扑结构的重复部分，这样。我们在规定节点数(即能源变换的次数)的基础上就可以剔除一些无效的重复拓扑，优化分析，有利于进行后续的研究。

在这里，我们对微型电网系统的拓扑结构采用基于组合支路的矩阵和编号表示方法，这种方法是建立在支路的抽象和编号的基础上的。组合支路概念下的系统拓扑可抽象为不含复边和自环的简单图。每条边含有不同的权值，蕴含着边的信息。

有效电能变换方式的集合，也就是我们所说的可能的电力电子装置类型，按其实现的功能(即电力变换的种类)来划分，可以分为：整流电路(AC-DC)，逆变电路(DC-AC)，直流斩波电路(DC-DC)以及交交变频电路(AC-AC)。对于系统的拓扑生成图而言，每个电力电子变流器对应的是图中的一条边(支路)，来实现节点(能源形式)与节点(能源形式)之间的连接(变化)。若按照具体的电路能源或者负载的类型，交流能源的变换器涉及到三相变换器和单相变换器，隔离的和非隔离的变换器，直流能源的变换器也分为隔离和非隔离的类型；而在开关器件的选取上，由于本研究的着眼点是系统级的拓扑结构，故所有的电力电子变流装置都采用主流的全控型器件，对此不再在进行分类穷举。

上边列出了有效支路的分类，包括：单相整流电路、三相整流电路、单相逆变电路、三相逆变电路、降压站波电路，升压斩波电路，交流调压电路，交流调功电路一共是八种。按表1设定的规则进行编码：

电力电子变流装置代表编码位数从高位到低位依次为：单相整流电路、三相整流电路、单相逆变电路、三相逆变电路、降压站波电路，升压斩波电路，交流调压电路，交流调功电路，依次编号对应的十进制数为1～8，每一个编号对应特定类型的电力电子变流装置。节点之间没有连接用0表示，节点自身的元素用9表示。

表1电力电子变流装置代表编码

单相整流电路AC-DC	1
		三相整流电路AC-DC	2
单相逆变电路DC-AC	3
		三相逆变电路DC-AC	4
降压斩波电路DC-DC	5
		升压斩波电路DC-DC	6
交流调压电路AC-AC	7
		交流调功电路AC-AC	8

1)基于组合支路的矩阵表示方法

对于一个节点数为n的拓扑，设其任意两节点间最多仅存在1条支路，其邻接矩阵A定义为一个n×n的方阵，其元素为：

式中m为支路的编号。那么，开关电路拓扑的矩阵表述形式为：T＝A，称之为边加权邻接矩阵。

图1为一种具有代表性的双输入、双输出的微型电网系统结构，将其抽象为节点和连线构成的图，其中每个节点代表一种电能形式，每条节点与节点间的支路代表将这两个节点电源进行转化的电力电子变换器。通过节点数量及每个节点电能形式的变化即可演化出多种系统拓扑结构。通过上述方法生成的系统结构数量会随着输入输出电源及中间节点数量的增加而迅速增加，通过微型电网系统拓扑优化方法可以有效地鉴别并且筛除其中的同构拓扑结构。图1所示系统结构的邻接矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{ccccccccc}9& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 9& 0& 0& 4& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 9& 3& 2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 3& 9& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 4& 2& 0& 9& 0& 3& 2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 9& 6& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 3& 6& 9& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2& 0& 0& 9& 5\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 5& 9\end{array}\right]$

2)基于组合支路的编号表示方法

在节点数为n的无自环和复边拓扑中，其支路数最多为

令

d₀＝a₁₂，d₁＝a₁₃，d₂＝a₁₄....d_n-2＝a_1n，

d_n-1＝a₂₃，d_n＝a₂₄....

.....

d_k＝a_n-1n

其中a_ij是n节点单元的邻接矩阵元素，其定义如式(2)所示。这样，D＝d_md_m-1d_m-2....d₂d₁d₀就构成了一个k位的8进制数，D值的范围是0～8^k-1，且D值同该拓扑的邻接矩阵一一对应。根据拓扑的邻接矩阵，计算其D值；而每给出一个D，可写出其相应的邻接矩阵，并能画出该拓扑的图。图1所示的拓扑的编号为：T＝(500006023000000000023000040000000001)

随着节点的增多，微型电网系统拓扑总数急剧增加，直接针对每个拓扑进行电路仿真，实现困难较大。通过微型电网系统拓扑优化方法来实现对穷举的同构微型电网系统的筛选，以提高推演速度和准确性。

同构拓扑的判定，是将图论的同构判定方法应用于微型电网的背景下。基于组合支路数学描述的系统拓扑与简单图的区别在于：在简单图中，如果两个节点之间存在有边，则在邻接矩阵中表示该边的项为1，否则为0；而在系统拓扑中，如果节点间存在支路，则在邻接矩阵中表示该支路的项为m(m代表该支路的编号，蕴涵着该支路的具体电力电子装置形式)，否则为零。也就是说，二者的区别在于其邻接矩阵的每个代表支路元素的权值有所不同，其余都是一样的。

假设T1、T2是两个系统拓扑，C、D分别是它们的邻接矩阵。如果它们是同构的，可以得到M，使得：

C＝M^-1DM

也就是说，同构系统拓扑的邻接矩阵也是相似的。通过检查邻接矩阵的特征值来判定同构系统拓扑。

依据上述分析，可确定如下判定同构系统拓扑的方法：

方法Isomorphism(C，D，is-phism)中输入量为C、D分别是待判定拓扑的邻接矩阵。输出量is-phism为判定结果，同构时返回true，否则为false。具体方法如图2所示。上述方法的主要计算工作在于计算出邻接矩阵的特征值和判断相似变换矩阵是否为置换矩阵。

实施例：

首先，我们将穷举出的微型电网系统拓扑抽象为点和线的连接，将每个电力电子装置通过我们设定的代码分别代入，使之成为一个具有编号的图。图3所示为穷举出的一对可能的微型电网系统拓扑的连接图。

其次，我们对每个图求其数学表达式，即邻接矩阵，它们的邻接矩阵分别由下式中的C、D表示。

$C=\left[\begin{array}{ccccccccc}9& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 9& 3& 0& 0& 6& 0& 0& 0\\ 0& 3& 9& 0& 2& 0& 4& 2& 0\\ 0& 0& 0& 9& 0& 0& 0& 3& 0\\ 0& 0& 2& 0& 9& 0& 0& 0& 5\\ 0& 6& 0& 0& 0& 9& 0& 0& 0\\ 1& 0& 4& 0& 0& 0& 9& 0& 0\\ 0& 0& 2& 3& 0& 0& 0& 9& 0\\ 0& 0& 0& 0& 5& 0& 0& 0& 9\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{ccccccccc}9& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 9& 2& 3& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 2& 9& 0& 3& 0& 2& 4& 0\\ 0& 3& 0& 9& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 3& 0& 9& 6& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 6& 9& 0& 0& 0\\ 0& 0& 2& 0& 0& 0& 9& 0& 5\\ 1& 0& 4& 0& 0& 0& 0& 9& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 5& 0& 9\end{array}\right]$

主要计算过程如下：

i.输入邻接矩阵；

ii.计算特征值：

经计算邻接矩阵C的特征值分别是：

λ₁＝1.6015，λ₂＝3.7067，λ₃＝5.1367

λ₄＝6.4865，λ₅＝9，λ₆＝11.5135，

λ₇＝12.8633，λ₈＝14.2933，λ₉＝16.3985

经计算邻接矩阵D的特征值分别是：

λ₁＝1.6015，λ₂＝3.7067，λ₃＝5.1367

λ₄＝6.4865，λ₅＝9，λ₆＝11.5135，

λ₇＝12.8633，λ₈＝14.2933，λ₉＝16.3985

iii.比较特征值：相等。

iv.计算相似变换矩阵。

$P=\left[\begin{array}{ccccccccc}-0.8151& 0.1028& 0.3643& -0.3775& -0.0585& -0.1404& -0.0274& 0.0901& -0.1332\\ -0.0585& 0.2521& -0.2597& -0.1822& 0.6905& 0.3840& 0.2958& 0.2504& -0.2408\\ 0.3643& 0.3735& 0.5682& -0.2086& -0.2597& 0.4107& 0.0035& 0.3359& 0.1117\\ -0.3775& 0.3557& -0.2086& 0.6762& -0.1822& 0.2303& -0.1388& 0.3084& 0.1722\\ -0.0274& 0.1480& 0.0035& -0.1388& 0.2958& -0.2890& 0.1303& 0.0627& 0.8753\\ -0.1404& -0.3644& 0.4107& 0.2303& 0.3840& 0.4851& -0.2890& -0.3508& 0.1906\\ 0.0901& -0.4040& 0.3359& 0.3084& 0.2504& -0.3508& 0.0627& 0.06421& -0.1371\\ 0.1028& 0.5371& 0.3735& 0.3557& 0.2521& -0.3644& 0.1480& -0.4040& -0.2313\\ -0.1332& -0.2313& 0.1117& 0.1722& -0.2408& 0.1906& 0.8753& -0.1371& 0.0856\end{array}\right]$

验证：

C＝P^-1DP

v.结论：两拓扑同构。

经验证，该方法可以有效的区别同构的微型电网系统拓扑。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.微型电网系统拓扑优化方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)选择微型电网系统拓扑生成的限定条件；

(2)对拓扑进行穷举；

(3)选择需要验证的电力电子装置拓扑；

(4)将整个系统抽象为节点和连线构成的图；

(5)通过邻接矩阵来对系统拓扑进行数学表达；

(6)通过特征值对系统的数学表达式进行同构判定；

(7)判断两系统拓扑是否同构；如果同构则进入步骤(7)；如果不同构，则进入步骤(8)；

(7)如果同构则说明拓扑出现冗余，予以剔除，进入步骤(9)；

(8)如果不同构，说明拓扑具有个异性，予以保留，进入步骤(9)；

(9)将得到优化后的图还原其电气特性，生成微型电网系统拓扑结构；

(10)优化方案结束。

2.如权利要求1所述微型电网系统拓扑优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对输入能源的类型、数量以及从源到负载之间进行能源变换的次数进行提前给定作为系统初始的限定条件。

3.如权利要求1所述微型电网系统拓扑优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在限定条件的基础之上对可能拓扑结构进行穷举，涵盖所有可能的结构。

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