CN104600694B - 考虑经济调度和环流抑制的微网能量优化方法 - Google Patents

Abstract

考虑动态经济调度和环流抑制的微网能量优化方法，具体步骤是：初始化微网系统的参数；利用进化博弈理论，得出各个微源的有功功率参考值，实现微网的动态经济调度；结合虚拟阻抗技术，实现微网间的环流抑制；输出整个微网系统的能量优化结果。本发明同时实现了上述两者功能：利用进化博弈理论，在各个微源的成本效益函数的基础上，实现微源的动态经济调度；同时，利于虚拟阻抗技术和下垂控制技术，设计各个并联逆变器的等效输出阻抗，使得各个微源按照进化博弈理论得出功率参考值进行功率分配，实现整个微网系统的环流抑制。

Description

考虑经济调度和环流抑制的微网能量优化方法

技术领域

本发明涉及微网系统中各类微源的动态经济调度和环流抑制。特别针对的是一种多逆变器并联的微网系统。

背景技术

能源是社会和经济发展的重要物质基础，电能作为最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。然而，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统也日益暴露出一些弊端：运行成本高，难度大，难以适应用户多样化的供电需求。近几年世界范围内发生的几次大规模停电事故也使得电网在运行安全性和可靠性方面的弱点暴露无疑。在资源紧缺、环保问题、电网安全与可靠性要求的多重压力下，世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的发电方式——分布式发电(Distributed generation,DG)。为充分利用可再生能源和对各种分布式电源单元进行有效管理，一种由分布式电源、储能系统、负荷和保护装置汇集而成的微型电网已成为分布式电源单元与电网连接的一种新思路，成为了智能电网的重要组成部分。

微网中的动态经济调度，是微网研究领域的热点。由于动态经济调度考虑了各个时段之间的内在关系，更加符合系统的实际运行要求，因此，研究微网的动态经济调度更具有重要意义。但由于微网目前的组织构架大多为多个逆变器的并联系统，要实现多个逆变器的经济调度仍旧存在诸多问题。当考虑到并联逆变器的闭环设计差异、参 数飘逸以及谐波注入等影响时，并联微源因输出阻抗的不一致使得输出的电压和幅值无法完全相同，难以实现微源间的环流抑制和功率的精确分配，导致整个微网系统中充斥着大量的环流功率，一方面使得各类元器件得到损耗，另一方面。也造成微源发出的部分能源浪费。但在目前的研究领域中，若涉及到微网的动态经济调度的，均为考虑各个逆变器之间是否会产生一定的功率环流以及如何抑制的问题。同样的，当涉及不同容量微源逆变器并联系统之间的环流抑制问题时，均未考虑到如何在实现环流抑制的基础上，实现各个微源的经济共享。因此，如何控制微网中多个逆变器之间的协调运行，同时实现不同功率等级间功率的精确分配、环流控制和经济调度，实现微网系统的经济、稳定运行，则是微网研究领域中的一个崭新的思路。

发明内容

本发明要克服目前多逆变器并联的微网系统的上述缺点，提供一种结合进化博弈理论和虚拟阻抗技术的微网能量优化方法，解决其内部各类微源间的动态经济调度和环流抑制，实现微网系统的经济、稳定运行。

不同于以往微网系统中，仅仅考虑微源间的经济调度或者环流抑制某一方面的内容，本发明同时实现了上述两者功能：利用进化博弈理论，结合各个微源的成本效益函数，实现微源的动态经济调度；同时，利于虚拟阻抗技术和下垂控制技术，设计各个并联逆变器的等效输出阻抗，使得各个微源按照进化博弈理论得出的各自给定功率进行功率分配，实现整个微网系统的环流抑制。考虑经济调度和环流抑制 的微网能量优化方法的的流程图如图1所示。

考虑动态经济调度和环流抑制的微网能量优化方法的步骤如下所示：

1)初始化微网系统的参数；

2)利用进化博弈理论，得出各个微源的有功功率参考值，实现微网的动态经济调度。

3)结合虚拟阻抗技术，实现微网间的环流抑制。

4)输出整个微网系统的能量优化结果。

为进一步的阐述本发明内容的创新性，更详细的步骤内容如下所述：

1)初始化微网系统的参数。

1-1)确定微网经济调度的参数。按照各类微源的实际情况，诸如所需要的燃料成本、维修成本、维护成本以及产生的实际经济效益，确定各个微源效益函数的各类参数。每个微源效益函数的表达式如下所示：

其中，J_i(P_r,i)代表第i个微源的效益函数；c_i代表第i个微源的成本因子；P_r,i即为通过进化博弈理论得出的第i微源相应的参考功率；P_max,i为第i个微源的最大功率。

1-2)确定微源下垂控制中的各类参数。由于各个微源的逆变器采用下垂控制技术，因此，按照下垂控制的设计原则，确定各个微源下垂控制器的参数，诸如双环控制中的PI参数、功率控制的低通滤 波器参数、SPWM载波频率和LC滤波器的参数等等。

2)微网的动态经济调度

根据进化博弈理论的进化微分方程，得出各个微源的有功功率的参考值。进化微分方程表示如下：

其中，f_i(P_r,i)代表的是第i个微源的适应度函数，代表的是平均适应度函数。表示分别如(3)和(4)所示。

其中，即为整个微网系统实时的负荷有功功率总量。

因此，根据微分方程(2)，当微网系统中的负荷发生显著波动时，根据进化博弈理论，实时地得出各个微源的有功功率的参考值P_r,i，以实现系统的动态经济调度。

3)各个微源的环流抑制

3-1)计算各个微源下垂控制器的下垂参数。为达到不同容量逆变器之间的有功功率分配和环流抑制，必须设计各个微源的空载频率相同，这样，下垂调节最终才能稳定在同一个频率点。通过进化博弈理论得到的各个微源的参考有功功率即为期望的各个微源最终输出功率，因此，参考有功功率和下垂系数必须满足以下关系：

P_r,1·K₁＝P_r,2·K₂＝…＝P_r,i·K_i (5)

其中，K_i表示第i个微源的有功下垂系数。

通过公示(5)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器有功下垂系数。

3-2)计算各个微源的等效输出阻抗值。为达到各个微源间的无功率环流，需要设计各个并联逆变器输出功率比与等效输出阻抗比之间满足一定的比例关系：

P_r,1·X₁＝P_r,2·X₂＝…＝P_r,i·X_i (6)

其中，X_i表示第i个微源的等效输出阻抗。

通过公示(6)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器等效输出阻抗。

3-3)构建虚拟阻抗环。通过在传统的下垂控制环外增加一个虚拟阻抗环来实现逆变器输出阻抗与上述3-2中得到的等效输出阻抗的相同作用，按照图4所示，构建虚拟阻抗环，来模拟实际的阻抗效果，达到逆变器间的环流抑制。

4)输出最终的优化结果。

根据上述的参数设置，进行系统仿真，输出整个微网系统中各个微源的输出功率、输出电压和输出电流，计算各个微源间的环流功率以及经济效益指标，以验证本发明的有效性与优越性。

本发明的技术构思：通过进化博弈理论与虚拟阻抗技术实现微网系统的动态经济调度和环流抑制。根据进化博弈理论和各个微源的效益成本函数，计算出系统处于稳态亦或者负荷出现显著波动时各个微源的有功功率参考值，实现系统的动态经济调度；结合虚拟阻抗技术 和环流抑制理论，根据进化博弈得出的有功功率的参考值，计算出各类微源的有功下垂系数和等效输出阻抗。利用虚拟阻抗环，以实现各类微源的环流抑制。

本发明的优点：结合了动态经济调度和环流抑制两方面的内容，克服了以往仅仅考虑不同容量的微网系统内环流抑制，而忽视了在分配微源功率时的经济性，或是在考虑微网系统的动态经济调度时，忽视了逆变器因输出阻抗、参数漂移所带来的环流影响这两方面的不足。本发明方法既能够实现整个微网系统的动态经济调度，又能够实现各个微源间的环流抑制，达到了经济与能量效益的统一。

附图说明

图1是本发明的流程图

图2可适用于本发明方法的微网系统结构图

图3本发明方法的控制系统框图

图4本发明方法中的虚拟阻抗环图

图5案例分析中所涉及的仿真算例

图6案例分析的波形图，图中，(a)DG₁的输出电压(b)DG₁的输出电流(c)DG₂的输出电压(d)DG₂的输出电流(e)负荷点的频率(f)负荷点处的电压

图7案例分析中两个DG的有功功率波形曲线，图中，(a)DG1的实时有功功率(b)DG2的实时有功功率(c)DG1的有功功率参考值(d)DG2的有功功率参考值

图8案例分析中环流电流仿真图

图9微网系统的智能配电网的DG参数

具体实施方式

1、项目实施方式

考虑动态经济调度和环流抑制的微网能量优化方法，具体步骤是：

1)初始化微网系统的参数。

1-1)确定微网经济调度的参数。按照各类微源的实际情况，诸如所需要的燃料成本、维修成本、维护成本以及产生的实际经济效益，确定各个微源效益函数的各类参数。每个微源效益函数的表达式如下所示：

其中，J_i(P_r,i)代表第i个微源的效益函数；c_i代表第i个微源的成本因子；P_r,i即为通过进化博弈理论得出的第i个微源相应的参考功率；P_max,i为第i个微源的最大功率。

1-2)确定微源下垂控制中的各类参数。由于各个微源的逆变器采用下垂控制技术，因此，按照下垂控制的设计原则，确定各个微源下垂控制器的参数，诸如双环控制中的PI参数、功率控制的低通滤波器参数、SPWM载波频率和LC滤波器的参数等等。

2)微网的动态经济调度

根据进化博弈理论的进化微分方程，得出各个微源的有功功率的参考值。进化微分方程表示如下：

其中，f_i(P_r,i)代表的是第i个微源的适应度函数，代表的是平均适应度函数。表示分别如(3)和(4)所示。

其中，即为整个微网系统实时的负荷有功功率总量。

因此，根据微分方程(2)，当微网系统中的负荷发生显著波动时，根据进化博弈理论，实时地得出各个微源的有功功率的参考值P_r,i，以实现系统的动态经济调度。

3)各个微源的环流抑制

3-1)计算各个微源下垂控制器的下垂参数。为达到不同容量逆变器之间的有功功率分配和环流抑制，必须设计各个微源的空载频率相同，这样，下垂调节最终才能稳定在同一个频率点。通过进化博弈理论得到的各个微源的参考有功功率即为期望的各个微源最终输出功率，因此，参考有功功率和下垂系数必须满足以下关系：

P_r,1·K₁＝P_r,2·K₂＝…＝P_r,i·K_i (5)

其中，K_i表示第i个微源的有功下垂系数。

通过公示(5)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器有功下垂系数。

3-2)计算各个微源的等效输出阻抗值。为达到各个微源间的无 功率环流，需要设计各个并联逆变器输出功率比与等效输出阻抗比之间满足一定的比例关系：

P_r,1·X₁＝P_r,2·X₂＝…＝P_r,i·X_i (6)

其中，X_i表示第i个微源的等效输出阻抗。

通过公示(6)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器等效输出阻抗。

3-3)构建虚拟阻抗环。通过在传统的下垂控制环外增加一个虚拟阻抗环来实现逆变器输出阻抗与上述3-2中得到的等效输出阻抗的相同作用，按照图4所示，构建虚拟阻抗环，来模拟实际的阻抗效果，达到逆变器间的环流抑制。

4)输出最终的优化结果。

根据上述的参数设置，进行系统仿真，输出整个微网系统中各个微源的输出功率、输出电压和输出电流，计算各个微源间的环流功率以及经济效益指标，以验证本发明的有效性与优越性。

2、案例分析

本发明项目以包含两个微源并联的微网系统为例，构建考虑动态经济调度和环流抑制的微网能量优化方法。整个系统的仿真结构图如图5，系统的参数如图9所示。构建的仿真算例为：0～0.5s，整个微网的负荷总量为28kW，0.5s时，负荷突增9kW。

利用本发明方法，可以得到整个系统的仿真波形图如图6、图7和图8所示。由图6可知，两个微源的输出电压一直稳定在311V左右，即使在负荷突增时，电压也没有发生较大的抖动，本发明方法较 好的实现了微网系统在负荷突增时的稳定运行。

由图7可知，当负荷在0.5秒时发生突增时，进化博弈算法较快速的实现了能量的实时经济分配(由(c)和(d)可知)，并且，两个微源的输出功率也较快的跟踪到了有功功率的参考值。可见，本发明方法较好的实现了并联微源的经济动态调度。

由图8可知，两个微源间的环流电流几乎为0，可见，本发明方法较好的实现了并联微网系统的环流抑制。

综上所示，本方法方法能够同时实现微网的经济动态调度和环流抑制，既能够满足微网的经济性需求，又能够保证微网系统的稳定运行。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.考虑动态经济调度和环流抑制的微网能量优化方法，具体步骤是：

1)初始化微网系统的参数；

1-1)确定微网经济调度的参数；按照各类微源的实际情况，确定各个微源效益函数的参数；每个微源效益函数的表达式如下所示：

$J_i\left(P_{r,i}\right)=\frac{1}{c_i}(2P_{r,i}-\frac{P_{r,i}}{P_{\max ,i}})---\left(1\right)$

其中，J_i(P_r,i)代表第i个微源的效益函数；c_i代表第i个微源的成本因子；P_r,i即为通过进化博弈理论得出的第i个微源相应的参考功率；P_max,i为各个微源的最大功率；

1-2)确定微源下垂控制中的各类参数；由于各个微源的逆变器采用下垂控制技术，因此，按照下垂控制的设计原则，确定各个微源下垂控制器的参数；

2)微网的动态经济调度；

根据进化博弈理论的进化微分方程，得出各个微源的有功功率的参考值；进化微分方程表示如下：

$\stackrel{\·}{P_{r,i}}=P_{r,i}\left(f_i\right(P_{r,i})-\stackrel{\‾}{f})---\left(2\right)$

其中，f_i(P_r,i)代表的是第i个微源的适应度函数，代表的是平均适应度函数；表示分别如(3)和(4)所示；

$J_i\left(P_{r,i}\right)=\frac{1}{c_i}(2P_{r,i}-\frac{P_{r,i}}{P_{\max ,i}})---\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{f}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{r,j}{f}_j\left(P_{r,i}\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{r,i}}---\left(4\right)$

其中，即为整个微网系统实时的负荷有功功率总量；

因此，根据微分方程(2)，当微网系统中的负荷发生显著波动时，根据进化博弈理论，实时地得出各个微源的有功功率的参考值P_r,i，以实现系统的动态经济调度；

3)各个微源的环流抑制；

3-1)计算各个微源下垂控制器的下垂参数；为达到不同容量逆变器之间的有功功率分配和环流抑制，必须设计各个微源的空载频率相同，这样，下垂调节最终才能稳定在同一个频率点；通过进化博弈理论得到的各个微源的参考有功功率即为期望的各个微源最终输出功率，因此，参考有功功率和下垂系数必须满足以下关系：

P_r,1·K₁＝P_r,2·K₂＝…＝P_r,i·K_i (5)

其中，K_i表示第i个微源的有功下垂系数；

通过公式(5)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器有功下垂系数；

3-2)计算各个微源的等效输出阻抗值；为达到各个微源间的无功率环流，需要设计各个并联逆变器输出功率比与等效输出阻抗比之间满足一定的比例关系：

P_r,1·X₁＝P_r,2·X₂＝…＝P_r,i·X_i (6)

其中，X_i表示第i个微源的等效输出阻抗；

通过公式(6)和进化博弈得出的有功功率参考值，即可得出各个逆变器等效输出阻抗；

3-3)构建虚拟阻抗环；通过在传统的下垂控制环外增加一个虚拟阻抗环来实现逆变器输出阻抗与上述3-2中得到的等效输出阻抗的相同作用，构建虚拟阻抗环，来模拟实际的阻抗效果，达到逆变器间的环流抑制；

4)输出最终的优化结果；

根据上述的参数设置，进行系统仿真，输出整个微网系统中各个微源的输出功率、输出电压和输出电流，计算各个微源间的环流功率以及经济效益指标，以验证本发明的有效性与优越性。