CN105680480A - 一种多微电网分布式经济运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多微电网分布式经济运行控制方法，该方法为每个分布式电源配置逆变器控制器，选择边际成本最高的分布式电源配置该微电网的网控制器，该分布式电源的相应逆变器控制器又称作枢纽控制器。网控制器仅与邻居交互边际成本、电压信息，在所得信息的基础上利用一致性算法得到多个微电网的平均边际成本及平均电压信息，输出给相应枢纽控制器。枢纽控制器将所得信息广播到微电网内各逆变器控制器，逆变器控制器利用所得信息进行三级控制，实现多微电网的经济稳定运行。与现有技术相比，该方法不需高性能的中心控制器进行复杂运算，具有较高的可靠性及可扩展性；采用稀疏通信网络，通过分布式策略，有效降低多个微电网的整体发电成本。

Description

一种多微电网分布式经济运行控制方法

技术领域

本发明涉及微电网及多微电网控制领域，具体涉及一种多微电网分布式经济运行控制方法。

背景技术

不同微电网的负荷情况和发电成本不同，协调分配多个微电网的功率，能够更加充分地利用各微电网的资源，提高经济效益。

微电网采用分层控制架构，二级控制可实现微电网内各分布式电源的边际成本相等。引入三级控制协调优化多个微电网间的功率流动，可以降低多微电网的总发电成本，提高系统经济性。集中式三级控制，依赖中心控制器采集所有信息，通信量大，对通信线路要求高，并且易发生单点故障，可靠性较低。

研发成本低，且运行稳定的控制方法，成为了现有技术发展的方向。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多微电网分布式经济运行控制方法，采用分布式三级控制，将控制器分布在各个微电网中，通过少量的信息交互，解决了现有技术的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多微电网分布式经济运行控制方法，其特征在于，使用微电网分布式三级控制，该方法包括以下步骤：

1)为微电网中每个分布式电源分配逆变器控制器；选择边际成本最高的分布式电源配置该微电网的网控制器，定义该边际成本最高的分布式电源的逆变器控制器为枢纽控制器；

具体的，微电网中每台电源有一个逆变器控制器，每个微电网有一个网控制器。比较边际成本大小，选择最高的为枢纽控制器，主要是为了避免该分布式电源功率达到最大值，导致其边际成本不能代表微电网的边际成本。三级控制是在微电网内各电源边际成本一致的基础上进行的，所以枢纽控制器的本地边际成本代表了微电网的边际成本。

所述逆变控制器通过每一个微电网的网内通信网络进行信息交互；所述网控制器间通过微电网之间的通信网络进行信息交互；

2)所述网控制器从枢纽控制器处获得该微电网的边际成本和平均电压信息，通过微电网之间的通信网络，与邻居网控制器交互边际成本和电压信息；通过一致性算法，获取多微电网的平均边际成本和平均电压，并反馈给相应的枢纽控制器；通过一致性算法获取的平均值是所有微电网的平均值。

3)所述枢纽控制器通过网内通信网络，将步骤2)中获得的平均边际成本和平均电压信息广播到每个逆变器控制器，用于本地的三级控制。

进一步的，所述获得边际成本和平均电压信息的步骤如下：

以一个微电网m为例，微电网m的网控制器从枢纽控制器(设其编号为l)处采集边际成本L^m[0]及该微电网的平均电压U^m[0]信息；邻居网控制器同样采集本地信息；微电网m的网控制器与邻居网控制器交互信息，按公式(1)进行一致性迭代，更新L^m[k]及U^m[k]，重复信息交互及迭代，收敛得到多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave，将其输出给枢纽控制器；

$\begin{array}{c}{L}^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{L}^j\[k\]\\ U^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{U}^j\[k\],k=1,2,...,N\end{array}---\left(1\right)$

由于三级控制是在微电网内各电源边际成本一致的基础上进行的，所以枢纽控制器的本地边际成本代表了微电网的边际成本，网控制器采集的本地边际成本信息：

$L^m\[0\]=\frac{\∂C\left(P_1^m\right)}{\∂P_1^m}=...\frac{\∂C\left(P_l^m\right)}{\∂P_l^m}=...=\frac{\∂C\left(P_i^m\right)}{\∂P_i^m}=2{\mathrm{\α}}_l^m{P}_l^m+{\mathrm{\β}}_l^m,i=1,2,...,n_m---\left(2\right)$

式中，

d^mj为一致性算法的双随机矩阵中的元素；

L^m[k]和U^m[k]为微电网m在第k次迭代时的边际成本和电压值；

α_l ^m、β_l ^m为微电网m的枢纽控制器l的成本系数；

P_l ^m为分布式电源l的输出功率；

n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目；

N为微电网的数目。

此轮一致性迭代过程结束，重复以上过程，实时更新多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave信息，以用于微电网实时控制。

进一步的，步骤3)具体包括以下步骤：

以微电网m为例，k＝0时，微电网m的枢纽控制器(l)将由网控制器获得的平均边际成本L_ave、系统平均电压U_ave以及常数1信息作为本地信息；相邻逆变器控制器采集的本地平均边际成本、系统平均电压和常数信息均设置为0；微电网m的枢纽控制器(l)与相邻逆变器控制器交互信息，利用一致性算法按公式(3)、(4)和(5)进行迭代，更新信息；再交互信息进行一致性迭代，收敛使得各逆变器控制器得到L_ave/n_m、U_ave/n_m和1/n_m信息；

$L_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{L}_j^m\[k\],i=1,2,...n_m---\left(3\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地边际成本信息：相邻逆变器控制器本地边际成本信息：

$U_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{U}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(4\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地电压信息：相邻逆变器控制器本地电压信息：

$C_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_{ij}{C}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(5\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地信息：相邻逆变器控制器本地信息：

式中，

d_ij为一致性算法的双随机矩阵中的元素；

n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目；

和为微电网m的分布式电源i在第k次迭代时的边际成本和电压值；

各逆变器控制器按公式(6)和(7)得到所需L_ave和U_ave信息，再根据公式(8)得到目标有功功率信息，用于本地分布式电源的三级控制；

$L_{ave}=\frac{L_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(6\right)$

$U_{ave}=\frac{U_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(7\right)$

$P_i^{m*}=\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}\frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}& if& \frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}\≤e\·P_{i,max}^m\end{array}\\ \begin{array}{cc}e\·P_{i,max}^m& else\end{array}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，

为微电网m分布式电源i的成本系数；

为微电网m中分布式电源i最大允许发电功率；

为阈值功率，取e＝0.9；

设定分布式电源功率阈值控制时采取功率判断策略：由平均边际成本得到目标有功功率，判断其是否越限，若越限，将其限制在阈值，该分布式电源达到饱和状态，退出一致性网络，因此相邻逆变器控制器的邻居数目少了1个，应相应修改一致性矩阵，再参与一致性迭代。

进一步的，包括对一级下垂控制参考电压进行调节，具体包括以下步骤：

利用目标有功功率与分布式电源实际输出有功功率进行PI调节得到有功电压调节量优化一级控制的参考电压；

调节有功功率的过程中，如电压越限，基于系统平均电压U_ave与额定电压U_n利用PI调节得到电压修正量修正一级控制的参考电压，对各分布式电源同步进行电压调节，使系统平均电压稳定在额定值；

s是控制方式选择位，当分布式电源输出有功功率未达到阈值时，令s＝1，参与电压调节；当达到阈值时，令s＝0，不参与电压调节。

有益效果：本发明提供的一种多微电网分布式经济运行控制方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1)通过采用分布式三级控制，各节点地位对等，不存在中心控制器，可以克服集中控制可靠性不高的缺点，同时，基于稀疏通信网络，通信线路和通信量都较少，对通信线路要求低，具有较高的可靠性及可扩展性。

2)该多微电网分布式经济优化运行控制方法，对微电网间功率流动进行协调控制，实现多个微电网的各分布式电源的边际成本共同一致，有效降低系统总发电成本，且使系统平均电压恢复至额定值，多微电网能够经济稳定运行。

3)微电网间及微电网内都采用分布式方式进行信息交互：将网控制器分布在各个微电网中，只需邻居控制器间交互信息；枢纽控制器通过网内通信网络，采用分布式的方式将信息传递到网内各逆变器控制器。这种双层分布式控制策略完全不需要集中控制器，可靠性和可扩展性较高。；

附图说明

图1是多微电网的分布式控制通信拓扑图；

图2是微电网的网控制器控制架构图；

图3是逆变器控制器控制架构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种多微电网分布式经济运行控制方法。

(1)该控制方法主要涉及微电网三级控制，建立在二级控制已使得微电网内各分布式电源的边际成本一致的基础上。

(2)如图1所示，为微电网中每个分布式电源分配逆变器控制器(1，2，…，j)，选择边际成本最高的分布式电源配置该微电网的网控制器(MGⁱ)，该分布式电源的逆变器控制器可称作枢纽控制器。各逆变器控制器通过网内通信网络进行信息交互，网控制器通过网间通信网络进行信息交互。通信网络都是稀疏网络，不存在中心节点。

(3)多微电网的分布式策略：微电网的网控制器从枢纽控制器处获取边际成本及平均电压信息，通过微电网间的通信网络，与邻居网控制器交互边际成本和电压信息，然后通过一致性算法获得多微电网的平均边际成本及平均电压，并反馈给本地的枢纽控制器。

(4)枢纽控制器通过网内通信网络，将多微电网的平均边际成本和平均电压信息广播到各个逆变器控制器，用于本地三级控制，通过优化一级控制的参考电压，进行多微电网功率的经济分配，实现各分布式电源的边际成本一致，降低多微电网的总发电成本，并使系统平均电压恢复至额定值，实现多微电网联合经济稳定运行。

2.多微电网的分布式策略如下:

以微电网m为例，微电网m的网控制器从枢纽控制器(设其编号为l)采集本地边际成本L^m[0]及该微电网的平均电压U^m[0]信息；邻居网控制器同样采集本地信息；微电网m的网控制器与邻居网控制器交互信息，按公式(1)进行一致性迭代，更新L^m[k]及U^m[k]，重复信息交互及迭代，收敛得到多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave，将其输出给枢纽控制器。

$\begin{array}{c}{L}^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{L}^j\[k\]\\ U^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{U}^j\[k\],k=1,2,...,N\end{array}---\left(1\right)$

由于三级控制是在微电网内各电源边际成本一致的基础上进行的，所以网控制器采集的本地边际成本信息：

$L^m\[0\]=\frac{\∂C\left(P_1^m\right)}{\∂P_1^m}=...\frac{\∂C\left(P_l^m\right)}{\∂P_l^m}=...=\frac{\∂C\left(P_i^m\right)}{\∂P_i^m}=2{\mathrm{\α}}_l^m{P}_l^m+{\mathrm{\β}}_l^m,i=1,2,...n_m---\left(2\right)$

式中，d^mj为一致性算法的双随机矩阵中的元素，L^m[k]和U^m[k]为微电网m在第k次迭代时的边际成本和电压值。为微电网m的枢纽控制器l的成本系数。为分布式电源l的输出功率，n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目，N为微电网的数目。如图2所示，N^m代表与网控制器m相通信的邻居网控制器。

此轮一致性迭代过程结束，重复以上过程，实时更新多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave信息，以用于微电网实时控制。

3.枢纽控制器将多微电网的平均边际成本和平均电压信息广播到各个逆变器控制器。

以微电网m为例，k＝0时，微电网m的枢纽控制器(l)将由网控制器获得的平均边际成本L_ave、系统平均电压U_ave以及常数1信息作为本地信息；相邻逆变器控制器采集的本地平均边际成本、系统平均电压和常数信息均设置为0；微电网m的枢纽控制器(l)与相邻逆变器控制器交互信息，利用一致性算法按公式(3)、(4)和(5)进行迭代，更新信息；再交互信息进行一致性迭代，收敛使得各逆变器控制器得到L_ave/n_m、U_ave/n_m和1/n_m信息。

$L_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{L}_j^m\[k\],i=1,2,...n_m---\left(3\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地边际成本信息：相邻逆变器控制器本地边际成本信息：

$U_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{U}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(4\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地电压信息：相邻逆变器控制器本地电压信息：

$C_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_{ij}{C}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(5\right)$

其中，微电网m的枢纽控制器(l)本地信息：相邻逆变器控制器本地信息：

式中，d_ij为一致性算法的双随机矩阵中的元素，n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目。和为微电网m的分布式电源i在第k次迭代时的边际成本和电压值。

各逆变器控制器按式(6)和(7)得到所需L_ave和U_ave信息，根据式(8)得到目标有功功率信息，用于本地三级控制。

$L_{ave}=\frac{L_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(6\right)$

$U_{ave}=\frac{U_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(7\right)$

$P_i^{m*}=\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}\frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}& if& \frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}\≤e\·P_{i,max}^m\end{array}\\ \begin{array}{cc}e\·P_{i,max}^m& else\end{array}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，为微电网m分布式电源i的成本系数。为微电网m中分布式电源i最大允许发电功率。为阈值功率，可取e＝0.9。

在系统重载时，边际成本低的分布式电源输出有功功率易达到其发电容量，所以，选择微电网中边际成本最高的分布式电源配置其网控制器。

为防止分布式电源长时间满载工作加速器件老化，设定分布式电源功率阈值控制时为防止其功率超过阈值，采取功率判断策略：由平均边际成本得到目标有功功率，判断其是否越限，若越限，将其限制在阈值，该分布式电源达到饱和状态，退出一致性网络，由于网络拓扑发生改变，相邻逆变器控制器的邻居数目减少1个，应相应修改一致性矩阵，再参与一致性迭代。

如图3所示，N_i代表与逆变器控制器i相通信的邻居逆变器控制器。

4.本地三级控制主要对一级下垂控制参考电压进行调节。

如图3所示，利用目标有功功率与实际有功功率进行PI调节得到有功电压调节量优化一级控制的参考电压。

调节有功功率的过程中，电压有可能越限，为了恢复电压，基于系统平均电压U_ave与额定电压U_n利用PI调节得到电压修正量修正一级控制的参考电压，对各分布式电源同步进行电压调节，使系统平均电压稳定在额定值。

s是控制方式选择位，当分布式电源输出有功功率未达到阈值时，s＝1，参与电压调节；当达到阈值时，s＝0，不参与电压调节。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多微电网分布式经济运行控制方法，其特征在于，使用微电网分布式三级控制，该方法包括以下步骤：

1)为微电网中每个分布式电源分配逆变器控制器；选择边际成本最高的分布式电源配置该微电网的网控制器，定义该边际成本最高的分布式电源的逆变器控制器为枢纽控制器；

所述逆变控制器通过每一个微电网的网内通信网络进行信息交互；所述网控制器间通过微电网之间的通信网络进行信息交互；

2)所述网控制器从枢纽控制器处获得该微电网的边际成本和平均电压信息，通过微电网之间的通信网络，与邻居网控制器交互边际成本和电压信息；通过一致性算法，获取多微电网的平均边际成本和平均电压，并反馈给相应的枢纽控制器；

3)所述枢纽控制器通过网内通信网络，将步骤2)中获得的平均边际成本和平均电压信息广播到每个逆变器控制器，用于本地的三级控制。

2.如权利要求1所述的一种多微电网分布式经济运行控制方法，其特征在于，所述获得边际成本和平均电压信息的步骤如下：

微电网(m)的网控制器从枢纽控制器(l)处采集边际成本L^m[0]及该微电网的平均电压U^m[0]信息；邻居网控制器采集相应的本地信息；微电网m的网控制器与邻居网控制器交互信息，按公式(1)进行一致性迭代，更新L^m[k]及U^m[k]，重复信息交互及迭代，收敛得到多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave，将其输出给枢纽控制器；

$\begin{array}{c}{L}^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{L}^j\[k\]\\ U^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}^{mj}{U}^j\[k\],k=1,2,...,N\end{array}---\left(1\right)$

网控制器采集的本地边际成本信息如下：

$L^m\left[0\right]=\frac{\∂C\left(P_1^m\right)}{{\∂P}_1^m}=...\frac{\∂C\left(P_l^m\right)}{{\∂P}_l^m}=...=\frac{\∂C\left(P_i^m\right)}{{\∂P}_i^m}={2\mathrm{\α}}_l^m{P}_l^m+{\mathrm{\β}}_l^m,i=\mathrm{1,2},...,n_m---\left(2\right)$

式中，

d^mj为一致性算法的双随机矩阵中的元素；

L^m[k]和U^m[k]为微电网m在第k次迭代时的边际成本和电压值；

为微电网m的枢纽控制器l的成本系数；

P_l ^m为分布式电源l的输出功率；

n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目；

N为微电网的数目。

此轮一致性迭代过程结束，重复以上过程，实时更新多微电网的平均边际成本L_ave和系统平均电压U_ave信息，用于微电网实时控制。

3.如权利要求2所述的一种多微电网分布式经济运行控制方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：

微电网(m)中，k＝0时，微电网m的枢纽控制器(l)将由网控制器获得的平均边际成本L_ave、系统平均电压U_ave以及常数1信息作为本地信息；相邻逆变器控制器采集的本地平均边际成本、系统平均电压和常数信息均设置为0；微电网(m)的枢纽控制器(l)与相邻逆变器控制器交互信息，利用一致性算法按公式(3)、(4)和(5)进行迭代，更新L_i ^m、U_i ^m、C_i ^m信息；再交互L_i ^m[k]，U^m[k]，C_i ^m[k]信息进行一致性迭代，收敛使得各逆变器控制器得到L_ave/n_m、U_ave/n_m和1/n_m信息；

$L_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{L}_j^m\[k\],i=1,2,...n_m---\left(3\right)$

其中，微电网(m)的枢纽控制器(l)本地边际成本信息：相邻逆变器控制器本地边际成本信息：

$U_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{U}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(4\right)$

其中，微电网(m)的枢纽控制器(l)本地电压信息：相邻逆变器控制器本地电压信息：

$C_i^m\[k+1\]=\underset{j=1}{\overset{n_m}{\Σ}}{d}_{ij}{C}_j^m\[k\],i=1,2,...,n_m---\left(5\right)$

其中，微电网(m)的枢纽控制器(l)本地信息：相邻逆变器控制器本地信息：

式中，

d_ij为一致性算法的双随机矩阵中的元素；

n_m为微电网m内输出未达到阈值的分布式电源的数目；

L_i ^m[k]和U_i ^m[k]为微电网m的分布式电源i在第k次迭代时的边际成本和电压值；

各逆变器控制器按公式(6)和(7)得到所需L_ave和U_ave信息，再根据公式(8)得到目标有功功率信息：

$L_{ave}=\frac{L_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(6\right)$

$U_{ave}=\frac{U_{ave}/n_m}{1/n_m}---\left(7\right)$

$P_i^{m*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}& if\frac{L_{ave}-{\mathrm{\β}}_i^m}{2{\mathrm{\α}}_i^m}\≤e\·P_{i,max}^m\\ e\·P_{i,max}^m& else\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，

α_i ^m、β_i ^m为微电网m分布式电源i的成本系数；

为微电网m中分布式电源i最大允许发电功率；

为阈值功率，取e＝0.9；

设定分布式电源功率阈值控制时采取功率判断策略：由平均边际成本得到目标有功功率，判断其是否越限，若越限，将其限制在阈值，该分布式电源达到饱和状态，退出一致性网络，根据相邻逆变器控制器的数目修改相应一致性矩阵，再参与一致性迭代。

4.如权利要求1所述的一种多微电网分布式经济运行控制方法，其特征在于，包括对一级下垂控制参考电压进行调节，具体包括以下步骤：

利用目标有功功率P_i ^m*与分布式电源实际输出有功功率P_i ^m进行PI调节得到有功电压调节量优化一级控制的参考电压；

调节有功功率的过程中，如电压越限，基于系统平均电压U_ave与额定电压U_n利用PI调节得到电压修正量修正一级控制的参考电压，对各分布式电源同步进行电压调节，使系统平均电压稳定在额定值；

s是控制方式选择位，当分布式电源输出有功功率未达到阈值时，令s＝1，参与电压调节；当达到阈值时，令s＝0，不参与电压调节。