CN106374498B - 一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，步骤包括：首先,获取网络参数，设置潮流计算初值和误差变量，令迭代次数为零；其次,设置节点类型；再次,列写出参与二次调频和二次调压的发电单元输出功率及微电网潮流计算修正方程组；最后，进行系统潮流计算，迭代计算出误差变量和修正值，并更新计划外有功功率和计划外无功功率，将其作为下次迭代的初始值。与现有技术相比，本发明弥补了现有微电网潮流计算时仅计算单平衡节点，且不考虑二次电压控制的缺点，该算法更加真实的反映了实际微电网的潮流分布，也为微电网规划、经济调度以及优化控制提供更为完善的潮流计算方法。

Description

一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统中新能源发电领域微电网技术，尤其涉及一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法。

背景技术

微电网是由微源、储能装置、电力电子变换装置、负荷、保护和监控系统组成的小型电网，是解决分布式发电大规模并网的一种有效解决方案，也是智能电网的重要组成部分。微电网有联网和孤岛两种运行模式。孤岛运行时，由于缺乏大电网的支撑，微电网中配有储能单元的逆变器通常采用下垂控制策略来维持系统电压和频率稳定，分担系统功率。而下垂控制存在的主要问题是，为了实现各台储能逆变器间的功率分配，稳态时必然存在频率和电压偏差，为了解决这个问题，通常在微电网中增加中央控制器，设置二次频率和电压控制器，调节相关发电单元输出的有功功率和无功功率，来恢复孤岛运行模式下系统频率和PCC节点电压幅值，显然，微电网稳态潮流不仅与各分布式发电单元的运行特性有关，还与中央控制器的二次频率和二次电压控制有关，潮流计算时必须要考虑二次控制。然而，现有的微电网潮流计算主要针对单平衡节点的系统，且仅考虑储能逆变器的下垂控制特性，未考虑二次电压控制以及多台逆变器参与二次电压频率控制对微电网潮流计算的影响，从而导致潮流计算结果准确性较差，影响微电网规划、经济调度以及优化控制的精确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提出了一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，主要解决多分布式发电单元参与二次电压频率控制时微电网潮流计算中存在的各种技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，所述方法为利用牛顿-拉夫逊迭代法进行潮流计算，包括以下步骤：

(1)获取微电网的网络参数，根据网络参数写出导纳矩阵，并设置潮流计算所需的各个初值，令迭代次数T为0，同时设置[Δδ_i,ΔU_i,Δf]^T为误差变量，其中，δ_i为节点i功角，U_i为节点i电压，f为系统频率，Δδ_i为节点i功角偏差，ΔU_i为节点i电压偏差，Δf为系统频率偏差；

(2)设置节点类型：如果所有发电单元的输出功率均在其容量允许范围内，则将所有参与二次调频的分布式发电单元(简称调频单元)的节点设置为Droop_SFC节点，将所有参与二次调压的分布式发电单元(简称调压单元)的节点设置为Droop_SVC节点，将二次电压所控制的母线设置为PQ节点而非PV节点，其它节点类型按照常规PQ节点、PV节点类型进行设置；如果某台分布式发电单元的输出功率超出其最大容量允许范围，则将该发电单元的输出功率进行限幅，同时，将该发电单元的节点类型转变为PQ节点；

(3)列写调频单元和调压单元输出功率方程和微电网潮流计算修正方程组；

(4)利用牛顿-拉夫逊迭代法进行潮流计算，如果有新的发电单元输出功率超出了其容量极限，则转入步骤(2)重新设置节点类型，写出相应的潮流计算修正方程组，再进行潮流计算，否则，直接进行迭代计算，求解出第T次迭代的误差变量[Δδ^T,ΔU^T,Δf^T]^T，且更新第T次迭代后二次频率控制器输出的计划外有功功率和二次电压控制器输出的计划外无功功率，将其作为下次迭代计算的初始值；

(5)判断迭代计算是否收敛，若收敛，则输出潮流计算结果，若不收敛，判断迭代次数是否大于迭代次数最大阈值，若是，则输出潮流计算失败结果，若不是，计算各节点电压角度、幅值和系统频率的新值f^T+1＝f^T+Δf^T，迭代次数加1，进入步骤(6)；

(6)利用各节点电压角度、幅值和系统频率的新值从步骤(2)开始进入下一次迭代。

进一步地，所述步骤(2)中，调频单元i的输出功率方程为：

式中，P_refi和P_invi分别是调频单元的有功功率参考值和实际有功功率，f和f_ref分别为系统运行频率和参考频率，m_pi为调频单元P-f下垂曲线的下垂系数，ΔP_∑为二次频率控制器输出的计划外有功功率，即实际微电网系统消耗的有功功率之和与所有发电单元调度有功功率之和的偏差，α_i为调频单元承担的计划外功率的分配系数；Q_refi和Q_invi分别是调频单元的无功功率参考值和实际无功功率，n_qi为调频单元Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refi和U_i分别是调频单元的参考电压和输出电压；若调频单元i不参与一次调压，输出恒定无功功率，则其输出的无功功率方程为Q_invi＝Q_refi；

调压单元j的输出功率方程为：

式中，P_refj和和P_invj分别是调压单元的有功功率参考值和实际有功功率，m_pj为调压单元P-f下垂曲线的下垂系数，ΔQ_∑为二次调压控制器输出的计划外无功功率，即实际微电网系统消耗的无功功率之和与所有发电单元调度无功功率之和的偏差，β_j为调压单元j承担的计划外功率的分配系数；Q_refj和Q_invj分别是调压单元的无功功率参考值和实际无功功率，n_qj为调压单元Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refj和U_j分别是调压单元的参考电压和输出电压；

进一步地，所述计划外有功功率ΔP_∑的计算公式为：

所述计划外无功功率ΔQ_∑的计算公式为：

式中，T为迭代次数，n为潮流计算迭代总次数，K_SFCp和K_SFCi分别为基于PI控制器的微电网二次频率调整的比例系数和积分系数，K_SVCp和K_SVCi分别为基于PI控制器的微电网二次电压调整的比例系数和积分系数；由于潮流计算每次迭代时间间隔和潮流分布与实际系统二次频率电压调整暂态过程不同，因此，比例和积分系数可以根据潮流计算收敛速度重新选取。

进一步地，所述微电网潮流计算修正方程组为：

式中，ΔP和ΔQ为节点功率偏差，雅克比矩阵各元素计算公式分别为：

进一步地，所述调频单元和调压单元为采用P-f/Q-U下垂控制策略参与系统频率和电压调节的单元，例如，储能逆变器、微型燃气轮机、燃料电池发电系统或柴油发电机等。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提出了一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，该方法在潮流计算时充分考虑了多逆变器参与二次电压频率控制对微电网实际潮流的影响，大大提高了潮流计算的准确性、增加微电网规划、经济调度以及优化控制精确性。

附图说明

图1为本发明微电网潮流计算方法的流程图；

图2为微电网分层控制结构示意图；

图3为微电网算例的等值电路图；

图4为仿真结果对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

图1是本发明的方法流程图，图2是微电网分层控制结构，二次频率和电压控制器均采用PI调节器，用以恢复系统频率和PCC节点的电压幅值，调节器输出的计划外有功功率和无功功率按照分配系数下发到各台调频单元和调压单元中。图3是微电网算例的等值电路图，按照本发明算法进行潮流计算，潮流计算结果可以用于微电网规划、经济调度以及优化控制中。取迭代计算收敛判断标准为：所有误差变量的绝对值小于1×10¹⁰。

图3中，DG1为PQ控制逆变器，DG2和DG3为参与二次电压控制的储能逆变器，DG4和DG5为参与二次频率控制的储能逆变器，储能逆变器均采用下垂控制，节点5为二次电压控制的母线节点。

本发明的具体实施步骤如下：

(1)获取系统的线路导纳参数，写出导纳矩阵，设置潮流计算所需的各个初值，令迭代次数T为0，同时设置[Δδ,ΔU,Δf]^T为误差变量，其中，δ_i为节点i功角，U_i为节点i电压，f为系统频率，Δδ为节点功角偏差，ΔU为节点电压偏差，Δf为系统频率偏差。具体为，设定基准电压为220V，基准容量为100kVA，各节点电压幅值、角度、发电有功功率、无功功率以及系统频率初始值为：

U⁰＝[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1],δ⁰＝[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0], f⁰＝1，节点导纳矩阵为：

(2)设置节点类型：

如果各台逆变器输出功率均未超出其容量限制，那么将节点(1,2,3,4,5,6)设置为PQ节点，节点(7,8)设置为Droop_SVC，节点(9,10)设置为Droop_SFC。

如果DG2(DG3，DG4，DG5)输出的功率超出其容量极限，则对DG2(DG3，DG4，DG5)进行限幅，并改为PQ节点；

(3)列写调频单元和调压单元输出功率方程和微电网潮流计算修正方程组：

Ⅰ)调频单元i输出的有功功率方程：P_invi＝P_refi+α_iΔP∑-(f-f_ref)/m_pi

式中，P_refi和P_invi分别是调频单元i的有功功率参考值和实际有功功率，f和f_ref分别为系统运行频率和参考频率，m_pi为P-f下垂曲线的下垂系数，ΔP_∑为二次电频控制器输出的计划外有功功率，即实际微电网系统消耗的有功功率之和与所有发电单元调度功率之和的偏差，α_i为调频单元i承担的计划外功率的分配系数；

其中的计划外有功功率ΔP_∑的计算公式为：

式中，T为迭代次数，n为潮流计算迭代总次数，K_SFCp和K_SFCi分别为基于PI控制器的微电网二次频率调整的比例系数和积分系数。

Ⅱ)调频单元i输出的无功功率方程：

若调频单元i参与一次电压调节，则其输出的无功功率方程为：Q_invi＝Q_refi-(U_i-U_refi)/n_qi；

式中，Q_refi和Q_invi分别是调频单元i的无功功率参考值和实际无功功率，n_qi为Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refi和U_i分别是逆变器i的参考电压和输出电压。

若调频单元i不参与一次电压调节，则输出恒定无功功率，其输出的无功功率方程为：Q_invi＝Q_refi

Ⅲ)调压单元j输出的有功功率和无功功率方程为：

式中，P_refj和P_invj分别是调压单元j的有功功率参考值和实际有功功率，f和f_ref分别为系统运行频率和参考频率，m_pj为调压单元P-f下垂曲线的下垂系数，ΔQ_∑为二次电压控制器输出的计划外无功功率，即实际微电网系统消耗的无功功率之和与所有发电单元发出的无功之和的偏差，Q_refj和Q_invj分别是调压单元j的无功功率参考值和实际无功功率，n_qj为调压单元Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refj和U_j分别是逆变器j的参考电压和输出电压。β_j为调压单元j承担的计划外功率的分配系数；

其中的计划外无功功率ΔQ_∑的计算公式为：

式中，K_SVCp和K_SVCi分别为基于PI控制器的微电网二次电压调整的比例系数和积分系数。

Ⅳ)微电网潮流计算修正方程组为：

式中，ΔP和ΔQ为节点功率偏差，雅克比矩阵各元素计算公式分别为：

(4)利用牛顿-拉夫逊法(简称NR法)进行潮流计算，如果有新的发电单元输出功率超出了其容量极限，则转入步骤(2)重新设置节点类型，写出相应的潮流计算修正方程组，再进行潮流计算，否则，直接进行迭代计算，求解出第T次迭代的误差变量[Δδ^T,ΔU^T,Δf^T]^T，且更新第T次迭代后二次频率控制器输出的计划外有功功率和二次电压控制器输出的计划外无功功率，将其作为下次迭代计算的初始值。

(5)若所有误差变量的绝对值小于1×10¹⁰，则迭代计算收敛，输出潮流计算结果，否则，判断迭代次数是否大于迭代次数最大阈值，若大于迭代次数最大阈值，则输出潮流计算失败结果，否则，计算各节点电压角度、幅值和系统频率的新值f^T+1＝f^T+Δf^T，迭代次数加1，进入步骤(6)。

(6)利用各节点电压角度、幅值和系统频率的新值从步骤(2)开始进入下一次迭代。

本发明实施的计算结果如图4所示，图中，PFwithSC为本发明计算输出的潮流计算结果，PFnoSC为不考虑二次电压频率控制的传统潮流计算结果，SimRt为按照微电网算例搭建的Matlab/simulink模型的仿真结果，图4(a)、(b)、(c)和(d)分别呈现了三种仿真情况下节点电压U、节点功角Angle、逆变器输出有功功率Pinv和逆变器输出的无功功率Qinv的对比图，结果PfwithSC线与SimRt线几乎完全重合，说明相对于传统潮流计算，利用本发明的潮流计算结果与Matlab/Simulink搭建的仿真模型结果非常接近，准确度大大提高。

以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本实用新型技术方案为前提下进行实施，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (5)

1.一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，所述方法为利用牛顿-拉夫逊迭代法进行潮流计算，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取微电网的网络参数，根据网络参数写出导纳矩阵，并设置潮流计算所需的各个初值，令迭代次数T为0，同时设置[Δδ_i,ΔU_i,Δf]^T为误差变量，其中，δ_i为节点i功角，U_i为节点i电压，f为系统频率，Δδ_i为节点i功角偏差，ΔU_i为节点i电压偏差，Δf为系统频率偏差；

(2)设置节点类型：如果所有发电单元的输出功率均在其容量允许范围内，则将所有调频单元的节点设置为Droop_SFC节点，将所有调压单元的节点设置为Droop_SVC节点，将二次电压所控制的母线设置为PQ节点；其中，所述调频单元为参与二次调频的分布式发电单元的简称，所述调压单元为参与二次调压的分布式发电单元的简称；如果某台分布式发电单元的输出功率超出其最大容量允许范围，则将该发电单元的输出功率进行限幅，同时，将该发电单元的节点类型转变为PQ节点；

(3)列写调频单元和调压单元的输出功率方程和微电网潮流计算修正方程组；

(4)利用牛顿-拉夫逊迭代法进行潮流计算，如果有新的发电单元输出功率超出了其容量极限，则转入步骤(2)重新设置节点类型，写出相应的潮流计算修正方程组，再进行潮流计算，否则，直接进行迭代计算，求解出第T次迭代的误差变量[Δδ^T,ΔU^T,Δf^T]^T，且更新第T次迭代后二次频率控制器输出的计划外有功功率和二次电压控制器输出的计划外无功功率，将其作为下次迭代计算的初始值；

(5)判断迭代计算是否收敛，若收敛，则输出潮流计算结果，若不收敛，判断迭代次数是否大于迭代次数最大阈值，若是，则输出潮流计算失败结果，若不是，计算各节点电压角度、幅值和系统频率的新值f^T+1＝f^T+Δf^T，迭代次数加1，进入步骤(6)；

(6)利用各节点电压角度、幅值和系统频率的新值从步骤(2)开始进入下一次迭代。

2.根据权利要求1所述的一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，调频单元i的输出功率方程为：

式中，P_refi和P_invi分别是调频单元的有功功率参考值和实际有功功率，f和f_ref分别为系统运行频率和参考频率，m_pi为调频单元P-f下垂曲线的下垂系数，ΔP_∑为二次频率控制器输出的计划外有功功率，即实际微电网系统消耗的有功功率之和与所有发电单元调度有功功率之和的偏差，α_i为调频单元i承担的计划外功率的分配系数；Q_refi和Q_invi分别是调频单元的无功功率参考值和实际无功功率，n_qi为调频单元Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refi和U_i分别是调频单元的参考电压和输出电压；若调频单元i不参与一次调压，输出恒定无功功率，则其输出的无功功率方程为Q_invi＝Q_refi；

调压单元j的输出功率方程为：

式中，P_refj和和P_invj分别是调压单元的有功功率参考值和实际有功功率，m_pj为调压单元P-f下垂曲线的下垂系数，ΔQ_∑为二次调压控制器输出的计划外无功功率，即实际微电网系统消耗的无功功率之和与所有发电单元调度无功功率之和的偏差，β_j为调压单元j承担的计划外功率的分配系数；Q_refj和Q_invj分别是调压单元的无功功率参考值和实际无功功率，n_qj为调压单元Q-U下垂曲线的下垂系数，U_refj和U_j分别是调压单元的参考电压和输出电压；

3.根据权利要求2所述的一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，其特征在于，所述计划外有功功率ΔP_∑的计算公式为：

所述计划外无功功率ΔQ_∑的计算公式为：

式中，T为迭代次数，n为潮流计算迭代总次数，K_SFCp和K_SFCi分别为基于PI控制器的微电网二次频率调整的比例系数和积分系数，K_SVCp和K_SVCi分别为基于PI控制器的微电网二次电压调整的比例系数和积分系数，由于潮流计算每次迭代时间间隔和潮流分布与实际系统二次频率调整暂态过程不同，因此，计划外有功功率ΔP_∑计算公式中比例系数和积分系数可以根据潮流计算收敛速度重新选取。

4.根据权利要求1所述的一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，其特征在于，所述微电网潮流计算修正方程组为：

式中，ΔP和ΔQ为节点功率偏差，雅克比矩阵各元素计算公式分别为：

5.根据权利要求1-4所述的一种考虑二次电压频率控制的微电网潮流计算方法，其特征在于，所述调频单元和调压单元为采用P-f/Q-U下垂控制策略参与系统频率和电压调节的单元。