CN106487042B - 一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，包括DG一级电压控制层、MGCC二级电压控制层和EMS三级电压控制层，其中，在三级电压控制层中设置电压优化协调控制，由目标函数、等约束条件和不等约束条件三部分组成。本发明提供的多时间尺度微电网电压无功优化控制方法综合利用了一级电压控制的快速性、二级电压单母线控制的精确性和三级电压控制的全局优化调度的优点，充分利用微电网中已有的分布式发电单元的无功调节能力，维持多母线节点电压水平，抑制无功功率环流，实现无功功率优化分配，为微电网提供尽可能多的无功功率裕量和有功功率裕量，提高系统稳定性，减少系统无功补偿设备投资。

Description

一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法

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，尤其涉及一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法。

背景技术

微电网是目前分布式发电领域的研究热点之一。借鉴电力系统分层控制思想，微电网控制通常分为三层：第一层是分布式发电单元DG(Distributed Generator)本地控制，包括PQ控制、下垂控制、模式切换等；第二层是中央控制器MGCC(Microgrid CentralController)，主要功能有恢复孤岛运行模式下系统电压和频率、联网模式下联络线潮流控制、预同步、孤岛检测等；第三层是能量管理系统EMS(Energy Manage System)，用于实现微电网能量管理和经济调度。

孤岛模式下，消耗一次能源的DG和储能发电单元通常采用下垂控制策略，柴油发电机也采用与下垂控制类似的励磁控制系统，维持系统频率和电压稳定，分配负荷有功功率和无功功率。下垂控制有两个问题，一是为了实现在各台DG间的功率分配，微电网系统必然存在频率和电压偏差；二是DG地理位置分散，DG输出阻抗和线路阻抗阻性成分较大，线路长短不一，与有功功率按下垂系数在各DG间进行精确分配不同，无功功率在各DG间的分配受DG输出阻抗和线路阻抗影响较大，且存在无功环流。另外，在孤岛模式下，MGCC主要有二级频率控制和二级电压控制，分别用于恢复系统频率和电压，目前常采用的措施是，将系统频率和关键节点电压偏差经过PI调节器后得到系统计划外有功功率和无功功率，再按照有功功率下垂系数和无功功率下垂系数或者其它优化系数分配给各台调频和调压单元，用于实现系统功率平衡，恢复系统频率和关键节点电压。由二级电压控制和本地DG控制组成的两级电压控制主要缺点是：1)无法保证除关键节点外其它节点电压幅值；2)只有下垂控制的DG参与二级电压控制，无法充分利用其它DG的无功功率调节能力；3)对无功功率均分控制贡献不大，无法解决DG间无功环流问题。为了解决上述问题，也有文献将基于PI的二级电压控制改为多节点电压优化控制方法，但优化控制的计算时间较长，电压控制的实时性和动态性较差，无法保证重要负荷的供电电压质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，所述微电网电压控制具有层级结构，所述层级结构包括：时间尺度为毫秒级的分布式发电单元DG本地控制的一级电压控制层，时间尺度为毫秒级至秒级不等的中央控制器MGCC控制的二级电压控制层，以及时间尺度为分钟级的能量管理系统EMS三级电压控制层，其中，三级电压控制层根据网络参数、测量或者预测的负荷和发电单元功率进行优化控制，实现调度管理，而测量或预测误差、负荷突变、发电功率突变等带来的电压波动主要依靠一级和二级电压控制层的快速调节来达到新的平衡，具体通过以下技术方案实现：

一级电压控制层指在孤岛运行状态下DG的电压控制，能够快速调节DG端电压，跟随系统负荷变化，通常采用下垂控制策略，属于有差调节；

二级电压控制层通过测量关键母线节点电压水平，与参考电压比较后，获得电压偏差，将电压偏差经过PI调节器调节后，获取计划外无功功率，再按照一定分配原则将其分配给各台参与二级电压控制的分布式发电单元(简称调压单元)，以改变各台调压单元的电压控制特征曲线，维持关键母线节点电压水平，实现关键母线节点电压的无差控制；根据MGCC与DG之间通信速率的不同，其时间尺度为毫秒级到秒级不等；二级电压控制层属于单母线误差调节，无法控制微电网中其它母线节点的电压，对低压线路阻抗带来的无功环流问题没有任何改善作用；

为了解决多母线节点电压控制和无功功率优化控制问题，在三级控制层中设置三级电压优化协调控制，通过充分利用可再生能源DG的无功调节能力，维持多母线节点电压水平，协调优化各DG的无功功率，抑制无功环流，减少无功补偿设备的投资，增加系统有功功率和无功功率裕量，提高系统稳定性，属于调度优化；通过智能优化算法计算出具有电压调节能力的DG(如储能、微型燃气轮机等)的电压参考信号和具有无功调节能力的可再生能源发电单元(如光伏、风电等)的无功功率参考信号，保证多母线节点电压水平，实现无功功率优化分配，具体包括以下步骤：

(1)设置目标函数：

目标函数主要有两个控制目标：一是保证多母线节点电压偏差之和为最小，二是保证消耗一次能源的DG和储能发电单元输出无功功率之和为最小，以充分利用可再生能源发电单元的无功调节能力，保留尽可能多的有功功率裕量，改善系统稳定性；

所述目标函数为：

式中，α_b为受控母线节点编号集，α_G为耗一次能源的DG和储能发电单元的编号集，和U_i分别为母线节点i的参考电压值和迭代优化值，Q_invi为发电单元i发出的无功功率，C_U和C_Q为权重系数；

(2)设置不等约束条件：

不等约束条件包括发电功率约束、节点电压约束、线路功率约束和频率约束四种极限约束，具体为：

式中，和分别为第i台DG允许发出的最小有功功率和最大有功功率，和分别为第i台DG允许发出的最小无功功率和最大无功功率，和为节点i的最小电压和最大电压值，为支路ij允许流过的最大有功功率，f^min和f^max为系统运行频率的最小值和最大值，δ_ij为节点i和节点j之间的电压角度差，G_ij和B_ij分别是支路ij的电导和电纳值。

(3)设置等约束条件：

所述等约束条件为考虑多DG参与基于PI的二级电压频率控制、DG特性、负荷特性和网络特性的新型微电网潮流方程，相对于传统微电网潮流方程，新增加了Droop_SFC节点和Droop_SVC节点，即将所有参与二级频率控制的发电单元(简称调频单元)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，且将二级电压控制的关键母线设置为PQ节点而不是PV节点，其它节点类型按照常规节点类型设置；如果某台DG的输出功率超出了最大允许范围，则将该发电单元输出的功率进行限幅处理，使该发电单元输出的功率限制在最大或者最小值，同时将节点类型和功率方程相应的转换为PQ节点和恒功率方程；

(4)求解具有电压调节能力的DG(如储能、微型燃气轮机等)电压参考信号值和具有无功调节能力的可再生能源发电单元(如光伏、风电等)无功功率参考信号值的最优值，将能够确保系统满足等约束条件和不等约束条件下使目标函数最小的值作为最优值，下发给各台DG，从而保证多母线节点电压水平，实现无功功率优化分配。

进一步地，连接所述调频单元的Droop_SFC节点的输出功率方程为：

式中，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_invi分别为系统参考频率和调频单元i的运行频率，m_pi为P-f下垂曲线的下垂系数，ΔP_∑为计划外有功功率，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；T为迭代次数，n为迭代总次数；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，和U_invi分别是逆变器i的参考电压和输出电压；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；由于三级电压控制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，比例和积分系数可以根据三级电压控制优化计算的收敛速度和频率调节精度重新选取；若调频单元不参与一次电压调节，输出恒定无功功率，则其输出的无功功率方程为：

进一步地，连接所述调压单元的Droop_SVC节点的输出功率方程为：

式中，ΔQ_∑为计划外无功功率，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，和U_pcc分别为PCC节点电压参考值和实际值，β_j为调压逆变器j承担的计划外功率的分配系数，K_SVCp和K_SVCi分别为基于PI控制器的微电网二级电压调整的比例系数和积分系数；由于三级电压控制每次迭代时间间隔和潮流分布与实际系统二级电压调整的暂态过程不同，因此，比例和积分系数可以根据三级电压控制优化计算的收敛速度和电压调节精度重新选取。

进一步地，利用微电网潮流方程进行潮流迭代计算过程中，每次迭代结束后，对计划外有功功率和无功功率的值进行更新，并将其作为下次迭代计算的初始值。

进一步地，由于二级电压频率控制的目的是维持所控制的关键节点电压幅值和系统频率为参考基准值，因此，所述节点电压约束中，二级电压控制的关键节点电压允许的最大电压偏差小于常规节点电压偏差，系统频率最大偏差小于微电网允许偏差。

进一步地，所述步骤(4)中，利用内点算法、遗传算法、粒子群算法或蚁群算法求解最优值。

进一步地，所述等约束条件的微电网潮流方程中，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调节和电压调节的单元，例如储能逆变器、微型燃气轮机、燃料电池发电系统或者柴油发电机等。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，该方法综合了一级电压控制的快速性、二级电压控制的精确性和三级电压控制的全局优化调度的优点，实现毫秒级、秒级和分钟级三种时间尺度的多节点电压控制和多DG间无功功率的优化分配，适应不同时间尺度的负荷变化和可再生能源波动的特点，维持多节点电压水平和DG间无功功率的优化分配，充分利用可再生能源的无功容量，减少无功补偿装置的投资，为微电网保留尽可能多的有功功率和无功功率裕量，提高系统稳定性，减少系统无功补偿设备投资。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2微电网算例的等值电路图；

图3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是本发明的结构示意图，图1中一级电压控制层为DG本地控制；二级电压控制层为MGCC电压控制，该控制层中，通过将关键母线节点电压偏差输入到PI调节器中，计算出计划外无功功率，再将计划外无功功率按照分配系数下发给各台调压逆变器，改变其电压调节特性，维持关键母线节点电压水平；三级电压控制层为EMS电压控制，该控制层充分利用可再生能源发电的无功调节能力，以控制微电网多节点电压水平，抑制无功环流，提高有功功率和无功功率裕度为目的，进行全局电压控制。另外，二次频率控制也采用PI调节器，PI调节器输出的计划外有功功率按照分配系数分配给各台调频单元，维持系统频率。

图2是微电网算例的等值电路图，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，验证本发明的正确性。

具体如下：

系统基准功率为100kW，基准电压为220V，基准频率为50HZ。

一级电压控制层中，DG1和DG2为调压单元，DG1采用PQ控制，DG4和DG5为调频单元，其中，调压单元和调频单元均为储能逆变器且采用下垂控制，PQ控制代表具有无功调节能力的可再生能源发电单元。节点1为二次电压控制的母线节点。

二级电压控制层采用PI调节器，将二级电压控制PI调节器输出的计划外无功功率按照DG1和DG2的下垂系数分配给DG1和DG2；将二级频率控制PI调节器输出的计划外有功功率按照DG4和DG5的下垂系数分配给DG4和DG5。

三级电压控制层设置优化协调控制，包括设置目标函数、等约束条件和不等约束条件。

三级电压优化协调控制的目标函数主要有两个控制目标：①多母线节点电压偏差和最小；②消耗一次能源的DG和储能发电单元输出无功功率和最小，充分利用可再生能源发电单元的无功调节能力，保留尽可能多的有功功率裕量，改善系统稳定性。目标函数的表达式为：

式中，受控母线节点编号集为α_b＝(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，储能发电单元编号集为α_G＝(6,7,9,10)，C_U和C_Q为权重系数。

不等约束条件包括发电功率约束、节点电压约束、线路功率约束和频率约束四种极限约束。本实施例中，5台DG有功功率约束为无功功率约束为节点电压约束中，节点1电压约束范围为 其它9个节点的电压约束范围均为9条线路功率约束均为0.5；频率约束为f^min＝0.9999，f^max＝1.0001。

三级电压优化协调控制的等约束条件为考虑多DG参与基于PI的二级电压频率控制、DG特性、负荷特性和网络特性的新型微电网潮流方程，相对于传统微电网潮流方程，新增加了Droop_SFC节点和Droop_SVC节点，前者为调频单元DG4和DG5(分别对应节点9和节点10)，后者为调压单元DG1和DG2(分别对应节点6和节点7)，且将二级电压所控制的母线节点1设置为PQ节点而不是PV节点，其它负荷节点(2,3,4,5)和节点8(对应DG3)设置为PQ节点。

Droop_SFC节点的有功功率和无功功率方程为：

其中，分配系数为m_pi为DG4和DG5的P-f下垂系数。

Droop_SVC节点的有功功率和无功功率方程为：

其中，分配系数为n_qj为DG1和DG2的Q-U下垂系数。

利用原对偶内点法对三级电压优化协调控制进行求解，系统控制变量为状态变量为[Δδ,ΔU,Δf]^T，且每次迭代结束后，重新计算计划外有功功率ΔP_∑和无功功率ΔQ_∑的值，将其作为下次迭代计算的初始值。计算结束后，将满足等约束条件和不等约束条件情况下使目标函数最小的控制变量分别下发给各台DG。关于三级电压优化协调控制的参数求解方法还可采用遗传算法、粒子群算法或蚁群算法等进行求解。

仿真过程中，2s之前，系统控制变量分别为优化前的[1.02,1.02,0,1.02,1.02]^T，2s时将优化后控制变量[1.0177,1.0239,0.2,0.9822,0.9955]^T分别赋值为各台DG。图3为优化前后系统仿真对比结果，(a)为5台DG发出的无功功率对比图，(b)为10个节点电压幅值对比图，(c)为5台DG发出的有功功率对比图，(d)为5台DG的频率对比图。无功功率对比图(a)中，优化前，DG3发出的无功功率为0，负荷无功功率全部由储能逆变器承担，甚至DG4发出的无功功率超出了允许的最大无功功率；优化后DG3按照其最大无功容量0.2发出无功功率，剩余的无功需求再由储能逆变器承担，从而增加了储能逆变器的有功功率裕量和无功功率裕量。节点电压对比图(b)中，优化前，节点3、4和5电压均低于最低允许电压0.95，优化后，所有节点电压均在允许范围内，且优化前后，在二级电压控制的作用下，节点电压1始终维持在额定值1。有功功率对比图(c)中，优化前后各台DG发出的有功功率维持不变。系统频率对比图(d)中，优化前后系统频率稳态时均维持在50HZ。

由仿真结果可以看出，利用本发明的微电网电压和无功功率的控制性能大幅提高，节点电压被维持在允许范围内，可再生能源的无功功率输出能力也被充分利用，从而增加了储能逆变器和非可再生能源发单单元的功率裕量，提高了系统稳定性。

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 (6)

1.一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，所述微电网电压控制具有层级结构，所述层级结构包括：分布式发电单元DG本地控制的一级电压控制层，中央控制器MGCC控制的二级电压控制层，以及能量管理系统EMS三级电压控制层，所述一级电压控制单元采用下垂控制，所述二级电压控制层通过测量关键母线节点电压水平，与参考电压比较获得电压偏差后，经过PI调节器调节获取计划外无功功率，再分配给各台调压单元，其中，所述调压单元为参与二级电压控制的分布式发电单元的简称，其特征在于：在所述三级电压控制层中设置三级电压优化协调控制策略，具体包括以下步骤：

(1)设置目标函数：

所述目标函数为：

式中，α_b为受控母线节点编号集，α_G为耗一次能源的DG和储能发电单元的编号集，和U_i分别为母线节点i的参考电压值和迭代优化值，Q_invi为发电单元i发出的无功功率，C_U和C_Q为权重系数；

(2)设置不等约束条件

所述不等约束条件包括发电功率约束、节点电压约束、线路功率约束和系统运行频率约束四种极限约束条件；

(3)设置等约束条件：

所述等约束条件为微电网潮流方程，所述微电网潮流方程中：若所有DG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，且将二级电压控制的关键母线设置为PQ节点，再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方程组；其中，调频单元为参与二级频率控制的发电单元的简称；若某台DG的输出功率超出了最大允许范围，则将该DG的输出功率进行限幅后，将其节点类型和输出功率方程相应的转换为PQ节点和恒功率方程。

(4)求解具有电压调节能力的DG电压参考信号值和具有无功调节能力的可再生能源发电单元无功功率参考信号值，将能够确保系统满足等约束条件和不等约束条件下使目标函数最小的值作为最优值，下发给各台DG。

2.根据权利要求1所述的一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，其特征在于，利用微电网潮流方程进行潮流迭代计算过程中，每次迭代结束后，对计划外有功功率和计划外无功功率的值进行更新，并将其作为下次迭代计算的初始值。

3.根据权利要求1所述的一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述发电功率约束、节点电压约束、线路功率约束和系统运行频率约束满足：

式中，和分别为第i台DG允许发出的最小有功功率和最大有功功率，和分别为第i台DG允许发出的最小无功功率和最大无功功率，和为节点i的最小电压和最大电压值，U_j为节点j的电压，为支路ij允许流过的最大有功功率，f^min和f^max为系统运行频率的最小值和最大值，δ_ij为节点i和节点j之间的电压角度差，G_ij和B_ij分别是支路ij的电导和电纳值。

4.根据权利要求3所述的一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述节点电压约束中，二级电压控制的关键节点电压允许的最大电压偏差小于常规节点电压偏差，系统频率最大偏差小于微电网允许偏差。

5.根据权利要求1所述的一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，利用内点算法、遗传算法、粒子群算法或蚁群算法求解最优值。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种多时间尺度微电网电压无功优化控制方法，其特征在于，微电网潮流方程中，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调节和电压调节的单元。