CN107230982A - 一种微电网线性化潮流计算方法 - Google Patents

一种微电网线性化潮流计算方法 Download PDF

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Abstract

一种微电网线性化潮流计算方法，包括如下步骤：获取微电网的网络参数；为各分布式电源DG成比例分配负荷功率，计算DG节点注入功率；依据微电网在不同控制策略下所要达到的平衡点，建立如下微电网线性化潮流方程：其中，ΔV为节点电压偏移相量所组成的矢量，S为各节点注入复功率矢量，VN为微电网无负荷接入时的各节点电压矢量；依据所述线性化潮流方程计算接入负荷后节点电压的偏移量、节点电压幅值、节点电压相角以及包含线损的DG输出功率。本发明对微电网控制系统所要达到的平衡点进行建模，大幅降低方程维度，并将非线性潮流方程线性化，提升计算结果的精确度。

Description

一种微电网线性化潮流计算方法
技术领域
本发明涉及微电网领域，尤其是一种微电网线性化潮流计算方法。
背景技术
微电网是有多种分布式电源(Distributed Generation,DG)、配电线路以及负荷构成的中低压电力系统，它的稳态模型是潮流方程。而潮流方程的计算是微电网的系统规划、经济调度、状态估计、电压控制等应用技术的基础。因此，对微电网潮流方程的建模、分析与计算，是微电网最重要的科研工作之一。
为大量消纳可再生能源，同时提高用户电能质量，大量微电网控制策略被提出，如今形成了以分层控制为标准，多控制器之间相互协调的体系。微电网内部的控制系统分为两层，一次控制是微电源控制器采用本地信息来迅速调节DG出力，保持系统电压和频率稳定，一般采用各种下垂控制策略；二次控制用来调节一次控制所产生的静差，根据通讯条件不同分为集中式、分散式和分布式三大类。现有的方法根据控制策略的不同将微电网潮流计算进行分类，并将控制策略的具体模型带入非线性潮流方程中考虑。然而，这一做法导致：
1)当逆变器数量较多时，将大幅增加方程的维数，而且需要对不同的控制策略进行单独建模，增加了问题的复杂程度。
2)非线性交流潮流方程的各状态变量高度耦合，需要依赖数值迭代方法求解。然而，迭代方法计算效率较低，而且收敛性难以保证，无法微电网的在线应用，如实时调度、静态安全分析等对计算时间的要求。
由于线性方程组具有成熟的求解方法，不存在收敛性问题，且可以求得未知量的解析表达式。因此，将非线性潮流方程线性化是一种常用方法，典型的是广泛应用于输电系统的直流潮流。然而，直流潮流假设了所有母线电压为常数、各相邻节点间的相位差很小、忽略线路电阻以及无功功率。这些假设严重不符合较高的中低压微电网工况，会导致较差。另外一个常用的潮流方程线性近似是配电网线性化支路潮流方程，即“LinDistFlow”，它假设系统中网络为辐射状拓扑，消去了电压相角，且忽略了系统线路损耗。因此，该方法对微电网的拓扑结构做出了限制，求解各节点电压相角，且在线路重载的情况下会产生较大的误差。
综上所述，现有的微电网非线性潮流计算方法难以保证计算的高效性和收敛的稳定性；而现有的线性化潮流计算方法无法保证结果的高精确性。
发明内容
本发明提供一种微电网线性化潮流计算方法，对微电网控制系统所要达到的平衡点进行建模，大幅降低方程维度，并将非线性潮流方程线性化，提升计算结果的精确度。
一种微电网线性化潮流计算方法，包括如下步骤：
获取微电网的网络参数；
为各分布式电源DG成比例分配负荷功率，计算DG节点注入功率，具体为
其中，分别为DG注入节点i的不包含线损的有功功率估计值和无功功率估计值，PLj、QLj分别为节点j的负荷功率，mi和ni分别为由DG的控制参数所决定的功率分配因子，NG、NL分别是微电网节点集合N＝{0,1，…，n}的电源节点和负荷节点子集合；
依据微电网在不同控制策略下所要达到的平衡点，建立如下微电网线性化潮流方程：
其中，ΔV为节点电压偏移相量所组成的矢量，S为各节点注入复功率矢量，VN为微电网无负荷接入时的各节点电压矢量；
依据所述线性化潮流方程计算接入负荷后节点电压的偏移量、节点电压幅值、节点电压相角以及包含线损的DG输出功率。
优选的，所述节点电压的偏移量的计算过程具体为：
解析所述线性化潮流方程，依据下列计算式计算负荷接入后的节点电压偏移相量：
其中，Δe和Δf分别为ΔV的实部和虚部矢量，eN和fN分别为VN的实部和虚部矢量，I为n维单位矩阵，H、N、J和K为子矩阵。
优选的，所述子矩阵H、N、J和K的计算过程具体为：
建立如下矩阵：
DV＝diag(eN)2-diag(fN)2
其中，为无负荷节点电压幅值；
子矩阵H、N、J和K依据如下计算式获得：
其中，*表示矩阵的Hadamard积。
优选的，所述节点电压幅值和节点电压相角的计算过程具体为：
计算直角坐标系下的节点电压相量：V＝VN+ΔV，式中，为各节点电压相量所组成的矢量；
依据节点电压相量计算节点电压幅值：E＝EN+Δe，式中，为节点电压幅值矢量，EN＝[|VN1|,...,|VNn|]T为无负荷电压幅值矢量；
计算节点电压相角：θ＝θN+Δf，式中，θ节点电压相角矢量，θN＝[θN1,...,θNn]T为无负荷电压相角矢量，其中各节点无负荷电压相角的计算公式为：
优选的，所述获取微电网的网络参数的步骤具体包括：
读取微电网的各网络参数，生成节点导纳矩阵Y，将节点导纳矩阵分解为
定义节点阻抗矩阵为
优选的，所述DG输出功率的计算过程如下：
取出矩阵YM中所有DG节点所在的行，并按照DG节点在前，负荷节点在后的排列顺序生成矩阵YG＝[YGG,YGL]，其中
DG输出功率的计算式为：SG＝diag(VG)YGGVG+diag(VG)YGLVL；
其中，VG为DG节点电压矢量，VL为负荷节点电压矢量，SG为包含线损的DG输出功率矢量。
优选的，所述无负荷接入时各节点电压的计算式为：
VN＝Zy0V0，式中，V0为PCC节点的电压值。
本发明的有益效果是，本发明根据微电网不同控制策略所要达到的共同目的，依据控制系统的稳态平衡点进行建模，无需考虑微电源控制器的内部动态，大幅降低方程维数，简化了建模。同时，将非线性潮流方程线性化，从而得到各未知量的解析表达式，仅需要求解线性方程组，即可得到，计算结果的精确度更高。
附图说明
图1为本发明一种实施例的微电网线性化潮流计算方法的流程图；
图2为本发明一种实施例的微电网的结构示意图；
图3为基础负荷下的电压幅值结果比较图；
图4为基础负荷下的电压相角结果比较图；
图5为2.5倍负荷下的电压幅值结果比较图；
图6为2.5倍负荷下的电压幅值结果比较图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种微电网线性化潮流计算方法，包括如下步骤：
S101：获取微电网的网络参数；
微电网的网络参数是指为建立微电网线性化潮流方程所需的网络参数，包括微电网的节点数量、节点电压等，具体可以通过微电网内设置的各种传感器获得。
在获取到各网络参数后，可依据微电网的各网络参数，生成节点导纳矩阵Y，将节点导纳矩阵分解为
定义节点阻抗矩阵为
S102：为各分布式电源DG成比例分配负荷功率，计算DG节点注入功率；
将微电网不同控制策略所要达到的平衡点，即各DG成比例分配负荷功率，进行建模。微电网的一次、二次控制的目标在于将有功负荷、无功负荷在各DG之间成比例分配，有：
当不计线路损耗时，可以得出DG节点注入功率的估计值，具体为：
其中，分别为DG注入节点i的不包含线损的有功功率估计值和无功功率估计值，PLj、QLj分别为节点j的负荷功率，mi和ni分别为由DG的控制参数所决定的功率分配因子，NG、NL分别是微电网节点集合N＝{0,1，…，n}的电源节点和负荷节点子集合。
S103：依据微电网在不同控制策略下所要达到的平衡点，建立微电网线性化潮流方程；
在传统的高斯-赛德尔潮流计算方法中，非线性潮流方程可以写成如下隐式Z-bus形式：V＝Zdiag(V)-1S+Zy0V0，此时，负荷接入后的节点电压偏移相量为ΔV＝V-VN＝Zdiag(VN+ΔV)-1S，式中，ΔV为节点电压偏移相量所组成的矢量；S为各节点注入复功率矢量。
当|ΔVi|＜1时，该式可以展开为如下诺依曼级数形式：
忽略式中高阶项，得到如下形式的微电网线性化潮流方程：
其中，ΔV为节点电压偏移相量所组成的矢量，S为各节点注入复功率矢量，VN为微电网无负荷接入时的各节点电压矢量。
S104：依据所述线性化潮流方程计算接入负荷后节点电压的偏移量、节点电压幅值、节点电压相角以及包含线损的DG输出功率。
利用上述待求解参数与网络参数间的线性关系，可通过解析表达式方式求解，所述节点电压的偏移量的计算过程具体为：
解析所述线性化潮流方程，依据下列计算式计算负荷接入后的节点电压偏移相量：
其中，Δe和Δf分别为ΔV的实部和虚部矢量，eN和fN分别为VN的实部和虚部矢量，I为n维单位矩阵，H、N、J和K为子矩阵。
具体的，所述子矩阵H、N、J和K的计算过程具体为：
建立如下矩阵：
DV＝diag(eN)2-diag(fN)2
其中，为无负荷节点电压幅值；
子矩阵H、N、J和K依据如下计算式获得：
其中，*表示矩阵的Hadamard积。
节点电压幅值和节点电压相角的计算过程具体为：
计算直角坐标系下的节点电压相量：V＝VN+ΔV，式中，为各节点电压相量所组成的矢量；
依据节点电压相量计算节点电压幅值：E＝EN+Δe，式中，为节点电压幅值矢量，EN＝[|VN1|,...,|VNn|]T为无负荷电压幅值矢量；
计算节点电压相角：θ＝θN+Δf，式中，θ节点电压相角矢量，θN＝[θN1,...,θNn]T为无负荷电压相角矢量，其中各节点无负荷电压相角的计算公式为：
DG输出功率的计算过程如下：
取出矩阵YM中所有DG节点所在的行，并按照DG节点在前，负荷节点在后的排列顺序生成矩阵YG＝[YGG,YGL]，其中
DG输出功率的计算式为：SG＝diag(VG)YGGVG+diag(VG)YGLVL；
其中，VG为DG节点电压矢量，VL为负荷节点电压矢量，SG为包含线损的DG输出功率矢量。
其中，上述实施例中的无负荷接入时各节点电压的计算方式可采用现有方法，在传统的高斯-赛德尔潮流计算方法中，非线性潮流方程可以写成如下隐式Z-bus形式
V＝Zdiag(V)-1S+Zy0V0
此时，无负荷节点电压可由如下公式计算：VN＝Zy0V0，式中，V0为PCC节点的电压值。
至此，所有潮流计算中的待求量均可以由上述解析表达式经简单的矩阵运算得出，且无需迭代，不存在收敛性问题。
本发明实施例可采用IEEE-123节点三相配电网算例，选取其中一相并加入分布式电源进行计算，如图2所示，网络与负荷参数来自IEEE下属配电系统分析委员会提供的标准算例系统集。
本发明提出方法得到的节点电压、相角与交流潮流方程、传统直流潮流方程、以及配电系统线性支路潮流方程在给定负荷以及重载条件下的对比如图3、图4、图5和图6所示。从图中的对比可知，本发明所提出的方法的计算精度均高于现有线性化潮流计算方法，而且在重载条件下依然可以给出高精度的计算结果。相对于精确模型依赖于数值迭代方法，本方法仅需要求解线性方程组，计算效率高且不存在收敛性问题。该方法对微电网在线监测、优化规划、状态估计以及控制算法设计等方面都有重要意义，具有广泛的推广应用前景。
以上内容是结合具体的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只局限于这些说明。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推演或替换。

Claims (7)

1.一种微电网线性化潮流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取微电网的网络参数；
为各分布式电源DG成比例分配负荷功率，计算DG节点注入功率，具体为
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其中，分别为DG注入节点i的不包含线损的有功功率估计值和无功功率估计值，PLj、QLj分别为节点j的负荷功率，mi和ni分别为由DG的控制参数所决定的功率分配因子，NG、NL分别是微电网节点集合N＝{0,1，…，n}的电源节点和负荷节点子集合；
依据微电网在不同控制策略下所要达到的平衡点，建立如下微电网线性化潮流方程：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>Z</mi> <mover> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mi>S</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>-</mo> <mi>Z</mi> <mover> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>S</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>;</mo> </mrow>
其中，ΔV为节点电压偏移相量所组成的矢量，S为各节点注入复功率矢量，VN为微电网无负荷接入时的各节点电压矢量；
依据所述线性化潮流方程计算接入负荷后节点电压的偏移量、节点电压幅值、节点电压相角以及包含线损的DG输出功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点电压的偏移量的计算过程具体为：
解析所述线性化潮流方程，依据下列计算式计算负荷接入后的节点电压偏移相量：
<mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>e</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>I</mi> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mi>I</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>H</mi> </mtd> <mtd> <mi>N</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>N</mi> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>H</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>J</mi> </mtd> <mtd> <mi>K</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>K</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mi>J</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>e</mi> <mi>N</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，Δe和Δf分别为ΔV的实部和虚部矢量，eN和fN分别为VN的实部和虚部矢量，I为n维单位矩阵，H、N、J和K为子矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子矩阵H、N、J和K的计算过程具体为：
建立如下矩阵：
DV＝diag(eN)2-diag(fN)2
其中，为无负荷节点电压幅值；
子矩阵H、N、J和K依据如下计算式获得：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>RM</mi> <mi>V</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>D</mi> <mi>V</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>P</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>R</mi> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>Q</mi> <mo>*</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>XM</mi> <mi>V</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>D</mi> <mi>V</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Q</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>X</mi> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>P</mi> <mo>*</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> 1
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其中，*表示矩阵的Hadamard积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点电压幅值和节点电压相角的计算过程具体为：
计算直角坐标系下的节点电压相量：V＝VN+ΔV，式中，为各节点电压相量所组成的矢量；
依据节点电压相量计算节点电压幅值：E＝EN+Δe，式中，为节点电压幅值矢量，EN＝[|VN1|,...,|VNn|]T为无负荷电压幅值矢量；
计算节点电压相角：θ＝θN+Δf，式中，θ节点电压相角矢量，θN＝[θN1,...,θNn]T为无负荷电压相角矢量，其中各节点无负荷电压相角的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>N</mi> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取微电网的网络参数的步骤具体包括：
读取微电网的各网络参数，生成节点导纳矩阵Y，将节点导纳矩阵分解为
<mrow> <mi>Y</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>Y</mi> <mn>00</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>y</mi> <mn>0</mn> <mi>T</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>Y</mi> <mi>M</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
定义节点阻抗矩阵为
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述DG输出功率的计算过程如下：
取出矩阵YM中所有DG节点所在的行，并按照DG节点在前，负荷节点在后的排列顺序生成矩阵YG＝[YGG,YGL]，其中
DG输出功率的计算式为：SG＝diag(VG)YGGVG+diag(VG)YGLVL；
其中，VG为DG节点电压矢量，VL为负荷节点电压矢量，SG为包含线损的DG输出功率矢量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无负荷接入时各节点电压的计算式为：
VN＝Zy0V0，式中，V0为PCC节点的电压值。
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