CN108376994B - 基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法，包括以下步骤：(1)提出分层控制结构；(2)建立分层优化模型；(3)改进供蓄电指标，应用改进后的供蓄指标简化模型约束条件；(4)利用多目标加权和遗传算法对模型求解，获得交直流混合微网的优化运行方式。本发明考虑到PET容量对微网规模的限制和微网的自治性及交流微网、直流微网间的协调性，能够扩大PET联结的微网规模，提高新能源利用率，降低负载、DG等效功率变化率，为制定交直流混合微网的运行方式提供指导和帮助。

Description

基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化 方法

技术领域

本发明涉及交直流混合微网运行优化，尤其涉及一种基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法。

背景技术

间歇性分布式电源(DG)输出波动较大，影响电网的安全稳定运行。为满足DG 并网需求，具有良好调节特性的微网近年来得到了快速发展。微网分为交流微网和直流微网，交流微网是现阶段DG并网的主要形式。随着光伏、储能等直流电源和电动汽车等直流负载的快速发展，省略中间换流环节的直流微网近年来受到广泛重视。未来一段时间，交流微网、直流微网将长期并存，并相互支撑。

电力电子变压器(PET)具备变压、隔离、能量双向传输功能，能够实现多种DG 灵活接入，是微网并网的理想工具。国内外对PET的研究主要集中在两端口PET的拓扑结构及控制功能。两端口PET受结构限制，一般仅具有高、低压交流端口，功能单一。因此，提供交、直流接口的新型三端口PET日益受到重视，国内外都开展了样机研制。 FREEDM研制了容量为8kVA三端口样机，中科院电工所的试验样机为1MVA。受技术限制，三端口PET容量短期无法大幅提升，限制了通过PET并网的微网规模。

交直流混合微网运行优化主要以运行成本最低为目标，但该优化方式难以发挥微网的自治性及交流微网、直流微网间的协同性，并会造成并网点功率波动大，并网设备备用容量大，通过PET并网的微网规模更加受限。新能源最大消纳是微网优化的另一重要目标，但微网中新能源、负载波动大，调度困难。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法，包括步骤：

(1)提出分层控制结构；

(2)建立分层优化模型；

(3)改进供蓄指标，应用改进后的供蓄指标简化模型约束条件；

(4)利用多目标加权和遗传算法对模型求解，获得交直流混合微网的优化运行方式。

所述步骤(1)中，交直流混合微网分为并网点层、混合层和微网层。微网功率失衡时，先利用微网层自治能力平抑波动；若微网层调节能力不足，通过混合层协调交流微网、直流微网功率交换；若前两层控制无法平抑波动，通过并网点层协调主网、交流微网、直流微网三者的能量传递，平衡微网波动。

所述步骤(2)中，以并网点层功率波动最小，混合层最大消纳新能源，微网层DG 和负载等效功率变化率最小为目标建立分层优化模型。

所述步骤(3)中，基于电力电子变压器传输效率和与微网相连的端口容量限制，改进微网的供蓄指标，应用改进后的供蓄指标代替端口容量、负荷、DG、ESS功率、荷电状态等约束，简化模型约束条件。

有益效果：本发明优化方法可扩大PET联结的微网规模，提高新能源利用率，降低负载、DG等效功率变化率，提高微网供电连续性和可靠性；改进微网、PET并网点的供蓄指标，减少优化模型约束条件，提高模型求解效率。

附图说明

图1为三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网分层结构；

图2为验证算例中交直流混合微网负载功率图；

图3为验证算例中交直流混合微网新能源功率图；

图4为交流微网对外功率图，满足交流微网供蓄指标约束；

图5为直流微网对外功率图，满足直流微网供蓄指标约束；

图6为并网点功率图，满足并网点供蓄指标约束；

图7为本发明优化方法和最优经济为目标时，并网点功率对比图；

图8为本发明优化方法和最优经济为目标时，新能源消纳量对比图；

图9为本发明优化方法和最优经济为目标时，交流微网风电、负载等效功率对比图；

图10为本发明优化方法和最优经济为目标时，直流微网光伏、负载等效功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

为便于微网自治及交流微网、直流微网、主网的相互协调，将三端口PET并网的交直流混合微网分为微网层、混合层和并网点层，如图1所示。微网功率失衡时，先利用微网层自治能力平抑波动；若微网层无法平抑波动，通过混合层协调交流微网、直流微网功率交换；若前两层控制都无法平抑功率波动，通过并网点层全局控制，协调主网、交流微网、直流微网三者的能量传递，使微网重新平衡。

本发明的基于三端口电力电子变压器并网的交直流微网运行优化方法，具体包括以下步骤：

(1)根据分层结构，以并网点层功率波动最小、混合层最大消纳新能源、微网层DG、负载等效功率变化率最小为目标建立分层优化模型；

a、并网点层：并网点功率波动最小

降低并网点层功率波动可减小PET备用容量，从而在PET容量不变的情况下扩大联结的交直流微网规模，目标函数如下：

其中，N为调度期间的时段数，P_pet(t)为PET并网点的功率，以流入并网点为正，

为并网点一天的平均功率。

b、混合层：新能源消纳量最大

风电、光伏分别接入交流微网、直流微网，优化新能源消纳量时，以混合层风电、光伏总消纳量最大为目标，建立函数如下：

其中，E_wt(t)、E_pv(t)、

为混合微网每个时段风电、光伏实际发电量和最大发电量。

c、微网层：DG和负载等效功率变化率最小

微网中DG、负载功率波动大，影响功率调度，利用储能充放电跟踪DG和负载功率变化可提高微网供电的连续性和可靠性。ESS平抑DG和负载功率的效果用等效功率变化率描述，目标函数定义为：

其中，P_out.AC(t)、P_out.DC(t)为储能调节后的交流微网、直流微网DG、负载的等效功率。

P_out.AC(t)＝P_wt(t)-P_load.AC(t)-P_ESS.AC(t)

P_out.DC(t)＝P_pv(t)-P_load.DC(t)-P_ESS.DC(t)

(2)基于PET端口的容量、传输效率限制，改进微网、PET并网点供蓄能力指标，量化微网、并网点对外功率交换范围，将上述指标应用于PET优化，减少优化模型约束条件；

a、传统约束条件如下：

并网点功率平衡约束：

P_wt(t)+P_pv(t)+η_petP_pet＝P_load.AC(t)+P_load.DC(t)+P_SB.AC(t)+P_SB.DC(t)+(1-η_cv)|P_cv|

直流微网功率平衡约束：

交流微网功率平衡约束：

其中，P_cv为微网间双向逆变器输入功率，以从直流微网输入为正，P_pet.AC、P_pet.DC为交流微网、直流微网从PET吸收的功率，以流入微网为正，η_pet、η_cv为PET与微网、交流微网与直流微网间的传输效率。

PET端口容量约束：

其中，

为PET输入端口、交流端口、直流端口额定容量。

风、光、储、负荷约束：风电、光伏无法支撑微网电压、频率，采用P-Q控制，发电功率在零到最大可输出功率之间。ESS运行受额定充放电功率和荷电状态(SOC)约束。微网负荷分可调负荷、刚性负荷，可调负荷随电价等因素在一定范围可调，刚性负荷一天中基本不变。

b、优化模型求解计算量大，为简化求解，以主动配电网自治区域供蓄指标代替负荷、DG、ESS功率、荷电状态等约束条件，减少模型求解计算量，公式如下：

供电指标：

蓄电指标：

其中，P_u.k、P_t.k为第k个ESS的充放电功率，ESS运行受充放电功率和荷电状态约束，P_i为第i个DG功率，0≤P_i≤P_i.max，F_m、F_n为可调负荷、刚性负荷集合，供电能力以流出为正，蓄电能力以流入为正。

c、基于PET传输效率和与微网相连的端口容量限制，改进微网的供蓄指标；

微网供电能力指标：

其中，η_pet为PET与微网的传输效率，

为与该微网相连的PET端口容量。

交直流微网是经PET与主网单点并网，因此并网点供蓄指标由交流微网、直流微网供蓄指标和PET输入端口容量决定，改进的公式如下：

并网点供电能力指标：

其中，

为直流微网供蓄电能力，

为交流微网供蓄电能力，

为输入端口容量。

微网、PET并网点供蓄指标同时满足端口容量、负荷、DG、ESS功率、荷电状态等约束，用于优化模型求解，微网、并网点功率平衡约束不变，端口容量约束和风、光、储、负荷约束可简化为供蓄指标约束，降低求解计算量。

简化后的约束条件如下：

(3)求解加权系数。

由于函数f₁、f₂、f₃、f₄量纲不同，多目标优化时会突出量纲大的指标，采用归一化处理将四者统一在0-1量纲下。处理后的函数定义如下：

其中，f_i是第i个函数目标值，f_imax、f_imin是f_i的上下限。F_i＝0表示对优化结果完全满意，F_i＝1表示完全不满意。目标2以f₂＝1为最优，在归一化处理时以1-f₂代替f₂。

利用线性加权法将上述多目标优化转化为单目标函数优化：

其中，w_i为加权系数，且w_i≥0，∑w_i＝1。

采用场景偏好选择的多目标优化算法求解加权系数。假设优化目标个数为n，待优化问题含有k个性能指标，则每次进化结束后会得到如矩阵Α所示的种群性能指标。

将A中指标归一化得到：

种群综合适应度表示为B＝AW，W＝[w₁,w₂,…,w_n]^T，在统计学中，向量方差反映了向量元素的差异，令B在所有可能的权重组合中方差最大，从而选择最优个体。向量B的方差计算公式如下：

H＝A^TA，当W等于H的特征向量W_e时，B的方差最大。考虑个人偏好要求，W还必须满足如下约束：

其中，P为个人偏好矩阵，若w₁＞w₂＞···>w_n，P_ii＝1，P_i(i+1)＝-1，P_ij＝0(j＜i或j＞i+1)。

采用遗传算法验证分层多目标优化和供蓄指标提高模型求解效率的有效性，调度周期为1天，步长15min。

(1)实施算例优化结果

表1为单目标和多目标下系统优化结果，表2给出了系数向量W下单目标最优和多目标最优的优化结果。

多目标中，F₁为最主要目标，F₂次之，交流微网风电较直流微网光伏功率波动更大，因此F₃＞F₄，偏好矩阵为：

系数向量W＝[0.47,0.25,0.17,0.11]，满足约束条件。

表1

表2

(2)不同优化策略对比

表3为不同策略下的F函数对比，在满足单目标最优时，可能会导致其他目标F函数值偏高。本发明的分层优化主要基于PET容量不足确立各目标的重要程度和风光储调度策略，从而实现多目标加权最优。表3对经济性最优和分层多目标优化结果做了对比。经济性用运行成本函数描述，表示一天中交直流微网运行费用。

f₅＝(C_wt+m_wt)P_wt(t)+(C_pv+m_pv)P_pv(t)+(C_SB+m_SB)|P_SB|+gP_loss+m_petP_pet

其中，C_wt、C_pv、C_SB风机、光伏、储能折旧成本系数，m_WT＝0.025、m_PV＝0.023、m_SB＝0.02 为维护成本系数，Q_WT＝8000、Q_PV＝10000、Q_SB＝3500建设成本，g＝0.4为电能损耗成本，m_pet为PET购电成本或售电收益，单位均为：元/KW·h，w＝25、_p＝35、s＝20为使用年限，l＝10％为利息率，u＝0.36为使用率，电价：晚10点到早8点购电0.42元/kW·h，售电0.35元/kW·h，其余时间购电0.87元/KW·h，售电0.63元/KW·h。

表3

一般长期供电变压器以最大负荷除以0.65做为额定容量，由表3可知最优经济模式下负荷峰值168kW，分层优化下PET负荷峰值63kW，以该调度周期为例，若以最低运行成本为优化目标，PET备用容量90kVA，额定容量需达到258kVA，而采用本发明所提优化方法，PET备用容量34kVA，额定容量只需为97kVA，从而有效缓解了PET容量不足对微网规模的限制，由于所需PET容量变小，制造成本也会大幅降低。新能源利用率提高了21.4％，新能源与负载的等效功率曲线更平滑，变化率明显降低。

(3)不同求解方法效率对比

表4对不同求解方法的效率作了对比，相比于直接考虑风、光、储、可调负荷功率约束和PET端口容量约束，按供蓄指标改进后的优化模型减少了约束条件，从而减少算法的迭代次数和求解时间。随着交直流混合微网规模扩大，DG、ESS、可调负载等可调单元数量增多，这种优点还会更加明显。

表4

图2为验证算例中交直流混合微网负载功率；图3为验证算例中交直流混合微网新能源功率；图4为交流微网对外功率，满足交流微网供蓄指标约束；图5为直流微网对外功率，满足直流微网供蓄指标约束；图6为并网点功率，满足并网点供蓄指标约束；图7为最优经济为目标时并网点功率对比；图8为最优经济为目标时新能源消纳量对比；图9为最优经济为目标时交流微网风电、负载等效功率对比；图10为最优经济为目标时直流微网光伏、负载等效功率对比。

本发明优化方法可扩大PET联结的微网规模，提高新能源利用率，降低负载、DG 等效功率变化率，提高了微网供电连续性和可靠性；改进微网、PET并网点的供蓄指标，减少了优化模型约束条件，提高了模型求解效率。

Claims (1)

1.一种基于三端口电力电子变压器并网的交直流混合微网运行优化方法，其特征在于：包括步骤：

（1）提出分层控制结构，交直流混合微网分为并网点层、混合层和微网层；微网功率失衡时，先利用微网层自治能力平抑波动；若微网层调节能力不足，通过混合层协调交流微网、直流微网功率交换；若前两层控制无法平抑波动，通过并网点层协调主网、交流微网、直流微网三者的能量传递，平衡微网波动；

（2）以并网点层功率波动最小，混合层最大消纳新能源，微网层DG和负载等效功率变化率最小为目标建立分层优化模型；

（3）改进供蓄指标，应用改进后的供蓄指标简化模型约束条件，基于电力电子变压器传输效率和与微网相连的端口容量限制，改进微网、PET并网点的供蓄指标，应用改进后的供蓄指标代替端口容量、负荷、DG、ESS功率或荷电状态，简化模型约束条件；

（4）利用多目标加权和遗传算法对模型求解，获得交直流混合微网的优化运行方式。

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