CN108539797A - 一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，同时考虑系统频率的恢复、关键节点电压的恢复和微电网运行经济的协同配合。建立了孤岛微电网的频率和电压恢复及经济运行的多目标统一优化模型，既简化了二次控制器的设计，又能够避免三者分别单独调节时存在的冲突。在求解该多目标优化问题时，采用规格化法平面约束NNC法求取多目标优化问题的帕累托最优解。本发明提出的调节方法可根据实际情况选取部分可调度DG和储能系统，具有操作简单的优点。所提出的控制方法以一次下垂控制为基础，在一次下垂控制完成后进行二次控制，即以等时间间隔的方式下给一次控制器的发送调整量，完成频率和电压的控制。

Description

一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法。

背景技术

微电网是一个能够独立产生、消耗、存储及控制能量的小功率发电系统。主要由分布式电源(Distributed Generation,DG)、储能装置(Energy Storage Device,ESD)、负荷及电力电子控制装置组成。DG主要包括风力发电、光伏发电、微型燃气轮机和柴油发电机等。微电网对推进节能减排、加快能源结构转型和实现可持续发展能够起到巨大的促进作用，是未来电网的重要组成部分。

近年来国家大力发展新能源，光伏发电和风力发电随之广泛接入，这将导致新能源出力的不确定性越来越不可忽视，加上负荷快速的变动，微电网中由于功率波动造成的影响也越来越大；尤其是在孤岛运行时，电力电子化的微电网惯性低且缺少大电网的支撑作用，频率和电压将随频繁的扰动产生波动，影响电能质量。因此，对孤岛微电网的频率和电压实施有效控制是必不可少的。

对于孤岛微电网的频率和电压控制以及经济调度，现有的控制方法有集中式控制、分布式控制、分层控制及它们的组合。集中式控制需要通过微电网中央控制器(Microgrid Center Controller,MGCC)收集大量信息，集中计算后给各个局部控制器(Local Controller,LC) 下发调度指令。分布式控制中，局部控制器一方面监视自身DG的信息，一方面通过点对点通信与其他局部控制器交换信息，自身可以完成决策的产生与执行。分层控制有一次控制、二次控制和三次控制。各层控制解决不同的问题，一次控制通过频率-有功下垂控制和电压-无功下垂控制解决微电网频率和电压的快速稳定；二次控制解决频率和电压的恢复问题；三次控制解决微电网的经济调度问题。三个级别的控制分别作用在不同的时间尺度，三者协同配合可实现微电网的经济和优质运行。现有的微电网二级控制方法中，关注点集中在恢复微电网的频率和电压，通过局部控制器检测到电压和频率并与预先设定好的的额定值进行比较，并基于传统比例积分(Proportional Integral,PI)控制产生调节量，分别调节有功-频率下垂控制和电压-无功下垂控制的参数设定值，完成二次控制。

调节频率和电压实际上是调节DG的有功和无功出力。现有的二次控制对于频率和电压的调整认为有功和无功之间是完全解耦的，当频率和电压的测量值偏离目标值时，借助改变PI 控制器的参数设定值来完成频率和电压的恢复。这在高x/r比值线路的电网中情况确实如此， x表示线路电抗，r表示线路电阻。然而在实际微电网特别是低x/r比值的低压微电网中，有功与无功之间耦合比较紧密，单独对有功和无功进行调节可能会存在此消彼长的情况。因此在低压微电网中按照解耦的思想设计PI控制器来恢复系统的频率和电压，可能会在电压与频率一起调节的过程中产生冲突，从而出现不必要的波动。此外，目前二次控制方法对微电网的实时经济运行所做的考虑较少，一般把经济调度的任务分配在三次控制中，实际上微电网中的负荷和电源出力变化频繁，在频率和电压的控制中考虑实时经济调度也是非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，以利于提高微电网系统的电能质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，包括：

建立孤岛微电网系统的频率和电压恢复及经济运行的多目标统一优化模型，所述多目标统一优化模型为：

min(J₁,J₂) (12a)

s.t.f(x₁,x₂)＝0 (12b)

g(x₁,x₂)≤0 (12c)

其中，

minJ₁表示最小化频率和关键节点的电压偏差，minJ₂表示最小化系统的运行成本；

式(12b)代表等式约束，式(12c)代表不等式约束；

x₁＝[Δω；ΔV；P_b；Q_b]代表控制变量，Δω为可调度型DG的空载频率的附加增量，ΔV为可调度型DG的空载电压的附加增量，P_p和Q_p分别表示可调度型DG的有功和无功功率；

x₂＝[θ；P；Q；V；ω]，θ为节点电压相角，P、Q分别为可调度型DG有功和无功出力，V、ω分别为节点电压幅值和系统频率；

采用规格化法平面约束法求取多目标统一优化模型问题的帕累托最优解。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1)将微电网频率二次控制、电压二次控制及经济运行三个问题统一描述为一个多目标优化模型，既简化了二次控制器的设计，又避免了三者分别单独调节时可能存在的冲突。

2)提出利用NNC法求取考虑运行经济性的二次控制模型，能直观有效选出最优解集中的折中解，避免了采用加权和法选取重系数时出现的困难。

3)所提出的控制方法可根据实际情况选择部分可调度型DG，仅需要调节这些DG的一次控制参数设定值和ESD的有功/无功设定值，相比调节所有可调度DG一次参数设定值和ESD有功/ 无功设定值的方式，具有控制简单、灵活的优点。

附图说明

图1为二次控制方法的框架图；

图2为双目标优化问题的规格化子空间图；

图3为五节点微电网结构图；

图4为帕累托前沿图；

图5a-d为负荷降低5％后的一次和二次控制完整过程图；其中：图5a为微电网频率图；图5b为关键节点电压图；图5c为DG和ESD有功变化图；图5d为DG和ESS无功变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，该方法包括：

(一)考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制模型

微电网在孤岛运行时，可调度型DG采用频率-有功和电压-无功下垂控制，ESD采用定有功/定无功控制模式，其中，可调度型DG采用的下垂控制实现了微电网系统中的一次频率和电压控制：

ω＝ω₀-K_ωP (1a)

V＝V₀-K_vQ (1b)

其中，ω₀和V₀是可调度型DG的空载频率和空载电压；ω和V分别代表可调度型DG接入点的实际系统频率和电压；K_ω和K_ν分别代表频率-有功和和电压-无功下垂系数；P和Q代表可调度型DG的实际有功和无功出力。由于逆变器具有快速响应特性，在扰动发生后一次控制能够快速调节系统的频率与电压，但这个调节过程结束后各DG的电压和系统频率仍会偏离它们的额定值。

要进一步对频率和电压进行二次控制，就需要改变可调度型DG的空载频率ω₀和空载电压 V₀的设定值及ESD的有功/无功功率的设定值。

在执行二次控制时，可认为一次下垂控制已经结束，全网频率相等。因此，可调度型DG 的有功功率与系统频率满足如下关系：

ω＝ω₀+Δω-K_wP (2)

式中，Δω为二次控制给可调度型DG设定的空载频率附加增量。

可调度型DG的无功功率与各节点电压满足如下关系：

V＝V₀+ΔV-K_vQ (3)

式中，ΔV为二次控制给可调度型DG设定的空载电压附加增量。

本实施例提出的二次控制方法框架可以用图1表示说明。图中标有阴影填充的DG代表根据实际情况选择的参与二次控制的可调度型DG。未标记的DG代表仅采用下垂控制但不参与二次控制的可调度型DG。

因此，考虑了运行经济性的二次控制问题可以描述为：通过调节可调度型DG的空载频率和空载电压的附加增量Δω和ΔV，改变ESD的有功/无功设定值P_ESDset和Q_ESDset，使得系统频率和节点电压偏离额定值最小和系统的运行成本最低。

1、目标

(1)最小化频率和关键节点的电压偏差，定义为：

式中，根号下的第一项表示系统频率偏差。由于系统有多个节点，要对每个节点直接实施电压控制是不现实的，故需要先选择若干个节点作为二次控制的关键节点，关键节点的意义在于通过控制这些节点的电压，即可牵制控制住其它节点的电压，从而保证整个系统的电压水平。根号下的第二项表示关键节点的电压偏差。

(2)最小化系统的运行成本，定义为：

minJ₂＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₅ (5a)

F₅＝P_lossC_loss (5f)

其中，F₁代表发电机的运行成本，N_g表示发电机数目，P_g表示第g台发电机的有功出力， a_g和b_g表示其费用系数(元/(kWh))；F₂代表光伏电站的运行成本，由于新能源类电源没有燃料运行费用，在运行时希望尽可能多出力，因此以弃风/弃光成本来代表运行费用，N_s表示光伏电站数目，P_s表示第s个光伏电站光伏电站的有功出力，表示第s个光伏电站当前可用的最大有功出力，C_s表示单位弃光费用(元/(kWh))；F₃代表风电场的运行费用，N_w表示风电场数目，P_w表示第w个风电场的有功出力，表示第w个风电场当前可用的最大有功出力， C_w表示单位弃光费用(元/(kWh))；F₄代表储能装置的运行费用，N_b表示储能装置数目，P_b′和 P_b″表示储能装置的放电和充电功率，C_b′和C_b″表示储能装置的放电和充电费用；F₅代表网损费用，P_loss表示网络的总功率损耗，C_loss表示单位网损费用(元/(kWh))。

2、等式约束

(1)节点功率平衡方程

其中，P_i和Q_i表示在节点i处电源向网络注入的有功和无功功率；和表示在节点i处的负荷有功和无功功率；V_i表示节点电压的幅值；θ_ij表示节点i与j的电压相角差；G_ij和B_ij表示节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部和虚部。

(2)采用下垂控制的可调度型DG约束

由于可调度型DG采用下垂控制，所以其发出的频率的电压幅值受到下垂控制等式的约束：

ω＝ω_p0-K_ωpP_p (7a)

V_p＝V_p0-K_vpQ_p (7b)

其中，ω代表系统频率；ω_p0和V_p0分别表示可调度型DG的空载频率和空载电压；K_ωp和分别表示可调度型DG的频率-有功和电压-无功下垂控制系数；P_p和Q_p分别表示可调度型DG的有功和无功功率。

(3)参与二次控制的可调度型DG约束

根据实际情况，需要选择一部分可调度型DG参与二次控制。这些DG需要接收二次控制下发的附加增量调节电压与频率，因此需要改变这些DG原本满足的下垂控制约束(7a)和(7b)，即在原有约束中添加附加增量Δω和ΔV，具体可写成如下形式：

ω＝ω_p0+Δω-K_wpP_p (8a)

V_p＝V_p0+ΔV-K_vpQ_p (8b)

3、不等式约束

(1)节点电压上下限约束

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max (9)

其中，和表示节点电压的上下限。

(2)可调度型DG功率上下限约束

其中，和表示发电机的有功/无功出力上下限；和表示光伏电站可用最大有功出力和逆变器可调无功上下限；和表示风电场可用最大有功出力和逆变器可调无功上下限。

(3)ESD功率上下限约束

其中，P_b′和P_b″代表ESD的放电功率和充电功率，和表示ESD最大有功充、放电功率和可调无功上下限。

为讨论方便，将上述优化模型写成如下紧凑形式：

min(J₁,J₂) (12a)

s.t.f(x₁,x₂)＝0 (12b)

g(x₁,x₂)≤0 (12c)

其中，式(12b)代表等式约束，包括节点功率平衡方程(6)、采用下垂控制的可调度型DG 约束(7)和参与二次控制的DG的约束(8)；式(12c)代表不等式约束，包括节点电压幅值上下限约束(9)、各种类型DG有功/无功出力上下限约束(10)，和ESD的有功/无功出力上下限约束(11)。x₁＝[Δω；ΔV；P_b；Q_b]代表控制变量，包括二次控制的附加增量、ESD的有功/无功出力； x₂＝[θ；P；Q；V；ω]，包括节点电压相角，可调度型DG有功/无功出力、节点电压幅值和系统频率。

(二)用NNC约束法求取多目标优化模型的帕累托最优解

对于上述提出的多目标优化模型，目前工程上的处理常用加权和法，通过加权求和的方式将多目标问题转化为单目标问题，根据经验确定每个目标的权重，但在复杂情况下往往难以凭经验确定一个合适的权重。从理论上说，多目标问题的最优解是一个最优解的集合，又称帕累托解(或帕累托前沿)，因此可以先求多目标问题的帕累托解，再根据实际情况选择适合的折中最优解。本发明提出采用NNC法求取均匀分布的最优解集，为选择最优折中解提供便利。

NNC法的基本原理为：在原优化模型中加入描述目标空间寻优可行域的约束条件，将多目标优化问题转化为一系列单目标优化问题，每一个单目标问题的最优解就是帕累托前沿上的一个点。利用NNC(Normalized Normal Constraint，规格化法平面约束)法获得本申请所提出的多目标优化模型帕累托前沿的步骤如下：

S201、以式(12b)和(12c)为约束，构造最小化J₁的单目标问题，得到J₁的最小值J_1min，此时对应的系统运行成本为J_2max；

S202、以式(12b)和(12c)为约束，构造最小化J₂的单目标问题，得到J₂的最小值J_2min，此时对应的总偏差为J_1max；

S203、对目标函数进行规格化处理：

如图2所示，以为横坐标，以为纵坐标，点A₁(0,1)和A₂(1,0)分别为规格化平面上 J₁和J₂取最小时的点，这两点分别为步骤S201和S202中求得的两个最优解G₁＝(J_1min,J_2max) 和G₂＝(J_1max,J_2min)，连接这两点得到的线段称为乌托邦线。

S204、定义A₁指向A₂的向量为并将乌托邦线等分为m小段，在乌托邦线上能够产生(m+1)个等距离分割点

S205、在一个分割点处做乌托邦线的法线与帕累托前沿相交于B_j，为求得分割点所对应的帕累托前沿上的点B_j，结合原问题约束的紧凑形式(12b)和(12c)，构造如下单目标优化问题：

minJ₂ (14a)

s.t.f(x₁,x₂)＝0 (14b)

g(x₁,x₂)≤0 (14c)

式(14d)可使得该单目标优化问题的解空间位于图2中法线的左上方区域，再调用GAMS/CONNOPT求解器求得最优解Bj。重复步骤5)，即可得到一系列帕累托前沿上均匀分布的点，依此可描绘出均匀分布的帕累托前沿。

算例测试

以某五节点低压微电网为例，验证本发明提出的二次控制方法。微电网电压等级为380V，结构如图3所示，该电网有四个可调度型DG(类型均为光伏电站，分别在节点1,2,4,5)、储能装置ESD(在节点3)和两个负荷(分别在节点2,5)。可调度型DG的一次控制均采用下垂控制，即频率-有功下垂与电压-无功下垂。本算例选择节点2作为关键节点，使其所连可调度型 DG接受二次控制计算给出的增量；并改变储能装置的有功/无功设定值，协调完成二次控制。微电网五条线路长度均为2km，线路等值阻抗均为(0.23+j0.1)Ω/km，忽略对地支路。微电网系统数据如表1所示，DG逆变器的一次控制参数如表2所示。

表1微电网系统数据

表2下垂控制的DG逆变器控制参数

在设计逆变器控制参数时，需要进行全网潮流计算，其中将储能装置节点视为平衡节点，在额定情况下平衡网损。当负荷减少5％，即负荷1由20kW+15kVar降至18kW+13.5kVar时，一次下垂控制先稳定系统的电压与频率，之后二次控制根据搜集的数据进行多目标最优解的求取。按照2.2.2所述方法，取m＝10。将乌托邦线等分为10小段，调用GAMS/CONNOPT求解器求解帕累托前沿，其结果如图4。

由于二次控制的首要目标是系统频率的恢复和关键节点电压的恢复，因此可以直观从帕累托前沿点中选取合适的点作为最优解。本案例中，选取j＝0.8作为折中解，作为二次控制的最优解。整个一次控制与二次控制的过程中，系统的频率、关键节点电压、各电源和ESD的有功和无功出力如图5a-5d所示。图5中，微电网原先处于初始状态，每个DG发出10kW+7.5kVar 的功率，ESD作为平衡节点。0.2s时，负荷减少5％；0.2s-0.6s表示一次下垂控制后网络状态的变化过程，可以看出，负荷的下降使得系统的频率和关键节点的电压升高；0.6s时二次控制启动，ESD接受到新的功率指令值，DG2接收到增量Δω和ΔV，各电源调整出力，当系统稳定时，可以看到，系统的频率恢复至额定值，关键节点的电压也恢复到原来的水平。由上述分析可知，本申请所提出的模型以及算法求解的有效性得到验证。

由此可知，本申请提出的一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法具有如下优点：

1)将微电网频率二次控制、电压二次控制及经济运行三个问题统一描述为一个多目标优化模型，既简化了二次控制器的设计，又避免了三者分别单独调节时可能存在的冲突。

2)提出利用NNC法求取考虑运行经济性的二次控制模型，能直观有效选出最优解集中的折中解，避免了采用加权和法选取重系数时出现的困难。

3)所提出的控制方法可根据实际情况选择部分可调度型DG，仅需要调节这些DG的一次控制参数设定值和ESD的有功/无功设定值，相比调节所有可调度DG一次参数设定值和ESD有功/ 无功设定值的方式，具有控制简单、灵活的优点。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，其特征在于，包括：

建立孤岛微电网系统的频率和电压恢复及经济运行的多目标统一优化模型，所述多目标统一优化模型为：

min(J₁,J₂) (12a)

s.t.f(x₁,x₂)＝0 (12b)

g(x₁,x₂)≤0 (12c)

其中，

minJ₁表示最小化频率和关键节点的电压偏差，minJ₂表示最小化系统的运行成本；

式(12b)代表等式约束，式(12c)代表不等式约束；

x₁＝[Δω；ΔV；P_b；Q_b]代表控制变量，Δω为可调度型DG的空载频率的附加增量，ΔV为可调度型DG的空载电压的附加增量，P_p和Q_p分别表示可调度型DG的有功和无功功率；

x₂＝[θ；P；Q；V；ω]，θ为节点电压相角，P、Q分别为可调度型DG有功和无功出力，V、ω分别为节点电压幅值和系统频率；

采用规格化法平面约束法求取多目标统一优化模型问题的帕累托最优解。

2.如权利要求1所述的考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，其特征在于，

式中，根号下的第一项表示系统频率偏差；根号下的第二项表示关键节点的电压偏差；

minJ₂＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₅ (5a)

F₅＝P_lossC_loss (5f)

其中，F₁代表发电机的运行成本，N_g表示发电机数目，P_g表示第g台发电机的有功出力，a_g和b_g表示其费用系数(元/(kWh))；

F₂代表光伏电站的运行成本，Ns表示光伏电站数目，P_s表示第s个光伏电站光伏电站的有功出力，表示第s个光伏电站当前可用的最大有功出力，C_s表示单位弃光费用(元/(kWh))；

F₃代表风电场的运行费用，N_w表示风电场数目，P_w表示第w个风电场的有功出力，表示第w个风电场当前可用的最大有功出力，C_w表示单位弃光费用(元/(kWh))；

F₄代表储能装置的运行费用，N_b表示储能装置数目，P′_b和P″_b表示储能装置的放电和充电功率，C′_b和C″_b表示储能装置的放电和充电费用；

F₅代表网损费用，P_loss表示网络的总功率损耗，C_loss表示单位网损费用(元/(kWh))。

3.如权利要求1或2所述的所述的考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，其特征在于，所述的等式约束包括：

(1)节点功率平衡方程

其中，P_i和Q_i表示在节点i处电源向网络注入的有功和无功功率；P_i ^L和Q_i ^L表示在节点i处的负荷有功和无功功率；V_i表示节点电压的幅值；表示节点i与j的电压相角差；G_ij和B_ij表示节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部和虚部。

(2)采用下垂控制的可调度型DG约束

由于可调度型DG采用下垂控制，所以其发出的频率的电压幅值受到下垂控制等式的约束：

ω＝ω_p0-K_ωpP_p (7a)

V_p＝V_p0-K_vpQ_p (7b)

其中，ω代表系统频率；ω_p0和V_p0分别表示可调度型DG的空载频率和空载电压；K_ωp和K_νp分别表示可调度型DG的频率-有功和电压-无功下垂控制系数；P_p和Q_p分别表示可调度型DG的有功和无功功率。

(3)参与二次控制的可调度型DG约束

根据实际情况，需要选择一部分可调度型DG参与二次控制，这些DG需要接收二次控制下发的附加增量调节电压与频率，因此需要改变这些DG原本满足的下垂控制约束(7a)和(7b)，即在原有约束中添加附加增量Δω和ΔV，具体可写成如下形式：

ω＝ω_p0+Δω-K_wpP_p (8a)

V_p＝V_p0+ΔV-K_vpQ_p (8b)

4.如权利要求3所述的所述的考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，其特征在于，所述的不等式约束包括：

(1)节点电压上下限约束

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max (9)

其中，和表示节点电压的上下限；

(2)可调度型DG功率上下限约束

0≤P_s≤P_s ^max (10c)

其中，和表示发电机的有功/无功出力上下限；和Q_s ^min表示光伏电站可用最大有功出力和逆变器可调无功上下限；和表示风电场可用最大有功出力和逆变器可调无功上下限；

(3)ESD功率上下限约束

其中，P′_b和P″_b代表ESD的放电功率和充电功率，和表示ESD最大有功充、放电功率和可调无功上下限。

5.如权利要求1所述的考虑经济性的孤岛微电网二次频率和电压控制方法，其特征在于，采用规格化法平面约束法求取多目标统一优化模型问题的帕累托最优解具体包括如下步骤：

S201、以式(12b)和(12c)为约束，构造最小化J₁的单目标问题，得到J₁的最小值J_1min，此时对应的系统运行成本为J_2max；

S202、以式(12b)和(12c)为约束，构造最小化J₂的单目标问题，得到J₂的最小值J_2min，此时对应的总偏差为J_1max；

S203、对目标函数进行规格化处理：

以为横坐标，以为纵坐标，点A₁(0,1)和A₂(1,0)分别为规格化平面上J₁和J₂取最小时的点，这两点分别为步骤S201和S202中求得的两个最优解G₁＝(J_1min,J_2max)和G₂＝(J_1max,J_2min)，连接这两点得到的线段称为乌托邦线。

S204、定义A₁指向A₂的向量为并将乌托邦线等分为m小段，在乌托邦线上能够产生(m+1)个等距离分割点

S205、在一个分割点处做乌托邦线的法线与帕累托前沿相交于B_j，为求得分割点所对应的帕累托前沿上的点B_j，结合原问题约束的紧凑形式(12b)和(12c)，构造如下单目标优化问题：

minJ₂ (14a)

s.t.f(x₁,x₂)＝0 (14b)

g(x₁,x₂)≤0 (14c)

重复步骤S205，即可得到一系列帕累托前沿上均匀分布的点，依此可描绘出均匀分布的帕累托前沿。