CN108599259A - 一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，包括以下步骤：利用态势感知技术，对涉及配电网电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，掌握电能质量变化态势；在预测电能质量未来变化趋势基础上，通过对微电网变流器之间的信息交互架构，建立变流器态势感知与潮流计算主动运行决策模型；基于得到的主动运行决策模型，提出先进变流器控制策略，实现对配电网的最优运行模式决策，为解决电网电能质量控制提供了更多有效的手段，使得电网的安全管理从被动变为主动，保证了配电网的安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法。
背景技术
微电网作为分布式电源接入电网的一种有效手段，逐步引起了广泛关注，高渗透率下新能源发电的不间断随机接入给配电网带来新的挑战。但由于可再生能源的间歇性、随机性和出力不确定性会对电能质量产生很大影响，从而导致输出功率不稳定，使得微电网和含有微电网的配电网系统出现电压波动与暂态振荡、等现象。随着经济发展、能源结构调整和智能电网建设，现代社会对供电系统的供电可靠性、电能质量、服务多元化、配电设备的环境友好性等提出了越来越高的要求，在主动配电网的背景下，要求电力电子设备同时具备电能转换和电能质量的功能。
目前分布式发电大多采用并网变流器作为可再生能源与微电网接口，遵循IEC61850 90‐7标准的先进变流器,即具有输出有功功率、谐波抑制、无功支撑、频率支撑等重要电能质量管理功能。通过将先进变流器升级为具有电能质量主动运行控制功能的先进变流器，使变流器承担更多职责主动参与电能质量控制，从而将为解决微电网电能质量控制问题提供更多的手段。
变流器主动运行决策行为是建立在预测配电网电能质量未来变化趋势的基础上，因而电能质量预测的准确性成为变流器主动运行决策行为是否正确的关键技术。但不同于传统电网电源，传统电网可视为稳定无穷大电源，其频率和电压可维持恒定，可再生能源的随机性和不确定性使得微电网运行环境异常复杂，给准确预测电能质量带来巨大的挑战。因此，变流器需要利用态势感知技术，在广域时空范围内，对涉及电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，力求准确有效地掌握电能质量变化态势。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种安全可靠的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，包括以下步骤：
步骤一：利用态势感知技术，对涉及配电网电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，掌握电能质量变化态势；
步骤二：在预测电能质量未来变化趋势基础上，通过对微电网变流器之间的信息交互架构，建立变流器态势感知与潮流计算主动运行决策模型；
步骤三：基于得到的主动运行决策模型，提出先进变流器控制策略，实现对配电网的最优运行模式决策。
上述基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，所述步骤一中，实时跟踪24小时内负载和光伏出力变化曲线，并将预测负荷值和光伏发电出力反馈到先进变流器，对加入预测值后的微电网进行潮流计算，判断出电网下一时刻的潮流预测值和电能质量的需求。
上述基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，所述步骤二中，主动运行决策模型包括发电模式、电压支持模式和功率支持模式；其中发电模式即工作在最大功率点跟踪模式，跟踪最大输出功率进行发电，电压支持模式即通过调节输出的无功功率来缓解电压偏移，功率支持模式即通过调节输出有功功率来改善支路功率越限偏差。
上述基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，所述步骤二中，电压支持模式的建模过程为：
建立雅克比矩阵的修正方程：
式中H，N，M，L均为雅克比矩阵元素，P、Q、U、θ分别为n个配电网节点的有功功率、无功功率、电压幅值和电压相角，下标i、j为节点编号，ΔPi为注入节点i的有功不平衡量，ΔQi为注入节点i的无功不平衡量，θj为节点j的电压相角，Uj为节点j的电压幅值，Δθ为节点电压相角偏差量；ΔU为节点电压偏差量与节点电压幅值之比；ΔP、ΔQ分别为系统的有功和无功功率偏差，由于电力系统中有功功率受电压相角影响，而无功功率受电压幅值影响，同时由于高压电网大部分线路的电阻比电抗小得多，因此N≈0并且M≈0，假设电压幅值的标幺值为1，则式(1)修正为：
根据灵敏度分析，系统中的负荷节点电压偏差与无功功率偏差存在以下关系：ΔQL为负荷节点的无功偏差，ΔUL为负荷节点的电压偏差；
ΔQL＝-LΔUL (3)
变形得：
ΔUL＝(-L)-1ΔQL (4)
令即SLL表示负荷节点无功补偿对于负荷节点电压的灵敏度矩阵，根据式(3)即可确定当节点电压发生偏移时所对应的无功功率偏差。
上述基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，所述步骤二中，功率支持模式的建模过程为：
将配电网中的所有支路划分为两个集合：过载支路集合G和正常支路集合Z，假设各发电机组对某过载线路g的灵敏度为Sg，支路g的过载量为ΔPfg，ΔPgx为第x台发电机针对支路g的需调量；Pg为支路g的有功潮流；
式中，和为N-1阶矩阵；Y表示参与调整的发电机台数；
应用灵敏度的分析方法，推导出节点的注入有功功率对支路有功潮流的灵敏度矩阵，并以此为依据，得出越限后的校正策略。
上述基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，所述步骤三中的先进变流器控制策略为：首先判断支路功率是否越限，若支路功率越限，则进入功率支持模式，若支路功率不越限，则继续判断节点单电压是否越限，若节点单电压越限，则进入电压支持模式，若节点单电压不越限，则进入发电模式。
本发明的有益效果在于：本发明利用态势感知技术，对涉及配电网电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，准确有效地掌握电能质量变化态势；在精准预测电能质量未来变化趋势基础上，通过对微电网变流器之间的信息交互架构，利用基于微电网潮流计算的建模知识，建立了变流器态势感知与潮流计算主动运行决策模型，并提出先进变流器控制策略，以实现对配电网的态势感知与最优运行模式决策，为解决电网电能质量控制提供了更多有效的手段，使得电网的安全管理从被动变为主动，保证了配电网的安全可靠运行。
附图说明
图1为本发明的决策流程图。
图2为本发明发电模式的工作特性曲线图。
图3为本发明功率支持模式的工作特性曲线图。
图4为本发明电压支持模式的工作特性曲线图。
图5为本发明的实施例中34节点电路的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，包括以下步骤：
步骤一：利用态势感知技术，对涉及配电网电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，掌握电能质量变化态势。
微电网的态势感知是掌握电网运行的重要技术手段，对涉及电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，使得电网的安全管理从被动变为主动，电网与微电网变流器之间的信息交互架构包含电网、先进变流器以及变流器控制器，通过实时跟踪24小时内负载和光伏出力变化曲线，并将预测负荷值和光伏发电出力反馈到先进变流器，对加入预测值后的微电网进行潮流计算，判断出电网下一时刻的潮流预测值和电能质量的需求，并存放至先进变流器电能质量预测中心，此过程为态势预测。
步骤二：将预测的实时风电功率和用电负荷曲线输入微电网能量管理中心进行潮流计算，在预测电能质量未来变化趋势基础上，通过对微电网变流器之间的信息交互架构，建立变流器态势感知与潮流计算主动运行决策模型。
主动运行决策模型包括发电模式、电压支持模式和功率支持模式；其中发电模式即工作在最大功率点跟踪模式，跟踪最大输出功率进行发电，电压支持模式即通过调节输出的无功功率来缓解电压偏移，功率支持模式即通过调节输出有功功率来改善支路功率越限偏差。
针对节点电压越限和支路功率越限的情况，采用灵敏度分析方法，分别给出相应的安全校正策略。从而当电网出现节点电压越限和支路功率越限现象时，能够十分快速地提供调整策略，及时消除越限现象，保证电网在正常状态下运行。
灵敏度一般是指以状态向量表征的系统运行状况对控制向量和扰动向量变化的敏感程度。定义负荷节点电压关于控制变量的灵敏度矩阵、支路有功潮流关于控制变量的灵敏度矩阵，推导出相关的灵敏度矩阵结果。针对电压越限，在快速潮流原理的基础上，分别求解出负荷节点无功补偿对于负荷节点电压的灵敏度矩阵、支路有功潮流越限方面，在直流潮流原理的基础上，分别求解出发电机有功出力对于支路有功潮流的灵敏度矩阵。根据研究出的灵敏度关系，分别给出负荷节点电压越限和支路潮流越限时的安全校正控制方法。
其中，电压支持模式的建模过程为：
建立雅克比矩阵的修正方程：
式中H，N，M，L均为雅克比矩阵元素，P、Q、U、θ分别为n个配电网节点的有功功率、无功功率、电压幅值和电压相角，下标i、j为节点编号，ΔPi为注入节点i的有功不平衡量，ΔQi为注入节点i的无功不平衡量，θj为节点j的电压相角，Uj为节点j的电压幅值，Δθ为节点电压相角偏差量；ΔU为节点电压偏差量与节点电压幅值之比；ΔP、ΔQ分别为系统的有功和无功功率偏差，由于电力系统中有功功率受电压相角影响，而无功功率受电压幅值影响，同时由于高压电网大部分线路的电阻比电抗小得多，因此N≈0并且M≈0，假设电压幅值的标幺值为1，则式(1)修正为：
根据灵敏度分析，系统中的负荷节点电压偏差与无功功率偏差存在以下关系：
ΔQL＝-LΔUL (3)
ΔQL为负荷节点的无功偏差，ΔUL为负荷节点的电压偏差；
变形得：
ΔUL＝(-L)-1ΔQL (4)
令即SLL表示负荷节点无功补偿对于负荷节点电压的灵敏度矩阵，根据式(3)即可确定当节点电压发生偏移时所对应的无功功率偏差。
功率支持模式的建模过程为：
一般情况下，线路上传输的有功功率比无功功率多，因此，支路的有功潮流主要受节点的注入有功功率影响。通过先进变流器调整发电机有功出力来消除越限现象，其中对于可调机组来讲可能会出现正灵敏度和负灵敏度之分，正值表明减少该发电机组的出力将会降低对应过载支路的过载程度，而负值则表明增加该发电机组出力将降低对应过载支路的过载情况。本申请主要考虑发电机组的出力，首先将所有支路划分为两个集合：过载支路集合G和正常支路集合Z，假设各发电机组对某过载线路g的灵敏度为Sg，支路g的过载量为ΔPfg，ΔPgx为第x台发电机针对支路g的需调量；Pg为支路g的有功潮流；
式中，和为N-1阶矩阵；Y表示参与调整的发电机台数；
应用灵敏度的分析方法，推导出节点的注入有功功率对支路有功潮流的灵敏度矩阵，并以此为依据，得出越限后的校正策略。
发电模式：使系统工作在最大功率点跟踪(MPPT)模式，使各发电机保持在最大输出功率(MPPT)进行发电。
步骤三：基于得到的主动运行决策模型，提出先进变流器控制策略，实现对配电网的最优运行模式决策。
根据IEC 61850 90-7标准，分布式发电系统能够根据先进变流器感知当前的电压水平、频率偏移、温度，并能接收紧急指令、电价信号，根据需要对具体模式的使用进行选择，对系统的有功和无功输出进行调整，且通信代价最小，通过选择变流器的不同模式使得整个系统自动工作在相应的模式下，每个模式都有预先设定所需的参数和曲线(如电压，频率，功率因数，温度，和定价信号等)。
逆变器逻辑节点包含逆变器的最大输出有功功率和无功功率的额定值、PQV约束曲线、输出有功、无功、功率因素、输入直流电流及电压限值等。
考虑到系统的静态电压不稳定往往是由局部薄弱支路的传输功率超过其功率传送能所引起，提出了将薄弱支路有功功率约束作为最高优先级约束目标，即首先对线路的支路功率进行判断，若支路的传输功率超过其功率上限，则需进入功率支持模式，对其进行调节。若功率没有超过传输极限，则对节点电压进行判断，如果各节点电压处于系统电压正常波动范围内(94％<V<106％)，则进入发电模式，提高分布式发电系统的能源利用率；如果出现节点电压低于正常值，则进入电压支撑模式，变流器需要增加无功输出量来调节系统电压，使恢复到正常范围内。
图2为本发明发电模式的工作特性曲线图。发电模式下，将耦合点处的最大发电量设为机组容量(WMAX)，将功率设定值调整到最大水平，并让分布式能源系统的发电水平始终保持在A点。
图3为本发明功率支持模式的工作特性曲线图。功率支持模式下，变流器可以通过备用电源储存能量和要求增加或减少有功的生产来控制有功，并能确定当前状态下是否只有变流器的输出能用于充电，并判断电网功率是否可用，变流器根据当前预定义的状态信息，包括状态值，电能质量指标，和状态时间戳，向存储系统发出命令，并设置相应的有功(充电/放电)值。
如图3所示，线路功率的绝对值在小于Pijmax时(P2至P3)，属于正常范围，当其大于Pijmax，例如：P由P2上升到P1时，此时线路功率越限，若线路长时间处于越限状态，则有可能造成线路故障，此时需调整发出有功，使线路功率恢复正常范围。
图4为本发明电压支持模式的工作特性曲线图。电压支持下，建立了一个关于电压和无功的数组，变流器跟踪数组在正常电力系统中形成一条电压和无功的关系曲线，当需求变化时，根据曲线来对系统进行调节。并且，多个变流器的设置可以互相关联，控制装置可以根据所需的电压‐无功行为来配置相应的变流器。
如图4所示，电压V在V2至V3之间处于系统电压正常波动范围内(94％<V<106％)，当系统电压低于正常值时，例如，当V从V2跌破至V1，变流器需要增加无功输出量来调节系统电压，使恢复到正常范围内。此时，无功发出量Q由从0增加到50％。反之，若系统从电压V3升高至V4，则变流器减少无功功率的发出。
算例分析
在配置为2.4G处理器、7.9G内存的计算机上，用软件Matlab R2010b编制基于牛顿拉夫逊法的微电网随机潮流计算程序。设随机潮流计算的微电网算例系统的参考相角为0°，正常运行时的稳态频率合格范围为[0.994，1.006]PU，节点电压幅值合格范围为[0.9400,1.0600]PU，线路的有功上限为0.75PU。
本申请采用34节点的主从控制孤岛运行微电网系统的潮流计算系统，电路拓扑结构如图5所示，设节点1为平衡节点，节点1采用恒压恒频控制，为PV节点，在本系统中作为平衡节点，其给定电压幅值为1.030PU，节点2和34采用恒功率控制，为PQ节点，节点2的给定注入功率为0.1899+j0.0876，在节点34处加入风电，通过统计某风电场一年的数据，进行大数据分析预测到下一时刻风电机组发出功率为0.5183，将此数据读入变流器电能质量中心进行潮流计算。
表一预测节点电压幅值
从表一可看出，电压不合格节点有24、26、27、29、32和34，此时先进变流器切换运行模式至电压支持模式，来调节此时电压越限区域，使其电压值恢复至正常范围，以防出现某些节点电压崩溃导致解列，引起雅克比矩阵的奇异性。在实验数据中发现，需补偿无功的节点并不只有越限的节点，还有与之相连的PQ节点(节点22)这表明了，在对节点进行考核时，应该考虑与其相连的其它节点对该节点不同程度的影响，而这些影响由网络参数和拓扑结构决定。
表二34节点主从控制孤岛微电网系统潮流计算结果
此处，线路11-14、14-17和24-27发生功率越限，此时，先进变流器选择功率支持模式，调整发电机的有功出力，将线路功率调整到正常范围内。灵敏度负值对应为有功出力增加，正值对应为有功出力减小。
表三发电机的有功出力调节
增加发电机2的有功出力0.026，分别减少发电机27、34的有功出力0.0026得到的潮流结果如表四所示(节点电压均在0.94～1.06合格范围内，表中只列出支路有功潮流)。
表四调整有功后系统潮流计算结果
Claims (6)
1.一种基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，包括以下步骤：
步骤一：利用态势感知技术，对涉及配电网电能质量变化的各类信息元素进行采集、理解与预测，掌握电能质量变化态势；
步骤二：在预测电能质量未来变化趋势基础上，通过对微电网变流器之间的信息交互架构，建立变流器态势感知与潮流计算主动运行决策模型；
步骤三：基于得到的主动运行决策模型，提出先进变流器控制策略，实现对配电网的最优运行模式决策。
2.根据权利要求1所述的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，其特征在于：所述步骤一中，实时跟踪24小时内负载和光伏出力变化曲线，并将预测负荷值和光伏发电出力反馈到先进变流器，对加入预测值后的微电网进行潮流计算，判断出电网下一时刻的潮流预测值和电能质量的需求。
3.根据权利要求1所述的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，其特征在于：所述步骤二中，主动运行决策模型包括发电模式、电压支持模式和功率支持模式；其中发电模式即工作在最大功率点跟踪模式，跟踪最大输出功率进行发电，电压支持模式即通过调节输出的无功功率来缓解电压偏移，功率支持模式即通过调节输出有功功率来改善支路功率越限偏差。
4.根据权利要求3所述的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，其特征在于，所述步骤二中，电压支持模式的建模过程为：
建立雅克比矩阵的修正方程：
式中H，N，M，L均为雅克比矩阵元素，P、Q、U、θ分别为n个配电网节点的有功功率、无功功率、电压幅值和电压相角，下标i、j为节点编号，ΔPi为注入节点i的有功不平衡量，ΔQi为注入节点i的无功不平衡量，θj为节点j的电压相角，Uj为节点j的电压幅值，Δθ为节点电压相角偏差量；ΔU为节点电压偏差量与节点电压幅值之比；ΔP、ΔQ分别为系统的有功和无功功率偏差，由于电力系统中有功功率受电压相角影响，而无功功率受电压幅值影响，同时由于高压电网大部分线路的电阻比电抗小得多，因此N≈0并且M≈0，假设电压幅值的标幺值为1，则式(1)修正为：
根据灵敏度分析，系统中的负荷节点电压偏差与无功功率偏差存在以下关系：ΔQL为负荷节点的无功偏差，ΔUL为负荷节点的电压偏差；
ΔQL＝-LΔUL (3)
变形得：
ΔUL＝(-L)-1ΔQL (4)
令即SLL表示负荷节点无功补偿对于负荷节点电压的灵敏度矩阵，根据式(3)即可确定当节点电压发生偏移时所对应的无功功率偏差。
5.根据权利要求4所述的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，其特征在于，所述步骤二中，功率支持模式的建模过程为：
将配电网中的所有支路划分为两个集合：过载支路集合G和正常支路集合Z，假设各发电机组对某过载线路g的灵敏度为Sg，支路g的过载量为ΔPfg，ΔPgx为第x台发电机针对支路g的需调量；Pg为支路g的有功潮流；
式中，和为N-1阶矩阵；Y表示参与调整的发电机台数；
应用灵敏度的分析方法，推导出节点的注入有功功率对支路有功潮流的灵敏度矩阵，并以此为依据，得出越限后的校正策略。
6.根据权利要求5所述的基于灵敏度分析的微电网主动运行决策方法，其特征在于，所述步骤三中的先进变流器控制策略为：首先判断支路功率是否越限，若支路功率越限，则进入功率支持模式，若支路功率不越限，则继续判断节点单电压是否越限，若节点单电压越限，则进入电压支持模式，若节点单电压不越限，则进入发电模式。
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