CN108667147A - 一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法 - Google Patents

一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，各个子系统的上层控制器控制子系统内部的优化调度，中压直流上层控制器实时采集DC‑AC和DC‑DC互联装置的传输功率，与交流配电管理系统和各交、直流微电网上层控制器进行通讯；交、直流微电网上层控制器根据交、直流微电网的优化调度目标，向DC‑AC、DC‑DC下发功率指令，控制交、直流微电网与中压直流配电中心的互联功率，实现区域的协调控制；解决了现有技术的微电网的各个子系统内部没有进行优化调度，各子系统间没有进行协调控制，导致整个系统稳定性差，影响系统安全运行等技术问题。

Description

一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法
技术领域
本发明属于微电网与配电网优化调度领域，尤其涉及一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法。
背景技术
传统配电系统馈线之间的互联通常基于分段联络开关进行设计，在实际运行中往往采用闭环设计、开环运行的供电方式。随着分布式电源、储能、电动汽车、微电网等大规模接入，及主动配电、自愈控制及需求侧响应等新型技术的广泛实施与应用，基于常规联络开关的常规网络连接方式已成为制约配电系统运行经济性、灵活性和可靠性进一步提升的主要瓶颈。未来智能配电系统应能够具备灵活、可靠、高效的配电网架构，实现潮流灵活调度与控制[1-2]。基于背靠背电压源型变流器的智能软开关技术(soft open point,SOP)[3-5]，可代替传统基于断路器的馈线联络开关，实现馈线间柔性互联，极大提高配网潮流控制的灵活性、快速性和准确性，近期得到了国内外学术界和工业界的广泛关注。
另一方面，随着功率半导体技术及电力电子技术的发展，以及直流负荷的大量应用，直流配电网以其输送能力强、造价低，以及能高效、可靠接入分布式能源发电和储能单元等技术优势[6-7]，也已逐渐成为各国的研究热点之一。文献[8]分析了中压柔性直流配电网在深圳电网的应用前景，提出了相应的系统架构、关键设备和运行方式。文献[9]首次系统地探讨了适用于我国电网现状的直流配电电压等级序列与典型网络架构，从高、中、低三个电压等级提出包含数据中心直流配网、工业园区直流配网、城市负荷中心等7种直流配电系统的典型应用场景，指出直流配电技术为构建未来新型智能配电网提供了新的思路。
中压配网层面，可以预计未来智能配电网将会从基于SOP的配电网柔性互联阶段，逐渐发展至更加灵活、可靠、高效的交直流混合的配电网络。作为未来智能配电网发展的重要组成部分之一，图1所示中压直流配电中心可深度融合多端SOP和交/直流微电网；该结构不仅可以实现多条交流馈线的柔性互联，还可以灵活接入用户侧的交/直流微网系统，交流配网增容受限的城市负荷中心与多端柔性直流配网[9]等方面具有广泛的应用前景。但是现有技术的含多微电网的柔性中压直流配电中心，由于微电网的各个子系统内部没有进行优化调度，各子系统间没有进行协调控制，由于微电网的分布式电源出力预测和负荷预测具有不确定性，如突发的强对流天气导致光伏出力锐减、短时间的负荷突增等情况，导致整个系统稳定性差，影响系统安全运行等技术问题。
参考文献
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发明内容：
本发明要解决的技术问题：提供一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，以解决现有技术的微电网的各个子系统内部没有进行优化调度，各子系统间没有进行协调控制，由于微电网的分布式电源出力预测和负荷预测具有不确定性，如突发的强对流天气导致光伏出力锐减、短时间的负荷突增等情况，导致整个系统稳定性差，影响系统安全运行等技术问题。
本发明技术方案：
一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，各个子系统的上层控制器控制子系统内部的优化调度，中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率，与交流配电管理系统和各交、直流微电网上层控制器进行通讯；交、直流微电网上层控制器根据交、直流微电网的优化调度目标，向DC-AC、DC-DC下发功率指令，控制交、直流微电网与中压直流配电中心的互联功率，实现区域的协调控制。
交、直流微电网的的上层控制器的优化调度公式为：
式中，CCG(t),CES(t)和CDR(t)分别为微电网内可控分布式电源、储能和需求响应负荷的调度成本；CM(t)为微电网向配电网的净售电收益；
NT为调度周期。
中压直流上层控制器优化调度公式为：
式中：为t时刻第n个MMC向中压直流母线输出的有功功率，n＝{1,…,NMV}；floss,t是t时刻配电网的总有功损耗；
fbal,t是t时刻交流线路的负载均衡率；α和β为权重系数。
区域的协调控制方法为：中压直流上层控制器、交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器相互通讯，中压直流上层控制器下发互联功率约束，中压直流上层控制器根据交流微电网上层控制和直流微电网上层控制优化结果进行实时滚动优化，互相交互运行状态，实现区域的协调控制。
它还包括各个上层控制器的局部自治，所述局部自治的方法为：交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器分别向DC-AC和DC-DC互联装置下发功率调度指令和控制DC-AC和DC-DC互联装置的实际传输功率，实现微电网上层控制器的局部自治；中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率PIC,ac和PIC,dc，同时实时采集交流配电管理系统的负荷功率Pload，以交流配电线路负载率均衡、系统有功损耗最小为目标分配各子MMC的互联功率，实现中压直流上层控制器的局部自治。
本发明的有益效果：
本发明交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器通过优化分别向DC-AC和DC-DC互联装置下发功率调度指令和控制DC-AC和DC-DC互联装置的实际传输功率，实现微电网上层控制器的局部自治；中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率PIC,ac和PIC,dc，同时实时采集交流配电管理系统的负荷功率Pload，以交流配电线路负载率均衡、系统有功损耗最小等为目标分配各子MMC的互联功率，实现中压直流上层控制器的局部自治。
中压直流上层控制器、交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器相互通讯，中压直流上层控制器下发互联功率约束，中压直流上层控制器根据交流微电网上层控制和直流微电网上层控制优化结果进行实时滚动优化，互相交互运行状态，实现子系统间的协同优化；解决了现有技术的微电网的各个子系统内部没有进行优化调度，各子系统间没有进行协调控制，由于微电网的分布式电源出力预测和负荷预测具有不确定性，如突发的强对流天气导致光伏出力锐减、短时间的负荷突增等情况，导致整个系统稳定性差，影响系统安全运行等技术问题。
附图说明：
图1为本发明中压直流配电中心系统结构示意图；
图2为本发明中压直流配电中心通用运行控制基本框架示意图；
图3为本发明中压直流上层控制器与交(直)流微电网上层控制器调度框架图。
具体实施方式：
一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，各个子系统的上层控制器控制子系统内部的优化调度，中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率，与交流配电管理系统和各交、直流微电网上层控制器进行通讯；交、直流微电网上层控制器根据交、直流微电网的优化调度目标，向DC-AC、DC-DC下发功率指令，控制交、直流微电网与中压直流配电中心的互联功率，实现区域的协调控制。
图1是中压直流配电中心系统结构示意图，包括中压直流上层集中控制器、交流微电网上层控制器、直流微电网上层控制器、交流配电管理系统。
图2是中压直流配电中心系统结构，包括低压交流微电网、低压直流微电网、中压直流配电中心、交流配电网。中压直流配电中心包括MMC和中压直流母线。
交、直流微电网上层控制器优化模型
交流或者直流微电网上层控制器的优化目标为微电网的净收益最大，其中包括设备调度成本以及售电收益，其表达式如下：
式中，CCG(t),CES(t)和CDR(t)分别为微电网内可控分布式电源、储能和需求响应负荷的调度成本；CM(t)为微电网向配电网的净售电收益；NT为调度周期。
可控分布式电源成本函数和运行约束：
可控分布式电源主要包括微型燃气轮机、燃料电池等，发电成本函数表达式为：
CCG(t)＝(aPMT(t)+b)Δt (2)
式中，PMT(t)为t时刻的分布式电源的有功发电功率；a和b为常量；Δt为时间步长。
由于微型燃气轮机的功率响应速度相对较快，故不考虑其爬坡率约束，仅考虑输出功率约束：
式中，和分别为分布式电源有功功率的下限和上限。
储能成本函数和运行约束：
储能的运行成本主要考虑其一次投资成本和运维成本，在投资回收期内的平均充放电成本可表示为：
式中：KES为储能单位充放电成本；和分别为t时段储能放电和充电功率；η为储能充放电效率。
运行过程中储能需要满足以下约束条件：
式中：是储能最大充放电功率；UES(t)为t时段储能充放电状态，0表示充电，1表示放电；和分别为储能最小和最大的剩余容量；EES(0)为储能在调度初始时刻的容量。
需求响应负荷成本函数和运行约束：
需求响应负荷，可以灵活调整负荷特性，运行约束表达式如下：
式中：PDR(t)为t时段需求响应负荷实际调度功率，DDR为需求响应负荷总用电量，和分别为t时段需求响应负荷最小和最大功率。
需求响应可以改变用户的用电计划，所以用电计划的改变势必影响用户的舒适度，因此，微电网需付出的调度成本表达式如下：
式中：为t时段需求响应负荷的期望用电功率，KDR为需求响应负荷单位调度成本。
上式中的绝对值项用于表示实际调度功率和期望用电功率之间的偏差，通过引入辅助变量PDR1(t)、PDR2(t)及相关约束，可将其化为如下线性形式：
CDR(t)＝KDR(PDR1(t)+PDR2(t))Δt (12)
PDR1(t)≥0,PDR2(t)≥0 (14)
配电网交换功率
当微电网内的负荷供给不足时，需要向配电网购电；反之，微电网可将富余的电能出售给配电网，获取收益。微电网和配电网之间的交换功率需满足如下约束：
式中：和分别为t时段微电网向配电网购买和出售的功率；PL(t)为t时段非弹性负荷功率；PRES(t)为t时段可再生分布式电源出力；UM为t时段微电网的购电状态，0表示售电，1表示购电；为微网向配电网购电或售电最大功率。
微电网侧DC-AC逆变器和DC-DC逆变器的传输功率约束：
直流微电网和交流微电网的传输功率应不超过变流器设定的最大传输功率。
式中：PDC-DC是直流微电网向中压直流配电中心的传输功率，是DC-DC逆变器的最大传输容量；PDC-AC和QDC-AC分别交流微电网向中压直流配电中心的传输功率，是DC-AC的最大传输容量。
中压直流上层控制器优化模型
中压直流上层控制器的优化目标为调度周期NT(一天24h)内系统有功损耗和交流线路负载均衡率的加权和最小，表达式如下：
式中：为t时刻第n个MMC向中压直流母线输出的有功功率，n＝{1,…,NMV}；floss,t是t时刻配电网的总有功损耗；fbal,t是t时刻交流线路的负载均衡率；α和β为权重系数，根据实际需要确定。其中：
floss,t＝Ploss,ACline,t+Ploss,DCline,t+Ploss,MMCs,t (21)
式中：Ploss,AClines,t为交流线路有功损耗，Ploss,DCline,t为直流线路有功损耗，Ploss,MMCs,t为MMC损耗；Iload,l,t为t时刻支路l的负荷平衡指标，定义为流过该支路的电流幅值与支路最大允许载流量的比值；NL为系统支路数。
交流配电网潮流等式约束：
式中：Pij,t和Qij,t分别表示t时刻从上游节点i流向节点j的有功和无功功率，节点间关系可表示为i→j；Rij和Xij分别表示节点i与节点j间的线路电阻值和电抗值；Vi,t为t时刻节点i的电压幅值；Pj,t和Qj,t为t时刻节点j净负荷的有功和无功功率；N表示交流配电网所有节点的集合。
对于MMC变流器接入的交流节点，节点净负荷的表达式如下：
式中：PLj,t和QLj,t为t时刻节点j的负荷有功和无功功率；和分别为t时刻第n个MMC从交流节点j吸收的有功功率和无功功率。
基于以上变量定义，交流线路损耗表达式为：
直流线路潮流等式约束：
式中：Plm,t表示t时刻从直流节点l流向节点m的有功功率，节点间关系可表示为；Rlm表示节点l与节点m间的直流线路电阻值；Vl,t为t时刻节点l的电压幅值；Pm,t为t时刻节点m的负荷有功功率；M表示直流网络所有节点的集合。
基于以上变量定义，直流线路损耗表达式为：
3)MMC的运行约束:
式中：为t时刻第n个DC-AC双向变流器的有功功率损耗；为第n个DC-AC双向变流器的损耗系数；和分别为第n个DC-AC双向变流器从从交流侧吸收无功功率的下限和上限值；为第n个DC-AC双向变流器的容量。
4)MMC的下垂控制模型:
式中：为t时刻第n个DC-AC双向变流器向中压直流母线输出有功功率的参考值；Kn为第n个DC-AC双向变流器P-U的下垂系数；为t时刻第n个DC-AC双向变流器控制中压直流母线电压的参考值；和分别为交流微电网和直流微电网从中压直流母线吸收的有功功率。
若设定
则当时，
上述稳态模型的解为
故当直流配电中心的双向变流器采用下垂控制调节中压直流母线电压时，稳态模型可简化为：
运行电压水平约束：
系统中各节点的运行电压水平应限制在极限电压水平范围内。
交流部分：
V0,t＝Vref (32)
式中：Vref为变电站入口电压幅值；ε为节点电压的最大允许偏差。
直流部分：
umin≤ui≤umax,i＝1,...,n (34)
式中：ui为直流线路上的电压，umax、umin分别为直流电压的上下限。
2.上层控制器架构
由图1所示，该中压直流配电中心上层控制由中压直流上层集中控制器、交流微电网上层集中控制器和直流微电网上层集中控制器组成。
交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器通过优化分别向DC-AC和DC-DC互联装置下发功率调度指令和控制DC-AC和DC-DC互联装置的实际传输功率，实现微电网上层控制器的局部自治。中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率PIC,ac和PIC,dc，同时实时采集交流配电管理系统的负荷功率Pload，以交流配电线路负载率均衡、系统有功损耗最小等为目标分配各子MMC的互联功率，实现中压直流上层控制器的局部自治。
中压直流上层控制器、交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器相互通讯，中压直流上层控制器下发互联功率约束，中压直流上层控制器根据交流微电网上层控制和直流微电网上层控制优化结果进行实时滚动优化，互相交互运行状态，实现子系统间的协同优化。
3.调度计划：
微电网的分布式电源出力预测和负荷预测具有不确定性，如突发的强对流天气导致光伏出力锐减、短时间的负荷突增等情况。同时该系统在运行中，可能会出现MMC退出运行、投入运行等一些非正常工况。当MMC退出运行时，配电网与微电网间的互联功率约束数值减少。当互联功率大于MMC的最大额定传输功率时，微电网平衡单元紧急就地控制。中压直流上层控制器与交(直)流子微网上层控制器进行通信，中压直流上层控制器下发新的互联功率约束。当MMC恢复运行时，配电网与微电网间的最大交换功率数值增大。中压直流上层控制器与交(直)流子微网上层控制器进行通信，中压直流上层控制器下发新的互联功率约束。为了解决这些问题，该系统采用微电网的滚动优化和配电网的实时调度，由图3所示。
微电网的滚动优化：从0时刻的每个整点时刻，交(直)流子微网上层控制器根据预测，制定一个从该时刻到24时刻的运行计划，时间尺度为1个小时。
配电网的实时调度：中压直流上层控制器根据微网的调度计划，进行实时优化。

Claims (5)

1.一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，其特征在于：各个子系统的上层控制器控制子系统内部的优化调度，中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率，与交流配电管理系统和各交、直流微电网上层控制器进行通讯；交、直流微电网上层控制器根据交、直流微电网的优化调度目标，向DC-AC、DC-DC下发功率指令，控制交、直流微电网与中压直流配电中心的互联功率，实现区域的协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，其特征在于：交、直流微电网的的上层控制器的优化调度公式为：
式中，CCG(t),CES(t)和CDR(t)分别为微电网内可控分布式电源、储能和需求响应负荷的调度成本；CM(t)为微电网向配电网的净售电收益；NT为调度周期。
3.根据权利要求1所述的一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，其特征在于：中压直流上层控制器优化调度公式为：
式中：为t时刻第n个MMC向中压直流母线输出的有功功率，n＝{1,…,NMV}；floss,t是t时刻配电网的总有功损耗；fbal,t是t时刻交流线路的负载均衡率；α和β为权重系数。
4.根据权利要求1所述的一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，其特征在于：区域的协调控制方法为：中压直流上层控制器、交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器相互通讯，中压直流上层控制器下发互联功率约束，中压直流上层控制器根据交流微电网上层控制和直流微电网上层控制优化结果进行实时滚动优化，交互运行状态，实现区域的协调控制。
5.根据权利要求1所述的一种含多微电网的柔性中压直流配电中心优化调度方法，其特征在于：它还包括各个上层控制器的局部自治，所述局部自治的方法为：交流微电网上层控制器和直流微电网上层控制器分别向DC-AC和DC-DC互联装置下发功率调度指令和控制DC-AC和DC-DC互联装置的实际传输功率，实现微电网上层控制器的局部自治；中压直流上层控制器实时采集DC-AC和DC-DC互联装置的传输功率PIC,ac和PIC,dc，同时实时采集交流配电管理系统的负荷功率Pload，以交流配电线路负载率均衡、系统有功损耗最小为目标分配各子MMC的互联功率，实现中压直流上层控制器的局部自治。
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