CN108964141B - 一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法，流程包括：采集当前环境数据及微网数据；计算常规控制率以及自适应扰动补偿率；设计电压滤波器；计算微网间能量交换值最小值；控制系统以当前负荷值为输入量，该控制过程使得微网互联系统安全稳定运行；该控制方法能够根据各微网当前运行状态，进行合理调整微网内电能的分配，并能够进行与配网间的协调控制，并且通过控制微网互联系统的电压稳定性明显加强，微网间互联程度得到加强，在单个微网存在功率缺额以及功率富余时，通过微网间互联形式合理分配电能，提高微网互联系统效率，减少与配网的并网次数从而减少电能交换，增加微网互联系统的供电强度，使得整个系统更加安全可靠。

Description

一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法

技术领域

本发明属于电网技术领域，具体涉及一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法。

背景技术

微网虽然可以在孤岛条件下运行，但是微网中各分布式电源受到天气影响比较大，其依然存在较大功率缺额的情况，因此在多个微网互联后形成的大型互联系统，对整个系统的运行状态以及各个微网运行之间的影响和相互作用机理建模具有重要意义。微网互联系统的快速发展，在很大程度上改变了传统配电网系统源网荷之间的作用关系。并且采用多微网互联结构实现多个微网间的能量协调，形成能源互补优势，可有效缓解微网功率波动对配网的影响。

发明内容

本发明针对当前微网内分布式电源出力的不确定性以及储能装置容量的限制，微网在孤岛运行时存在较大功率缺额以及无法全额消纳时，通过控制微网互联系统的能量交换，使其在微网互联系统内达到供需平衡，若在互联系统内依然无法达到平衡，则通过控制微网互联系统与配电网进行能量传输，达到整个系统的功率平衡。为了达到整个控制系统的可靠性以及实时性，本发明提出一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法，具体包括如下流程：

步骤1、采集当前环境数据及微网数据：当前的环境温度t，当前的风速v，当前的光照强度g，当前的空气湿度h，以及当前各微网的电源出力P_i，各微网的当前负荷P_Li，微网内的储热容量Q_ir，储电容量Q_id；

由于微网互联系统内各微网出力随时间变化波动情况较大，为了保证微网互联系统的稳定，需要对微网内各电源出力以及当前储能状态进行判断，控制微网间的电能平衡，保证微网的安全稳定运行。

步骤2、计算常规控制率t_ia以及自适应扰动补偿率t_ic分别为下式所示：

步骤3、设计电压滤波器：包括步骤3.1～步骤3.3：

步骤:3.1、根据当前负荷状态计算微网稳定状态下的期望电压信号U_id与当前系统输出电压信号U_i计算偏差，其中i＝1,2,3……，为了增加控制器的运算速度减少运算量，隔点取值，其电压差值e_2a-1，公式如下：

e_2a-1＝U_2a-1-U_(2a-1)d (2)

U_1d U_3d…U_(2a-1)d为各微网期望的电压信号表示期望电压时下标用a表示，其中，a＝1,2,3……，U_2a-1为系统实际输出电压；

步骤3.2：在整个微网控制系统中，为跟随各微网电压偏差达到多微网互联调节，在进行电压偏差计算过程加入虚拟控制量U_2ad：

U_2ad＝-k_2a-1U_2a-1+e_2a-1 (3)

其中，k_2a-1＞0为输出电压偏差系数；

步骤3.3：由于在实际应用中U_2ad受到外界因素的严重干扰，因此在控制过程中设计滤波器来降低外界干扰，实际控制电压

表达式为：

式中t_i为滤波器的时间常数，σ_i为非负设计参数，

为期望电压平均值，

其中λ>1，

为自适应因子，其随着当前影响条件的更新律为：

为滤波器设计的参数初始值，γ_i3>0为更新率系数，μ_i3>0为

的误差系数，其中，

步骤4：计算微网间能量交换值最小值，包括步骤4.1～4.2：

步骤4.1：构造控制器：

U_imax＝U_id+μ_i3U_id (6)

U_imin＝U_id-μ_i3U_id (7)

步骤4.2、考虑到网间功率交换最小为目标函数将一定程度导致微网供电的可靠性较低问题，控制过程采用罚函数的方法将电压约束加到目标函数中，此时目标函数为:

微网互联系统通过配电网与外部电网进行能量交换，因此在目标函数中需要以罚函数的形式对微网互联系统注入到外电网的功率进行约束，则目标函数为：

其中：

式中：P_l为微网系统所需最小有功功率缺额的配网功率；λ₁、λ₂分别为电压越线惩罚系数和微网注入外电网功率惩罚系数；U_i、U_j为微网i、微网j在时段t时的端口电压；B_ij、G_ij分别为微网i与微网j之间的电纳、电导；θ_ij为节点i、j之间的相位差；P₀、Q₀分别为外电网注入配电网的有功功率、无功功率，P_loss为总线路的网损，N为所有支路数△U第i条支路的电压降，U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值；

功率约束条件：

(1)等式约束条件：

式中：P^t _i、Q^t _i微网i在时段t时注入到电网有功功率和无功功率；U^t _i、U^t _j为微网并网点i、微网并网点j在时段t的电压大小；

(2)不等式约束条件：

Q_gmin≤Q_g≤Q_gmax (17)

Q_WF,min<Q_WF<Q_WF,max (18)

U_imin≤U_i≤U_imax i＝1,2,…,N (19)

式中：

为光伏电站在t时段的无功出力；P_t为光伏电站在t时段的有功出力；Q_gmin、Q_gmax分别为无功补偿装置容量下限值和上限值；Q_WF,min、Q_WF,max分别为风机无功出力的下限值和上限值；U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值；

通过上述模型建立，针对微网负荷变化，以及网损条件约束，微网互联与外电网控制；

步骤5：控制系统以当前负荷值为输入量，根据期望电压U_id的大小进行微网间能量的分配判断，实现微网互联系统安全稳定运行。

步骤5.1：计算输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值，其中，当前微网互联稳定所需功率使用步骤4滤波之后的电压值计算出所需功率：

V_lp＝L-P_w (20)

其中，L表示输入负荷值，P_w表示达到当前微网互联稳定所需功率，V_lp为输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值；

步骤5.2：步骤5.1所述的差值V_lp乘以比例放大系数-K₀，其结果与达到当前微网互联稳定所需功率求和，得到计算结果V_kp：

V_kp＝-K₀V_lp+P_w (21)

步骤5.3：自适应更新控制率R与期望电压U_id与步骤8.2计算结果V_kp三者进行乘积，其结果与骤5.2计算结果V_kp加和，其反馈部分为上一周期

与上一周期的

进行求和，反馈到期望电压，所以得到计算结果V_ru：

步骤5.4：步骤5.3计算结果V_ru与自适应更新控制率R与期望电压U_id三者做乘积，其结果与步骤5.3计算结果V_ru与期望电压U_id的乘积做加和运算，得到计算结果V_r'_u：

V_r'_u＝V_ruRU_id+V_ruU_id (23)

步骤5.5：步骤5.4计算结果V_r'_u分别与常规控制率t_ia、自适应更新率R和自适应扰动补偿率t_ic的乘积、自适应扰动补偿率t_ic做乘积，每个乘积的结果相加并与达到当前微网互联稳定所需功率做加和运算，计算得到结果V_c：

V_c＝V_r'_ut_ia+V_r'_uRt_ic+V_r'_ut_ic+P_w (24)

步骤5.6：步骤5.5计算的结果V_c与微网间能量交换值做乘积，得到最后的控制结果L_c：

L_c＝V_c+F (25)

其中，F为微网间能量交换值，即步骤4目标函数的最小值。

基于以上参数的计算，使得微网互联系统安全稳定运行。

有益技术效果：

通过多微网间的互联优化控制可以加强各微网的供电可靠性，保证在外电网稳定运行的前提下降低多能源微网随机并网的干扰，多微网互联自适应协同控制方法能够根据各微网当前运行状态，进行合理调整微网内电能的分配，并能够进行与配网间的协调控制，并且通过控制微网互联系统的电压稳定性明显加强，微网间互联程度得到加强，在单个微网存在功率缺额以及功率富余时，通过微网间互联形式合理分配电能，提高微网互联系统效率，减少与配网的并网次数从而减少电能交换，增加微网互联系统的供电强度，使得整个系统更加安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法流程图；

图2为本发明实施例的一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法控制图；

图3为本发明实施例的控制前后微网1电压仿真结果；

图4为本发明实施例的控制前后微网2电压仿真结果；

图5为本发明实施例的控制前后微网3电压仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，如图1所示，包括如下流程：

步骤1、采集当前环境数据及微网数据：在由微网3个微网组成的互联系统内，设当前的环境温度t＝20摄氏度，风速v＝5m/s，光照强度g＝1000W/h，空气相对湿度h＝0.52，当前三个微网的电源出力分别为P₁＝60MW，P₂＝70MW，P₃＝80MW，3个微网的当前负荷P_L1＝57MW，P_L2＝75MW，P_L3＝83MW，微网内的储热容量Q_1r＝5MW.h，Q_2r＝5MW.h，Q_3r＝10MW.h，储电容量Q_1d＝5MW.h，Q_2d＝10MW.h，Q_3d＝5MW.h，进行数据采集。

由于微网互联系统内各微网出力随时间变化波动情况较大，为了保证微网互联系统的稳定，需要对微网内各电源出力以及当前储能状态进行判断，控制微网间的电能平衡，保证微网的安全稳定运行。

步骤2、计算常规控制率t_ia以及自适应扰动补偿率t_ic分别为下式所示：

解得t_1a＝6485，t_2a＝6673，t_3a＝6894，t_1c＝3742，t_1c＝3336，t_1c＝3447；

步骤3、设计电压滤波器：包括步骤3.1～步骤3.3：

步骤3.1、根据当前负荷状态进行微网稳定状态下的期望电压信号分别为

当前系统输出电压信号

同时为加强控制器跟踪微网变化趋势的调节能力，增强控制可靠性，需对控制微网互联状态的控制器进行电压数据实时更新，以加强系统的可靠性能力，进行如下的计算。

基于控制器算法的电压更新计算，对各微网内进行当前系统输出电压与期望电压进行作差，为了增加控制器的运算速度减少运算量，隔点取值，其电压差值e_2a-1，如下计算

e_2a-1＝U_2a-1-U_(2a-1)d (2)

U_1d U_3d…U_(2a-1)d为各微网期望的电压信号表示期望电压时下标用a表示，其中，a＝1,2,3……，U_2a-1为系统实际输出电压；

解得

步骤3.2：在整个微网控制系统中，为跟随各微网电压偏差达到多微网互联调节，在进行电压偏差计算过程加入虚拟控制量U_2ad：

U_2ad＝-k_2a-1U_2a-1+e_2a-1 (3)

其中，k_2a-1＞0为输出电压偏差系数；

步骤3.3：由于在实际应用中U_2ad受到外界因素的严重干扰，因此在控制过程中设计滤波器来降低外界干扰，实际控制电压

表达式为

式中t_i为控制器的时间常数，σ_i为非负设计参数，

为期望电压平均值，

其中λ>1，

为自适应因子，其随着当前影响条件的更新律为：

为控制器设计的参数初始值，γ_i3>0为更新率系数，μ_i3>0为

的误差系数，其中

步骤4：计算微网间能量交换值最小值，包括步骤4.1～4.2：

步骤4.1：构造控制器：

U_imax＝U_id+μ_i3U_id (6)

U_imin＝U_id-μ_i3U_id* (7)

针对上述控制器设计，进行微网间优化运行方式的计算；

步骤4.2、考虑到网间功率交换最小为目标函数将一定程度导致微网供电的可靠性较低问题，控制过程采用罚函数的方法将电压约束加到目标函数中，此时目标函数为:

微网互联系统通过配电网与外部电网进行能量交换，因此在目标函数中需要以罚函数的形式对微网互联系统注入到外电网的功率进行约束，则目标函数为：

其中：

式中：P_l为微网系统所需最小有功功率缺额的配网功率；λ₁、λ₂分别为电压越线惩罚系数和微网注入外电网功率惩罚系数；U_i、U_j为微网i、微网j在时段t时的端口电压；B_ij、G_ij分别为微网i与微网j之间的电纳、电导；θ_ij为节点i、j之间的相位差；P₀、Q₀分别为外电网注入配电网的有功功率、无功功率。P_loss为总线路的网损，N为所有支路数△U第i条支路的电压降，U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值；

功率约束条件：

(1)等式约束条件：

式中：P^t _i、Q^t _i微网i在时段t时注入到电网有功功率和无功功率；U^t _i、U^t _j为微网并网点i、微网并网点j在时段t的电压大小。

(2)不等式约束条件：

Q_gmin≤Q_g≤Q_gmax (17)

Q_WF,min<Q_WF<Q_WF,max (18)

U_imin≤U_i≤U_imax i＝1,2,…,N (19)

式中：

为光伏电站在t时段的无功出力；P_t为光伏电站在t时段的有功出力；Q_gmin、Q_gmax分别为无功补偿装置容量下限值和上限值；Q_WF,min、Q_WF,max分别为风机无功出力的下限值和上限值；U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值。

通过上述模型建立，针对微网负荷变化，以及网损条件约束，微网互联与外电网控制；

步骤5：控制系统以当前负荷值为输入量，根据期望电压U_id的大小进行微网间能量的分配判断，该控制过程使得微网互联系统安全稳定运行。

其根据控制框图，如图2所示，下文针对微网1中18:00时刻，进行代数计算：

步骤5.1：计算输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值：其中，输入负荷值L＝50MW，达到当前微网互联稳定所需功率P_w＝55MW，V_lp为输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值；

V_lp＝L-P_w＝-5

步骤5.2：步骤5.1所述的差值V_lp＝-5乘以比例放大系数-K₀＝-10，其结果与达到当前微网互联稳定所需功率求和，得到计算结果V_kp：

V_kp＝-K₀V_lp+P_w＝50+55＝105

步骤5.3：自适应更新控制率R与期望电压U_id与步骤5.2计算结果V_kp三者进行乘积，其结果与骤5.2计算结果V_kp加和，其反馈部分为上一周期

与上一周期的

进行求和，反馈到期望电压，所以得到计算结果V_ru：

步骤5.4：步骤5.3计算结果V_ru与自适应更新控制率R与期望电压U_id三者做乘积，其结果与步骤5.3计算结果V_ru与期望电压U_id的乘积做加和运算，得到计算结果V_r'_u：

V_r'_u＝V_ruRU_id+V_ruU_id＝129

步骤5.5：步骤8.4计算结果V_r'_u分别与常规控制率t_ia、自适应更新率R和自适应扰动补偿率t_ic的乘积、自适应扰动补偿率t_ic做乘积，每个乘积的结果相加并与达到当前微网互联稳定所需功率做加和运算，计算得到结果V_c：

V_c＝V_r'_ut_ia+V_r'_uRt_ic+V_r'_ut_ic+P_w＝186

步骤5.6：步骤5.5计算的结果V_c与微网间能量交换值做乘积，得到最后的控制结果L_c所需向外电网获取功率。

L_c＝V_c+E＝186-160＝26

E为微网间能量交换值E＝-160。

通过以上控制得到波形图如图3，图4，图5所示，从附图3，图4，图5中可以显而易见地看出，对于微网1、微网2、微网3控制前与控制后：在控制前电压波动较为剧烈，控制后电压波动明显减弱，通过多微网间的互联优化控制可以加强各微网的供电可靠性，保证在外电网稳定运行的前提下降低多能源微网随机并网的干扰，多微网互联自适应协同控制方法能够根据各微网当前运行状态，进行合理调整微网内电能的分配，并能够进行与配网间的协调控制，并且通过控制微网互联系统的电压稳定性明显加强，微网间互联程度得到加强，在单个微网存在功率缺额以及功率富余时，通过微网间互联形式合理分配电能，提高微网互联系统效率，减少与配网的并网次数从而减少电能交换，增加微网互联系统的供电强度，使得整个系统更加安全可靠。通过仿真结果可以看出，微网互联系统在一天中电压基本保持不变，维持在额定电压值状态。

Claims (2)

1.一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法，其特征在于，包括如下流程：

步骤1、采集当前环境数据及微网数据：当前的环境温度t，当前的风速v，当前的光照强度g，当前的空气湿度h，以及当前各微网的电源出力P_i，各微网的当前负荷P_Li，微网内的储热容量Q_ir，储电容量Q_id；

步骤2、计算常规控制率t_ia以及自适应扰动补偿率t_ic分别为下式所示：

步骤3、设计电压滤波器：包括步骤3.1～步骤3.3：

步骤:3.1、根据当前负荷状态计算微网稳定状态下的期望电压信号U_id与当前系统输出电压信号U_i计算偏差，其中i＝1,2,3……，为了增加控制器的运算速度减少运算量，隔点取值，其电压差值e_2a-1，公式如下：

e_2a-1＝U_2a-1-U_(2a-1)d (2)

U_1d U_3d…U_(2a-1)d为各微网期望的电压信号，表示期望电压时下标用a表示，其中，a＝1,2,3……，U_2a-1为系统实际输出电压；

步骤3.2：在整个微网控制系统中，为跟随各微网电压偏差达到多微网互联调节，在进行电压偏差计算过程加入虚拟控制量U_2ad：

U_2ad＝-k_2a-1U_2a-1+e_2a-1 (3)

其中，k_2a-1＞0为输出电压偏差系数；

步骤3.3：由于在实际应用中U_2ad受到外界因素的严重干扰，因此在控制过程中设计滤波器来降低外界干扰，实际控制电压

表达式为：

式中t_i为滤波器的时间常数，σ_i为非负设计参数，

为期望电压平均值，

其中λ>1，

为自适应因子，其随着当前影响条件的更新律为：

为滤波器设计的参数初始值，γ_i3>0为更新率系数，μ_i3>0为

的误差系数，其中，

步骤4：计算微网间能量交换值最小值，包括步骤4.1～4.2：

步骤4.1：构造控制器：

U_imax＝U_id+μ_i3U_id (6)

U_imin＝U_id-μ_i3U_id (7)

步骤4.2、考虑到网间功率交换最小为目标函数将一定程度导致微网供电的可靠性较低问题，控制过程采用罚函数的方法将电压约束加到目标函数中，此时目标函数为:

微网互联系统通过配电网与外部电网进行能量交换，因此在目标函数中需要以罚函数的形式对微网互联系统注入到外电网的功率进行约束，则目标函数为：

其中：

式中：P_l为微网系统所需最小有功功率缺额的配网功率；λ₁、λ₂分别为电压越线惩罚系数和微网注入外电网功率惩罚系数；U_i、U_j为微网i、微网j在时段t时的端口电压；B_ij、G_ij分别为微网i与微网j之间的电纳、电导；θ_ij为节点i、j之间的相位差；P₀、Q₀分别为外电网注入配电网的有功功率、无功功率，P_loss为总线路的网损，N为所有支路数，△U_i第i条支路的电压降，U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值；

功率约束条件：

(1)等式约束条件：

式中：P^t _i、Q^t _i微网i在时段t时注入到电网有功功率和无功功率；U^t _i、U^t _j为微网并网点i、微网并网点j在时段t的电压大小；

(2)不等式约束条件：

Q_gmin≤Q_g≤Q_gmax (17)

Q_WF,min<Q_WF<Q_WF,max(18)

U_imin≤U_i≤U_imax i＝1,2,…,N (19)

式中：Q^t _pv为光伏电站在t时段的无功出力；P_t为光伏电站在t时段的有功出力；Q_gmin、Q_gmax分别为无功补偿装置容量下限值和上限值；Q_WF,min、Q_WF,max分别为风机无功出力的下限值和上限值；U_imin、U_imax分别为各节点的电压下限值和上限值；

步骤5：控制系统以当前负荷值为输入量，根据期望电压U_id的大小进行微网间能量的分配判断，实现微网互联系统安全稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于多微网互联系统自适应协同运行控制方法，其特征在于，步骤5包括如下流程：

步骤5.1：计算输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值，其中，当前微网互联稳定所需功率使用步骤4滤波之后的电压值计算出所需功率：

V_lp＝L-P_w (20)

其中，L表示输入负荷值，P_w表示达到当前微网互联稳定所需功率，V_lp为输入负荷值与达到当前微网互联稳定所需功率的差值；

步骤5.2：步骤5.1所述的差值V_lp乘以比例放大系数-K₀，其结果与达到当前微网互联稳定所需功率求和，得到计算结果V_kp：

V_kp＝-K₀V_lp+P_w (21)

步骤5.3：自适应更新控制率R与期望电压U_id与步骤8.2计算结果V_kp三者进行乘积，其结果与骤5.2计算结果V_kp加和，其反馈部分为上一周期

与上一周期的

进行求和，反馈到期望电压，所以得到计算结果V_ru：

步骤5.4：步骤5.3计算结果V_ru与自适应更新控制率R与期望电压U_id三者做乘积，其结果与步骤5.3计算结果V_ru与期望电压U_id的乘积做加和运算，得到计算结果V'_ru：

V'_ru＝V_ruRU_id+V_ruU_id (23)

步骤5.5：步骤5.4计算结果V'_ru分别与常规控制率t_ia、自适应更新率R和自适应扰动补偿率t_ic的乘积、自适应扰动补偿率t_ic做乘积，每个乘积的结果相加并与达到当前微网互联稳定所需功率做加和运算，计算得到结果V_c：

V_c＝V'_rut_ia+V'_ruRt_ic+V'_rut_ic+P_w (24)

步骤5.6：步骤5.5计算的结果V_c与微网间能量交换值做乘积，得到最后的控制结果L_c：

L_c＝V_c+F (25)

其中，F为微网间能量交换值，即步骤4目标函数的最小值。

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