CN109617147B - 一种电力电子变压器运行策略优化组合方法 - Google Patents

Abstract

本发发明提出了一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，包括收集系统信息；根据电力电子变压器端口特点建立适用于其端口统一协调控制的广义交直流下垂控制模型；建立以从主网购电最少，以系统安全稳定运行及广义交直流下垂控制为约束条件的长时间尺度优化模型；对所搭建的长时间尺度优化模型进行求解，得到电力电子变压器各端口的广义交直流下垂控制系数，由系数组合进而得到各端口运行策略的优化组合。本发明方法中的广义交直流下垂控制可以同时对电力电子变压器交流端口和直流端口进行控制，保证了直流网络电压和交流网络频率的稳定，进而保证系统的安全运行。同时，本发明的方法也适用于当前系统不确定性大大增强的情况，可扩展性强。

Description

一种电力电子变压器运行策略优化组合方法

技术领域

本发明涉及含电力电子变压器的交直流混联网络的优化领域，特别是涉及一种电力电子变压器(PET)运行策略优化组合方法。

背景技术

近年来我国分布式可再生能源增长迅速，大规模分布式可再生能源也接入电网，故对系统的灵活接入和有效管控提出了新的挑战和更高的要求。目前的可再生能源接入技术，交直流变换环节较多，降低了效率、影响了接入的便捷性。另外配电网互联互济和柔性调控能力不足，也限制了分布式可再生能源的充分消纳和高效利用。针对以上问题，国内外学者提出了采用基于双向变流器的交直流混合微网方案，将光伏等直流型分布式能源和电动汽车等直流用电设备直接通过直流微网集成，以减少变换环节，提高利用效率。交直流微网技术可以在一定程度上提高分布式可再生能源利用效率，但是它不能实现区域范围内DERS消纳和互补运行，也不能开展区域间的功率平衡和潮流调节。而利用双向多端口电力电子变压器构建交直流混合系统，可以实现灵活组网，在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源，实现灵活安全接入；并减少变换环节，提高能源利用效率，增强系统控制能力，在更大范围实现互联互补，充分消纳可再生能源。

电力电子变压器的接入增强了系统的可控性和灵活性，多台多端口电力电子变压器组成的交直流混联网络中，电力电子变压器端口运行模式复杂，组合多样，如何利用电力电子变压器的调控能力，合理选取电力电子变压器端口控制策略，实现系统的优化运行是当前一个新的研究热点，从另一方面说，网络的优化运行在很大程度上与电力电子端口运行策略的优化选取有关系。电力电子变压器基于电力电子变换技术和高频变压器，由电力电子变压器连接的交直流混联网络中，电力电子变压器各端口处于不同子网内，运行于不同工况，对各端口进行合理的控制至关重要。当前，对直流侧的控制方法主要有主从控制、电压裕度控制和下垂控制。这三种方法应用相对广泛，也比较成熟，但各自存在一定的弊端。其中，主从控制整个系统的稳定运行依赖于主站的正常运行，一旦主站发生故障或退出运行，整个系统也将停运；电压裕度控制在模式切换时会产生振动，不利于系统安全稳定运行；下垂控制是一种有差控制，难以实现特定需求下的定电压控制或定功率控制。另一方面，多端口电力电子变压器同时含有多个交流端口和直流端口，对电力电子变压器端口的控制应同时包括其交流端口和直流端口，而现有文献中对交流侧的控制多简单处理为PV或者PQ节点，没有考虑到交流网络的频率响应问题。

综上所述，利用电力电子变压器构建交直流混联网络优势明显，但是目前还缺少一种有效求解电力电子变压器各端口运行策略组合的方法。

发明内容

针对电力电子变压器端口运行模式复杂，组合多样，现有控制方法难以实现其整体优化组合。本发明提供了一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其是基于广义交直流下垂控制实现的。

一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，包括以下步骤：

S01：收集系统信息。

S02：根据电力电子变压器端口特点，建立适用于其端口统一协调控制的广义交直流下垂控制模型；

S03：根据收集的系统信息，建立以从主网购电最少，以系统安全稳定运行及广义交直流下垂控制为约束条件的长时间尺度优化模型；

S04：对所搭建的长时间尺度优化模型进行求解，得到电力电子变压器各端口的广义交直流下垂控制系数，由系数组合进而得到各端口运行策略的优化组合。

进一步，所述步骤S01收集系统的信息包括系统交直流网络的节点、支路数据，系统负荷信息，电力电子变压器参数信息，接入的分布式可再生能源信息。

进一步，所述步骤S02中，交直流端口控制表达式分别为：

α_a,jf+β_a,jP_a,j+γ_a,j＝0 (1)

α_d,iV_d,i+β_d,iP_d,i+γ_d,i＝0 (2)

整合可得整个PET的广义交直流下垂控制表达式为：

其中，α_d,i、β_d,i、γ_d,i(i＝1,2...m)为PET第i个直流端口控制系数，V_d,i、P_d,i分别为该端口电压及有功功率；α_a,j、β_a,j、γ_a,j(j＝1,2...n)为PET第j个交流端口控制系数，P_a,j、f_j分别为该端口有功功率和所连接网络的频率；m为PET直流端口数，n为交流端口数。

进一步，所述步骤S03中的长时间尺度优化模型基于目标函数、交流网络节点功率平衡约束、直流网络节点功率平衡约束、PET自身功率平衡约束、PET端口量约束和广义下垂控制约束建立。

进一步，所述目标函数为：

其中，t为时刻，T为调度周期所划分的单位阶段数；P_grid(t)为从主网流向PET的有功功率；P_d(t)、P_a(t)分别为PET直流端口和交流端口有功功率；P_dg(t)为可再生能源出力，包括光伏和风电。

进一步，所述交流网络节点功率平衡约束为：

其中，

为支路ij流过的复功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

其中，

为交流节点i电压向量，

为节点i流向节点j的电流向量，j为网络中与节点i相连的节点；

为节点i所接的负荷；

为节点i处的可再生能源功率；

为PET端口注入节点i的复功率，若节点i不与PET端口相连，则

为零。

进一步，所述直流网络节点功率平衡约束为

P_dc,l,i(t)+∑P_dc,ij(t)-P_dc,dg,i(t)-P_d,i(t)＝0 (7)

其中，P_dc,ij(t)为支路ij流过的功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

P_dc,ij(t)＝V_dc,i(t)I_dc,ij(t) (8)

其中，V_dc,i(t)表示直流节点i电压；I_dc,ij(t)表示节点i流向节点j的电流，j为网络中与节点i相连的节点；P_dc,l,i(t)为节点i所连接的负荷有功功率；P_dc,dg,i(t)表示节点i处的可再生能源功率；P_d,i(t)为PET端口注入节点i的有功功率，若节点i不与PET端口相连，则P_d,i(t)为零。

进一步，所述PET自身功率平衡约束为：

其中，P_d,i(t)为PET直流端口i有功功率；P_a,j(t)为PET交流端口j有功功率。

进一步，所述PET端口量约束为：

其中，

分别为PET直流端口i电压上下限，

为该端口额定有功功率；

分别为PET交流端口j所连接交流网络的频率上下限，

为该端口额定复功率。

进一步，所述广义下垂控制约束为：

其中，V_d,i(t)为PET第i个直流端口电压，P_d,i(t)为该端口有功功率；

分别为在可再生能源预测值下的直流端口电压及有功功率期望值；ΔV_d,i(t)表示直流电压实际值与期望值的偏差，ΔP_d,i(t)为相应功率偏差；f_j(t)为PET第j个交流端口所连接交流网络的频率，P_a,j(t)为该端口有功功率；

分别表示在可再生能源预测值下的交流端口有功功率及所连接交流网络的频率期望值；Δf_j(t)表示交流网络频率实际值与期望值的偏差，ΔP_a,j(t)为相应交流端口有功功率偏差。

进一步，交直流端口特性均可表示为：

αy+βx+γ＝0 (15)

最终优化结果中，不同于传统控制方法，通过系数组合实现端口的不同控制方式，包括定x控制、定y控制和传统的y-x下垂控制：

1)若α≠0、β＝0、γ≠0，可得斜率为零的下垂控制，实现定x控制；

2)若α＝0、β≠0、γ≠0，可得斜率为无穷大的下垂控制，实现定y控制；

3)若α≠0、β≠0、γ≠0，可实现常规下垂控制；

其中，α、β、γ为控制系数；y表示有功功率，x在不同问题中表示不同的变量，在交流网络中表示频率，在直流网络中表示直流电压。

本发明提出的一种的电力电子变压器运行策略优化组合方法，充分考虑了当前电力电子变压器在系统中应用越来越广泛的实际情况，具有以下优点：

1)改变了传统控制方法同一端口在不进行模式切换的情况下只能运行于某一种控制模式，将传统控制方法的控制模式切换转换为系数调整，可以很灵活地通过系数的设置实现同一端口的多种不同控制方式，适用于当前系统可再生能源大量接入的情况。

2)不是像传统控制方法那样对交直流混联系统的交流侧简单处理为PV或者PQ节点，而是对PET交流端口和直流端口进行统一协调控制，大大提高了系统的电压和频率响应；

3)采用优化的方法进行求解，得到的电力电子变压器运行策略优化组合方案控制下，可以实现系统的安全稳定运行的同时保证系统运行的经济性。

附图说明

图1为含有多端口电力电子变压器的交直流混联网络示意图；

图2为本发明的电力电子变压器运行策略优化组合方法的步骤框图；

图3为本发明的电力电子变压器运行策略优化组合方法中的广义交直流下垂控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

附图1是含有多端口电力电子变压器的交直流混联网络的一个示例的示意图。图1示出的是两台四端口PET连接的交直流混联网络，包括高压交流子网、高压直流子网、低压直流子网、低压交流子网，有两个直流端口，两个交流端口。

附图2是本发明所的电力电子变压器运行策略优化组合方法的步骤框图。本发明提出的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法中，首先收集包括系统交直流网络节点、支路数据，电力电子变压器参数及可再生能源数据在内的系统信息，随后提出一种适用于电力电子变压器各端口协调控制的广义交直流下垂控制方法，通过搭建以从主网购电最少为目标函数的长时间尺度优化模型，采用优化的方法进行求解得到PET各端口的广义交直流下垂控制系数，进而实现电力电子变压器运行策略的优化组合方案，可以同时实现电力电子变压器交直流端口的统一协调控制及各端口的不同控制方式，保证系统的安全性和经济性。

具体步骤如下：

S01：收集系统信息。

S02：根据电力电子变压器端口特点，建立适用于其端口统一协调控制的广义交直流下垂控制模型；

S03：根据收集的系统信息，建立以从主网购电最少，以系统安全稳定运行及广义交直流下垂控制为约束条件的长时间尺度优化模型；

S04：调用相关求解软件对所搭建的长时间尺度优化模型进行求解，得到电力电子变压器各端口的广义交直流下垂控制系数，由系数组合进而得到各端口运行策略的优化组合。

对于步骤S01，需要收集的系统信息包括系统交直流网络的节点、支路数据，系统负荷信息，电力电子变压器参数信息，接入的分布式可再生能源信息等。

对于步骤S02，提出适用于多端口电力电子变压器端口统一协调控制的广义交直流下垂控制模型，具体交直流端口控制表达式分别为：

α_a,jf+β_a,jP_a,j+γ_a,j＝0 (1)

α_d,iV_d,i+β_d,iP_d,i+γ_d,i＝0 (2)

其中，α_a,j、β_a,j、γ_a,j为PET第j个交流端口控制系数，P_a,j、f_j分别为该端口有功功率和所连接网络的频率；α_d,i、β_d,i、γ_d,i为PET第i个直流端口控制系数，V_d,i、P_d,i分别为该端口电压及有功功率。

整合可得整个PET的广义交直流下垂控制表达式为：

其中，α_d,i、β_d,i、γ_d,i(i＝1,2...m)为PET第i个直流端口控制系数，V_d,i、P_d,i分别为该端口电压及有功功率；α_a,j、β_a,j、γ_a,j(j＝1,2...n)为PET第j个交流端口控制系数，P_a,j、f_j分别为该端口有功功率和所连接网络的频率；m为PET直流端口数，n为交流端口数。

对于步骤S03，为使可再生能源充分消纳，目标函数可具体表示为：

其中，t为时刻，T为调度周期所划分的单位阶段数；P_grid(t)为从主网流向PET的有功功率；P_d(t)、P_a(t)分别为PET直流端口和交流端口有功功率；P_dg(t)为可再生能源出力，包括光伏和风电。

在确定目标函数后，相应的模型约束条件包括以下几个方面：

1)交流网络节点功率平衡约束

其中，

为支路ij流过的复功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

其中，

为交流节点i电压向量，

为节点i流向节点j的电流向量，j为网络中与节点i相连的节点；

为节点i所接的负荷；

为节点i处的可再生能源功率；

为PET端口注入节点i的复功率，若节点i不与PET端口相连，则

为零。

2)直流网络节点功率平衡约束

P_dc,l,i(t)+∑P_dc,ij(t)-P_dc,dg,i(t)-P_d,i(t)＝0 (7)

其中，P_dc,ij(t)为支路ij流过的功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

P_dc,ij(t)＝V_dc,i(t)I_dc,ij(t) (8)

其中，V_dc,i(t)表示直流节点i电压；I_dc,ij(t)表示节点i流向节点j的电流，j为网络中与节点i相连的节点；P_dc,l,i(t)为节点i所连接的负荷有功功率；P_dc,dg,i(t)表示节点i处的可再生能源功率；P_d,i(t)为PET端口注入节点i的有功功率，若节点i不与PET端口相连，则P_d,i(t)为零。

3)PET自身功率平衡约束

其中，P_d,i(t)为PET直流端口i有功功率；P_a,j(t)为PET交流端口j有功功率。

4)PET端口量约束

其中，

分别为PET直流端口i电压上下限，

为该端口额定有功功率；

分别为PET交流端口j所连接交流网络的频率上下限，

为该端口额定复功率。

5)广义下垂控制约束

其中，V_d,i(t)为PET第i个直流端口电压，P_d,i(t)为该端口有功功率；

分别为在可再生能源预测值下的直流端口电压及有功功率期望值；ΔV_d,i(t)表示直流电压实际值与期望值的偏差，ΔP_d,i(t)为相应功率偏差；f_j(t)为PET第j个交流端口所连接交流网络的频率，P_a,j(t)为该端口有功功率；

分别表示在可再生能源预测值下的交流端口有功功率及所连接交流网络的频率期望值；Δf_j(t)表示交流网络频率实际值与期望值的偏差，ΔP_a,j(t)为相应交流端口有功功率偏差。

以上即构成了本发明的长时间尺度优化模型，优化模型中包含了核心的广义交直流下垂控制约束。

对于步骤S04，调用相关计算机软件对所提长时间尺度优化模型进行求解，需要注意的是由于模型中含有可再生能源，而可再生能源发电的不确定性使得模型难以用传统的确定性优化方法进行求解，需要用双层优化方法进行求解以得到所需的电力电子变压器运行策略优化组合方案。相关软件如MATLABA及其中的IPOPT工具包等，直接调用即可。经过对模型的求解，得到控制系数α、β和γ。

附图3示出了广义交直流下垂控制原理图。由步骤S02中的广义交直流下垂控制特性，交直流端口特性均可表示为：

αy+βx+γ＝0 (15)

其中，α、β、γ为控制系数；y表示有功功率，x在不同问题中表示不同的变量，在交流网络中表示频率，在直流网络中表示直流电压。

最终优化结果中，不同于传统控制方法，通过系数组合实现端口的不同控制方式，包括定x控制、定y控制和传统的y-x下垂控制：

1)若α≠0、β＝0、γ≠0，可得斜率为零的下垂控制，实现定x控制；

2)若α＝0、β≠0、γ≠0，可得斜率为无穷大的下垂控制，实现定y控制；

3)若α≠0、β≠0、γ≠0，可实现常规下垂控制；

其中，α、β、γ为控制系数；y表示有功功率，x在不同问题中表示不同的变量，在交流网络中表示频率，在直流网络中表示直流电压。

与现有方法相比，本方法充分考虑了电力电子变压器含有多个交直流端口且各端口耦合较强的特点，首先，提出广义交直流下垂控制方法对电力电子变压器交直流端口进行统一协调控制，在此基础上，建立考虑电力电子变压器广义交直流下垂控制的优化模型，通过优化方法求解得到电力电子变压器各端口运行策略的优化组合方案，保证系统的安全稳定运行。本方法中的广义交直流下垂控制可以同时对电力电子变压器交流端口和直流端口进行控制，保证了直流网络电压和交流网络频率的稳定，进而保证系统的安全运行。另一方面，本方法将传统控制方法的模式切换问题转换为了系数调整问题，各端口可通过系数的变换实现多种不同的控制方式，此后可以方便地通过优化的方法求解得到各端口控制系数优化组合，进而得到各端口运行策略的优化组合，适用于当前系统不确定性大大增强的情况，可扩展性强。

Claims (10)

1.一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，包括以下步骤：

S01：收集系统信息；

S02：根据电力电子变压器端口特点，建立适用于其端口统一协调控制的广义交直流下垂控制模型，交直流端口控制表达式分别为：

α_a,jf+β_a,jP_a,j+γ_a,j＝0 (1)

α_d,iV_d,i+β_d,iP_d,i+γ_d,i＝0 (2)

整合可得整个PET的广义交直流下垂控制表达式为：

其中，α_d,i、β_d,i、γ_d,i(i＝1,2...m)为PET第i个直流端口控制系数，V_d,i、P_d,i分别为该端口电压及有功功率；α_a,j、β_a,j、γ_a,j(j＝1,2...n)为PET第j个交流端口控制系数，P_a,j、f_j分别为该端口有功功率和所连接网络的频率；m为PET直流端口数，n为交流端口数；

S03：根据收集的系统信息，建立以从主网购电最少，以系统安全稳定运行及广义交直流下垂控制为约束条件的长时间尺度优化模型；

S04：对所搭建的长时间尺度优化模型进行求解，得到电力电子变压器各端口的广义交直流下垂控制系数，由系数组合进而得到各端口运行策略的优化组合。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述步骤S01收集系统的信息包括系统交直流网络的节点、支路数据，系统负荷信息，电力电子变压器参数信息，接入的分布式可再生能源信息。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述步骤S03中的长时间尺度优化模型基于目标函数、交流网络节点功率平衡约束、直流网络节点功率平衡约束、PET自身功率平衡约束、PET端口量约束和广义下垂控制约束建立。

4.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述目标函数为：

其中，t为时刻，T为调度周期所划分的单位阶段数；P_grid(t)为从主网流向PET的有功功率；P_d(t)、P_a(t)分别为PET直流端口和交流端口有功功率；P_dg(t)为可再生能源出力，包括光伏和风电。

5.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述交流网络节点功率平衡约束为：

其中，

为支路ij流过的复功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

其中，

为交流节点i电压向量，

为节点i流向节点j的电流向量，j为网络中与节点i相连的节点；

为节点i所接的负荷；

为节点i处的可再生能源功率；

为PET端口注入节点i的复功率，若节点i不与PET端口相连，则

为零。

6.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述直流网络节点功率平衡约束为

P_dc,l,i(t)+∑P_dc,ij(t)-P_dc,dg,i(t)-P_d,i(t)＝0 (7)

其中，P_dc,ij(t)为支路ij流过的功率，以流出节点i为正，具体可表示为：

P_dc,ij(t)＝V_dc,i(t)I_dc,ij(t) (8)

其中，V_dc,i(t)表示直流节点i电压；I_dc,ij(t)表示节点i流向节点j的电流，j为网络中与节点i相连的节点；P_dc,l,i(t)为节点i所连接的负荷有功功率；P_dc,dg,i(t)表示节点i处的可再生能源功率；P_d,i(t)为PET端口注入节点i的有功功率，若节点i不与PET端口相连，则P_d,i(t)为零。

7.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述PET自身功率平衡约束为：

其中，P_d,i(t)为PET直流端口i有功功率；P_a,j(t)为PET交流端口j有功功率。

8.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述PET端口量约束为：

其中，

分别为PET直流端口i电压上下限，

为该端口额定有功功率；

分别为PET交流端口j所连接交流网络的频率上下限，

为该端口额定复功率。

9.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，所述广义下垂控制约束为：

其中，V_d,i(t)为PET第i个直流端口电压，P_d,i(t)为该端口有功功率；

分别为在可再生能源预测值下的直流端口电压及有功功率期望值；ΔVd,i(t)表示直流电压实际值与期望值的偏差，ΔP_d,i(t)为相应功率偏差；f_j(t)为PET第j个交流端口所连接交流网络的频率，P_a,j(t)为该端口有功功率；

分别表示在可再生能源预测值下的交流端口有功功率及所连接交流网络的频率期望值；Δf_j(t)表示交流网络频率实际值与期望值的偏差，ΔP_a,j(t)为相应交流端口有功功率偏差。

10.根据权利要求5所述的一种电力电子变压器运行策略优化组合方法，其特征在于，交直流端口特性均可表示为：

αy+βx+γ＝0 (15)

最终优化结果中，不同于传统控制方法，通过系数组合实现端口的不同控制方式，包括定x控制、定y控制和传统的y-x下垂控制：

1)若α≠0、β＝0、γ≠0，可得斜率为零的下垂控制，实现定x控制；

2)若α＝0、β≠0、γ≠0，可得斜率为无穷大的下垂控制，实现定y控制；

3)若α≠0、β≠0、γ≠0，可实现常规下垂控制；

其中，α、β、γ为控制系数；y表示有功功率，x在不同问题中表示不同的变量，在交流网络中表示频率，在直流网络中表示直流电压。

Images