CN110011298B

CN110011298B - 一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略

Info

Publication number: CN110011298B
Application number: CN201810744102.2A
Authority: CN
Inventors: 刘一琦
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: CN110011298A

Abstract

本发明公布了一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，属于分布式发电微网技术领域。其针对微网大规模接入的多微网群系统，通过结合分层控制结构采用VSG控制技术整理微网层的外特性，此控制结构用于实现微网群系统的自治；针对含多个微网群的配电系统，提出引入SNOP技术解决复杂系统能量互供互济和组态重构的问题，避免系统由于不确定性因素过多而引起的波动问题。提出新型的下垂控制策略，仅需要基于局部信息对斜率修正系数进行调整，便可通过SNOP实现分散式控制，简化其控制结构；其分析多微网群系统的经济效益问题，通过对配网自律空间计划运行方案的制定，提出利用SNOP装置优化微网群自治运行区间提升系统的运行的可靠性和经济性。

Description

一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略

技术领域

本发明属于分布式发电微网技术领域，特别涉及一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略。

背景技术

世界经济的加速增长、城市化进程的快速发展以及人口的增长，造成全球能源需求总量迅速增加；与此同时，煤、石油等化石能源的大量开发与使用，造成了温室气体大量排放和环境污染等环境问题日趋突出。为了减少污染，持续发展清洁能源，以清洁能源为主体的分布式能源接入将成为现代电网的一种重要选择。同时，微网也被认为是集成分布式能源接入配电网的有效方式之一。

能源和主动负荷的大量接入，间歇性、波动性、不确定性激增。这需要快速预测、快速控制；新的“源”和“荷”和传统的“源”和“荷”之间的差异性很大，前者在空间分布、对外界的变化响应等方面都面临着亟待解决的问题，这些问题和挑战给微网、微网群与配电网在时间、空间和控制对象之间的协调创造了条件。微网群作为分布式发电网络的一个全新概念，立足于微网，将地理位置上毗邻的微网、分布式发电系统互连，构成一个微网群集系统,通过群内的各个子微网之间的能量调度和互济，来增强彼此之间的供电可靠性，进一步提高分布式电源的渗透率。

已有研究方法对微网的分层结构和微电源控制层的虚拟同步发电机技术进行了较为深入的剖析，然而对分层结构中微网控制层的虚拟同步发电机技术研究较少，尚存以下关键问题需要进一步深入研究：(1)基于分层控制结构的微网中分布式电源的出力存在较大的不确定性，并且负荷的频繁投切也会造成微网的功率波动，因此研究增大系统惯性,降低电压和频率的波动对提高微网供电质量至关重要；(2)微网中光伏电池和蓄电池等非发电机类发电微电源占据很大比例，这使得整个微网的惯量较小，进而微电网的稳定性较弱。虽然如今已有研究将交直流混合微网的分级控制拓展到微网群的控制，但是由于不同微网的控制目标外特性的差异性、分布式发电的不确定性和负荷的波动性等因素影响，实现群集的分散式协调控制还有待研究。

发明内容

本发明的目的是建立一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，包括如下步骤：

1)针对微网大规模接入的多微网群系统，通过结合分层控制结构采用VSG控制技术整理微网层的外特性，此控制结构用于实现微网群系统的自治。

2)针对含多个微网群的配电系统，提出引入SNOP技术解决复杂系统能量互供互济和组态重构的问题，避免系统由于不确定性因素过多而引起的波动问题。提出新型的下垂控制策略，仅需要基于局部信息对斜率修正系数进行调整，便可通过SNOP实现分散式控制，简化其控制结构。

3)分析多微网群系统的经济效益问题，通过对配网自律空间计划运行方案的制定，提出利用SNOP装置优化微网群自治运行区间提升系统的运行的可靠性和经济性。

步骤1)首先针对微电网结构和组成成分不同，结合VSG理论构建微网的控制模型，并分析来自分布式能源并网、多种类型负荷所引入的不确定性波动，目的是有效的描述微网的运行特征，完善不同结构微网对微网群的影响，为微网群在配电系统中的可靠运行提供完备的模型结构。

步骤3)首先针对微网群的收益函数，提出系统的网络拓扑、有功功率、无功功率、运行电压和支路电流的约束条件；建立系统各节点的电压幅值、支路馈线间SNOP的开关状态、SNOP传输的有功功率和发出的无功功率等变量与约束条件之间的数学模型，构建微网群系统间的协调调度模型。

从以上技术方案，本发明具有以下优点：

将VSG技术应用到微网群的控制中，实现下层控制外特性的统一化属于方法上的创新，为有效解决微网群复杂控制问题提供了新的思路。

将SNOP技术运用到微网群系统中，实现微网群的重构和相邻微网能量的传送控制，打破了传统联络开关的单一不可调节特性，为可再生能源大量涌入电网提供了新的理论研究基础和解决方法。

首次从能量传送的控制角度去研究含SNOP的微网群系统，突破了传统的单一从优化角度去讨论加入SNOP之后的调度问题，为智能配电网环境下的微网群运行控制提供了新的方案和角度。

从理论上为含微网群的系统运行和规划提供了新的平台，有利于促进新能源领域、控制领域以及微网领域相关学科的发展。

附图说明

图1是一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略示意框图；

图2是含SNOP的可重构微网群系统分散式控制结构图；

图3是功率交换示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的技术方案，提供一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，如图1所示，包括如下步骤：

1、基于VSG技术的自治型微网群系统的协调控制

1.1建立逆变器的虚拟同步发电机模型

同步发电机所包含的不同阶次的数学模型可以实现不同类型的VSG，虽然高阶次的数学模型更具理论研究价值，但是对于微网系统中存在的变换器控制来说，优势并不明显，并且实现过程比较复杂。因此选用二阶经典模型，同时建立逆变器与同步发电机机电模型的对应关系。

式中，M_f为互感系数，i_f为励磁电流，θ为转子角度。

式中，T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，ω为实际电气角速度，ω_ref为额定电角速度，θ₁为电角度，D为阻尼系数，J为同步发电机的转动惯量。

1.2不同类型微源的VSG参数设计

新能源并网发电系统中，可再生能源利用率越高，系统的综合成本越低。因此，当负荷在可再生能源机组调节范围之内时，负荷优先由可再生能源机组分担，根据各机组的综合发电成本确定VSG的有功出力目标函数及下垂系数，使各个机组合理分配有功出力，同时设置较大的转动惯量来减缓微网的频率变化。当负荷超出可再生能源机组的调节范围时，多余的能量由储能机组补偿或吸收，储能机组应设置较小的转动惯量来使频率迅速恢复至电网频率允许偏差范围之内。

1.3结合分层控制结构设计微网VSG运行控制

首先，分析微网VSG控制的有功调节，根据机械转矩的计算调节有功功率输出，并且考虑电网中受不确定因素影响产生的频率波动偏差，因此对偏差指令进行校正，用于提高并网逆变器对频率波动抑制的能力。其次，确定无功调节部分的虚拟电势来调节机端电压和无功功率两个控制量，虚拟电势由空载电势、无功调节部分电势和机端电压调节部分电势组成，通过上述三部分电势的动态调节可以分别实现对无功功率的跟踪补偿和配电网电压偏差的调节。

1.4对控制系统进行稳定性分析

由于系统中参数的摄动会对控制系统有一定的稳定影响，因此首先选取虚拟同步发电机的同步电感和电阻等参数作为摄动量，建立VSG控制系统的小信号模型，通过传递函数方程和稳定性分析原理分析参数在合理范围内变化对控制系统的极点走势的影响，如参数变化影响到系统的稳定性需要进一步设计系统参数，给定参数取值范围，保证系统稳定运行。最后对系统中阻尼和惯量参数进行整定，以确保有效应对并网系统的不确定性因素影响。

2、对基于SNOP技术的可重构微网群系统能量互补分散式控制的研究

本发明采用智能软开关(SNOP)技术，实现系统的重构，结合新型的下垂系数调节方法对能量分配的控制问题进行解决，提高微网群系统整体的稳定运行，含SNOP的可重构微网群系统分散式控制结构如图2所示，具体方案如下：

2.1明确两个微网群之间的耦合和隔离情况

第一步，定义第i个微网群的频率范围，公式如下所示：

f_MGs-i<f_min+λ(f_max-f_min) (5)

第二步，确定第i个微网群的容量范围，公式如下所示：

假设λ＝0.1时，必须保证微网群i中未使用的容量大于微网群i总容量的10％，否则定义其过负荷运行，此时，控制器向SNOP发出指令停止两个微网群之间的能量传输，避免过负荷引起另一个微网群的容量不足。

第三步，在前两个步骤基础上结合研究提出的基于VSG控制技术整理微网层对微网群的统一外特性，计算微网群n的等效的下垂系数m_MGs-i，最终确定微网群n的频率范围。

第四步，当SNOP处于导通状态，两个微网群形成了相互耦合的系统，功率经SNOP双向流动，当SNOP上流经过的功率满足下式时，则表明微网群i获得了从另一个微网群输送的能量。反之，则表明不再需求功率的传输，两个微网群可以处于隔离状态。

2.2采用分散式控制的多微网群系统运行模式

运行模式的目的是解决相邻微网群之间功率级的能量分配问题，在多微网群系统的分散式控制中包含三种运行模式，具体如下：

1)互联互供模式

在微网群系统中，与SNOP邻近的两个网群形成联接互供状态，则要求具有冗余容量的网群向其余要求提供能量的网群输送能量，实现这一模式的运行首先要定义功率分配比例与微网群的等效下垂参数成反比，再根据两不同微网群的下垂参数定义其斜率修正系数，最后推导出联接互供模式下的下垂修正系数如下式所示：

2)消除暂态冲击模式

SNOP在运行过程中主要作用是实现功率互动的控制，准确切换系统运行模式，通过恰当的斜率修正系数调整功率分配容量的大小，同时还要考虑调节过程中SNOP支路的功率损耗，如果将其降低到接近0时会有效的避免微分项引起的暂态跳变。当系统中微网群i的发电量大于负荷容量时，通过公式(8)进行判断，切换到分散式控制系统中的模式2)，提高下垂系数，减低发电量，同时通过调节斜率修正系数逐渐的降低P_SNOP直至损耗接近于0。此时斜率修正系数如下所示：

3)网群隔离模式

当P_SNOP控制到0时，SNOP切换到断开状态，此时在没有暂态冲击的情况下实现两个微网群之间隔离，此时斜率修正系数为1。

2.3计算斜率修正系数

斜率修正系数λ是通过单一方向低带宽通讯系统去调节微网群系统控制的下垂系数，根据上述系统运行模式确定SNOP开断状态，针对不同模式分别计算其斜率修正系数，最终将其发送到每个微网群过负荷运行的子微网中，实现系统稳定可靠控制。

2.4SNOP介入后对系统的稳定性分析

与传统联络开关相比，SNOP可以准确控制其所传输的有功功率和无功功率，调节其两端馈线上的负载比重，平衡馈线之间的负荷；采用B2B结构的SNOP由于直流电容的存在，可以实现SNOP两侧交流电压的解耦，准确控制交流侧端电压，改善馈线的电压水平；同时，SNOP的运行和控制不涉及倒闸操作、合环电流冲击等问题，能够提高配电系统的稳定性。

3、对于采用自律空间技术的微网群系统运行策略的研究

3.1构建可重构微网群系统的自律空间优化模型

为了构建含微网群配电系统的自律性空间运行计划优化模型，首先要确定系统的优化背景和优化角度，然后对其进行深入分析，其具体步骤为：

1)在典型日内，根据各微网群和区域负荷的历史信息，按照功率-时间特性划分具有代表性的时间场景。各微网群根据自身特性上报各时间场景下日发用电预测区间。假设微网群i上报的场景△t内预测运行区间为A＝[P_a ⁱ,P_b ⁱ]，实际运行区间为A'＝[P_a'ⁱ,P_b'ⁱ]，两区间加急部分的持续时间为△t'，区间置信度为α。

A_i为微网群i的置信度考核结果。

式中，m和n分别代表日数和每日场景数。在配网可分配资源有限时，配电系统根据各微网群的置信度考核结果对各微网群发用电权力进行排序。

2)配电管理系统根据各微网群运行状态、系统各节点的电压幅值、支路馈线间SNOP的开关状态、SNOP传输的有功功率和发出的无功功率等，预估配电网可分配的有功区间。

3)配电系统根据各微网群预测运行区间、置信度评估结果及预估的配电网可分配有功区间制定并下发自律性空间计划，如图3所示，P_i微网群i的净发电诉求，P_i,j为微网群i期望与微网群j交换的功率，线路损耗功率为P_Z，SNOP的传输功率为P_SNOP。图所示的微网群间交换功率为：

若P_1,2＝P_2,1，则双方期望目标无冲突。通过SNOP调节的微网群之间的交换功率，使得微网群在更大范围内按自治方式运行。

若P_1,2≠P_2,1，则优化目标为：

式中，P_g1,2＝[P_1,2,P_2,1]，F为不一致程度函数。

优化模型为：

式中，G_n(X)＝0为潮流方程约束，H_n(X)＝0为控制变量及函数的不等式约束条件，ε∈[ε_min,ε_max]为目标满意阈值区间。

Claims

1.一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，其特征在于，包括如下步骤：

1)针对微网大规模接入的多微网群系统，通过结合分层控制结构采用VSG控制技术整理微网层的外特性，此控制结构用于实现微网群系统的自治；

2)针对含多个微网群的配电系统，提出引入SNOP技术解决复杂系统能量互供互济和组态重构的问题，避免系统由于不确定性因素过多而引起的波动问题；提出新型的下垂控制策略，仅需要基于局部信息对斜率修正系数进行调整，便可通过SNOP实现分散式控制，简化其控制结构；

3)分析多微网群系统的经济效益问题，通过对配网自律空间计划运行方案的制定，提出利用SNOP装置优化微网群自治运行区间提升系统的运行的可靠性和经济性；

选用二阶经典模型，同时建立逆变器与同步发电机机电模型的对应关系：

式中，M_f为互感系数，i_f为励磁电流，θ为转子角度；

式中，T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，ω为实际电气角速度，ω_ref为额定电角速度，θ₁为电角度，D为阻尼系数，J为同步发电机的转动惯量；

当负荷在可再生能源机组调节范围之内时，负荷优先由可再生能源机组分担，根据各机组的综合发电成本确定VSG的有功出力目标函数及下垂系数，使各个机组合理分配有功出力，同时设置大的转动惯量来减缓微网的频率变化；当负荷超出可再生能源机组的调节范围时，多余的能量由储能机组补偿或吸收，储能机组应设置小的转动惯量来使频率迅速恢复至电网频率允许偏差范围之内；

结合分层控制结构设计微网VSG运行控制：首先，分析微网VSG控制的有功调节，根据机械转矩的计算调节有功功率输出，并且考虑电网中受不确定因素影响产生的频率波动偏差，因此对偏差指令进行校正，用于提高并网逆变器对频率波动抑制的能力；其次，确定无功调节部分的虚拟电势来调节机端电压和无功功率两个控制量，虚拟电势由空载电势、无功调节部分电势和机端电压调节部分电势组成，通过上述三部分电势的动态调节可以分别实现对无功功率的跟踪补偿和配电网电压偏差的调节；

由于系统中参数的摄动会对控制系统有一定的稳定影响，因此首先选取虚拟同步发电机的同步电感和电阻参数作为摄动量，建立VSG控制系统的小信号模型，通过传递函数方程和稳定性分析原理分析参数在合理范围内变化对控制系统的极点走势的影响，如参数变化影响到系统的稳定性需要进一步设计系统参数，给定参数取值范围，保证系统稳定运行；最后对系统中阻尼和惯量参数进行整定，以确保有效应对并网系统的不确定性因素影响；

采用智能软开关SNOP技术，实现系统的重构，结合下垂系数调节方法对能量分配的控制问题进行解决，提高微网群系统整体的稳定运行，具体方案如下：

(1)明确两个微网群之间的耦合和隔离情况

第一步，定义第i个微网群的频率范围，公式如下所示：

f_MGs-i<f_min+λ(f_max-f_min) (5)

第二步，确定第i个微网群的容量范围，公式如下所示：

假设λ＝0.1时，必须保证微网群i中未使用的容量大于微网群i总容量的10％，否则定义其过负荷运行，此时，控制器向SNOP发出指令停止两个微网群之间的能量传输，避免过负荷引起另一个微网群的容量不足；

第三步，在前两个步骤基础上结合基于VSG控制技术整理微网层对微网群的统一外特性，计算微网群n的等效的下垂系数m_MGs-i，最终确定微网群n的频率范围；

第四步，当SNOP处于导通状态，两个微网群形成了相互耦合的系统，功率经SNOP双向流动，当SNOP上流经过的功率满足式(8)时，则表明微网群i获得了从另一个微网群输送的能量；反之，则表明不再需求功率的传输，两个微网群可以处于隔离状态；

(2)采用分散式控制的多微网群系统运行模式

1)互联互供模式

2)消除暂态冲击模式

SNOP在运行过程中主要作用是实现功率互动的控制，准确切换系统运行模式，通过恰当的斜率修正系数调整功率分配容量的大小，同时还要考虑调节过程中SNOP支路的功率损耗，如果将其降低到接近0时会有效的避免微分项引起的暂态跳变；当系统中微网群i的发电量大于负荷容量时，通过公式(8)进行判断，切换到分散式控制系统中的模式2)，提高下垂系数，减低发电量，同时通过调节斜率修正系数逐渐的降低PSNOP直至损耗接近于0；此时斜率修正系数如下所示：

3)网群隔离模式

当PSNOP控制到0时，SNOP切换到断开状态，此时在没有暂态冲击的情况下实现两个微网群之间隔离，此时斜率修正系数为1；

(3)计算斜率修正系数

斜率修正系数λ是通过单一方向低带宽通讯系统去调节微网群系统控制的下垂系数，根据上述系统运行模式确定SNOP开断状态，针对不同模式分别计算其斜率修正系数，最终将其发送到每个微网群过负荷运行的子微网中，实现系统稳定可靠控制；

构建可重构微网群系统的自律空间优化模型：为了构建含微网群配电系统的自律性空间运行计划优化模型，首先要确定系统的优化背景和优化角度，然后对其进行深入分析，其具体步骤为：

1)在典型日内，根据各微网群和区域负荷的历史信息，按照功率-时间特性划分具有代表性的时间场景；各微网群根据自身特性上报各时间场景下日发用电预测区间；假设微网群i上报的场景△t内预测运行区间为A＝[P_a ⁱ,P_b ⁱ]，实际运行区间为A'＝[P_a'ⁱ,P_b'ⁱ]，两区间加急部分的持续时间为△t'，区间置信度为α；

Ai为微网群i的置信度考核结果；

式中，m和n分别代表日数和每日场景数；在配网可分配资源有限时，配电系统根据各微网群的置信度考核结果对各微网群发用电权力进行排序；

2)配电管理系统根据各微网群运行状态、系统各节点的电压幅值、支路馈线间SNOP的开关状态、SNOP传输的有功功率和发出的无功功率，预估配电网可分配的有功区间；

3)配电系统根据各微网群预测运行区间、置信度评估结果及预估的配电网可分配有功区间制定并下发自律性空间计划，P_i微网群i的净发电诉求，P_i,j为微网群i期望与微网群j交换的功率，线路损耗功率为P_Z，SNOP的传输功率为P_SNOP；微网群间交换功率为：

若P_1,2＝P_2,1，则双方期望目标无冲突；通过SNOP调节的微网群之间的交换功率，使得微网群在更大范围内按自治方式运行；

若P_1,2≠P_2,1，则优化目标为：

式中，P_g1,2＝[P_1,2,P_2,1]，F为不一致程度函数；

优化模型为：

式中，Gn(X)＝0为潮流方程约束，Hn(X)＝0为控制变量及函数的不等式约束条件，ε∈[ε_min,ε_max]为目标满意阈值区间。

2.根据权利要求1所述的一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，其特征在于，步骤1)首先针对微电网结构和组成成分不同，结合VSG理论构建微网的控制模型，并分析来自分布式能源并网、多种类型负荷所引入的不确定性波动，目的是有效的描述微网的运行特征，完善不同结构微网对微网群的影响，为微网群在配电系统中的可靠运行提供完备的模型结构。

3.根据权利要求1所述的一种构建自治型可重构微网群系统的运行控制策略，其特征在于，步骤3)首先针对微网群的收益函数，提出系统的网络拓扑、有功功率、无功功率、运行电压和支路电流的约束条件；建立系统各节点的电压幅值、支路馈线间SNOP的开关状态、SNOP传输的有功功率和发出的无功功率等变量与约束条件之间的数学模型，构建微网群系统间的协调调度模型。