CN110198053B - 一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法及系统，包括：集中优化控制步骤：预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力；获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值；以网络损耗最小为目标，建立微电网电压优化控制模型，并通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值；就地电压控制步骤：根据获得的调压设备各时刻在并网点的电压值及对应的最优功率值，基于分段线性拟合方法生成各调压设备的就地电压控制曲线，基于该曲线集中控制各调压设备对应的有功和无功功率。本公开基于分段线性拟合方法实现了对就地电压控制曲线的修正，可快速高效的解决微电网的电压越限问题，确保了微电网的优化运行。

Description

一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法及系统
技术领域
本公开涉及微电网电压控制技术领域，特别是涉及一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法及系统。
背景技术
为解决化石能源枯竭、环境污染等问题，越来越多的可再生能源(renewableenergy resources,RES)以分布式电源(distributed generation,DG)的形式接入电网，使传统的配电网由被动变为主动。同时，作为集中管控DG的有效手段，微电网技术受到了广泛的关注。通过对微电网中DG的调节与控制，可有效降低电能损耗，改善电压水平，提高电网经济效益和环境效益，实现微电网的优化运行。
DG的接入为电网带来了更多的可控性和灵活性，但其出力的波动性和不确定性会对电网的运行控制和供电可靠性产生影响，引起电压越限等安全问题。传统的集中式电压优化控制方法较大程度依赖于电网通信的要求，难以应用于实时电压控制；传统的就地电压控制方法依据确定的规则进行功率调节，控制效果难以保证。为此，在微电网电压控制方法的研究中，应综合考虑微电网的电压控制效果和电网通信需求，在确保控制快速可靠的同时实现微电网的安全经济运行。
发明人在研究中发现，目前，关于微电网的实时电压控制方法存在以下问题：
(1)集中式和部分分布式电压控制较大程度上依赖于电网通信要求，控制周期长且可靠性受通信影响，难以满足实时控制要求；
(2)就地电压控制方法中控制曲线按某一规则给定，难以适应于电网参数和DG功率的变化，电压控制效果较差；
(3)微电网中有功对电压的影响较无功更为显著，缺乏对部分调压设备有功和无功功率的协调控制。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，基于最优潮流理论求解不同电压水平下的最优功率散点，并通过分段线性拟合方法得到修正的就地电压控制曲线，实现了微电网电压控制效果和通信需求的协调。
本说明书实施方式提供一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，通过以下技术方案实现：
包括：
集中优化控制步骤：预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力；
基于常规潮流计算获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值；
以网络损耗最小为目标，建立微电网电压优化控制模型，并通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值；
就地电压控制步骤：根据获得的调压设备各时刻在并网点的电压值及对应的最优功率值，基于分段线性拟合方法生成各调压设备的就地电压控制曲线，基于该曲线集中控制各调压设备对应的有功和无功功率。
本说明书实施方式提供一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制系统，通过以下技术方案实现：
包括：
微电网集中控制器，被配置为：预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力；
基于常规潮流计算获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值；
以网络损耗最小为目标，建立微电网电压优化控制模型，并通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值；
就地控制器，被配置为：根据微电网集中控制器获得的调压设备各时刻在并网点的电压值及对应的最优功率值，基于分段线性拟合方法生成各调压设备的就地电压控制曲线，基于该曲线控制各调压设备对应的有功和无功功率。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开仅通过一次集中式优化计算就可得到微电网一小时内的电压控制曲线，大大降低了对电网通信设施的依赖和需求。
(2)本公开基于分段线性拟合方法实现了对就地电压控制曲线的修正，可快速高效的解决微电网的电压越限问题，确保了微电网的优化运行。
(2)本公开提出了Q(V)与P(V)相结合的电压控制曲线用于SL的就地电压控制策略，可实现有功功率和无功功率的协调控制。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1本公开实施例子提供的微电网电压控制框架图；
图2本公开实施例子提供设计方案流程图；
图3本公开实施例子提供的可控负荷数学模型示意图；
图4本公开实施例子提供的传统就地电压控制曲线图；
图5本公开实施例子提供的EU-16节点微电网算例图；
图6本公开实施例子提供的不同控制方法下微电网电压水平对比图；
图7(a)-图7(d)本公开实施例子提供的微电网典型光伏发电单元就地电压控制曲线图；
图8(a)-图8(b)本公开实施例子提供的微电网可控负荷就地电压控制曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分:DG：分布式电源，PV：光伏发电单元，SL：可控负荷，LC：就地控制器。
实施例子一
该实施例公开了一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，参见附图1所示，为微电网电压控制方法的控制框架，包括：集中优化控制和就地电压控制两个步骤，集中优化控制步骤：预测未来一小时内光伏发电单元PV的分钟级有功出力，基于常规潮流和最优潮流方法计算得到PV和SL的电压值和功率值；
就地电压控制步骤：根据电压—功率散点，基于曲线拟合方法得到电压控制曲线，并根据量测电压进行分钟级的实时调节。
在具体实施例子中，参见附图2所示，集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，包括以下步骤：
(1)基于功率预测技术，预测一小时内微电网中PV分钟级有功出力；
(2)基于常规潮流计算方法，得到各时刻光伏发电单元PV和可控负荷SL在并网点的电压值；
(3)以预测时域内总网络损耗最小为目标，考虑PV出力约束、可控负荷出力约束、网络潮流约束和节点电压约束，建立微电网电压优化控制模型，并求解优化问题得到各时刻PV和SL的最优功率值；
(4)将PV和SL节点电压值和功率值一一对应，基于分段线性拟合方法，对于PV生成Q(V)控制曲线，对于SL生成P(V)与Q(V)相结合的控制曲线，通过调节有功或无功功率来实现微电网实时电压控制。
在具体实施例子中，调压设备仅包括光伏单元和可控负荷。光伏单元是分布式电源的一种，而可控负荷与分布式电源相互独立，仅作为一种电压调节手段。
在一实施例子中，可控负荷数学模型参见附图3所示。
其中，前述步骤(1)中，采用的功率预测技术在时间尺度上为超短期预测，预测误差在10％以内。本公开实施例子中PV预测值由实际值叠加预测误差给出，假定预测误差服从均值为0.1kW，方差为6kW的正太分布。
由于实施例中的DG仅考虑了PV，微电网仅考虑PV出力不确定性对电压控制的影响，因此只预测PV的分钟级有功出力，不进行负荷的预测。
具体的，根据实际天气情况，预测光伏发电单元(photovoltaic,PV)在t时刻的有功功率，时间间隔为1分钟，即t＝1,2…60。
前述步骤(2)中，PV运行在单位功率因数模式，不发出无功功率；SL的有功功率和无功功率不可调。由于PV和SL不可调节，PV出力的波动性可能会引起电压越限问题，通过常规潮流计算可得到各时刻PV和SL的节点电压范围。
常规潮流计算指PV和SL不进行电压控制情况下的微电网潮流计算，即PV不进行无功调节，SL的有功和无功功率为确定值。采用电力系统中的牛顿—拉夫逊法求解潮流方程，基于PV预测功率对微电网进行潮流计算，由潮流计算结果得到t时刻PV和SL并网点电压值Vi,t。
前述步骤(3)中，以微电网总网损最小为目标，考虑DG出力约束、可控负荷SL出力约束、网络潮流约束和节点电压约束，建立微电网电压优化控制模型。优化模型的目标函数为：
Figure GDA0002725723410000061
式中，f为一小时内微电网的总损耗；T＝60为一小时分钟数；n为微电网节点数；Gij为节点导纳矩阵的实部；θij,t为t时刻节点i和节点j的相角差。
优化模型中需要满足的约束条件如下：
1)潮流约束
Figure GDA0002725723410000062
式中，PPVi,t、PSLi,t、PTi,t和PLi,t分别为t时刻接入节点i的PV有功功率、SL有功功率、上级配电网有功功率和有功负荷；QPVi,t、QSLi,t、QTi,t和QLi,t分别为t时刻接入节点i的PV无功功率、SL无功功率、上级配电网无功功率和无功负荷；Bij为节点导纳矩阵的虚部；Vi,t为t时刻节点i的电压幅值。
2)节点电压约束
Vmin≤Vi,t≤Vmax
式中，Vmin和Vmax分别为配电网电压的下限值和上限值，其数值分别为0.94p.u.和1.06p.u.。
3)PV运行约束
Figure GDA0002725723410000071
式中，PFPV为PV并网点的功率因数，QPV为PV输出的无功功率，SPV为逆变器的容量。
4)SL运行约束
Figure GDA0002725723410000072
式中，VC、VNC和VES分别为SL并网点电压、负荷端电压和逆变器端电压；θC、φNC和θES分别为SL并网点电压、负荷端电压和逆变器端电压对应的相位角；PSL和QSL分别为SL的有功和无功功率；PNC为恒阻抗负荷的有功功率；QES和QNC分别为逆变器和负荷的无功功率。可控负荷的数学模型如图3所示，各物理量与图中的标注相对应。
前述步骤(3)中，对于所建立的优化模型，求解优化问题并得到调压设备最优功率值的具体方法为：所建立数学模型对应的优化问题为连续非线性规划问题，采用通用数学模型系统(general algebraic modeling system,GAMS)优化软件进行求解，得到PV和SL对应的最优有功功率值Pi,t和无功功率值Qi,t。
前述步骤(4)，基于分段线性拟合的方法，将Vi,t和Pi,t或Qi,t的值一一对应，将一一对应的电压—功率散点拟合生成电压控制曲线，包括就地Q(V)控制曲线和P(V)控制曲线。PV和SL基于就地的电压量测信息，依据改进的就地电压控制曲线控制对应的有功和无功功率，控制间隔为1分钟。
在具体实施例中，PV仅考虑无功功率的调节，采用电压—无功(Q(V))曲线进行控制；SL同时考虑有功功率和无功功率的调节，采用电压—有功(P(V))曲线和Q(V)曲线共同控制。
将本公开所提出的微电网电压控制方法与不进行电压控制相比较，验证其在解决电压越限问题上的有效性；将本公开所提方法与传统电压控制方法相比较，验证其在电压控制效果方面的优越性。所有仿真分析在EU-16节点微电网上进行，网络结构如图4所示，其中微型燃气轮机和储能单元的调度结果由日前无功计划给定，功率预测时段为14:00-15:00，PV的额定功率为70kW，SL1和SL2的额定功率分别为15kW和30kW，传统电压控制方法的电压控制曲线如图5所示。
不同电压控制方法下微电网电压水平的最大值如图6所示。在不进行电压控制的情况下，由于PV出力的波动性和不确定性，导致微电网出现电压越上限的情况，影响了电网的安全运行。本公开所提方法和传统电压控制方法都成功将电压水平控制在安全运行范围内，保证了微电网的安全运行。不进行电压控制、传统电压控制和本公开所提控制方法下，微电网的网络损耗分别为1044kWh、545kWh和461kWh，本公开所提方法在解决电压越限问题的前提下大大减小了微电网的网损，优化了电压控制效果。此外，本公开所提微电网电压控制方法几乎不需要进行信息的通讯，提高了电压控制的可靠性。
本公开所提方法下PV和SL的就地电压控制曲线分别如图7(a)-图7(d)和图8(a)-图8(b)所示。与传统电压控制曲线相比，本公开所提的方法根据电网的线路负荷参数以及实际运行情况对PV和SL的电压控制曲线进行了修正，因此两者曲线的形状有较大差异。结果表明，修正后的就地电压控制策略有效解决了电压越限问题，在保证电压控制效果的同时大大减小电网通信需求，同时可以实现SL有功功率和无功功率的协调控制。
实施例子二
该实施例子公开了一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制系统，包括：微电网集中控制器及若干就地控制器。
具体的，微电网集中控制器(microgrid central controller,MGCC)预测未来一小时内光伏发电单元PV的分钟级有功出力，基于常规潮流和最优潮流方法计算得到DG的电压值和功率值，将电压—功率散点并传递给各就地控制器(local controller,LC)；LC接收电压—功率散点，基于曲线拟合方法得到电压控制曲线，并根据量测电压进行分钟级的实时调节。
在该实施例子中，微电网集中控制器及各就地控制器所实现的具体技术过程参见实施例子一中的相关集中控制步骤及就地控制步骤。此处不再详细说明。
实施例子三
该实施例子公开了一种微电网，所述微电网与实施例子二中的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制系统相连，利用所述控制系统实现对微电网中的调压设备功率控制。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，包括：
集中优化控制步骤：预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力；
基于常规潮流计算获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值；
以网络损耗最小为目标，建立微电网电压优化控制模型，并通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值；
就地电压控制步骤：根据获得的调压设备各时刻在并网点的电压值及对应的最优功率值，基于分段线性拟合方法生成各调压设备的就地电压控制曲线，基于该曲线集中控制各调压设备对应的有功和无功功率；
所述微电网调压设备包括光伏发电单元及可控负荷；
所述光伏发电单元PV仅考虑无功功率的调节，采用电压—无功曲线进行控制；所述可控负荷SL同时考虑有功功率和无功功率的调节，采用电压—有功曲线和电压—无功曲线共同控制。
2.如权利要求1所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力时，光伏发电单元预测值由实际值叠加预测误差给出。
3.如权利要求1所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值的前提是：微电网调压设备不进行电压控制情况下的微电网潮流计算，即光伏发电单元PV不进行无功调节，可控负荷SL的有功和无功功率为确定值。
4.如权利要求1所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，所述微电网电压优化控制模型，以微电网总网损最小为目标，考虑分布式电源DG出力约束、可控负荷SL出力约束、网络潮流约束和节点电压约束。
5.如权利要求1所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值：将所建立数学模型对应的优化问题为连续非线性规划问题，采用通用数学模型系统进行求解，得到光伏发电单元PV和可控负荷SL对应的最优有功功率值和无功功率值。
6.如权利要求1所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制方法，其特征是，基于分段线性拟合的方法，将一一对应的电压—功率散点拟合生成电压控制曲线，包括就地Q(V)控制曲线和P(V)控制曲线。
7.一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制系统，其特征是，包括：
微电网集中控制器，被配置为：预测微电网在设定时间内分布式电源的有功出力；
基于常规潮流计算获取微电网调压设备各时刻在并网点的电压值；
以网络损耗最小为目标，建立微电网电压优化控制模型，并通过求解优化问题得到各时刻调压设备的最优功率值；
就地控制器，被配置为：根据微电网集中控制器获得的调压设备各时刻在并网点的电压值及对应的最优功率值，基于分段线性拟合方法生成各调压设备的就地电压控制曲线，基于该曲线控制各调压设备对应的有功和无功功率；
所述微电网调压设备包括光伏发电单元及可控负荷；
所述光伏发电单元PV仅考虑无功功率的调节，采用电压—无功曲线进行控制；可控负荷SL同时考虑有功功率和无功功率的调节，采用电压—有功曲线和电压—无功曲线共同控制。
8.一种微电网，其特征是，所述微电网与所述权利要求1-7任一所述的一种集中与就地相结合的微电网实时电压控制系统相连，利用所述控制系统实现对微电网中的调压设备功率控制。
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