CN110797874B - 含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法 - Google Patents

含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法 Download PDF

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Abstract

一种含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立AC/DC换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流‑直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计。本发明充分考虑了电力电子设备高精度的控制能力，将控制信息作为伪量测添加到状态估计的量测系统中，提高了状态估计的精度。本发明可以快速、准确地感知电网的实时运行状态。

Description

含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法
技术领域
本发明涉及一种配电网状态估计方法。特别是涉及一种将电力电子变压器(powerelectronic transformer,PET)应用于交直流混合系统中的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法。
背景技术
随着分布式能源的大规模并网，电网的安全运行和能源的高效消纳问题日益突出。一方面，目前可再生能源多接入交流配网，交直流变换环节多，系统损耗大。另一方面，配电网的互联性差，柔性调控能力差阻碍了分布式能源的充分消纳和经济利用。PET是由电力电子变换器和高频变压器组成，同时具有交流接口和直流接口。PET端口具备潮流调节能力，可准确协调系统交流分区和直流分区间的功率分布，实现电能的互联互济，充分消纳可再生能源，是未来发展的方向。基于PET的交直流混合系统的网络结构复杂，运行状态灵活。掌握其真实的运行情况是实现可再生能源的安全稳定运行和互补优化调度的前提。研究含有PET 的交直流网络状态估计问题具有重要意义。
国内外学者针对状态估计问题已开展大量研究，不同的研究角度主要体现在对状态变量的选择、状态估计算法和对不良数据的处理方法等方面。1968年，日本学者丰田淳一首次将状态估计应用于负荷预报中；1969年美国麻省理工学院的F.C.Schweppe等人提出了基于加权最小二乘法(Weighted Least Square,WLS)的状态估计方法[1]。其后在许多国家相继开展了该方面研究工作。目前，加权最小二乘估计法已经成为运用最广泛的状态估计方法之一。不同的加权最小二乘估计法之间的差异主要体现在：1)对状态变量的选择；2)为提高计算速度进行的模型简化方法；3)对不同数据源的数据融合方法。文献[2]分析了实际系统中加权最小二乘状态估计量测权值的直接影响因素，提出了设置量测权值的实用化方法，使得量测权值可以更加准确地反映量测精度，进而提高状态估计的准确性。文献[3]将数据监控及采集系统 (Supervisory Control and Data Acquisition System,SCADA)与广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)相结合，构建合量测预处理数据集，以适用于多种时间尺度下的状态估计。文献[4]采用统计状态估计算法估算网络中每个节点的电压，据此对系统中可调设备进行控制，以增加分布式电源出力。
状态估计在配电系统中同样具有广泛的学术研究及一定的实际应用。文献[5]将同步相量量测装置(Phasor Measurement Unit,PMU)所采集的数据与SCADA数据结合，针对扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计时遇到的鲁棒性不足等问题，提出了基于求积分卡尔曼滤波算法的状态估计方法，提高了状态估计的精度；文献[6]使用SCADA数据修正下一节点高级量测体系(Advanced Measurement Infrastructure,AMI)数据，以解决配网状态估计中AMI数据的延迟和周期性问题；文献[7]考虑到现代配电系统中各子系统互联状态，提出了一种基于共识滤波器的动态状态估计算法，并给出该方法在配电系统场景下的收敛性分析；文献[8]在配电网量测装置数量不足的情况下，提出一种基于有限测量信息的配电网状态估计方法；文献[9] 以节点负荷值和分布式电源输出值为状态变量，建立了含分布式电源的配电网状态估计模型，并使用变异粒子群优化-禁忌搜索混合算法进行求解，可用于求解含非线性设备的配电网状态估计问题；文献[10]考虑含有高渗透率分布式电源配电系统状态估计中的间歇性通信中断问题，将次耗散性约束与动态边界估计方法结合，利用近似时不变的雅可比矩阵进行状态估计，并对其收敛性进行了仿真验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以快速、准确地感知电网的实时运行状态的含PET的交直流混合配电网状态估计方法。
本发明所采用的技术方案是：一种含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立AC/DC换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流-直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计。
本发明的含PET的交直流混合配电网状态估计方法，将交直流状态估计作为配电网能量管理系统的重要模块，可以快速、准确地感知电网的实时运行状态。本发明建立了交直流装换装置和多端口PET的三相稳态模型，提出了含PET的交直流混合配电网络的状态估计方法，通过引入虚拟节点的概念，将PET的稳态方程与各个子网络的潮流方程融合为一体，扩展系统状态变量，得到交直流网络的一体化状态估计方法。针对低压网络中量测信息不足的问题，本发明充分考虑了电力电子设备高精度的控制能力，将控制信息作为伪量测添加到状态估计的量测系统中，提高了状态估计的精度。本发明考虑了不同分布式电源的控制策略和运行特性，构建了两个基于PET的交直流混合可再生能源的应用场景，并结合仿真及工程实例测试，证明了所提出交直流混合配电网络的状态估计方法的有效性。
附图说明
图1是PET多端口等效模型；
图2是AC/DC换流器等效电路；
图3是本发明中虚拟节点示意图；
图4是本发明实施例中含PET的交直流混合网络示意图；
图5是采用本发明的方法得到的电压幅值与潮流值的绝对误差；
图6是采用本发明的方法得到的电压相角与潮流值的绝对误差。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法做出详细说明。
本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立AC/DC换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流-直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计。
含电力电子变压器(PET)主电路基于三级结构，分别为高压输入级、中间隔离级和低压输出级，如图1所示。输入级可视作一台AC/DC换流器，实现从高压交流到高压直流的转换。隔离级可视作一台DC/DC换流器，将高压直流电转换为低压直流电。输出级可根据电能需求，直接输出直流电压，或经AC/DC换流器将直流逆变为三相交流输出。
1)本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法中所述的建立AC/DC 换流器模型，结构图如图2所示。
所述的AC/DC换流器模型表示为：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
其中，Pin和Qin分别是换流器与系统交换的有功功率和无功功率；P0和Q0分别是注入到换流器中的有功功率和无功功率；U表示系统交流端口的电压幅值；θ表示系统交流端口的电压相角；E0表示换流器入口调制电压相量的幅值；θ0表示换流器入口调制电压相量的相角；G表示交流端口与换流器入口之间的电导，B表示交流端口与换流器入口之间的电纳。
对于PET的输入级，与主网相连，运行在三相平衡状态，可用单相模型描述。对于PET 的低压交流侧，三相不平衡问题突出，其功率需要按照各相分别计算，计算方式与式(1)(2) 相同。
2)PET在运行各个端口需满足功率平衡约束，本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法中所述的电力电子变压器的损耗和功率约束表示为：
Figure SMS_3
其中，PM表示从主网输入到PET的有功功率；S表示PET输出级交流端口的个数；
Figure SMS_4
表示任意一相交流支路；
Figure SMS_5
代表第j个交流端口输出的各相有功功率；D表示输出级直流端口的个数；Pdc,k表示第k个直流端口输出的有功功率；Ploss为PET的有功损耗，包括各个交直流端口的有功损耗之和。
PET的有功损耗主要包含输入级和输出级换流器的有功损耗，且与每一相的换流器桥臂电流近似呈现二次关系，即：
Figure SMS_6
式中，Ploss,n表示端口n桥臂的有功损耗；an、bn、cn是经换流器电磁暂态仿真计算后，由曲线拟合所得到的参数，用来模拟有功损耗与桥臂电流之间的二次函数；Ic为换流器的桥臂电流。
AC/DC换流器的有功损耗为三相损耗之和，其交流端每一相的桥臂电流可以表示为：
Figure SMS_7
其中，
Figure SMS_8
表示任意一相交流端口j的桥臂电流；
Figure SMS_9
和
Figure SMS_10
分别表示任意一相交流端口j的有功功率和无功功率；
Figure SMS_11
表示任意一相交流端口j的桥臂电压。
直流端口的桥臂电流可以表示为：
Figure SMS_12
式中；Idc,k表示直流端口k输出的电流；Pdc,k表示直流端口k输出的有功功率；Udc,k表示直流端口k输出的无功功率。
3)通过分析式(1)(2)可以发现，每一个交流-直流能量变换装置的潮流表达形式与传统交流网络的潮流方程相似，可以建立统一的潮流模型，从而建立一体化的状态估计算法。对于图3中描述的交流-直流换流器模型，按图3所示结构，对每个端口添加虚拟节点，使得交流-直流端口可以通过虚拟节点包含至原有的交流系统中。本发明的含电力电子变压器的交直流混连配电网状态估计方法中所述的虚拟节点是指端口的电压和幅值。
4)所述的对电力电子设备添加伪量测方程，包括：
(1)根据功率平衡约束和控制模式对电力电子变压器的各个端口添加伪量测方程
根据PET的功率平衡约束，列写方程：
Figure SMS_13
对于定交流电压控制模式，列写方程：
Figure SMS_14
其中，
Figure SMS_15
为定交流电压控制第
Figure SMS_16
相的设定值；
Figure SMS_17
为交流端口第
Figure SMS_18
相电压的实际值；
Figure SMS_19
为交流端口第
Figure SMS_20
相电压设定值与实际值的差。
对于定交流有功功率控制模式，列写方程：
Figure SMS_21
其中，
Figure SMS_22
为定交流有功功率控制第
Figure SMS_23
相的设定值；
Figure SMS_24
为交流端口第
Figure SMS_25
相有功功率的实际值；
Figure SMS_26
为交流端口第
Figure SMS_27
相有功功率设定值与实际值的差。
对于定交流无功功率控制模式，列写方程：
Figure SMS_28
其中，
Figure SMS_29
为定交流无功功率控制第
Figure SMS_30
相的设定值；
Figure SMS_31
为交流端口第
Figure SMS_32
相无功功率的实际值；
Figure SMS_33
为交流端口第
Figure SMS_34
相无功功率设定值与实际值的差。
对于定直流电压控制模式，列写方程：
Figure SMS_35
其中，
Figure SMS_36
为定直流电压控制的设定值；Udc为直流端口电压的实际值；
Figure SMS_37
为直流端口电压设定值与实际值的差。
对于定直流功率控制模式，列写方程：
Figure SMS_38
其中，
Figure SMS_39
为定直流功率控制的设定值；Pdc为直流功率的实际值；
Figure SMS_40
为直流功率设定值与实际值的差。
(2)对经换流器并入交流电网的分布式电源添加伪量测方程
根据换流器输出电压三相对称，列写方程：
Figure SMS_41
Figure SMS_42
Figure SMS_43
Figure SMS_44
其中，
Figure SMS_45
和
Figure SMS_46
分别表示换流器输出a、b、c三相电压幅值；
Figure SMS_47
和
Figure SMS_48
分别表示换流器输出a、b、c三相电压相角。
对于PQ控制，添加伪量测方程：
Figure SMS_49
Figure SMS_50
Figure SMS_51
Figure SMS_52
其中，
Figure SMS_55
和
Figure SMS_57
为换流器输出的总有功功率和无功功率的设定值；
Figure SMS_59
和
Figure SMS_54
为换流器第
Figure SMS_56
相输出的实际有功功率和无功功率；
Figure SMS_58
和
Figure SMS_60
表示交流端口与换流器之间第
Figure SMS_53
相的电导与电纳。
(3)对经换流器并入直流电网的分布式电源添加伪量测方程
对于定Udc控制，添加伪量测方程：
Figure SMS_61
其中，
Figure SMS_62
为换流器输出电压的设定值；Udc为换流器输出电压的实际值；
Figure SMS_63
为换流器输出电压设定值与实际值得差。
对于定Pdc控制，添加伪量测方程：
Figure SMS_64
其中，
Figure SMS_65
为换流器输出功率的设定值；Pdc为换流器输出功率的实际值；
Figure SMS_66
为换流器输出功率设定值与实际值得差。
对于定Idc控制，添加伪量测方程：
Figure SMS_67
其中，
Figure SMS_68
为换流器输出电流的设定值；Idc为换流器输出电流的实际值；
Figure SMS_69
为换流器输出电流设定值与实际值得差。
本发明所述的利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计是采用如下公式：
minJ(x)＝[z-h(x)]TW[z-h(x)] (24)
Figure SMS_70
Figure SMS_71
其中，J(x)是加权最小二乘法的目标函数；x是状态量向量；
Figure SMS_72
状态向量的估计值；是z为测量值向量；h(x)是测量函数向量；W一适当选择的加权正定阵；l表示迭代序号；H(x)是函数向量的雅可比矩阵，其元素为
Figure SMS_73
为验证本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法的正确性，对含 PET交直流混合网络进行求解分析。
算例如图4所示，其中直流侧电压等级为750V，共有9个节点；交流侧为400V电压等级的三相配电网络，含有13个节点。算例中，交直流网络都并网运行，低压端口采用恒电压控制。
该算例中含有4个分布式电源，其中交流节点6处接入的燃气轮机采用直接交流并网方式，其余分布式电源均采用经换流器并网方式，换流器的参数及控制方式如表1所示。
表1 DG控制方式
Figure SMS_74
每一个负荷节点可根据历史数据和实时天气预测等人工设置生成节点负荷伪量测，PET 端口和换流器可根据控制方程设置伪量测。除此之外，系统中还设置了实时量测，配置如表 2所示。
所有的量测数据是在潮流真值基础上叠加一个均值为0的正态分布的量测误差上产生的。其中实时量测的标准差为0.002，人工设置的负荷功率伪量测的标准差为0.05。
表2实时量测配置数量
Figure SMS_75
在交流系统中添加虚拟节点，将PET低压交流端口的虚拟节点编为0号节点，风电机组并网端口的虚拟节点变为14号节点。
经状态估计计算，可以得到算例各个状态变量的估计值。将估计值与潮流解相减并取绝对值，可以得到各个状态变量的绝对误差。交流系统各节点电压幅值和相角的估计绝对误差分别如图5和图6所示。图中，横轴为交流系统每个节点的编号，每个节点编号内含有三条柱线，从左到右依次代表a，b，c三相。
电压幅值和相角的最大绝对误差分别是4.75e-05和1.96e-03。平均绝对误差分别是 1.83e-05和4.74e-04。由以上估计结果可知，对于含PET的交直流混合网络，本发明所提出的状态估计方法有良好的估计效果。
参考文献
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[9]孟志强，覃仕樾，蔡航.基于变异粒子群优化-禁忌搜索混合算法的配电网状态估计[J].电力系统及其自动化学报，2017，29(11)：99-104.
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Claims (5)

1.一种含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立AC/DC换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流-直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计；
所述的对电力电子设备添加伪量测方程，包括：
(1)根据功率平衡约束和控制模式对电力电子变压器的各个端口添加伪量测方程
根据PET的功率平衡约束，列写方程：
Figure QLYQS_1
其中，PM表示从主网输入到PET的有功功率；S表示PET输出级交流端口的个数；
Figure QLYQS_2
表示任意一相交流支路；
Figure QLYQS_3
代表第j个交流端口输出的各相有功功率；Pdc,k表示第k个直流端口输出的有功功率；Ploss为PET的有功损耗，包括各个交直流端口的有功损耗之和；T表示T个直流端口；
对于定交流电压控制模式，列写方程：
Figure QLYQS_4
其中，
Figure QLYQS_5
为定交流电压控制第
Figure QLYQS_6
相的设定值；
Figure QLYQS_7
为交流端口第
Figure QLYQS_8
相电压的实际值；
Figure QLYQS_9
为交流端口第
Figure QLYQS_10
相电压设定值与实际值的差；
对于定交流有功功率控制模式，列写方程：
Figure QLYQS_11
其中，
Figure QLYQS_12
为定交流有功功率控制第
Figure QLYQS_13
相的设定值；
Figure QLYQS_14
为交流端口第
Figure QLYQS_15
相有功功率的实际值；
Figure QLYQS_16
为交流端口第
Figure QLYQS_17
相有功功率设定值与实际值的差；
对于定交流无功功率控制模式，列写方程：
Figure QLYQS_18
其中，
Figure QLYQS_19
为定交流无功功率控制第
Figure QLYQS_20
相的设定值；
Figure QLYQS_21
为交流端口第
Figure QLYQS_22
相无功功率的实际值；
Figure QLYQS_23
为交流端口第
Figure QLYQS_24
相无功功率设定值与实际值的差；
对于定直流电压控制模式，列写方程：
Figure QLYQS_25
其中，
Figure QLYQS_26
为定直流电压控制的设定值；Udc为直流端口电压的实际值；
Figure QLYQS_27
为直流端口电压设定值与实际值的差；
对于定直流功率控制模式，列写方程：
Figure QLYQS_28
其中，
Figure QLYQS_29
为定直流功率控制的设定值；Pdc为直流功率的实际值；
Figure QLYQS_30
为直流功率设定值与实际值的差；
(2)对经换流器并入交流电网的分布式电源添加伪量测方程
根据换流器输出电压三相对称，列写方程：
Figure QLYQS_31
Figure QLYQS_32
Figure QLYQS_33
Figure QLYQS_34
其中，
Figure QLYQS_35
和
Figure QLYQS_36
分别表示换流器输出a、b、c三相电压幅值；
Figure QLYQS_37
和
Figure QLYQS_38
分别表示换流器输出a、b、c三相电压相角；
对于PQ控制，添加伪量测方程：
Figure QLYQS_39
Figure QLYQS_40
Figure QLYQS_41
Figure QLYQS_42
其中，
Figure QLYQS_45
和
Figure QLYQS_46
为换流器输出的总有功功率和无功功率的设定值；
Figure QLYQS_48
和
Figure QLYQS_44
为换流器第
Figure QLYQS_47
相输出的实际有功功率和无功功率；
Figure QLYQS_49
和
Figure QLYQS_50
表示交流端口与换流器之间第
Figure QLYQS_43
相的电导与电纳；E0表示换流器入口调制电压相量的幅值；θ0表示换流器入口调制电压相量的相角；
(3)对经换流器并入直流电网的分布式电源添加伪量测方程
对于定Udc控制，添加伪量测方程：
Figure QLYQS_51
其中，
Figure QLYQS_52
为换流器输出电压的设定值；Udc为换流器输出电压的实际值；
Figure QLYQS_53
为换流器输出电压设定值与实际值得差；
对于定Pdc控制，添加伪量测方程：
Figure QLYQS_54
其中，
Figure QLYQS_55
为换流器输出功率的设定值；Pdc为换流器输出功率的实际值；
Figure QLYQS_56
为换流器输出功率设定值与实际值得差；
对于定Idc控制，添加伪量测方程：
Figure QLYQS_57
其中，
Figure QLYQS_58
为换流器输出电流的设定值；Idc为换流器输出电流的实际值；
Figure QLYQS_59
为换流器输出电流设定值与实际值得差。
2.根据权利要求1所述的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，所述的AC/DC换流器模型表示为：
Figure QLYQS_60
Figure QLYQS_61
其中，Pin和Qin分别是换流器与系统交换的有功功率和无功功率；P0和Q0分别是注入到换流器中的有功功率和无功功率；U表示系统交流端口的电压幅值；θ表示系统交流端口的电压相角；E0表示换流器入口调制电压相量的幅值；θ0表示换流器入口调制电压相量的相角；G表示交流端口与换流器入口之间的电导，B表示交流端口与换流器入口之间的电纳。
3.根据权利要求1所述的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，所述的电力电子变压器的损耗和功率约束表示为：
Figure QLYQS_62
其中，PM表示从主网输入到PET的有功功率；S表示PET输出级交流端口的个数；
Figure QLYQS_63
表示任意一相交流支路；
Figure QLYQS_64
代表第j个交流端口输出的各相有功功率；D表示输出级直流端口的个数；Pdc,k表示第k个直流端口输出的有功功率；Ploss为PET的有功损耗，包括各个交直流端口的有功损耗之和，即：
Figure QLYQS_65
式中，Ploss,n表示端口n桥臂的有功损耗；an、bn、cn是经换流器电磁暂态仿真计算后，由曲线拟合所得到的参数，用来模拟有功损耗与桥臂电流之间的二次函数；Ic为换流器的桥臂电流。
4.根据权利要求1所述的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，所述的虚拟节点是指交直流转换装置中交流端口的电压和幅值。
5.根据权利要求1所述的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，所述的利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计是采用如下公式：
minJ(x)＝[z-h(x)]TW[z-h(x)]
Figure QLYQS_66
Figure QLYQS_67
其中，J(x)是加权最小二乘法的目标函数；x是状态量向量；
Figure QLYQS_68
是状态向量的估计值；z为测量值向量；h(x)是测量函数向量；W一适当选择的加权正定阵；l表示迭代序号；H(x)是函数向量的雅可比矩阵，元素为
Figure QLYQS_69
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