CN111146825A - 计及不同主体的含pet交直流混合微网双层控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，所述方法包括：建立交直流混合微网的双层优化模型，包括含PET交直流混合微网模型、双层优化调度模型；通过KKT将双层优化模型等效转化为单层模型进行求解；在微网中DG出力最大值大于或者小于负荷值时，采用双层优化方法，解决不同主体的利益冲突问题，减少上级电网负荷节点的功率波动以降低系统运行成本。本发明解决了含PET的交直流混合系统在微网中DG出力与负荷值不匹配时的优化调度问题，引入了双层优化方法，计及了不同的主体的利益，并通过Karush‑Kuhn‑Tucker方法对研究不同主体利益诉求的含PET交直流混合微网优化调度具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及交直流混合微网领域，尤其涉及一种计及不同主体的含PET(电力电子变压器)交直流混合微网双层控制方法。
背景技术
经济社会发展离不开持续有效的能源供给。预计到2035年，中国能源需求将占世界能源需求总量的24％，并继续保持高速增长，能源紧缺和经济发展间的矛盾日益尖锐，能源问题成为中国可持续发展的首要问题。全力提升能源利用效率是实现可持续发展的必经之路，而分布式能源已成功实现商业化利用，并且是综合效率最高的一种利用方式，因此大力发展分布式能源对提高我国能源利用效率意义重大。
分布式能源接入电网分为交流接入和直流接入两种类型。直流接入相比交流接入方式，不需要直流和交流之间的变换，可以节省其之间的换流过程，一方面节约了换流设备的成本，与原有结构相比减少了损耗；另一方面，直流接入电网不需要再考虑交流接入方式中相位与频率的同步，理论上可使系统的可控性和可靠性得以增强。由于上述原因，直流接入方式逐渐得到了越来越多的关注，被认为是分布式能源理想的接入形式。然而，考虑到电力系统的历史发展，在现阶段，电网的主要形式还是交流网，想在短期内把电网全部改为直流不太可能，分布式能源并网的主要形式还是交流形式，因此，交直流并存的混合结构将会是以后很长一段时期的主要系统形式。
对于大规模的分布式能源接入电力系统，并不是简单的将其和系统相连便可以实现，由于分布式能源受太阳能、风能各种条件的约束，其发电具有间歇性，大量接入会对电力系统造成扰动，而以目前电网的柔性调控和互联互济能力，还不足以很好地解决上述问题，因此阻碍了分布式能源的大规模接入，造成了弃风弃光现象。电力电子变压器(PowerElectronic Transformer,PET)具有灵活的功率调控能力，可将PET应用于含分布式能源的交直流混合系统中来解决上述问题。PET是在高频变压器的基础上，增加了电力电子变换电路，通过电力电子器件与高频变压器相结合来实现其功能，由于PET同时具有交流接口和直流接口，使其具有变压、隔离和能量传输功能，可以作为“电能路由器”，实现对端口处的能量协调管理。基于PET等柔性设备构建的交直流混合系统，可改善电网结构，提高可再生能源接入灵活性；增强电网应对不确定性的快速调控能力，实现多类型可再生能源协调互补消纳；减少变换环节，提高能源利用效率。
当前国内外团队针对交直流混合系统的优化运行，已提出了一系列的优化方法，然而，交直流混合系统面临的运行方式、网络约束与控制对象更为复杂，优化调度受到大量不确定性、多维优化变量和运行约束的影响，且彼此具有明显的多时间尺度差异性，增加了系统整体的优化运行难度，相关问题还远没有得到完全解决。尽管新型电力电子设备的应用，为可再生能源的充分消纳和高效利用提供了新的调控手段，但当前还缺乏将此类设备用于系统级优化调度的模型，其柔性调节能力无法得到充分利用。
发明内容
本发明提供了一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，当PET各个端口为不同主体时，各个主体均以自身利益最大化为目标，系统无法进行整体的优化调度以协调各主体运行的经济性，本发明引入双层优化方法，并通过Karush-Kuhn-Tucker方法进行求解，解决了PET不同端口主体产生利益冲突时的优化问题，详见下文描述：
一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，所述方法包括：
建立交直流混合微网的双层优化模型，包括含PET交直流混合微网模型、双层优化调度模型；
通过KKT将双层优化模型等效转化为单层模型进行求解；
在微网中DG出力最大值大于或者小于负荷值时，采用双层优化方法，解决不同主体的利益冲突问题，减少上级电网负荷节点的功率波动以降低系统运行成本。
所述含PET交直流混合微网模型具体为：
将各端口子微网内的分布式能源等效为一个大容量的DG机组；假设交流微网内的负荷类型为交流负荷，直流微网内的负荷类型为直流负荷；
构建由功率平衡方程、DG出力约束、负荷削减约束构成的数学模型；
获取由功率平衡方程、端口功率约束构成的稳态模型，进一步考虑PET与交直流子微网间的线路损耗。
所述双层优化调度模型具体为：
上层优化调度的对象是PET各端口的功率，目标函数为最小化PET的购电成本，约束即PET的功率平衡约束、端口功率约束以及线路功率方程；
下层优化调度模型包括交流子微网运行成本最小化问题与直流子微网运行成本最小化问题，优化对象是微网内DG出力以及负荷削减量，约束为功率平衡方程、出力约束以及负荷削减约束。
当交直流微网中DG出力最大值均大于负荷值，交直流子微网可通过PET实现与上级电网的连接，减少送电功率在线路上的损耗；
当交直流微网中DG出力最大值均小于负荷值，引入PET的微网从电网购电的功率将小于传统引入AC/DC变换器的混合微网，降低混合微网的设备配置容量；
当交流微网处于功率缺额状态，直流子微网处于功率富余状态，引入PET的混合微网中，由直流子微网输送到交流微网的功率值小于传统混合微网，降低系统运行成本；
当交流子微网处于功率富余状态，直流子微网处于功率缺额状态，引入PET的混合微网中，由交流子微网输送到直流微网的功率值小于传统混合微网，降低系统运行成本。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明解决了含PET的交直流混合系统在微网中DG出力最大值大于负荷值或者小于负荷值的优化调度问题，引入了双层优化方法，计及了不同的主体的利益，并通过Karush-Kuhn-Tucker方法对研究不同主体利益诉求的含PET交直流混合微网优化调度具有重要意义；
2、配网中PET各个端口所连接的系统全部属于电力公司这一个主体，而微网中PET的不同端口可能隶属于不同主体，采用原有的控制方法无法实现对于PET的运行控制。本发明分析了PET不同端口的差异化需求，为未来分布式能源大规模接入，PET各个端口为不同主体时的含PET的交直流混合微网优化调度提供了解决方案。优化后，交直流混合系统在微网中DG出力最大值大于负荷值或者小于负荷值时降低运行成本、充分消纳与高效利用新能源等方面具有一定的优势。
附图说明
图1为计及PET的交直流微网系统结构图；
图2为计及AC/DC变换器的交直流混合微网系统结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层优化控制方法，其包括：
步骤一，交直流混合微网的双层优化模型
对于含分布式能源的交直流混合系统，PET作为混合系统与主网的联络设备。在此首先给出含PET交直流混合微网模型、双层优化调度模型。
1、含PET交直流混合微网模型
假设每个端口所连接交流子微网或直流子微网中只包括一个等效的分布式能源和负荷，做出如下简化：
1)将各端口子微网内的分布式能源(如风机、光伏以及储能系统等)等效为一个大容量的DG机组；
2)假设交流微网内的负荷类型为交流负荷，直流微网内的负荷类型为直流负荷。
考虑到交直流子微网数学模型具有一定的相似性，包括：功率平衡方程、DG(分布式能源)出力约束、负荷削减约束。以交流子微网为例，其数学模型如式(1)-(3)所示：
其中，
为交流子微网中DG的输出功率；PAC为交流子微网对外输送功率；
为交流子微网的负荷功率；
为交流子微网负荷的削减功率；
为交流子微网中DG出力最大值；
为交流子微网中负荷削减功率的最大值。直流子微网的数学模型仅需将式(1)-(3)中涉及变量的上标由AC(交流)改为DC(直流)即可。
PET是系统中交流子微网、直流子微网，以及上级电网的连通环节。PET由高频变压器与电力电子变换电路构成，包含高低压交流端口与直流端口，具有变压、隔离以及能量传输的特点，可进一步实现不同微网间的互联以及对不同端口功率的控制。
以图1所示的三端口PET微网为例，其稳态模型包括：功率平衡方程、端口功率约束，如式(4)-(7)所示：
其中，
为PET与交流子微网相连端口的有功功率，以流入PET为正方向；
为PET与直流子微网相连端口的功率，以流入PET为正方向；
为PET与上级电网相连端口的有功功率，以流入PET为正方向；A为PET的损耗系数，
分别为PET三个端口的功率损耗；
为PET与交流子微网相连端口的视在功率最大值；
为PET与直流子微网相连端口的有功功率最大值；
为PET与上级电网相连端口的视在功率最大值，
为PET与交流子微网相连端口的无功功率，
为PET与上级电网相连端口的无功功率。
进一步考虑PET与交直流子微网间的线路损耗，如式(8)-(9)所示：
其中，
为交流子微网与PET间的线路损耗；
为直流子微网与PET间的线路损耗；PAC为交流子微网对外输送功率；PDC为直流子微网对外输送功率；线路损耗值可以根据线路潮流方程进行计算。
2、双层优化调度模型
对PET与交直流混合微网进行优化调度，以兼顾上下层的优化对象，进而对不同主体的目标函数进行合理分配。上层优化调度的对象是PET各端口的功率，目标函数为最小化PET的购电成本，如式(10)所示：
其中，CPET为PET的购电成本；Cph为PET从上级配电网购电的价格；Cse为PET向上级电网售电的价格。
上层优化的约束即PET的功率平衡约束、端口功率约束以及线路功率方程，如式(4)-(9)所示。
下层优化调度
模型关注交直流子微网的运行成本，包括两个子优化问题，即交流子微网运行成本最小化问题与直流子微网运行成本最小化问题，优化对象是微网内DG出力以及负荷削减量。以交流子微网为例，其目标函数如式(11)所示：
其中，CAC为交流子微网的运行成本；CDG为交流微网内DG的运行成本；CIL为交流微网内负荷削减的成本。
交流子微网优化模型的约束即交流微网的功率平衡方程、DG出力约束以及负荷削减约束，如式(1)-(3)所示。此外，直流子微网优化模型仅需将式(11)、(1)-(3)中上标AC改为DC即可。
步骤二，双层优化调度模型求解
采用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)方法，将双层优化问题中下层优化问题改写为KKT条件形式，并入上层优化问题的约束条件中，从而将双层优化问题转化为单层优化问题。以下层优化中交流子微网为例，KKT方法数学过程如下：
首先，将交流子微网约束改写为标准形式，如式(12)-(16)所示，式中
分别为标准形式下的各个约束，
分别为标准形式下各约束对应的Lagrangian乘子；其次，列写Lagrangian函数，如式(17)所示，式中LAC代表交流子微网的Lagrangian函数；最后，列写KKT条件中涉及的Stationarity条件、Primal feasibility条件、Dualfeasibility条件以及Complementary slackness条件，分别如式(18)-(19)、(12)-(16)、(20)以及(21)所示。
其中，CIL为交流微网内负荷削减的成本。
实施例2
本实施例提供一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层优化管理方法，其包括：
优化模型建立单元，用于建立交直流混合微网的双层优化模型，包括含PET交直流混合微网模型、双层优化管理模型；
模型求解单元：通过KKT方法将双层优化模型等效转化为单层模型进行求解。
应用例
算例含有PET的交直流混合微网的结构如图1所示。为了突出引入PET后交直流混合微网的优化效果，同时将所提方法应用于传统结构(含AC/DC变换器)的交直流混合微网，其系统结构如图2所示。此外，为了对两种结构进行区别，引入PET的混合微网中涉及的变量均带有上标“1”；含有AC/DC变换器的混合微网中涉及的变量均带有上标“2”。
考虑到PET存在不同运行状态，为此设置四种不同的仿真场景：场景I代表交直流子微网中DG出力最大值大于负荷(供大于需)；场景II代表交直流子微网中DG出力最大值小于负荷(供小于需)；场景III与场景IV分别代表微网中一个子微网供大于需，另一个子微网供小于需。四种场景下微网内DG出力最大值、微网负荷值如表1所示。此外，假设最大负荷削减量为负荷值的10％。仿真分析涉及的其他变量参数值如表2所示。
表1四种仿真场景下交直流微网运行参数
表2交直流混合微网仿真参数
采用所提方法，分别对如图1与图2所示的交直流混合微网进行优化，四种仿真场景下的目标函数值如表3所示。表中：
为含AC/DC变换器的交直流混合微网中工频变压器的购电成本，与
作同组对比。从结果可以看出，在场景I、场景II以及场景IV下，引入PET的交直流混合微网的三项目标函数值均优于安装了AC/DC变换器的交直流混合微网；在场景III条件下，引入PET与安装AC/DC变换器的混合微网，在不同目标函数方面优化结果有所不同，具体分析如下：
表3四种仿真场景下的优化结果对比
1)场景I条件下，交直流微网中DG出力最大值均大于负荷值，因此交流子微网与直流子微网均处于向外送电的状态，因此目标函数CPET与CT均为负值。同时，考虑到在安装了AC/DC变换器的混合微网中，直流子微网需要经交流子微网线路实现向外送电过程中，因此损耗有所增加，
大于
此外，由于在引入PET的混合微网中，交直流子微网可以通过PET实现与上级电网的连接，在一定程度上减少了送电功率在线路上的损耗，有利于DG出力的高效利用，从而降低了
与
的目标函数值。
2)场景II条件下，交直流微网中DG出力最大值均小于负荷值，因此交流子微网与直流子微网均处于从电网购电的状态。考虑到直流子微网的功率缺额需要通过交流子微网线路传输进行满足，增加了线路的功率损耗，因此安装了AC/DC变换器的混合微网，从电网购电的功率将大于引入PET的情况，从而造成场景II条件下，引入PET的混合微网中
与
的目标函数值，均小于安装了AC/DC变换器的混合微网中
与
的目标函数值。此外，在两种情况下，直流子微网均处于功率输送的末端，因此两种情况下直流子微网的运行成本相同，即目标函数值
与
相等。
3)场景III条件下，交流微网处于功率缺状态，直流子微网处于功率富余状态，因此直流子微网将向交流微网进行功率传输，同时两者功率不能完全匹配的部分将由电网进行补充。考虑到在引入PET的混合微网中，直流子微网需要通过PET以及线路实现向交流子微网的功率传输，其电气距离大于安装了AC/DC变换器的混合微网的情况，因此，由PET输送到交流子微网的功率值大于由工频变压器输送到交流子微网的功率值，从而造成目标函数值
大于
相应的，引入PET的混合微网中，由直流子微网输送到交流微网的功率值小于安装了AC/DC变换器的混合微网的情况，进而造成
小于
此外，在两种情况下，交流子微网均处于功率输送的末端，因此两种情况下交流子微网的运行成本相同，即目标函数值
与
相等。
4)场景IV条件下，交流子微网处于功率富余状态，直流子微网处于功率缺额状态，因此交流子微网将向直流子微网进行功率传输，同时两者功率不能完全匹配的部分将由电网进行补充。考虑到场景IV中DG出力最大值与负荷值间的差额(0.5MW)小于场景III中的差额(1MW)，因此场景IV的优化结果中，交直流混合微网将向电网进行功率传输，因此目标函数值
与
均为负值。由于在引入PET的混合微网中，交直流子微网间的电气距离大于安装了AC/DC变换器的混合微网的情况，因此，交流子微网向PET输送的功率值大于由交流子微网向工频变压器输送的功率值，从而造成目标函数值
小于
在满足直流子微网功率缺额的条件下下，由于引入PET的混合微网中交流子微网的售电量大与安装了AC/DC变换器的情况，因此
略小于
此外，在两种情况下，直流子微网均处于功率输送的末端，因此两种情况下直流子微网的运行成本相同，即目标函数值
与
相等。
表4四种仿真场景下计及PET的交直流混合微网DG出力
为进一步研究两种混合微网在新能源消纳方面的效果，计算四种仿真场景下交直流微网的DG出力情况，如表4与表5所示。表中：ηAC与ηDC通过式(22)-(23)计算得到，分别用于表征交流子微网与直流子微网内新能源的消纳程度，其数值越接近1表明对新能源的消纳程度越高。
从结果中可以看出，引入PET的交直流混合微网在四种仿真场景下，DG均按照最大值出力，ηAC与ηDC的数值均为1。安装AC/DC变换器的交直流混合微网在不同仿真场景下，DG出力情况有所不同，具体表现为：仅在场景II(即交直流微网均处于供小于需的情况)条件下，ηAC与ηDC的数值为1；在场景I、场景III以及场景IV条件下，均存在对新能源浪费的现象，因此三种仿真场景下安装了AC/DC变换器的混合微网中目标函数值
与
均较大(与引入PET情况相比)。因此，引入PET后，更有利于混合微网实现新能源的消纳。
表5四种仿真场景下计及AC/DC变换器的交直流混合微网DG出力
四种仿真场景下，两种混合微网与上级电网的功率交互情况如表6所示，从中可以看出：与安装了AC/DC变换器的混合微网相比，引入PET的系统在四种场景下功率交互值的变化范围更小，有利于减少上级电网负荷节点的功率波动。此外，场景II(即交直流混合微网处于供小于需的状态)条件下，PET功率交互值小于工频变压器的功率交互值，这对于降低混合微网的设备配置容量具有一定的帮助。随着未来电力电子技术的不断发展，元器件成本的不断下降，这一优势将更加突出。
表6四种仿真场景下交直流微网与电网的功率交互情况
本发明提出了一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层优化管理方法，充分考虑配电网，以及交直流子微网之间的多主体特性，提升系统经济性与可再生能源消纳水平。
计算结果表明：
1)双层优化管理方法同时考虑了上层PET的购电成本以及下层不同子微网的运行成本，实现了PET与交直流混合微网间的灵活管理。
2)与安装AC/DC变换器的情况相比，引入PET后的交直流混合微网，具有更为灵活的功率调节能力，在降低运行成本、充分消纳与高效利用新能源等方面具有一定的优势。
更深层次地研究含PET交直流混合微网优化管理方法，将是未来有待深入研究的方向。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，其特征在于，所述方法包括：
建立交直流混合微网的双层优化模型，包括含PET交直流混合微网模型、双层优化调度模型；
通过KKT将双层优化模型等效转化为单层模型进行求解；
在微网中DG出力最大值大于或者小于负荷值时，采用双层优化方法，解决不同主体的利益冲突问题，减少上级电网负荷节点的功率波动以降低系统运行成本。
2.根据权利要求1所述的一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，其特征在于，所述含PET交直流混合微网模型具体为：
将各端口子微网内的分布式能源等效为一个大容量的DG机组；假设交流微网内的负荷类型为交流负荷，直流微网内的负荷类型为直流负荷；
构建由功率平衡方程、DG出力约束、负荷削减约束构成的数学模型；
获取由功率平衡方程、端口功率约束构成的稳态模型，进一步考虑PET与交直流子微网间的线路损耗。
3.根据权利要求1所述的一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，其特征在于，所述双层优化调度模型具体为：
上层优化调度的对象是PET各端口的功率，目标函数为最小化PET的购电成本，约束即PET的功率平衡约束、端口功率约束以及线路功率方程；
下层优化调度模型包括交流子微网运行成本最小化问题与直流子微网运行成本最小化问题，优化对象是微网内DG出力以及负荷削减量，约束为功率平衡方程、出力约束以及负荷削减约束。
4.根据权利要求1所述的一种计及不同主体的含PET交直流混合微网双层控制方法，其特征在于，
当交直流微网中DG出力最大值均大于负荷值，交直流子微网可通过PET实现与上级电网的连接，减少送电功率在线路上的损耗；
当交直流微网中DG出力最大值均小于负荷值，引入PET的微网从电网购电的功率将小于传统引入AC/DC变换器的混合微网，降低混合微网的设备配置容量；
当交流微网处于功率缺额状态，直流子微网处于功率富余状态，引入PET的混合微网中，由直流子微网输送到交流微网的功率值小于传统混合微网，降低系统运行成本；
当交流子微网处于功率富余状态，直流子微网处于功率缺额状态，引入PET的混合微网中，由交流子微网输送到直流微网的功率值小于传统混合微网，降低系统运行成本。
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