CN111262277B - 能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统及方法，包括依次连接的综自模块、PET集群控制模块和PET控制器，其中：综自模块与PET集群控制模块相连以传输调度信息并接收外部电网信息，PET集群控制模块与PET控制器相连以传输PET控制信号并接收来自综自模块的调度信息，PET集群控制模块根据多时间尺度以实现局域网内的功率平衡和波动平抑；本发明通过多层多时间尺度分布式协调控制策略，确保所提方法能够在实际系统中成功运用，实现集群系统的高效和高可靠运行，助力能源互联网及电能路由器由概念向实体逐步转变。

Description

能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种能源互联网领域的技术，具体是一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统及方法。
背景技术
传统配电网的运行模式以供方主导、单向辐射状供电为主，其与输电网和用户之间是自上而下的单向供需关系，职能和结构较为单一。随着分布式能源大量接入，电动汽车的快速普及，大量的直流负荷接入和可控负荷的持续增多，传统配电网架构已经难以满足用户要求。
为应对电力电子技术的快速发展，以及综合信息通信技术的发展，提出能源互联网建设方案，将泛在电力物联网和坚强智能电网统一于能源互联网，完成能量流、信息流和业务流的深度耦合。由于电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)对电能传输的灵活可控特性，成为了能源互联网中能量转换关键关节，是电能路由器的实体，因其端口具有负载率-运行效率非线性特性，且实际运用于配网时，往往以多台多端口电能路由器集群运行形式出现，所以如何实现电能的高效和高可靠供应，以及配电网中电能路由器集群接入的新的组网形式和相应的运行模式成为未来配电网的基础和核心。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统及方法，采用多台多端口电力电子变压器(Multi-port Power ElectronicTransformer,MPET)集群的交直流混合系统结构，并针对该系统提出协调控制策略，实现集群系统的高效和高可靠运行。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统，包括：依次连接的综自模块、PET集群控制模块和PET控制器，其中：综自模块与PET集群控制模块相连以传输调度信息并接收外部电网信息，PET集群控制模块与PET控制器相连以传输PET控制信号并接收来自综自模块的调度信息，PET集群控制模块根据多时间尺度以实现局域网内的功率平衡和波动平抑。
所述的PET集群控制模块包括：在中高压交流配电网上设置的若干MPET，其端口分别接入能源采集设备、交流负荷和直流负荷，通过主动协调控制实现灵活电能路由和高效能量管理。
所述的主动协调控制是指：MPET集群系统通过实时监测新能源出力和负荷，通过优化计算，调节集群系统内MPET各个端口控制模式、各个端口功率调节参考值、MPET集群间的互济功率调节参考值，实现MPET实现对新能源的消纳和端口功率波动的平抑。
所述的优化计算是指：综合自动化系统通过前置采集模块，周期性地采集优化计算所需端口功率、运行状态实时数据，上送综合自动化系统的实时库，经过优化计算得到优化后的结果，将结果存入实时库，按照下发指令的控制周期，经控制器将优化后的结果作用于PET装置，调整MPET集群运行状态。
所述的综合自动化系统集系统运行状态采集、电气量采集、运行计算、控制指令下发等功能与于一体，是MPET集群系统持续良好调度和运行的中枢，该系统内置用于采集系统运行状态、电气量的前置采集模块。
所述的外部电网信息包括：PET集群控制模块与外部电网之间的交换功率、电压和频率。
所述的多时间尺度即四个时间尺度，包括：第一时间尺度依据负荷侧直流母线电压和交流母线频率，通过下垂控制以调整局域网内部负荷的功率；第二时间尺度通过分布式电源的功率自适应控制，局域网内部的分布式电源根据子网母线的交流频率或直流电压调整出力；第三时间尺度通过PET集群控制模块优化PET集群每个端口的控制参数以实现不同负载频率下PET最优能效时的功率分配；第四时间尺度通过PET集群控制模块平抑接入单个MPET的功率波动。
所述的第一时间尺度和第二时间尺度协同控制局域网内部层面以实现对系统的功率波动进行平抑。
所述的平抑接入单个MPET的功率波动包括：通过集中规模化集成接入新能源(含风、光、储电等)和不同PET集群之间的互联互济、通过实时监测各个PET集群内新能源和负荷出力并调节PET集群间的互济功率参考值，实现对单个MPET集群端口功率波动平抑。
所述的互联互济是指：MPET各个集群之间互相连接，依据新能源出力和负荷水平，实时优化计算，调整MPET端口控制模式和功率出参考值大小，实现MPET各集群之间功率互济。
所述的实时优化计算具体过程包括：综合自动化系统的前置采集模块，周期性地采集优化计算所需端口功率、运行状态实时数据，上送至综合自动化系统的实时库，经过集群优化计算得到优化结果存入实时库，为实时优化计算具体过程。
所述的调节MPET集群间的互济功率参考值，依据综合自动化系统采集MPET集群系统运行数据，理论优化计算出第i台MPET的第j个端口传输有功功率值。
所述的MPET的端口能够实现的运行模式包括：恒功率模式、恒电压模式、下垂模式和功率跟随模式。
所述的PET的控制模式包括：主从运行模式和对等运行模式，其中主从运行模式是指多台PET中的一台PET运行主机模式，其余PET运行从机模式，所有PET均有一个端口处于功率跟随模式，采用主机模式的PET的其余端口运行恒电压或V/f模式，采用从机模式的PET的其余端口运行恒功率或PQ模式。
本发明涉及一种基于上述系统的能源互联网中电能路由器集群运行的优化方法，依据实测PET端口在不同负载率下的效率曲线，建立PET端口负载率-效率动态模型，计算最大集群系统总效率、优化变量和约束条件，得到多台MPET集群系统运行优化模型及控制参数，从而实现对电能路由器集群的工作性能优化。
所述的最大集群系统总效率是指：最大化的集群总效率其中：a为判断PET端口功率正向流动系数，功率流向正向时为1，负向时为0，b为判断PET端口功率反向流动系数，功率流向正向时为0，负向时为-1，P为PET端口流过的功率值，i表示第i台PET，最大值为M，j为PET的端口号，最大值为N，/>第i台PET的第j个端口的PET端口效率/>其中：xij＝|Pij/|SN,ij，f﹢(xij)为端口功率流向与正方向一致时的端口运行效率，f-(xij)为端口功率流向与正方向相反时的端口运行效率，SN,ij为第i台PET的第j个端口额定容量。
所述的优化变量为PET的端口功率，即(N-1)(M-1)个Pij，其中：N为PET端口数，M为PET台数。
所述的约束条件，即设置每台PET的每个端口的功率平衡方程，具体为：每台PET的功率平衡方程为其中：Ni为第i台PET的端口数，ηij为第i台PET的第j个端口效率，Pij为ηij为第i台PET的第j个端口传输有功，Pij＞0表示实际功率为PET内部母线流出端口方向，Pij＜0表示实际功率为PET端口流入内部母线方向；每个端口的功率平衡方程为其中：Lj为第j个端口的净负荷，M为集群中并联的PET台数。
技术效果
本发明整体解决了多台多端口电能路由器集群运行时的：PET的运行模式、PET端口控制模式如何确定，通过建立PET集群运行优化模型，实现多台多端口PET集群运行时的总体效率较平均分担负载时提升；与现有技术相比，本发明通过多层多时间尺度分布式协调控制策略，确保所提方法能够在实际系统中成功运用，实现集群系统的高效和高可靠运行，助力能源互联网及电能路由器由概念向实体逐步转变。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为PET集群控制模块的示意图；
图3为PET集群控制模块的简图；
图4为某工业园区一日负荷曲线图；
图5为两台PET的均分负载与集群优化最优负载效率曲线对比图；
图6为四台PET的均分负载与集群优化最优负载效率曲线对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统，包括：依次连接的综自模块、PET集群控制模块和用于执行指令实现PET各端口稳定运行的PET控制器，其中：综自模块向PET集群发送每个集群端口组的总功率或者电压控制参数，向可控电源发送功率控制参数，以实现功率优化控制、电压动态控制、频率二次调节、系统故障后恢复；如图2和图3所示，PET集群控制模块由在高压交流电网上设置的多台能够即插即用的MPET组成，其端口接入能源采集设备、交流负荷和直流负荷，通过主动协调控制实现灵活电能路由和高效能量管理，制定运行策略并下发给集群内的PET，实现容错切换、N-1负荷转移、PET端口重新投入。
所述的能源包括：风、光、储能(电)。
所述的PET的端口能够实现的运行模式包括：恒功率模式、恒电压模式、下垂模式和功率跟随模式，其中：恒功率模式包括：直流端口恒功率和交流端口PQ；恒电压模式包括：直流端口恒电压和交流端口V/f；下垂模式包括：交流端口P-f、Q-V和直流端口V-I；功率跟随模式是指端口下垂控制模式。
所述的PET的控制模式中的主从运行模式是指多台PET中的一台PET运行主机模式，其余PET运行从机模式，所有PET均有一个端口处于功率跟随模式，采用主机模式的PET的其余端口运行恒电压或V/f模式，采用从机模式的PET的其余端口运行恒功率或PQ模式。
本实施例通过上述系统进行优化，具体通过：实测PET端口在不同负载率下的效率曲线，建立PET端口负载率-效率动态模型，计算最大集群系统总效率、优化变量和约束条件，得到多台MPET集群系统运行优化模型，实现电能路由器集群的优化。
如图4所示，为某一负荷区域加班日典型直流和交流负荷曲线。
如图5和图6所示，为2台和4台PET负载功率均分和集群优化寻优系统效率曲线对比图，显然，采用集群寻优模式时，集群系统效率获得更佳运行效率。
本发明确立了多台多端口PET集群系统中的PET控制模式和端口控制方式，建立了集群系统里的运行优化模型并求解，解决了多台多端口PET集群时的系统寻优问题。
图2中，所展示的PET Cluster以及PET Cluster集群之间互联结构，展示了电能路由器集群应用于能源互联网中的情形；此外，图3中展示了具体的PET Cluster结构，展示了多台多端口电能路由器集群的结构，相比于已有文献中两台两端口变流器并联结构有所改进，本发明所示的多台多端口电能路由器具有普适性。
本发明中提到的端口负载率效率曲线依据PET生产厂家实测效率曲线获得，通过实测两两端口间空载时的效率曲线，求解得到PET单端口负载率效率曲线(负载率从0-100％，每10％一个间隔)，通过曲线拟合获得负载率-效率曲线数学模型。
与现有技术相比，本方法在多台多端口PET集群运行后，在任何新能源出力和负荷水平工况下，均能够得到最优负荷分配方案，使得集群系统的效率在优化后较负荷平均分担时的水平有显著提升，如图5和图6所示，表示的是2台和4台PET负载功率均分和集群寻优系统效率曲线对比图。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种能源互联网中电能路由器集群运行的优化系统，其特征在于，包括：依次连接的综自模块、PET集群控制模块和PET控制器，其中：综自模块与PET集群控制模块相连以传输调度信息并接收外部电网信息，PET集群控制模块与PET控制器相连以传输PET控制信号并接收来自综自模块的调度信息，PET集群控制模块根据多时间尺度以实现局域网内的功率平衡和波动平抑；
所述的外部电网信息包括：PET集群控制模块与外部电网之间的交换功率、电压和频率；
所述的多时间尺度即四个时间尺度，包括：第一时间尺度依据负荷侧直流母线电压和交流母线频率，通过下垂控制以调整局域网内部负荷的功率；第二时间尺度通过分布式电源的功率自适应控制，局域网内部的分布式电源根据子网母线的交流频率或直流电压调整出力；第三时间尺度通过PET集群控制模块优化PET集群每个端口的控制参数以实现不同负载频率下PET最优能效时的功率分配；第四时间尺度通过PET集群控制模块平抑接入单个PET的功率波动；
所述的PET集群控制模块包括：在中高压交流配电网上设置的若干多端口电力电子变压器，其端口分别接入能源采集设备、交流负荷和直流负荷，通过主动协调控制实现灵活电能路由和高效能量管理；
所述的主动协调控制是指：MPET集群系统通过实时监测新能源出力和负荷，通过优化计算，主动调节集群系统内MPET各个端口控制模式、各个端口功率调节参考值、MPET集群间的互济功率调节参考值，实现MPET实现对新能源的消纳和端口功率波动的平抑；
所述的平抑接入单个MPET的功率波动包括：通过集中规模化集成接入新能源(含风、光、储电等)和不同PET集群之间的互联互济、通过实时监测各个PET集群内新能源和负荷出力并调节PET集群间的互济功率参考值，实现对单个MPET集群端口功率波动平抑；
所述的互联互济是指：MPET各个集群之间互相连接，依据新能源出力和负荷水平，实时优化计算，调整MPET端口控制模式和功率出参考值大小，实现MPET各集群之间功率互济；
所述的实时优化计算具体过程包括：综合自动化系统的前置采集模块，周期性地采集优化计算所需端口功率、运行状态实时数据，上送至综合自动化系统的实时库，经过集群优化计算得到优化结果存入实时库，为实时优化计算具体过程；
所述的调节MPET集群间的互济功率参考值，依据综合自动化系统采集MPET集群系统运行数据，理论优化计算出第i台MPET的第j个端口传输有功功率值。
2.根据权利要求1所述的优化系统，其特征是，所述的第一时间尺度和第二时间尺度协同控制局域网内部层面以实现对系统的功率波动进行平抑。
3.根据权利要求1所述的优化系统，其特征是，所述的PET的控制模式包括：主从运行模式和对等运行模式，其中主从运行模式是指多台PET中的一台PET运行主机模式，其余PET运行从机模式，所有PET均有一个端口处于功率跟随模式，采用主机模式的PET的其余端口运行恒电压或V/f模式，采用从机模式的PET的其余端口运行恒功率或PQ模式。
4.一种基于上述任一权利要求所述系统的能源互联网中电能路由器集群运行的优化方法，其特征在于，依据实测PET端口在不同负载率下的效率曲线，建立PET端口负载率-效率动态模型，计算最大集群系统总效率、优化变量和约束条件，得到多台MPET集群系统运行优化模型及控制参数，从而实现对电能路由器集群的工作性能优化；
所述的最大集群系统总效率是指：最大化的集群总效率其中：a为判断PET端口功率正向流动系数，功率流向正向时为1，负向时为0，b为判断PET端口功率反向流动系数，功率流向正向时为0，负向时为-1，P为PET端口流过的功率值，i表示第i台PET，最大值为M，j为PET的端口号，最大值为N，/>第i台PET的第j个端口的PET端口效率/>其中：xij＝|Pij|/SN,ij，f﹢(xij)为端口功率流向与正方向一致时的端口运行效率，f-(xij)为端口功率流向与正方向相反时的端口运行效率，SN,ij为第i台PET的第j个端口额定容量；
所述的优化变量为PET的端口功率，即(N-1)(M-1)个Pij，其中：N为PET端口数，M为PET台数；
所述的约束条件，即设置每台PET的每个端口的功率平衡方程，具体为：每台PET的功率平衡方程为其中：Ni为第i台PET的端口数，ηij为第i台PET的第j个端口效率，Pij为ηij为第i台PET的第j个端口传输有功，Pij＞0表示实际功率为PET内部母线流出端口方向，Pij＜0表示实际功率为PET端口流入内部母线方向；每个端口的功率平衡方程为其中：Lj为第j个端口的净负荷，M为集群中并联的PET台数。
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