CN111740448B - 一种适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，所述的低压微网系统包括DG单元、交流馈线及交流负荷；DG单元由电源及功率变换器组成，经交流馈线接入公共耦合点；负荷接入临近的DG单元母线或公共耦合点；公共耦合点通过并网变压器与配电网连接，并网变压器与配电网间装设并网断路器，控制微网与配电网的并联运行。微网采用主从控制模式，主控单元稳定系统基本电压，从控单元维持系统总体功率平衡。所述方法通过建立并求解一个非线性优化问题实现孤岛及并网情形下的全局电压控制，并通过电压权系数的整定进行靶向性电压控制。本发明有利于保证微网的稳定运行、减小微网的备用容量，提高微网运行的经济性。

Description

一种适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法。

背景技术

随着能源问题的日益突出及传统大型电网弊端的显露，分布式发电逐渐进入低压供电网络。分布式发电具有环境友好、安装灵活、兼容性强等良好特性，成为缓解能源紧缺及改善大型电网运行的解决方案之一。微网作为分布式发电的有效载体，可弱化其对电网的不利影响，进一步提高局部电网的供电质量。以整合当地发电资源、就地消纳负荷为宗旨的低压微网，呈现出良好的发展趋势。

低压微网可与配电网并联运行，也可在配电网故障情况下实施孤岛运行或计划内的孤岛运行。当微网与配电网并联运行时，并网点电压由配电网支撑，微网内部各母线电压及功率平衡通过微网自身调节能力进行控制，从而减小配电网运行压力。而对于孤岛运行的微网，则必须完全依靠自身的调节资源及手段维持功率平衡及电压稳定。

微网的功率平衡及电压稳定可以通过对等控制或主从控制模式实现。微网采用对等控制时，DG单元以下垂控制为主，通过有功功率-频率、无功功率-电压的下垂特性实现系统频率及电压的调节。下垂控制中DG单元间无需互联通信，即插即用。对于下垂控制的负特性所造成的电压偏差及频率偏差问题，也可通过二次电压控制解决。现有的二次电压控制方法可针对DG母线或公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)母线进行精准电压控制，无功功率分配结果也较为准确。但同时也存在以下共性问题：1)调压方案不能体现全局信息：各DG单元的控制器只采集局部信息进行电压控制，未获取微网系统的全局信息，无法根据系统总体运行状态做出响应并形成全局最优的电压调节方案；2)无法针对指定母线实现靶向性控制：对于为未安装DG或调压设备的母线缺乏有效的电压控制方案；3)无法兼顾运行中的技术性与经济性：二次电压控制中易造成“欠调”或“过调，导致电能质量下降或占用过多调压资源，技术性与经济性难以兼顾。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，本发明的二次电压控制方法有利于保证低压微网的稳定运行、提高微网运行的经济性。

本发明的技术解决方案如下：

所述的低压微网系统包括DG单元、交流馈线以及交流负载；DG单元由电源及功率变换器组成，经由交流馈线接入公共耦合点，各交流馈线带有断路器；负荷根据实际分布就近接入DG单元母线或公共耦合点母线；公共耦合点通过并网变压器与配电网连接，并网变压器与配电网间装设并网断路器，并网断路器控制微网的运行模式。微网与配电网并联运行时，并网变压器作为主控单元，通过公共耦合点稳定微网系统基本电压，微网内部DG作为从控单元；孤岛运行时，微网内部的一个DG作为主控单元稳定微网系统基本电压，其余DG单元作为从控单元。

所述的低压微网二次电压控制按照以下方式实施：

①构建以DG单元母线电压及公共耦合点母线电压为优化变量的优化问题的数学模型。

以DG母线及PCC母线电压作为优化变量x，x＝[U₁,U₂,…,U_I,U_P]，将微网内部节点功率平衡、并网点功率平衡作为等式约束条件，将DG容量、线路容量及母线电压上下限作为不等式约束条件，建立原始优化问题的数学模型如下：

ob:

s.t.

其中，i＝1,…,I；n＝1,…,N；l＝1,…,L；I、N、L分别为微网系统的母线数量、DG数量及线路数量；U_i、U_i,ref为母线i的电压实际值及参考值；U_P及U_P,ref为PCC母线电压的实际值及参考值；P_i,DG及P_i,load为母线i的DG输出有功功率及负荷有功功率；Q_i,DG及Q_i,load为母线i的DG输出无功功率及负荷无功功率；P_l,max为线路l的容量；P_n,max及P_n,min、Q_n,max及Q_n,min为DG输出的有功功率及无功功率上、下限；U_P,max及U_P,min、U_i,max及U_i,min为PCC母线及其它母线电压的上、下限；P_grid与P_P,load分别为电网经PCC母线流入微网的有功功率及PCC母线的等值负荷有功功率；Q_grid与Q_P,load分别为电网经PCC母线流入微网的无功功率及PCC母线的等值负荷无功功率；α_P、α_i为PCC母线及其它母线的电压权系数；K_P为微网运行模式切换开关，且K_P＝[0,1]；K_P＝0表示微网孤岛运行，K_P＝1表示微网与配电网并联运行。通过K_P的设置将配电网注入功率作为等式约束引入优化模型，微网在不同运行模式下不切换控制策略。

②建立DG单元输出功率增量与DG母线电压、公共耦合点母线电压的耦合方程。

将母线电压用泰勒展开式来近似逼近。在优化前的功率初值(P₀,Q₀)处进行泰勒展开，有：

其中，φ(U)为高次项。忽略高次项，可得

U≈U₀+JAC_U-P·ΔP+JAC_U-Q·ΔQ (4)

上两式中，P、Q为优化后DG单元实际输出有功及无功功率向量；U(P₀,Q₀)为优化前母线电压向量，且U₀＝U(P₀,Q₀)；U(P,Q)为优化后DG实际输出功率对应的母线电压向量，且U＝U(P,Q)；JAC_U-P为母线电压对DG有功功率的一阶偏导数矩阵；JAC_U-Q为母线电压对DG无功功率的一阶偏导数矩阵；ΔP、ΔQ为DG有功及无功功率增量向量，且ΔP＝[ΔP₁,…,ΔP_N]^T、ΔQ＝[ΔQ₁,…,ΔQ_N]^T。

对于所述的低压微网，电压与无功功率耦合关系较小，JAC_U-Q≈0，式(4)进一步写为：

U≈U₀+JAC_U-P·ΔP (5)

在电压优化过程中，初始运行状态确定，P₀,、Q₀、U₀、JAC_U-P保持不变，母线电压可表示为DG单元有功功率增量的函数，即

U＝F(ΔP) (6)

其中F为母线电压与DG输出功率增量的耦合方程。

③构建以DG有功功率增量为优化变量的等效优化问题的数学模型，求解等效优化问题的最优解。

该过程分2个步骤实施：

1)构建以DG有功功率增量为优化变量的等效优化问题的数学模型：

ob:

s.t.

所述等效的优化问题中，优化变量转化为DG有功功率增量，即

等式约束增加母线电压与DG功率增量的耦合方程；不等式约束转换为耦合方程约束。

2)求解等效优化问题，获得各DG单元有功功率增量最优值ΔP₁,…,ΔP_N。

④更新DG单元功率参考值，DG单元输出功率跟随参考值变化，调节DG母线及公共耦合点母线电压，完成二次电压控制。所述的DG功率参考值整定方法按下式确定：

P_n,ref＝P_n,0+ΔP_nn＝1,2,…,N (9)

本发明的有益效果：

本发明所述二次电压控制方法基于优化思想，计算结果是全局最佳调压方案。传统的方法，包括功率均分、按容量比例分配乃至其它方法分配调节功率均不是最佳选择。本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：

1)在孤岛运行及并网运行的情况下均可实现包括DG母线及PCC母线在内的全局最优的调压方案，实现总体电压偏差最小。

2)可对指定母线(包括DG母线或PCC母线)实现预期精度的电压控制，为避免电压的“过调”或“欠调”提供计算依据，有利于提高微网运行的经济性。

3)在运行模式切换时无需更改控制策略及电压优化模型，只需通过开关函数将并网点的功率约束引入优化模型。

综上，本发明的二次电压控制方法能实现主从控制微网的电压控制，在全局优化的控制过程中亦可实现靶向性电压控制，适用于孤岛及并网运行的低压微网系统；且所述方法对控制系统硬件要求低，易于实现。

附图说明

图1为DG单元的控制策略图；

图2为所述低压微网系统的二次电压控制流程图；

图3为所述低压微网系统的结构图；

图4a和图4b为本发明实施例1的各母线电压；

其中，图4a为本发明的优化方法所得各母线电压波形；图4b为采用传统的按容量比例分配功率方法所得的各母线电压波形；

图5a和图5b为本发明实施例1的DG输出功率；

其中，图5a为本发明优化方法所得各DG单元的输出功率波形；图5b为采用传统的按容量比例分配功率方法所得的DG单元输出功率波形；

图6为本发明实施例1中DG3的电压权系数α₃发生变化、α₁＝α₂＝α_P＝1的情形下各母线电压的相对电压偏差；

图7为本发明实施例2的各母线电压波形；

图8为本发明实施例2的DG输出功率波形；

图9为本发明实施例2中DG3的电压权系数α₃发生变化、α₁＝α₂＝α_P＝1的情形下各母线电压的相对电压偏差。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-3，本发明的适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，所述的低压微网系统包括DG单元、交流馈线以及交流负载；DG单元由电源及功率变换器组成，经由交流馈线接入公共耦合点，各交流馈线带有断路器；负荷根据实际分布就近接入DG单元母线或公共耦合点母线；公共耦合点通过并网变压器与配电网连接，并网变压器与配电网间装设并网断路器，并网断路器控制微网的运行模式。

微网与配电网并联运行时，并网变压器作为主控单元，通过公共耦合点稳定微网系统基本电压，微网内部DG作为从控单元；孤岛运行时，微网内部的一个DG作为主控单元稳定微网系统基本电压，其余DG单元作为从控单元。

所述的低压微网二次电压控制按照以下方式实施：

①构建以DG单元母线电压及公共耦合点母线电压为优化变量的优化问题的数学模型。

以DG母线及PCC母线电压作为优化变量x，x＝[U₁,U₂,…,U_I,U_P]，将微网内部节点功率平衡、并网点功率平衡作为等式约束条件，将DG容量、线路容量及母线电压上下限作为不等式约束条件，建立原始优化问题的数学模型如下：

ob:

s.t.

其中，i＝1,…,I；n＝1,…,N；l＝1,…,L；I、N、L分别为微网系统的母线数量、DG数量及线路数量；U_i、U_i,ref为母线i的电压实际值及参考值；U_P及U_P,ref为PCC母线电压的实际值及参考值；P_i,DG及P_i,load为母线i的DG输出有功功率及负荷有功功率；Q_i,DG及Q_i,load为母线i的DG输出无功功率及负荷无功功率；P_l,max为线路l的容量；P_n,max及P_n,min、Q_n,max及Q_n,min为DG输出的有功功率及无功功率上、下限；U_P,max及U_P,min、U_i,max及U_i,min为PCC母线及其它母线电压的上、下限；P_grid与P_P,load分别为电网经PCC母线流入微网的有功功率及PCC母线的等值负荷有功功率；Q_grid与Q_P,load分别为电网经PCC母线流入微网的无功功率及PCC母线的等值负荷无功功率；α_P、α_i为PCC母线及其它母线的电压权系数；K_P为微网运行模式切换开关，且K_P＝[0,1]；K_P＝0表示微网孤岛运行，K_P＝1表示微网与配电网并联运行。通过K_P的设置将配电网注入功率作为等式约束引入优化模型，微网在不同运行模式下不切换控制策略。

②建立DG单元输出功率增量与DG母线电压、公共耦合点母线电压的耦合方程。

将母线电压用泰勒展开式来近似逼近。在优化前的功率初值(P₀,Q₀)处进行泰勒展开，有：

其中，φ(U)为高次项。忽略高次项，可得

U≈U₀+JAC_U-P·ΔP+JAC_U-Q·ΔQ (4)

上两式中，P、Q为优化后DG单元实际输出有功及无功功率向量；U(P₀,Q₀)为优化前母线电压向量，且U₀＝U(P₀,Q₀)；U(P,Q)为优化后DG实际输出功率对应的母线电压向量，且U＝U(P,Q)；JAC_U-P为母线电压对DG有功功率的一阶偏导数矩阵；JAC_U-Q为母线电压对DG无功功率的一阶偏导数矩阵；ΔP、ΔQ为DG有功及无功功率增量向量，且ΔP＝[ΔP₁,…,ΔP_N]^T、ΔQ＝[ΔQ₁,…,ΔQ_N]^T。

对于所述的低压微网，电压与无功功率耦合关系较小，JAC_U-Q≈0，式(4)进一步写为：

U≈U₀+JAC_U-P·ΔP (5)

在电压优化过程中，初始运行状态确定，P₀,、Q₀、U₀、JAC_U-P保持不变，母线电压可表示为DG单元有功功率增量的函数，即

U＝F(ΔP) (6)

其中F为母线电压与DG输出功率增量的耦合方程。

③构建以DG有功功率增量为优化变量的等效优化问题的数学模型，求解等效优化问题的最优解。

该过程分2个步骤实施：

1)构建以DG有功功率增量为优化变量的等效优化问题的数学模型：

ob:

s.t.

所述等效的优化问题中，优化变量转化为DG有功功率增量，即

等式约束增加母线电压与DG功率增量的耦合方程；不等式约束转换为耦合方程约束。

2)求解等效优化问题，获得各DG单元有功功率增量最优值ΔP₁,…,ΔP_N。

④更新DG单元功率参考值，DG单元输出功率跟随参考值变化，调节DG母线及公共耦合点母线电压，完成二次电压控制。所述的DG功率参考值整定方法按下式确定：

P_n,ref＝P_n,0+ΔP_nn＝1,2,…,N (9)

实施例1

在该实施例中微网运行于孤岛模式。

微网内包括4个DG单元，各DG单元由理想直流电压源、逆变器、滤波器构成，经交流电缆接入PCC母线。系统额定电压380V，额定频率50Hz。每个DG单元母线带有近端负荷。PCC的等值负荷初始运行时不投入，0.5秒时投入；1秒时微网系统启动二次电压控制程序。

由图4a和表1可以看出，PCC母线负荷投入后，系统发生大幅度功率缺额，DG1～3的母线电压下降。采用本发明所述的方法进二次电压控制，可以将系统各母线电压恢复至额定值附近，且系统总体电压偏差较小，为2.44V。采用传统方法，按DG容量比分配调节功率的方法进行二次电压控制，仿真结果如图4b所示。由图4b和表1可以看出，采用传统方法进行二次电压控制后，各母线电压偏差均高于本发明的方法，且系统总体电压偏差增加，为5.11V。

表1本发明与传统方法的二次电压控制结果(V)

由图5a、5b和表2可以看出，采用本发明所述方法进行二次电压控制，各DG总输出功率为293.16kW，较传统方法输出功率299.76kW下降了2.2％。表明本发明的方法在获得较高的电压控制精度时，并未牺牲系统的调压资源。

表2本发明与传统方法的DG输出功率(kW)

由图6可以看出，DG3的电压权系数α₃从1开始增大时，DG3的母线电压偏差迅速减小并趋于稳定，而其它母线电压偏差在DG3母线电压偏差稳定后均大于DG3的母线电压偏差。图6表明微网孤岛运行时，通过调节电压权系数，可以对指定母线实现高精度的电压控制，但会以牺牲其它母线的电压质量为代价。在微网总体电压偏差最小的前提下，可以实现靶向性电压控制。

实施例2

在该实施例中微网与配电网并联运行。

微网内包括4个DG单元，各DG单元由理想直流电压源、逆变器及滤波器构成，经交流电缆接入PCC母线。系统额定电压380V，额定频率50Hz。每个DG单元的母线带有近端负荷。初始运行时配电网流入微网的功率为19kW。PCC的等值负荷0.5秒时投入，1秒时微网系统启动二次电压控制程序，仿真结果如图7～9所示。

由图7可以看出，0.5～1.0秒期间，各DG母线电压均不发生变化。1.0秒启动二次电压控制后，各DG母线电压有小幅回升。图7表明，在并网运行情况下，采用本发明所述的方法进行二次电压控制时各母线电压均可获得较高的稳态控制精度。

由图8可以看出，0.5～1.0秒期间，各DG输出功率不发生变化，但电网流入微网的功率增加至72kW。1.0秒启动二次电压控制后，电网流入微网的功率迅速恢复至19kW，各DG输出功率有不同程度的增加，增加的幅值取决于电压优化的结果。图8表明，在并网运行情况下，采用本发明所述的二次电压控制方法，可维持并网点功率为计划值。

由图9可以看出，DG3的电压权系数α₃从1开始增大时，DG3的母线电压偏差迅速减小并趋于稳定，而其它母线电压偏差在DG3母线电压偏差稳定后均大于DG3的母线电压偏差。图9表明在并网运行时，通过调节电压权系数，可以对指定母线实现高精度的电压控制，但会以牺牲其它母线的电压质量为代价；在微网总体电压偏差最小的前提下，可以实现靶向性电压控制。

实施例1与实施例2的仿真结果及分析表明：

1)本发明所述的二次电压控制方法在微网孤岛运行、与配电网并联运行的情况下均可实现有效的电压控制，获得全局最优的调压方案。

2)本发明所述的二次电压控制方法在获得全局最优调压方案的前提下，可对指定母线实现靶向性电压控制。

3)本发明所述的二次电压控制方法可以通过较少的DG备用容量实现全局最优的电压控制，占用的系统资源少，有利于微网的电压稳定及经济运行。

Claims (5)

1.一种适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，所述的低压微网系统包括DG单元、交流馈线以及交流负载；DG单元由电源及功率变换器组成，经交流馈线接入公共耦合点，各交流馈线带有断路器；负荷根据实际分布位置就近接入DG单元母线或公共耦合点母线；公共耦合点通过并网变压器与配电网连接，并网变压器与配电网间装设并网断路器，并网断路器控制微网的运行模式，其特征在于：微网与配电网并联运行时，并网变压器作为主控单元，通过公共耦合点稳定系统基本电压，微网内部DG作为从控单元；孤岛运行时，微网内部的一个DG单元作为主控单元稳定微网系统基本电压，其余DG单元作为从控单元；具体包括如下实施步骤：

步骤1)构建以DG单元母线电压及公共耦合点母线电压为优化变量的优化问题的数学模型；

步骤2)建立DG单元输出功率增量与DG母线电压及公共耦合点母线电压的耦合方程；

步骤3)构建以DG功率增量为优化变量的等效优化问题的数学模型，求解等效优化问题的最优解；

步骤4)更新DG单元功率参考值，DG单元输出功率跟随参考值变化，微网系统达到新的功率平衡状态，DG母线及公共耦合点母线电压达到预期控制精度，完成二次电压控制。

2.根据权利要求1所述的适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，其特征在于，步骤1)中所述优化问题的优化变量为x，并且x＝[U₁,U₂,…,U_I,U_P]；所述优化问题的目标函数及约束条件为：

其中，i＝1,…,I，I为微网系统的母线数量；U_i及U_i,ref为母线i的电压实际值及参考值；U_P及U_P,ref为公共耦合点电压的实际值及参考值；α_P及α_i为公共耦合点母线及其它母线的电压权系数；K_P为微网运行模式切换开关，且K_P＝[0,1]；K_P＝0表示微网孤岛运行，K_P＝1表示微网与配电网并联运行；h(x)为等式约束集合，包括微网内各母线的有功功率、无功功率平衡约束、并网点有功功率、无功功率平衡约束；g(x)为不等式约束集合，包括DG容量约束、线路容量约束、母线电压上下限约束。

3.根据权利要求1所述的适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，其特征在于，步骤2)中所述的DG母线电压与DG单元输出功率增量的耦合方程为：

U≈U₀+JAC_U-P·ΔP (3)

其中，U₀为二次电压控制启动前各母线电压初始值向量；U为二次电压控制结束后各母线电压向量；JAC_U-P为母线电压对DG有功功率的一阶偏导数矩阵；ΔP为DG的有功功率增量向量，且ΔP＝[ΔP₁,…,ΔP_N]^T。

4.根据权利要求3所述的适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，其特征在于，步骤3)中构建的以DG功率增量为优化变量的等效优化问题的目标函数及约束条件为：

其中，

为等式约束条件，具体包括以下约束方程：

其中，F_P(·)与F_i(·)表示由公式(3)确定的母线电压与DG输出功率增量的耦合方程。

5.根据权利要求1所述的适用主从控制模式的低压微网二次电压控制方法，其特征在于，步骤4)中所述的DG功率参考值整定方法按下式确定：

P_n,ref＝P_n,0+ΔP_n n＝1,2,…N (7)。

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