CN111884258A - 考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法 - Google Patents

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Abstract

考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，多微网被动并离网时自动调节；建立多微网被动并离网时紧急控制模型；基于层次分析法，计算每一个负荷的协调减载因子；基于负荷的协调减载因子，确定减载地点。本发明一种考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，该方法利用微电网电源层面和系统层面两个阶段的控制，并对负荷进行重要程度评估。该方法能够保证多微网被动并离网期间对敏感负荷的不间断供电，从而实现多微网并网模式和孤岛模式之间的无缝切换。

Description

考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法。
背景技术
可再生能源的广泛使用有助于减少碳排放量，缓解环境污染问题。微电网作为一种整合式分布式发电的新型供电技术，能有效促进分布式可再生能源的就地消纳，减小大规模接入可再生能源对大电网的冲击。随着微电网大量增多，一定区域内多个临近微电网因互相关联形成多微网系统。当配电网发生故障导致多微网非计划性并离网切换发生时，多微网内部可能出现功率缺额的情况。如何解决多微网被动并离网时联络线功率缺额问题，以实现多微网并离网无缝切换时对敏感负荷的不间断供电，是多微网被动并离网平滑切换需要解决的关键问题。
现有技术文献中：
Distributedhierarchical control of ac microgrid operating in grid-connected,islandedand their transition modes(X.Hou,Y.Sun,J.Lu,X.Zhang,L.H.Koh,and M.Su.Distributedhierarchical control of ac microgrid operating ingrid-connected,islandedand their transition modes[J].IEEE Access.vol.6,pp.77388-77401,Nov.2018.)提出了一种适用于交流微电网的分布式分级控制方法，结合了初级下垂控制、二级分散控制和三级模式监控的优点，可实现多种运行模式下的无缝切换。
Control of transient powerduring unintentional islanding ofmicrogrids(W.R.Issa,M.A.Abusara,and S.M.Sharkh.Control of transientpowerduring unintentional islanding of microgrids[J].IEEETrans.PowerElectron,vol.30,no.8,pp.4573–4584,Aug.2015.)提出一种改进控制器用于抑制非计划性孤岛发生时并联逆变器的暂态循环功率扰动，实现两种模式的平滑切换。
Survivability of synchronous generator-based distributedenergyresources for transient overload conditions in a microgrid(J.Choi,A.Khalsa,D.A.Klapp,M.S.Illindala,and K.Subramaniam.Survivability ofsynchronous generator-based distributed energyresources for transientoverload conditions in a microgrid[J].IEEE Trans.Ind.Appl,vol.54,no.6,pp.5717–5726,Nov/Dec.2018.)对微电网并离网切换期间分布式电源在暂态过载紧急情况下的耐受性(生存能力)进行分析，设计了一种微电网减载方案，该方案能够提高微电网生存能力。
但以上文献研究，均未考虑在多微网并离网切换过程中对负荷的重要等级进行分类问题，在紧急情况下，如重大功率缺额无法保证重要用户的不间断供电需要。
发明内容
针对上述技术中的不足，本发明提供一种考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，该方法利用微电网电源层面和系统层面两个阶段的控制，并对负荷进行重要程度评估。该方法能够保证多微网被动并离网期间对敏感负荷的不间断供电，从而实现多微网并网模式和孤岛模式之间的无缝切换。
本发明采取的技术方案为：
考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，包括以下步骤：
步骤一、多微网被动并离网时自动调节；
步骤二、建立多微网被动并离网时紧急控制模型；
步骤三、基于层次分析法，计算每一个负荷的协调减载因子；
步骤四、基于负荷的协调减载因子，确定减载地点。
本发明一种考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，针对多微网非计划并离网切换过程中出现功率缺额问题，提出一种基于协调减载因子的负荷重要性评估模型，该模型在多微网发生非计划并离网出现功率缺额的情况时，可以对负荷重要程度进行评估，从而确定各负荷的减载优先级。
本发明提出的方法在多微网发生被动并离网时能够使系统的功率供求关系瞬间恢复平衡，并保证重要负荷的供电可靠性，从而实现多微网的平滑切换。
附图说明
图1是多微网发生被动并离网切换时的控制策略框图。
图2是基于层次分析法的减载优先级评估模型。
图3是多微网被动并离网切换期间频率变化曲线图。
具体实施方式
考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，包括以下步骤：
步骤一、多微网被动并离网时自动调节；
当配电网突发故障时，多微网与配电网之间的公共端口处静态转换开关发生非计划性断开，多微网中心控制器进行孤岛检测后，多微网被动地进入孤岛运行模式，多微网中心控制器向各个子微网中主储能控制器发出控制模式的切换信号，主储能迅速完成从PQ控制到V/f控制的平滑切换，此时多微网内的主电源将调整出力，以快速弥补联络线功率缺额。步骤二、建立多微网被动并离网时紧急控制模型；
紧急控制模型目标函数为：
Figure BDA0002613556230000031
其中：D为多微网中分布式电源个数；L为多微网中负荷个数；pm为第m个分布式电源输出的有功功率；dn为第n个负荷所需要的功率。
目标函数的约束条件如下：
Figure BDA0002613556230000032
Figure BDA0002613556230000033
Figure BDA0002613556230000034
Figure BDA0002613556230000035
fmin≤f≤fmax
Figure BDA0002613556230000036
其中，pi为第i个分布式电源输出的有功功率；qi为第i个分布式电源的无功功率；
Figure BDA0002613556230000037
为第i个负荷所需有功功率；
Figure BDA0002613556230000038
为第i个负荷所需无功功率；Gij、Bij分别为i，j两节点间的电导和电纳；δij为i，j两节点间的相角；
Figure BDA0002613556230000039
分别为第n个分布式电源有功功率的最小值和最大值；
Figure BDA00026135562300000310
分别为第n个负荷所需功率的最小值和最大值；Vi为节点i的电压；Vj为节点j的电压；Vi min、Vi max分别节点i的电压下限值和上限值；f为多微网的频率；fmin、fmax为多微网频率的下限值和上限值；Iij为i，j两节点间电流值；
Figure BDA00026135562300000311
分为i，j两节点间电流最大值。
步骤三、基于层次分析法，计算每一个负荷的协调减载因子，包括以下步骤：
步骤3.1、建立多微网的递阶层次结构模型：
以减载优先级作为目标层，以负荷等级、单位电能停电损失、负荷点的负载率和负荷点的三相不平衡度这四个因素作为准则层，设置参与减载的所有负荷点为对应的方案层；
步骤3.2、构造各层次判断矩阵：
判断矩阵表示本层所有因素针对上层某一个因素的相对重要性比较，确定步骤3.1中四个因素在目标中所占的比重，每个因素要包括自身在内的所有因素，两两比较四次，形成4×4的判断矩阵H＝(hxy)4×4，x,y＝1,2,3,4；
其中：hxy为xy两因素相比较根据两者重要性给出1-9数值，式中需要满足hxy>0，hxy＝1/hyx(x≠y)。
步骤3.3、层次单排序及一致性检验：
求解判断矩阵H的最大特征值及特征向量，采用一致性指标ZI和平均一致性指标RI检验判断矩阵的一致性。
其中，
Figure BDA0002613556230000041
λ为判断矩阵的最大特征值，ZI1，ZI2，…，ZI500为随机构造的500个成对比较矩阵。λ1，λ2，…，λ500分别为500个成对比较矩阵的最大特征值。若(ZI/RI)≤0.1时，则认为判断矩阵是可以接受被接受的。反之则需要重新构造成对比较矩阵，直至满足(ZI/RI)≤0.1。
步骤3.4、层次总排序及一致性检验：
利用步骤3.3中所有因素的层次单排序结果，依次沿递阶层次结构由下而上逐层计算出方案层相对于目标层的综合重要性，有如下公式：
Figure BDA0002613556230000048
式中：
Figure BDA0002613556230000042
表示第x方案对目标层的重要性，
Figure BDA0002613556230000043
表示准则层第y个准则对目标层的重要性，
Figure BDA0002613556230000044
表示第x个方案相对于第y个准则的方案重要性。
步骤3.5、计算协调减载因子：
利用方案层对目标层的综合重要性，可以计算出对应方案的协调减载因子：
Figure BDA0002613556230000045
式中：
Figure BDA0002613556230000046
为第x个负荷点的协调因子，
Figure BDA0002613556230000047
表示第x方案对目标层的重要性。减载因子较大的负荷具有较高的减载优先级。
步骤四、基于负荷的协调减载因子，确定减载地点。
当多微网被动并离网切换过程中出现功率缺额时，需要基于减载优先级对非重要负荷进行切除。该负荷切除问题可以等效为一个0-1背包问题：负荷作为确定的实物，符合单个物体不可分割的要求，视为离散变量；负荷的功率容量和减载因子两个指标可分别对应于背包模型中物体和物品价值，该优化模型如下所示：
Figure BDA0002613556230000051
约束条件：
Figure BDA0002613556230000052
其中，Yn为第n个负荷点的协调减载因子；Xn为负荷编号；dn为第n个负荷所需功率；p为多微网被动并离网后分布式电源提供的最大功率。在对负荷点的进行一对一编号后，通过计算可得出一个只含有0和1变量的n维向量，负荷点编号为1的代表该点进行减载操作。
图1为多微网发生被动并离网时策略控制框图。无缝切换策略具体实现步骤如下：(1)当配电网突发故障时，多微网与配电网之间的公共端口处静态转换开关发生非计划性断开。多微网中心控制器进行孤岛检测后多微网被动地进入孤岛运行模式。(2)多微网中心控制器向各个子微网中主储能控制器发出控制模式的切换信号，中心控制器将被动切换发生前的配电网的电压值和频率作为V/f控制的参考值，同时保存切换前配电网电压的相位作为切换V/f控制的参考值，从而迅速完成从PQ控制到V/f控制的平滑切换。(3)由于多微网内功率缺额不能完全由分布式电源提供，此时通过引入协调减载因子评估负荷的重要性程度，并基于0-1背包模型优化减载地点。经过上述两阶段控制后，将系统的功率供需关系在短时间内恢复到接近平衡的状态，实现无缝切换。
图2是基于层次分析法的减载优先级评估模型。该减载模型一共分为三层，分别为目标层、准则层和方案层。以负荷减载优先级作为减载优先级评估模型目标层，以负荷等级、停电损失、负载率、三相不平衡度作为减载优先级评估模型的准则层，Wy表示准则层第y个准则对目标层的重要性。以多微网内部参与减载的所有负荷点作为减载优先级评估模型的方案层。Wxy表示第x个方案相对于第y个准则的方案重要性。
图3是多微网被动并离网切换期间频率变化曲线图。从图3中可以看出，在t＝1s之前，多微网系统与配电网相连，多微网系统频率稳定维持在50HZ。t＝1s时，配电网发生故障，多微网被动并离网切换开始。多微网与配电网断开连接，由于多微网内分布式电源功率不能满足负荷的需求，导致多微网内部存在功率缺额，多微网系统频率迅速下降。基于隐枚举法的切换方法在多微网并离网切换期间没有考虑负荷的重要性，切除了大功率负荷从而导致频率和电压产生较大的波动。相比于隐枚举法，本发明所提方法考虑到负荷的等级分类问题，其频率曲线波动较小，恢复时间较快。

Claims (6)

1.考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、多微网被动并离网时自动调节；
步骤二、建立多微网被动并离网时紧急控制模型；
步骤三、基于层次分析法，计算每一个负荷的协调减载因子；
步骤四、基于负荷的协调减载因子，确定减载地点。
2.根据权利要求1所述考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，其特征在于：所述步骤一包括：
当配电网突发故障时，多微网与配电网之间的公共端口处静态转换开关发生非计划性断开，多微网中心控制器进行孤岛检测后，多微网被动地进入孤岛运行模式，多微网中心控制器向各个子微网中主储能控制器发出控制模式的切换信号，主储能迅速完成从PQ控制到V/f控制的平滑切换，此时多微网内的主电源将调整出力，以快速弥补联络线功率缺额。
3.根据权利要求1所述考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，其特征在于：所述步骤二中，
紧急控制模型目标函数为：
Figure FDA0002613556220000011
其中：D为多微网中分布式电源个数；L为多微网中负荷个数；pm为第m个分布式电源输出的有功功率；dn为第n个负荷所需要的功率；
目标函数的约束条件如下：
Figure FDA0002613556220000012
Figure FDA0002613556220000013
Figure FDA0002613556220000014
Figure FDA0002613556220000015
fmin≤f≤fmax
Figure FDA0002613556220000021
其中，pi为第i个分布式电源输出的有功功率；qi为第i个分布式电源的无功功率；
Figure FDA0002613556220000022
为第i个负荷所需有功功率；
Figure FDA0002613556220000023
为第i个负荷所需无功功率；Gij、Bij分别为i，j两节点间的电导和电纳；δij为i，j两节点间的相角；
Figure FDA0002613556220000024
分别为第n个分布式电源有功功率的最小值和最大值；
Figure FDA0002613556220000025
分别为第n个负荷所需功率的最小值和最大值；Vi为节点i的电压；Vj为节点j的电压；Vi min、Vi max分别节点i的电压下限值和上限值；f为多微网的频率；fmin、fmax为多微网频率的下限值和上限值；Iij为i，j两节点间电流值；
Figure FDA0002613556220000026
分为i，j两节点间电流最大值。
4.根据权利要求1所述考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，其特征在于：所述步骤三包括以下步骤：
步骤3.1、建立多微网的递阶层次结构模型：
以减载优先级作为目标层，以负荷等级、单位电能停电损失、负荷点的负载率和负荷点的三相不平衡度这四个因素作为准则层，设置参与减载的所有负荷点为对应的方案层；
步骤3.2、构造各层次判断矩阵：
判断矩阵表示本层所有因素针对上层某一个因素的相对重要性比较，确定步骤3.1中四个因素在目标中所占的比重，每个因素要包括自身在内的所有因素，两两比较四次，形成4×4的判断矩阵H＝(hxy)4×4，x,y＝1,2,3,4；
其中：hxy为xy两因素相比较根据两者重要性给出1-9数值，式中需要满足hxy>0，hxy＝1/hyx(x≠y)；
步骤3.3、层次单排序及一致性检验：
求解判断矩阵H的最大特征值及特征向量，采用一致性指标ZI和平均一致性指标RI检验判断矩阵的一致性；
其中，
Figure FDA0002613556220000027
λ为判断矩阵的最大特征值，ZI1，ZI2，…，ZI500为随机构造的500个成对比较矩阵；λ1，λ2，…，λ500分别为500个成对比较矩阵的最大特征值；若(ZI/RI)≤0.1时，则认为判断矩阵是可以接受被接受的；反之则需要重新构造成对比较矩阵，直至满足(ZI/RI)≤0.1；
步骤3.4、层次总排序及一致性检验：
利用步骤3.3中所有因素的层次单排序结果，依次沿递阶层次结构由下而上逐层计算出方案层相对于目标层的综合重要性，有如下公式：
Figure FDA0002613556220000031
式中：
Figure FDA0002613556220000032
表示第x方案对目标层的重要性，
Figure FDA0002613556220000033
表示准则层第y个准则对目标层的重要性，
Figure FDA0002613556220000034
表示第x个方案相对于第y个准则的方案重要性；
步骤3.5、计算协调减载因子：
利用方案层对目标层的综合重要性，可以计算出对应方案的协调减载因子：
Figure FDA0002613556220000035
式中：Y＝[Y1,…Yx,…,Yn]，
Figure FDA0002613556220000036
为第x个负荷点的协调因子，
Figure FDA0002613556220000037
表示第x方案对目标层的重要性；减载因子较大的负荷具有较高的减载优先级。
5.根据权利要求1所述考虑负荷重要等级的多微网被动并离网平滑切换方法，其特征在于：所述步骤四包括：
当多微网被动并离网切换过程中出现功率缺额时，需要基于减载优先级对非重要负荷进行切除；该负荷切除问题可以等效为一个0-1背包问题：负荷作为确定的实物，符合单个物体不可分割的要求，视为离散变量；负荷的功率容量和减载因子两个指标可分别对应于背包模型中物体和物品价值，该优化模型如下所示：
Figure FDA0002613556220000038
约束条件：
Figure FDA0002613556220000039
Xn∈{0,1}
其中，Yn为第n个负荷点的协调减载因子；Xn为负荷编号；dn为第n个负荷所需功率；p为多微网被动并离网后分布式电源提供的最大功率；在对负荷点的进行一对一编号后，通过计算可得出一个只含有0和1变量的n维向量，负荷点编号为1的代表该点进行减载操作。
6.基于层次分析法的减载优先级评估模型，其特征在于：该模型一共分为三层，分别为目标层、准则层和方案层，以负荷减载优先级作为减载优先级评估模型目标层，以负荷等级、停电损失、负载率、三相不平衡度作为减载优先级评估模型的准则层，Wy表示准则层第y个准则对目标层的重要性，以多微网内部参与减载的所有负荷点作为减载优先级评估模型的方案层，Wxy表示第x个方案相对于第y个准则的方案重要性。
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