CN112054512B - 基于fcs-mpc控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法 - Google Patents

基于fcs-mpc控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法 Download PDF

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Abstract

基于FCS‑MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，搭建高渗透率主动配电网，作为电能质量治理的测试系统；搭建可调电抗器数学模型；将有限状态模型预测控制FCS‑MPC与可调电抗器模型相结合，构建步长函数，对可调电抗器的输出进行预测；设置FCS‑MPC的自适应权重选择方法，使其能够根据电能质量扰动的严重程度进行判断，以输出最优开关状态。发明提供方法使用可调电抗器对高渗透率主动配电网复合电能质量扰动进行综合治理，同时将可调电抗器结合FCS‑MPC后，能够对不同扰动类型进行控制治理，并且该方法提供了新的针对可调电抗器的控制策略，使其可以根据电压、电流的幅值以及谐波畸变率进行自适应权重因子确定，完成多目标优化。

Description

基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法
技术领域
本发明涉及电能质量治理技术领域，具体涉及一种基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法。
背景技术
主动配电网可以充分发挥分布式发电系统效能，提高用户的供电可靠性，削弱分布式电源对电网的冲击和负面影响，具有良好的经济和社会效益。由于主动配电网在电源、负荷、能源转换单元、储能和运行状态等方面的多样性，分布式电源的间歇性和随机性，以及大电网和主动配电网之间的高渗透率，主动配电网的电能质量问题比传统大电网的电能质量问题严重得多。主要表现为：①多种并网变流器输出谐波相互影响；②过电压和过电流现象更加频繁；③多种电能质量问题并存。
目前，国内外针对主动配电网电能质量治理的研究方法主要有以下两种：
(1)借鉴传统电网的电能质量治理方案，将已有的电能质量治理方法直接应用到主动配电网中。例如：应用有源电力滤波器和静止无功补偿器相结合提高主动配电网的电能质量；或者是设计一种混合型有源滤波系统，来抑制微电网并网节点处的谐波电流。
(2)在现有接入电网变流器中增加电能质量治理的功能，现有技术中，大都针对光伏发电进行功能拓展。代表性的成果主要有：提出主被动结合的电能质量控制思路和带有滤波功能的光伏发电系统，使其能同时实现最大有功功率输出、谐波抑制等功能。
上述第(1)种实现方法没有全面考虑主动配电网电能质量的高渗透率等特征。第(2)种实现方法从主动配电网的某一方面的特征出发提出解决方案，但没有全面考虑主动配电网的具体特点。国内外对全面考虑主动配电网特点的电能质量控制器的研究尚处于起步阶段。
基于上述现有技术中的不足，根据主动配电网电能质量的特征，如谐波高渗透率、频繁的电压波动问题、突出的过电压和过电流问题、系统惯性和主动配电网容量不大、以及安装多种电能质量控制器不经济等因素提出一种主动配电网电能质量综合治理方法，是当前要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，使用可调电抗器对高渗透率主动配电网复合电能质量扰动进行综合治理，同时将可调电抗器结合有限状态模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)后，能够对不同扰动类型进行控制治理，并且该方法提供了新的针对可调电抗器的控制策略，使其可以根据电压、电流的幅值以及谐波畸变率进行自适应权重因子确定，完成多目标优化。相较于传统方法，本发明方法能够避免了复杂的参数设定以及大量计算，控制灵活的同时更适用于主动配电网中的应用。
本发明采取的技术方案为：
基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建高渗透率主动配电网，作为电能质量治理的测试系统；
步骤二：搭建可调电抗器数学模型；
步骤三：将有限状态模型预测控制FCS-MPC与可调电抗器模型相结合，构建步长函数，对可调电抗器的输出进行预测；
步骤四：设置FCS-MPC的自适应权重选择方法，使其能够根据电能质量扰动的严重程度进行判断，以输出最优开关状态。
本发明一种基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，技术效果如下：1)所述步骤一中，可调电抗器的优势体现于：可调电抗器的结构相对于传统治理装置而言结构相对简单，对系统中的检测量要求较少。
2)所述步骤二中，相对于传统控制算法，有限状态模型预测控制FCS-MPC通过对被控对象建立数学模型，不断对模型进行在线修正及滚动优化，使达到预期控制效果。其具有能够对多目标有效优化控制，并能方便的加入非线性约束条件等多个优点。
3)本发明使用基于FCS-MPC的可调电抗器，对主动配电网中的扰动信号进行治理，对可调电抗器进行建模后，使用欧拉近似法写出其步长预测方程，构建输入、输出关系，并使用自适应权重选择成本函数根据配电网在的电能质量情况找出最优开关状态，并将其接入主动配电网中从而实现电能质量的治理。
4)本发明能够治理主动配电网中的多种复合扰动，保障配电网可靠运行。
附图说明
图1为可调电抗器的结构示意图。
图2为可调电抗器变压器的T形等效电路图。
图3为高渗透率主动配电网结构示意图。
图4为主动配电网并网时的扰动波形图。
图5为经可调电抗器治理后的系统波形图。
具体实施方式
基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建包含光伏、风能、电动汽车的高渗透率主动配电网，作为电能质量治理的测试系统。所搭建的测试系统是一个IEEE-13总线配电网，连接到额定功率为5MVA，运行电压为4.16kV和0.48kV的电网。采样频率为3.2kHz，采样时长为0.2，其他参数可于如表1、表2中所示。
表1负载配置表
Figure GDA0003502648180000031
表2变压器配置表
Figure GDA0003502648180000032
该主动配电网系统中，光伏发电通过三相电压型PWM变流器并网，总容量为2MW；燃料电池容量为0.5MW。
主动配电网的渗透率以下述公式(1)为基准:
Figure GDA0003502648180000033
式中，Pi,DG-non为系统内第i个分布式电源的装机容量；n为系统内分布式电源个数；PL,sum为系统内负荷总功率。分布式电源总装机容量Pi,DG-non为2.5MW，系统内负荷总功率PL,sum为3.866MW，
Figure GDA0003502648180000041
经公式(8)计算，该系统渗透率为64.66％，超过60％，符合高渗透率的描述。
步骤二：搭建可调电抗器数学模型，可调电抗器数学模型作为电能质量治理的主要设备。根据可调电抗器中的变压器T型等效电路，可调电抗器中的变压器两侧的电压模型由式(2)、式(3)表示：
Figure GDA0003502648180000042
Figure GDA0003502648180000043
其中：v1(k+1)、v2(k+1)为变压器下一个时刻的一次侧以及二次侧电压，i1(k)、i1(k+1)为变压器该时刻与下一时刻的一次侧电流，i2(k)、i2(k+1)为变压器该时刻与下一时刻的二次侧电流，Ll1、Ll2分别为变压器一次侧、二次侧漏感，Ts为采样时间，Lm为变压器互感，r1、r2分别为变压器一、二次侧阻抗，k为当前时刻；
在每个采样时刻通过得到成本函数的最优解来确定开关状态，所有开关状态的数量可由下式(4)计算：
N＝LP (4)
其中，L为逆变器级数，P为相数，逆变器是指可调电抗器中连接直流源与变压器的部分，FCS-MPC输出的开关状态也输入至逆变器中，逆变器的输出电压即可表示为公式(5)：
Figure GDA0003502648180000044
其中，k为开关状态，Vk为第k个开关状态时输出的电压，VDC为与逆变器连接的直流电源，根据系统电压取值，exp为自然常数e为底的指数函数。
步骤三：将有限状态模型预测控制FCS-MPC与可调电抗器模型相结合，构建步长函数，对可调电抗器的输出进行预测。
FCS-MPC对被控对象的离散化数学模型进行预测，通过价值函数对开关状态进行寻优，以实现系统的控制目标。其控制结构主要分为3部分：
1)：建立被控对象的离散化数学模型，根据变流器不同开关状态S1—SN，预测未来时刻的系统状态量。
2)：根据控制目标的参考值，利用价值函数对各个开关状态的预测结果进行评估。
3)：将最优开关状态输出至变流器。在k时刻，检测到系统状态量，在此基础上，分别预测各个开关状态对系统状态量的影响，得到各个开关状态下的预测值。通过价值函数寻优最终可得最优值，其对应的开关状态将作为控制量输出至变流。
步长函数是指，受控目标每个步长下的输入输出关系函数，构建步长函数对可调电抗器的输出进行预测，其具体公式如下式(6)、(7)表示：
Figure GDA0003502648180000051
Figure GDA0003502648180000052
其中：i1(k)、i1(k+1)为当前时间与下一时刻一次绕组与二次绕组的电流，Ts为采样时间，i2(k)、i2(k+1)为当前时刻与下一时刻二次绕组电流，V2k为当前时刻二次侧电压。Lm为变压器互感，Rm为变压器阻抗，VA为PCC节点A相即时电压，A、B、C、D、E为恒定因数，可表示如下：
A＝Ll1+Lm+LL
B＝Ll2+Lm
C＝r1+Rm+RL
D＝r2+Rm
Figure GDA0003502648180000061
其中：Ll1，Ll2为变压器漏感，RL为线路侧阻抗，LL为线路侧感抗，Lm为变压器互感。r1、r2分别为变压器一、二次侧阻抗。
步骤四：设置FCS-MPC的自适应权重选择方法，使其能够根据电能质量扰动的严重程度进行判断，以输出最优开关状态。自适应权重选择方法包括一种自适应动态权重优化模型，依据状态变化以自适应调整权重分配。
首先设定电流、电压幅值成本函数，电压、电流谐波畸变率成本函数如式(9)、(10)所示：
Figure GDA0003502648180000062
Figure GDA0003502648180000063
其中：VPCC(k+1)为根据当前情况预测下一时刻的电压，VPCC-ref(K+1)为下一时刻的电压参考值，IL(k+1)为预测下一时刻电流，IL-ref(K+1)为下一时刻电流参考值，VPCCTHD、ILTHD为PCC节点电压、电流的谐波畸变率。real为取实部，imag为取虚部，abs为取绝对值，g1为电压电流幅值目标函数，g2为谐波污染目标函数。
本发明提出的成本函数希望同时考虑了幅值与谐波畸变的关系，根据电压电流之间的偏差大小自适应调整两个目标之间的权重参数。对各成本函数标幺化处理后的总目标函数g如下式(11)所示：
Figure GDA0003502648180000064
式中：λ为根据电压、电流情况自适应取值的权重因子，自适应权重λ的取值与信号扰动的剧烈程度有关，谐波污染较严重时λ上升，幅值扰动的权重1-λ下降，反之，幅值扰动较为严重时1-λ上升，λ下降。
λ1、λ2为人为设定的权重因数，反映两者之间的重要程度，其取值应恒为正数。通过使用经归一化的成本函数g即可实现根据配电网中的不同情况完成自适应治理。g1、g2分别为公式(9)、(10)提出的成本函数，g1max、g2max则为g1、g2的最大值。
FCS-MPC对通过使用经归一化的成本函数g，即可实现根据配电网中的不同情况输出相应的开关状态，将与FCS-MPC结合的可调电抗器引入主动配电网中，即可完成高渗透率主动配电网中的电能质量综合治理。
图4为主动配电网并网时的扰动波形图。在图4中，光伏、燃料电池经采用正弦脉宽调制的逆变器直接并网，从输出波形可见除了受逆变器影响需要滤波外，电压幅值也不够稳定，在0.02s处出现较大的幅值波动，需要一定电压补偿，此时的谐波畸变率为40.54％。
图5为经可调电抗器治理后的系统波形图。从图5中可见，经可调电抗器治理后的波形复制稳定，解决了图4中的电压暂降问题，且此时的谐波畸变率仅为2.92％，经治理后的电能质量符合系统运行要求。
电能质量扰动包括幅值扰动以及谐波污染。本发明对电力系统中出现的电能质量扰动，包括电压暂升、暂降，谐波污染等现象进行抑制，保障电力系统的正常运行。同时，本发明在电力电子有源可调电抗器基础上，提出了一种多功能电能质量控制器。该柔性电能质量控制器对谐波呈现励磁阻抗，对高渗透率主动配电网中电能质量问题能够进行综合治理。本发明方法步骤简单，结果良好，可以提高配电网的可靠性。

Claims (5)

1.基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：搭建高渗透率主动配电网，作为电能质量治理的测试系统；
步骤二：搭建可调电抗器数学模型；
步骤三：将有限状态模型预测控制FCS-MPC与可调电抗器模型相结合，构建步长函数，对可调电抗器的输出进行预测；
所述步骤三中，步长函数是指，受控目标每个步长下的输入输出关系函数，构建步长函数对可调电抗器的输出进行预测，如下式(6)、(7)表示：
Figure FDA0003524119800000011
Figure FDA0003524119800000012
其中：i1(k)、i1(k+1)为当前时间与下一时刻一次绕组电流，Ts为采样时间，i2(k)、i2(k+1)为当前时刻与下一时刻二次绕组电流，V2k为当前时刻二次侧电压；Lm为变压器互感，Rm为变压器阻抗，VA为PCC节点A相即时电压，A、B、C、D、E为恒定因数，可表示如下：
A＝Ll1+Lm+LL
B＝Ll2+Lm
C＝r1+Rm+RL
D＝r2+Rm
Figure FDA0003524119800000013
其中：Ll1，Ll2为变压器漏感，RL为线路侧阻抗，LL为线路侧感抗，Lm为变压器互感；r1、r2分别为变压器一、二次侧阻抗；
步骤四：设置FCS-MPC的自适应权重选择方法，使其能够根据电能质量扰动的严重程度进行判断，以输出最优开关状态；
所述步骤四中，自适应权重选择方法包括一种自适应动态权重优化模型，依据状态变化以自适应调整权重分配，其具体模型为下式(9)、(10)所示：
Figure FDA0003524119800000021
Figure FDA0003524119800000022
其中：VPCC(k+1)为根据当前情况预测下一时刻的电压，VPCC-ref(K+1)为下一时刻的电压参考值，IL(k+1)为预测下一时刻电流，IL-ref(K+1)为下一时刻电流参考值，VPCCTHD、ILTHD为PCC节点电压、电流的谐波畸变率；real为取实部，imag为取虚部，abs为取绝对值，g1为电压电流幅值目标函数，g2为谐波污染目标函数；
成本函数同时考虑了幅值与谐波畸变的关系，根据电压电流之间的偏差大小自适应调整两个目标之间的权重参数；对各成本函数标幺化处理后的总目标函数g如下式(11)所示：
Figure FDA0003524119800000023
式中：λ为根据电压、电流情况自适应取值的权重因子，λ1、λ2为人为设定的权重因数，反映两者之间的重要程度，其取值应恒为正数；通过使用经归一化的成本函数g即可实现根据配电网中的不同情况完成自适应治理；g1、g2分别为公式(9)、(10)提出的目标函数，g1max、g2max则为g1、g2的最大值。
2.根据权利要求1所述基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，其特征在于：所述步骤一中，所搭建的测试系统是一个IEEE-13总线配电网，主动配电网的渗透率以下述公式(1)为基准:
Figure FDA0003524119800000031
式中，Pi,DG-non为系统内第i个分布式电源的装机容量；n为系统内分布式电源个数；PL,sum为系统内负荷总功率；
Figure FDA0003524119800000032
其中：VPCC(k+1)为根据当前情况预测下一时刻的电压，VA为PCC节点A相即时电压，Ts为采样时间。
3.根据权利要求1所述基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，其特征在于：所述步骤二中，可调电抗器数学模型作为电能质量治理的主要设备，根据可调电抗器中的变压器T型等效电路，可调电抗器中的变压器两侧的电压模型由式(2)、式(3)表示：
Figure FDA0003524119800000033
Figure FDA0003524119800000034
其中：v1(k+1)、v2(k+1)为变压器下一个时刻的一次侧以及二次侧电压，i1(k)、i1(k+1)为变压器该时刻与下一时刻的一次侧电流，i2(k)、i2(k+1)为变压器该时刻与下一时刻的二次侧电流，Ll1、Ll2分别为变压器一次侧、二次侧漏感，Ts为采样时间，Lm为变压器互感，r1、r2分别为变压器一、二次侧阻抗，k为当前时刻；
在每个采样时刻通过得到成本函数的最优解来确定开关状态，所有开关状态的数量可由下式(4)计算：
N＝LP (4)
其中，L为逆变器级数，P为相数，逆变器是可调电抗器中连接直流源与变压器的部分，FCS-MPC输出的开关状态也输入至逆变器中，逆变器的输出电压即可表示为公式(5)：
Figure FDA0003524119800000041
其中，k为开关状态，Vk为第k个开关状态时输出的电压，VDC为与逆变器连接的直流电源，根据系统电压取值，exp为自然常数e为底的指数函数。
4.根据权利要求1所述基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，其特征在于：所述步骤四中，FCS-MPC对通过使用经归一化的成本函数g，即可实现根据配电网中的不同情况输出相应的开关状态，将与FCS-MPC结合的可调电抗器引入主动配电网中，即可完成高渗透率主动配电网中的电能质量综合治理。
5.根据权利要求1所述基于FCS-MPC控制的高渗透率主动配电网电能质量治理方法，其特征在于：所述步骤四中，电能质量扰动包括幅值扰动以及谐波污染。
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