CN112510673B - 考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑母线电压约束的多母线直流微电网分布式经济调度控制方法，该方法在保障母线电压质量的同时，尽可能降低总发电成本。通过对动态一致性算法进行改进，来解决基于动态一致性的经济调度算法中的多母线电压约束。本系统为分布式控制系统，对应于各个微源的控制装置仅通过本地信息和邻居信息就能够实现全局发电成本的降低和母线电压的恢复。

Description

考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法

技术领域

本发明涉及及微电网经济调度技术领域，具体地说，涉及一种考虑多母线直流微电网母线电压约束的分布式经济调度控制方法。

背景技术

随着人们对能源可持续发展与环境保护意识的不断提高，微电网技术得到了大力发展。相比交流微电网，直流微电网不存在频率偏差，无功补偿与多级功率转换等问题。其线路功率传输能力强，供电可靠性高以及网络损耗小等优点，让直流微电网成为了日后发展的趋势。

在直流微电网中，经济调度是一个核心的问题。目前针对经济调度的控制策略都依赖于高带宽集中式通讯，而随着微源数目增多，一方面通讯带宽成本也会不断增加，另一方面通讯丢包、失败等情况将会大大降低系统鲁棒性。因此，采用分布式通信控制的经济调度将极大程度减少通讯成本，提高供电可靠性。

然而，目前采用分布式通信控制的经济调度方法存在以下问题:在线路阻抗未知的情况下，无法解决多母线直流微电网分布式经济调度中的母线电压约束与经济调度的协调问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种考虑母线电压限制的多母线直流微电网分布式经济调度控制方法，所述控制方法能有效解决基于动态一致性的分布式经济调度的多母线电压限制问题，且具有较高的母线电压恢复能力与鲁棒性，且支持微源的即插即用，通过软件即可实现该方法。

(二)技术方案

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，该控制方法包括如下步骤：

步骤S1：建立具有m条直流母线的微电网动态经济调度模型，将直流微电网中的发电单元DG分为两种类型，燃油发电机PDG与新能源发电机RDG，距离第i条母线最近的PDG为PDG_{i_1}，其余的依次标记为PDG_{i_j}，2≤j≤ni，ni为第i条母线上PDG的总数目。

步骤S2：基于多母线直流微电网网架拓扑，结合母线电压质量要求，构建考虑约束条件下的动态一致性控制策略，利用动态一致性控制策略对每个DG进行控制；

所述动态一致性控制策略为：

1)对于非离母线i最近的PDG_{i_υ}，此时υ>1，其控制方式为：

其中

为期望输出电压，u_ref为直流母线额定电压，

为PDG_i-υ的一致性补偿项，k_λ为积分系数，N_{i_υ}表示PDG_{i_υ}的邻居集合，λ_{i_j}为PDG_{i_j}的微增率；

2)对于离母线i最近的PDG_{i_1}，其控制方式为：

其中k_b，k_u为积分系数,N_i表示第i条母线的邻居集，

分别为PDG_{i_1}的母线交互补偿项与母线电压补偿项，T_i为第i条母线的一致性变量，f(u_pcc)与g(u_pcc)为变量为u_pcc的函数，其表达式如下：

其中u_pcc为母线电压，

分别表示母线电压的最小值与最大值。

进一步的，在所述步骤S1中，为使RDG尽可能发电以减少总发电成本，新能源发电机RDG运行在MPPT模式，针对PDG控制方式，所述直流微电网动态经济调度模型的建立过程包括：

步骤1)：以微电网成本最低为优化目标，并考虑各个PDG的出力约束与微电网供需平衡约束条件，建立优化模型；

步骤2)：建立分布式经济调度模型，应用拉格朗日乘子法对分布式经济调度模型进行求解；

步骤3)：对各母线电压进行恢复，在恢复过程中，最大程度降低微电网的总发电成本。

进一步的，所述步骤1)中的优化模型为：

其中，m为母线的总数目，ni为第i条母线上PDG的总数目，p_{i_υ}为PDG_{i_υ}的有功出力，p_load为负载输出功率，p_loss为线路损耗；

为PDG的最大输出功率，C_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本，且满足以下关系式：

其中，a_{i_υ}，b_{i_υ}，c_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本系数。

进一步的，所述步骤2)中，应用拉格朗日乘子法对经济调度优化模型进行求解过程为：令λ表示拉格朗日乘子，在不考虑微源出力约束条件下，原优化问题转化为：

因为目标函数光滑且为凸函数，则求解结果为

令λ_{i_υ}为PDG_{i_υ}的成本微增率，当所有PDG的成本微增率都相同时，发电成本最小，即满足：

λ_{1_1}＝λ_{1_2}＝…＝λ_{i_υ}＝…＝λ_{m_nm}

在考虑微源出力约束条件下，当达到出力限制的微源将保持恒功率输出，其它微源按照上述所述的成本微增率相同出力，以此通过控制策略的切换来实现考虑微源出力约束下的发电成本最低；

达到最大功率的PDG，通过切换控制策略来解决出力约束问题；同时，受限的PDG不再将自身的微增率传递给其邻居，而是将作为通信桥，实现邻居间的通信。

进一步的，在考虑母线电压约束的经济调度中，同一母线上的PDG按照上述所述的成本微增率相同出力，不同母线的PDG在保证母线电压质量下，按照成本微增率较低的PDG提高所在母线的电压，让单位发电成本低的PDG多发电，以此减少全局发电总成本。

进一步的，在微电网最终达到稳态时，达到微源出力限制的PDG将保持恒功率输出，其余的PDG将参与经济调度与母线电压恢复，相同母线上的PDG的成本微增率进行相同出力，能达到一致，实现局部发电成本最低，不同母线上的PDG在保障母线电压质量的基础上，让发电成本低的PDG提高所在母线上的电压，让能量流向发电成本较高的母线，降低全局发电总成本，且母线电压能维持在约束范围内，实现较好电压质量。

在另外一方面，本发明还公开了一种考虑母线电压约束的多母线直流微电网分布式经济调度控制系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网分布式经济调度控制方法。

在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网分布式经济调度控制方法。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明所提供的针对直流微电网系统为分布式控制系统，针对直流微电网经济调度系统，其所对应的优化目标包括两方面：A)实现同一母线上的PDG发电成本最低的经济调度，其目的在于无论系统中负载改变还是微源的接入或退出，同一母线上的PDG发电成本将调整为最小。B)在考虑母线电压约束下，最大程度减少多母线微电网总发电成本，其目的在于折衷解决最优母线电压质量和最优经济调度两者不可调和的矛盾，将直流母线电压将维持在约束范围内，保障供电质量。该控制方法中，对应于各个微源PDG仅通过本地信息和邻居信息便能够降低全局总发电成本与提高直流母线电压质量，其无需依赖集中控制器进行通信，而且相较于现有的解决母线电压约束的分布式求解算法，本发明可以不需要获取所有线路阻抗与负载信息，因而可支持微源的即插即用，具有鲁棒性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是多母线直流微电网系统的结构示意图；

图2是根据本发明考虑母线电压约束的直流微电网分布式经济调度控制方法的控制框图；

图3是f(u_pcc)的函数图像坐标图；

图4是实施例中的多母线结构框图的物理层示意图；

图5是实施例中的多母线结构框图的通信层示意图；

图6是考虑多母线电压约束的仿真结果示意图，其中，图(a)是PDG的等微增率仿真结果，图(b)是各母线电压仿真结果；

图7是实施例中的单母线结构框图；

图8和图9是考虑微源出力约束的仿真结果示意图，图8中的图(a)是PDG_{i_1}～PDG_{i_3}的输出功率的仿真结果，图(b)是PDG_{i_4}～PDG_{i_5}的输出功率的仿真结果；图9中的图(a)是PDG_{i_1}～PDG_{i_3}的等微增率的仿真结果，图(b)是PDG_{i_4}～PDG_{i_5}的等微增率的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的一种考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立具有m条直流母线的微电网动态经济调度模型，将直流微电网中的发电单元DG分为两种类型，燃油发电机PDG与新能源发电机RDG，距离第i条母线最近的PDG为PDGi_1，其余的依次标记为PDGi_j，2≤j≤ni，ni为第i条母线上PDG的总数目；

具体的，在所述步骤S1中，为使RDG尽可能发电以减少总发电成本，新能源发电机RDG运行在MPPT模式，针对PDG控制方式，所述直流微电网动态经济调度模型的建立过程包括：

步骤1)：以微电网总发电成本最小为优化目标，并考虑各个PDG的出力约束与微电网供需平衡约束条件，建立优化模型；

步骤2)：建立分布式经济调度模型，应用拉格朗日乘子法对分布式经济调度模型进行求解；

步骤3)：同时进行母线电压恢复，提高鲁棒性和供电可靠性。

进一步的，所述步骤1)中的优化模型为：

其中，m为母线的总数目，ni为第i条母线上PDG的总数目，p_{i_υ}为PDG_{i_υ}的有功出力，p_load为负载输出功率，p_loss为线路损耗；

为PDG的最大输出功率，C_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本，且满足以下关系式：

其中，a_{i_υ}，b_{i_υ}，c_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本系数。

所述步骤2)中，应用拉格朗日乘子法对经济调度优化模型进行求解过程为：令λ表示拉格朗日乘子，在不考虑微源出力约束条件下，原优化问题转化为：

因为目标函数光滑且为凸函数，则求解结果为

令λ_{i_υ}为PDG_{i_υ}的成本微增率，当所有PDG的成本微增率都相同时，发电成本最小，即满足：

λ_{1_1}＝λ_{1_2}＝…＝λ_{i_υ}＝…＝λ_{m_nm}

在考虑微源出力约束条件下，当达到出力限制的微源将保持恒功率输出，其它微源按照上述所述的成本微增率相同出力，以此通过控制策略的切换来实现考虑微源出力约束下的发电成本最低；

达到最大功率的PDG，通过切换控制策略来解决出力约束问题；同时，受限的PDG不再将自身的微增率传递给其邻居，而是将作为通信桥，实现邻居间的通信。

步骤S2：基于多母线直流微电网网架拓扑，结合母线电压质量要求，构建考虑约束条件下的动态一致性控制策略，利用动态一致性控制策略对每个DG进行控制；

所述动态一致性控制策略为：

1)对于非离母线i最近的PDG_{i_υ}，此时υ>1，其控制方式为：

其中

为期望输出电压，u_ref为直流母线额定电压，

为PDG_{i_υ}的一致性补偿项，k_λ为积分系数，N_{i_υ}表示PDG_{i_υ}的邻居集合，λ_{i_j}为PDG_{i_j}的微增率；

2)对于离母线i最近的PDG_{i_1}，其控制方式为：

其中k_b，k_u为积分系数,N_i表示第i条母线的邻居集，

分别为PDG_{i_1}的母线交互补偿项与母线电压补偿项，T_i为第i条母线的一致性变量，f(u_pcc)与g(u_pcc)为变量为u_pcc的函数，其表达式如下：

其中u_pcc为母线电压，

分别表示母线电压的最小值与最大值。

进一步的，在考虑母线电压约束的经济调度中，同一母线上的PDG按照上述所述的成本微增率相同出力，不同母线的PDG在保证母线电压质量下，按照成本微增率较低的PDG提高所在母线的电压，让单位发电成本低的PDG多发电，以此减少全局发电总成本。

进一步的，在步骤S2中，在微电网最终达到稳态时，达到微源出力限制的PDG将保持恒功率输出，其余的PDG将参与经济调度与母线电压恢复，相同母线上的PDG的成本微增率进行相同出力，能达到一致，实现局部发电成本最低，不同母线上的PDG在保障母线电压质量的基础上，让发电成本低的PDG提高所在母线上的电压，让能量流向发电成本较高的母线，降低全局发电总成本，且母线电压能维持在约束范围内，实现较好电压质量，同时，该控制策略能实现微源的即插即用，能承受一定的通信延时，高频噪声与负载变化，具有鲁棒性。

由此可知，本发明技术方案的的解决思路是：同一母线上的微源还是按照单母线的控制方法来实现，不同的是离母线最近的微源的动态一致性控制策略则进行了新的设计，这样可以实现微增率(单位电价)低的微源，提高所在母线的电压，让能量流向微增率(单位电价)高的微源，实现最大程度降低发电成本。

为进一步明确本发明控制方法的实施方式和优点，本发明以下还提供了一种新的考虑母线电压约束的基于动态一致性算法的经济调度控制方法的具体实施例介绍；该控制方法能够在仅仅通过与邻居通信的条件下，降低多母线直流微电网发电总成本与恢复直流母线电压。

图1示出了多母线直流微电网的结构示意图。如图1所示，从物理层面上，直流微电网包括直流母线Bus，燃油发电机PDG，可再生能源发电机RDG与负载Load。从通信层面上，各燃油发电机PDG可以实现邻居通信，这有利于最大程度减少通信成本，而且仍能满足系统的优化目标。

此外，图2展示了本发明的控制框图，控制层展示了微源如何在考虑母线电压约束下的控制策略，实施该策略的目的在于实时调整各微源出力，以到达降低全局发电总成本和直流母线电压的恢复。

图3示出了g(u_pcc)的函数图像。如图3所示，当母线电压u_pcc在约束范围[u_min,u_max]时，f(u_pcc)＝1。此时多母线微电网中所有微源按照相同的微增率出力，实现全局发电总成本最低。当母线电压u_pcc不在约束范围内时，g(u_pcc)按照线性增长，而T＝f(u_pcc)λ，使得微增率较小的PDG将提高所在母线电压，让能量流向微增率较大的PDG所在的母线，进而降低全局发电总成本。

图4和图5示出了本实施例中多母线直流微电网的物理层与通信层。如图所示，该多母线直流微电网包含了4条母线，10个PDG(这10个PDG的成本系数各不相同)、负载以及线路阻抗。

其中，母线1上有3个PDG，母线2上有3个PDG，母线3上有2个PDG，母线4上有2个PDG。表1示出了本实施例中的成本参数，表2示出了负载阻抗Zi与线路阻抗Zij参数。在该仿真模型中，负载Z3在t＝20s时，由10Ω变化为6.9697Ω，在t＝30s再从6.9697Ω恢复为原来的10Ω。

表1

表2

图6示出了考虑母线电压约束的仿真结果。本实施例中，u_ref＝200V，u_min＝190V，u_max＝210V，即母线电压偏差控制在±5％。从图6中的(a)和(b)图可以看出，当t∈[0s,20s]时，母线电压都在约束范围内，则所有PDG按照相同微增率出力，此时实现全局成本最低，当t∈[20s,30s]时，负载发生了变化，则母线电压控制在边界值，且相同母线上的PDG按照相同微增率出力，实现局部成本最低，虽然不同母线上的PDG因为母线电压存在差异而不同，但各PDG按照微增率低的优先出力原则，降低全局发电总成本。当本实施例所提供的多母线直流微电网控制策略运用时，当母线为(190V，210V)时，全局发电成本最低，当母线电压超过边界值时，系统将通过调控各PDG的出力，将母线电压控制在边界值上，且最大程度降低发电总成本。

图7为另外一个实施例结构图，在该实施例中，选取多母线直流微电网的母线i为例，考虑微源出力约束，其中，

图8和图9为该实施例的仿真结构。从图8和图9可以看出，当本实施例所提供的直流微电网控制策略运用时，可实现考虑微源出力下的同一母线发电成本最低。图8中示出了PDG输出功率的变化，当t＝2s时，PDG_{i_2}达到出力约束，当t＝4s时，PDG_{i_4}达到出力约束。图9中示出了PDG的微增率的变化，在任何时刻，除去达到出力约束的PDG，其余PDG的微增率都能达到一致，即全局成本最低能够实现。

另外需要说明的是，上述本发明的控制方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。

Claims (6)

1.一种考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

步骤S1：建立具有m条直流母线的微电网动态经济调度模型，将直流微电网中的发电单元DG分为两种类型，燃油发电机PDG与新能源发电机RDG，距离第i条母线最近的PDG为PDG_{i_1}，其余的依次标记为PDG_{i_j}，2≤j≤ni，ni为第i条母线上PDG的总数目；

步骤S2：基于多母线直流微电网网架拓扑，结合母线电压质量要求，构建考虑约束条件下的动态一致性控制策略，利用动态一致性控制策略对每个DG进行控制；

所述动态一致性控制策略为：

1)对于非离母线i最近的PDG_{i_υ}，此时υ>1，其控制方式为：

其中

为期望输出电压，u_ref为直流母线额定电压，

为PDG_{i_υ}的一致性补偿项，k_λ为积分系数，N_{i_v}表示PDG_{i_υ}的邻居集合，λ_{i_j}为PDG_{i_j}的微增率；

2)对于离母线i最近的PDG_{i_1}，其控制方式为：

其中k_b，k_u为积分系数,N_i表示第i条母线的邻居集，

分别为PDG_{i_1}的母线交互补偿项与母线电压补偿项，T_i为第i条母线的一致性变量，f(u_pcc)与g(u_pcc)为变量为u_pcc的函数，其表达式如下：

其中u_pcc为母线电压，

分别表示母线电压的最小值与最大值。

2.根据权利要求1所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，为使RDG尽可能发电以减少总发电成本，新能源发电机RDG运行在MPPT模式，针对PDG控制方式，所述直流微电网动态经济调度模型的建立过程包括：

步骤1)：以微电网成本最低为优化目标，并考虑各个PDG的出力约束与微电网供需平衡约束条件，建立优化模型；

步骤2)：建立分布式经济调度模型，应用拉格朗日乘子法对分布式经济调度模型进行求解；

步骤3)：对各母线电压进行恢复，在恢复过程中，最大程度降低微电网的总发电成本。

3.根据权利要求2所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的优化模型为：

其中，m为母线的总数目，ni为第i条母线上PDG的总数目，p_i__υ为PDG_{i_υ}的有功出力，p_load为负载输出功率，p_loss为线路损耗；

为PDG的最大输出功率，C_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本，且满足以下关系式：

其中，a_{i_υ}，b_{i_v}，c_{i_υ}为PDG_{i_υ}的发电成本系数。

4.根据权利要求3所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于,所述步骤2)中，应用拉格朗日乘子法对经济调度优化模型进行求解过程为：令λ表示拉格朗日乘子，在不考虑微源出力约束条件下，原优化问题转化为：

因为目标函数光滑且为凸函数，则求解结果为

令λ_{i_υ}为PDG_{i_υ}的成本微增率，当所有PDG的成本微增率都相同时，发电成本最小，即满足：

λ_{1_1}＝λ_{1_2}＝…＝λ_{i_υ}＝…＝λ_{m_nm}

在考虑微源出力约束条件下，当达到出力限制的微源将保持恒功率输出，其它微源按照上述所述的成本微增率相同出力，以此通过控制策略的切换来实现考虑微源出力约束下的发电成本最低；

达到最大功率的PDG，通过切换控制策略来解决出力约束问题；同时，受限的PDG不再将自身的微增率传递给其邻居，而是将作为通信桥，实现邻居间的通信。

5.根据权利要求4所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于,在考虑母线电压约束的经济调度中，同一母线上的PDG按照所述的成本微增率相同出力，不同母线的PDG在保证母线电压质量下，按照成本微增率较低的PDG提高所在母线的电压，让单位发电成本低的PDG多发电，以此减少全局发电总成本。

6.根据权利要求2所述的考虑母线电压约束的多母线直流微电网经济调度控制方法，其特征在于，在微电网最终达到稳态时，达到微源出力限制的PDG将保持恒功率输出，其余的PDG将参与经济调度与母线电压恢复，相同母线上的PDG的成本微增率进行相同出力，能达到一致，实现局部发电成本最低，不同母线上的PDG在保障母线电压质量的基础上，让发电成本低的PDG提高所在母线上的电压，让能量流向发电成本较高的母线，降低全局发电总成本，且母线电压能维持在约束范围内，实现较好电压质量。

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