CN112883547A - 一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法。所提方法中的虚拟元胞通过通信技术手段协调控制分布式能源，并采集其状态信息；然后，考虑无功辅助服务，以综合能源系统虚拟元胞的购电成本、网损和电压偏移最小为目标函数建立无功优化模型。最后，提出多级协同的矢量人工压差方法，利用电压偏差程度与无功出力分配关系构造势函数，并通过虚拟元胞控制中心动态调节电压偏差，从而合理调控无功功率，储备足够的无功功率，可保证系统安全稳定运行，并可解决大规模分布式能源接入电力系统造成的不协调问题，减少碳排放，从而达到碳中和的目标。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统和电力系统领域，涉及一种考虑无功辅助服务的虚拟元胞优化 方法，适用综合能源系统和电力系统中的虚拟元胞优化。
背景技术
综合能源系统由电力网络、天然气网络和热力网络等多种类型的能源网络组成，通过电 转气技术以及电热联产技术灵活地服务于用户。但随着分布式能源接入系统，带来强随机性 和间歇性，易造成不协调现象发生。现有技术一般以能源消耗成本为目标建立模型，无法充 分发挥综合能源的经济效益和环境效益，且安全性和可靠性无法保证，现有技术存在以下不 足：
1.分布式能源具有随机性和间歇性，其出力情况难以精确预测，因优化手段尚不完善，
分布式能源接入系统易导致不协调现象发生；
2.现有技术仅单独考虑综合能源系统所有设备的有功优化，然而无功功率是影响着电网 安全运行的重要辅助服务，充足的无功功率可缓解电力系统的调节成本，进而实现整 体利益最大化；
3.传统优化无功出力手段，一般通过改变下垂控制的机理，对综合能源系统内部功能设 备的多种运行状态尚未考虑。
为减少碳排放，实现未来低碳转型和碳中和的目标，满足综合能源系统经济性和环保性 等问题，本发明提出一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，建立统一协调 控制的虚拟元胞，整合分布式能源和负荷，利用协调控制技术，实现综合能源的协调优化运 行，实现经济性和环保性多个目标最优；由于无功功率关系到电力系统安全稳定运行的重要 辅助服务，本发明考虑虚拟元胞中无功辅助服务，确保足够的无功储备，保证系统安全稳定 运行；本发明通过无功出力分配关系以及电压偏差程度构建势函数，虚拟元胞控制中心动态 调节电压偏差，从而合理调控无功出力，满足系统的状态变化需求。
势函数或者称为人工势能场法，都是利用智能体和目标进行人工模拟出斥力和引力的存 在，从而计算智能体下一时刻的位置。但传统的人工势能场法具有一定的局限性，仅能计算 标量，而无法计算矢量，且无法获取动态的步长。为此，对人工势能场法加以改进，将力的 作用的矢量人工势能场改为电压压差作用的矢量人工压差方法，可满足电力系统的状态变化， 且具有良好的动态响应特性和稳态性能。
发明内容
本发明提出一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法。该方法通过虚拟元 胞采集各分布式能源的信息，并整合分类，保证系统协调优化运行；考虑无功辅助服务，确 保足够的无功储备，从而保证系统安全稳定运行；通过无功出力分配关系以及电压偏差程度 构建势函数，虚拟元胞控制中心动态调节电压偏差，从而合理调控无功出力，满足系统的状 态变化。
本发明为实现未来低碳转型和碳中和的目标，为综合能源系统中的虚拟元胞提出一种协 同无功辅助服务优化方法。本发明基于对综合能源系统优化的理论分析，考虑系统无功辅助 服务，建立综合能源系统无功优化目标函数，考虑无功购电成本、网损和电压偏移最小，其 目标函数如下所示：
式中，FLoss为电网的网损值；ω为电压偏移系数；Ui为节点i处的电压值；ΩN为系统内所有 节点的集合；n为系统内的节点数；
为系统节点电压的平均值，λGrid为主网接入点处无功 功率价格，λDG为分布式能源无功功率的价格；
为第i个接入节点上第t个时段购电量； 
为第j个接入节点第t个时段上分布式能源无功购电量。
综合能源系统约束条件包括设备出力约束、节点电压约束与气源功率约束等，如下式所 示：
式中，
和
和
和
分别为机组有功出力、机组无功出力和节点电 压上下限；
和
bimin和bimax、kcomimin和kcomimax分别为气源功率、节点气压、加压站 气压比上下限。
综合能源系统的潮流约束无功出力部分可表示如下：
式中，QGi,t表示节点发出的无功功率；QDi,t表示节点吸收的无功功率；Vi,t表示节点电压。G 和B分别表示网络电导矩阵和电纳矩阵。
虚拟元胞中的第i个分布式能源的无功出力可表示为：
式中，Xi和Ri分别为线路的电感和电阻；Qi和Pi分别为无功和有功；δi为输出电压Ui与负载电 压UL之间的夹角。
对分布式电源空载输出电压可看成是一个协同控制问题，可采取势函数进行解决，从而 协调优化分布式能源。本发明通过电压偏差程度与无功出力分配关系构建势函数，动态调节 电压偏差，从而改善无功出力，保证电力系统可靠性与稳定性，即为矢量人工压差方法。势 函数为一阶可微函数，势函数调节可表示如下：
式中，
表示任意一个分布式能源的势函数；
为第k次调节的设定值；K为调节幅值的 固定参数；ΔT为两次相邻修改设定值的时间间隔；E0i分布式能源输出电压的设定值。当 
时，可认为势函数达到最小值，δ为输出电压与负载电压之间的夹角。
针对空载输出电压的偏离程度构造的势函数表示为：
式中，额定基准值UN0可设置为326.55V。该部分旨在对空载输出电压的调节进行一定限制。
第i个分布式能源的无功出力Qi可以看成关于E0i的函数，势函数另一部分针对无功出力 分配关系，其关系可表示为：
式中，nqi为第i个机组的电压下垂增益，Qi和Qj为第i个和j个分布式能源无功出力。
对电压偏差程度以及无功出力分配关系进行合并，其势函数可表示为：
式中，Ls、Lg分别为电压偏离程度与无功出力分配两者的权重系数，
和
分别为 输出电压偏离程度和无功出力分配关系的目标函数。
将式(5)，(6)，(7)带入式(4)，可得
上式表示E0i调节过程，用于保证系统稳定。
附图说明
图1是本发明方法的综合能源系统图。
图2是本发明方法的综合能源系统的虚拟元胞控制示意图。
图3是本发明方法的多级协同的矢量人工压差方法流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，结合附图详细说 明如下：
图1是本发明方法的综合能源系统图。综合能源系统由电厂、天然气和热力等能源作为 源头，P2G技术以及热电联产作为转换技术，转变为用户需要的能源并通过电力系统、天然 气系统和热力系统传给用户，若有剩余，则储存起来。该模型采用多级协同的矢量人工压差 方法，虚拟元胞控制中心动态调节无功出力，合理调控无功出力，可保证系统安全稳定运行， 充分利用分布式能源，减少碳排放，进而实现碳中和的目标。
图2是本发明方法的综合能源系统的虚拟元胞控制示意图。虚拟元胞在综合能源中被划 分为在一定区域内的分布式电源、储能设备、负荷等。虚拟元胞控制中心根据各供能系统运 行的特性对其进行分类和整合，可实现能源互联。虚拟元胞控制中心通过多级协同的矢量人 工压差方法合理分配各供能系统的出力，满足用户需求，可实现多能互补，提高能源利用率。 综合能源系统的虚拟元胞具有以下优点：
1、虚拟元胞利用通信技术，协调控制技术整合各分布式能源，可实现能源互联，提高能源利用率；
2、虚拟元胞整合分布式能源并为其提供无功辅助服务，可节约电网调节成本，保证 系统安全稳定运行；
3、虚拟元胞控制中心通过通信技术，可获取所有供能单元的状态参数、负荷需求以 及购电信息，合理调控无功出力，实现多能互补。
图3是本发明方法的多级协同的矢量人工压差方法流程图。首先，虚拟元胞获取系统无 功信息，评估系统无功成本；然后，虚拟元胞利用通信采集各分布能源的Qi和
电压 偏差与无功出力构建势函数并设为吸收域与排斥域；吸收域与排斥域决定智能体下一时刻的 状态，使势函数达到极小值所对应的控制量即为理想的控制量；当第k次与k-1次调节的设 定值
时，势函数达到较为理想的状态；若达不到理想状态，则计算理想值与 运行极限值的差距，使电压偏差向理想值的方向移动，动态更新电压设定值，从而达到满足 性能指标的理想状态。多级协同的矢量人工压差方法具有以下优点：
1、该方法考虑各分布式能源的协同调节，通过虚拟元胞控制中心进行控制，不需要 对传统的下垂控制方法进行改进；
2、该方法考虑矢量人工压差，具有良好的动态响应特性和稳态性能，且仅对无功出 力进行合理分配，对其有功出力分配并不影响；
3、该方法以虚拟元胞为载体，利用矢量人工压差方法使各个分布式能源之间的出力 更加协调，可优化无功出力。
Claims (4)
1.一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，其特征在于，该方法考虑无功辅助服务，利用电压偏差程度与无功出力分配关系构造势函数，并通过虚拟元胞控制中心动态调节电压偏差，从而改善无功出力；所提方法在使用过程中的主要步骤为：
步骤(1)：建立统一协调控制的虚拟元胞，整合分布式能源，使得系统协调优化运行，进而保证系统低碳运行，实现碳中和目标；
步骤(2)：考虑虚拟元胞中的无功辅助服务，确保系统具有足够的无功储备，保证系统安全稳定运行；
步骤(3)：将电压偏差程度与无功出力分配关系构建势函数，通过虚拟元胞控制中心动态调节电压偏差，从而合理调控无功出力。
2.如权利要求1所述的一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中虚拟元胞是实现能源互联的重要手段，虚拟元胞控制中心根据各供能单元的特性对其进行整合分类，实现系统的协调优化运行，并获取所有供能设备的状态参数、负荷的需求及其购电价格，合理分配供能单元的出力。
3.如权利要求1所述的一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中虚拟元胞的无功功率是关系到系统安全稳定的重要辅助服务，建立无功优化模型，满足成本、网损和电压偏移目标最小；该无功优化模型确保具备足够的无功储备，从而保证系统安全稳定运行。
4.如权利要求所述的一种综合能源系统虚拟元胞协同无功辅助服务优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用电压偏差程度与无功出力分配关系构造势函数，提出多级协同的矢量人工压差方法；首先，虚拟元胞控制中心获取系统无功资源信息，评估系统无功成本；然后，通过各分布能源的电压偏差程度与无功出力分配关系构建势函数；势函数调节表示如下：
式中，
表示任意一个分布式能源的势函数；
为第k次调节的设定值；K为调节幅值的固定参数；ΔT为两次相邻修改设定值的时间间隔；E0i分布式能源输出电压的设定值；当
时，可认为势函数达到最小值，δ为输出电压与负载电压之间的夹角；
最后，虚拟元胞控制中心动态调节电压偏差，从而改善无功出力，分配无功功率，为系统稳定运行储备足够的无功功率，解决大规模分布式能源接入电力系统造成的不协调问题，确保系统安全稳定运行，进而减少碳排放，达到碳中和目标。
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