CN112952906B - 下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法，包括以下步骤：获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果。本发明实现了下垂控制参考功率和负荷匹配，保证了直流微电网的经济安全运行。

Description

下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法及装置

技术领域

本发明涉及直流微电网技术领域，尤其涉及下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法及装置。

背景技术

随着直流型分布式电源的大规模接入和电动汽车、数据中心等直流负荷的不断增加，配电系统的直流特征日益突出。发展直流微电网能有效提高对光伏等直流型分布式电源的接纳能力，减少换流环节，降低线路损耗，提高能源利用效率。

下垂控制可以将负荷按照一定的比例分配到各个换流阀中，是直流微电网常用的控制方式之一。在下垂控制的直流微电网中，负荷的实时变化，下垂控制的参考运行功率需要和负荷匹配，以保证换流阀的输出电压维持在合理的水平。

现有的电压下垂控制策略主要针对下垂控制的下垂系数进行整定和改进，忽略了运行工作点的作用。同时，直流微电网本身具有响应速度快的优点，为了充分发挥直流微电网的潮流控制效果，需要快速有效的确定下垂控制的运行参考点，因此有必要研究一种下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法及装置。

发明内容

为了实现下垂控制直流微电网参考运行功率的快速准确计算，引入虚拟电阻模型来表示直流微电网下垂控制对潮流分布的影响，通过构造节点功率对支路潮流的灵敏度，计算各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，实现了下垂控制参考功率和负荷匹配，保证了直流微电网的经济安全运行。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法，包括以下步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果。

进一步的，根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率；

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,ref (5)。

进一步的，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，包括如下步骤：

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i个节点的节点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,i i＝1,2,···,h (6)

其中，P_DG,i和P_L,i是第i个节点的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀所在的下垂节点为节点k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_k＝P_VSC,n,ref k＝h+1,h+2,···,h+m (7)

P_VSC,n,ref是第n个换流阀的运行参考功率；

直流微电网节点注入功率模型为：

式中，U_i和U_j分别是节点i和节点j的电压；g_ij是线路l_ij的导纳；

负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

式中，U_k是节点k的电压；g_kj是线路l_kj的导纳；

对公式(9)采用牛顿-拉夫逊迭代方法进行迭代求解，得到单条支路潮流的变化量，将与换流阀相连的所有支路的支路潮流变化量求和，即得到该换流阀下垂控制的参考功率。

下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取装置，包括：

参数获取模块，用于获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

虚拟电阻构建模块，用于根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

换流阀下垂控制参考功率获取模块，用于构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果。

一种计算设备，其特征在于：包括：一个或多个处理单元；存储单元，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法。

一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法的步骤。

本发明的有益效果：

通过在直流潮流模型中引入虚拟电阻，将下垂控制模型转化为电阻模型，进而构造节点功率对支路潮流的灵敏度模型，计算各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，提高了计算速度。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法，包括以下步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果。

进一步的，根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数。

需要说明的是，在虚拟电阻模型中，下垂控制换流阀模型相当于一个理想的电压源和一条线路，理想电压源的输出电压是恒定的。

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率；

根据式(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (3)

根据式(2)，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,ref (5)。

获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，包括如下步骤：

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i个节点的节点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,i i＝1,2,···,h (6)

其中，P_DG,i和P_L,i是第i个节点的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀所在的下垂节点为节点k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_k＝P_VSC,n,ref k＝h+1,h+2,···,h+m (7)

P_VSC,n,ref是第n个换流阀的运行参考功率；直流微电网节点注入功率模型为：

式中，U_i和U_j分别是节点i和节点j的电压；g_ij是线路l_ij的导纳；

负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

式中，U_k是节点k的电压；g_kj是线路l_kj的导纳；

对公式(9)采用牛顿-拉夫逊迭代方法进行迭代求解，具体如下：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,L,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,L,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(9)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

对首端节点为i、末端节点为j的支路l_ij，其支路传输功率Z_ij可以表示为：

Z_ij＝U_i(U_i-U_j)g_ij (12)

将节点注入功率方程概况为：

W＝f(X) (13)

式中，W为节点注入功率，X为节点状态变量。

将支路潮流方程概况为：

Z＝f(X) (14)

式中，Z为支路传输功率；

在参考工作点对节点注入功率方程和支路潮流方程进行泰勒级数展开，忽略二次高阶项，潮流方程线性化模型可表示为：

式中，J为雅可比矩阵，S是节点电压灵敏度矩阵，

G具体表示为：

结合(13)和(14)，(15)可以表示为：

ΔZ＝GJ^-1ΔW＝TΔW (17)

其中，T是支路功率灵敏度矩阵；

将各个节点的节点电压视为额定值，可以得到J和G，进而得到S和T。将各节点的等效负荷作为随机扰动ΔW，由式(17)得到单条支路潮流的变化量，将与换流阀相连的所有支路的支路潮流变化量求和，即为该换流阀下垂控制的参考功率。

下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取装置，包括：

参数获取模块，用于获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

虚拟电阻构建模块，用于根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

换流阀下垂控制参考功率获取模块，用于构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果。

一种计算设备，包括：

一个或多个处理单元；

存储单元，用于存储一个或多个程序，

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行上述的下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法；需要说明的是，计算设备可包括但不仅限于处理单元、存储单元；本领域技术人员可以理解，计算设备包括处理单元、存储单元并不构成对计算设备的限定，可以包括更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法的步骤；需要说明的是，可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合；可读介质上包含的程序可以用任何适当的介质传输，包括，但不限于无线、有线、光缆，RF等等，或者上述的任意合适的组合。例如，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java，C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行，或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

在虚拟电阻模型中，下垂控制换流阀模型相当于一个理想的电压源和一条线路，理想电压源的输出电压是恒定的；

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率；

根据式(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (3)

根据式(2)，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,ref (5)；

获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，包括如下步骤：

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i个节点的节点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,ii＝1,2,···,h (6)

其中，P_DG,i和P_L,i是第i个节点的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀所在的下垂节点为节点k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_k＝P_VSC,n,ref k＝h+1,h+2,···,h+m (7)

P_VSC,n,ref是第n个换流阀的运行参考功率；直流微电网节点注入功率模型为：

式中，U_i和U_j分别是节点i和节点j的电压；g_ij是线路l_ij的导纳；

负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

式中，U_k是节点k的电压；g_kj是线路l_kj的导纳；

对公式(9)采用牛顿-拉夫逊迭代方法进行迭代求解，具体如下：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,…,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(9)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

对首端节点为i、末端节点为j的支路l_ij，其支路传输功率Z_ij可以表示为：

Z_ij＝U_i(U_i-U_j)g_ij (12)

将节点注入功率方程概况为：

W＝f(X) (13)

式中，W为节点注入功率，X为节点状态变量；

将支路潮流方程概况为：

Z＝f(X) (14)

式中，Z为支路传输功率；

在参考工作点对节点注入功率方程和支路潮流方程进行泰勒级数展开，忽略二次高阶项，潮流方程线性化模型可表示为：

式中，J为雅可比矩阵，S是节点电压灵敏度矩阵，

G具体表示为：

结合(13)和(14)，(15)可以表示为：

ΔZ＝GJ^-1ΔW＝TΔW (17)

其中，T是支路功率灵敏度矩阵；

将各个节点的节点电压视为额定值，可以得到J和G，进而得到S和T；将各节点的等效负荷作为随机扰动ΔW，由式(17)得到单条支路潮流的变化量，将与换流阀相连的所有支路的支路潮流变化量求和，即为该换流阀下垂控制的参考功率。

2.下垂控制直流微电网参考运行功率快速获取装置，其特征在于：包括：

参数获取模块，用于获取直流微电网拓扑结构、换流阀设备参数、线路参数、负荷参数及分布式电源参数；

虚拟电阻构建模块，用于根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型；

换流阀下垂控制参考功率获取模块，用于构建节点功率对支路潮流的灵敏度模型，获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，并输出潮流计算结果；

根据换流阀下垂控制参数构建虚拟电阻模型的具体方法为：

在下垂控制的直流微电网中，第n个换流阀的直流侧电压U_VSC,n和输出功率P_VSC,n满足：

式中，U_VSC,n,ref和P_VSC,n,ref分别是第n个换流阀的运行参考电压和运行参考功率；k_VSC,n是第n个换流阀的下垂系数；

在虚拟电阻模型中，下垂控制换流阀模型相当于一个理想的电压源和一条线路，理想电压源的输出电压是恒定的；

第n个换流阀的虚拟电阻的潮流模型为：

其中，P_n是第n个换流阀的虚拟线路的传输功率；

根据式(1)，当换流阀的输出功率变化ΔP时，换流阀的输出电压变化量ΔU_VSC,n可以表示为：

ΔU_VSC,n＝k_VSC,nΔP (3)

根据式(2)，第n个换流阀由于换流阀输出功率的变化而产生的输出电压变化可以表示为：

因此，第n个换流阀下垂控制对应的虚拟电阻大小为：

R_VSC,n＝-k_VSC,nU_VSC,n,ref (5)；

获取各个节点向换流阀分配的功率，将各个节点向换流阀分配的功率之和作为换流阀下垂控制的参考功率，包括如下步骤：

令负荷节点序号为1，2，…，h，下垂节点的序号为h+1，h+2，…，h+m，通过虚拟电阻的应用，在直流配电网中引入了m个理想电压源，分布式电源输出功率假定为负的负载，第i个节点的节点功率P_i可表示为：

P_i＝P_DG,i-P_L,ii＝1,2,···,h (6)

其中，P_DG,i和P_L,i是第i个节点的分布式电源输出功率和负载功率；

设第n个换流阀所在的下垂节点为节点k，下垂节点的节点功率可以表示为：

P_k＝P_VSC,n,ref k＝h+1,h+2,···,h+m (7)

P_VSC,n,ref是第n个换流阀的运行参考功率；直流微电网节点注入功率模型为：

式中，U_i和U_j分别是节点i和节点j的电压；g_ij是线路l_ij的导纳；

负荷节点和下垂节点的节点功率变化可以表示为：

式中，U_k是节点k的电压；g_kj是线路l_kj的导纳；

对公式(9)采用牛顿-拉夫逊迭代方法进行迭代求解，具体如下：

牛顿-拉夫逊迭代方法的迭代形式为：

其中，ΔF＝[ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_i],x＝[U₁,U₂,…,U_i]，k是迭代次数，J是雅可比矩阵；

根据(9)，雅可比矩阵中的元素可以表示为：

对首端节点为i、末端节点为j的支路l_ij，其支路传输功率Z_ij可以表示为：

Z_ij＝U_i(U_i-U_j)g_ij (12)

将节点注入功率方程概况为：

W＝f(X) (13)

式中，W为节点注入功率，X为节点状态变量；

将支路潮流方程概况为：

Z＝f(X) (14)

式中，Z为支路传输功率；

在参考工作点对节点注入功率方程和支路潮流方程进行泰勒级数展开，忽略二次高阶项，潮流方程线性化模型可表示为：

式中，J为雅可比矩阵，S是节点电压灵敏度矩阵，

G具体表示为：

结合(13)和(14)，(15)可以表示为：

ΔZ＝GJ^-1ΔW＝TΔW (17)

其中，T是支路功率灵敏度矩阵；

将各个节点的节点电压视为额定值，可以得到J和G，进而得到S和T；将各节点的等效负荷作为随机扰动ΔW，由式(17)得到单条支路潮流的变化量，将与换流阀相连的所有支路的支路潮流变化量求和，即为该换流阀下垂控制的参考功率。

3.一种计算设备，其特征在于：包括：一个或多个处理单元；存储单元，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行如权利要求1所述的方法。

4.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。