CN114696345A - 一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法 - Google Patents

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周鲲鹏
王作维
李晓辉
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王涛
刘海光
陈汝斯
王文娜
陈霞
张良一
孙冠群
王尔玺
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
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Huazhong University of Science and Technology
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其针对储能群控制分为三层，一次、二次控制实现群内控制，三次控制实现群间控制；一次控制通过设置下垂系数，实现群内基本的功率分配；二次控制通过一致性算法补偿下垂造成的频率/电压偏移和功率分配不均的问题；三次控制通过设置一中央控制器计算最优潮流的解，并将其作为控制信号下达至各个集群，由二次控制、一次控制实时跟踪该控制信号。本发明方法通过调节各储能群的参考电压，不需要公共母线，控制更灵活，可以有效降低线损，同时保证分布式储能基于下垂的二次控制的有效性，提高系统运行效率。

Description

一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体地涉及一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法。
背景技术
在以电力电子设备为接口的光伏、风电等大量可再生能源接入电力系统的背景下，储能作为平抑新能源发电波动必不可少的环节，在电网中的安装规模呈现上升趋势。并且，储能单体的容量通常不大，未来电网中需要布置大规模数目的储能集群，形成规模效应参与电网动态调节过程。
单一的通讯与控制架构难以支撑储能集群的协同控制，缺乏高效通讯和协调控制技术；其次，储能电站状态不一，储能SoC、容量配置、最大充放电功率等存在差异，这些分散的储能之间缺乏有效的协调控制手段，造成单体储能容量闲置、无法尽限利用，高效的大规模集成控制技术的缺失大大降低了储能集群的调节能力与应用空间。如何将分散的储能聚合起来，使这些中小规模储能装置实现协同，为电力系统提供大规模的响应容量，是提高储能集群运行效率的关键。
在传统的分布式储能多层控制中，通常通过控制储能群的输出功率以降低线损，但是该方法要求每个储能群都必须有一公共母线，以便于测量储能群输出功率。在分布式储能中，该条件不一定满足。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，通过调节各储能群的参考电压，不需要公共母线，控制更灵活，可以有效降低线损，同时保证分布式储能基于下垂的二次控制的有效性，提高系统运行效率，由此解决现有单一的通讯与控制架构难以支撑储能集群的协同控制的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，包括：
一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其特征在于，所述方法用于实现大规模分布式储能集群的分群控制，将分布式储能按照距离分为多个集群，采用一次、二次控制实现群内控制，采用三次控制实现群间控制，其中：
(1)三次控制通过设置一中央控制器，计算最优潮流的解，并将其作为控制信号下达至各个集群，在每一次控制信号下发时调整一次各集群的电压参考值，由二次控制、一次控制实时跟踪所述控制信号；
(2)一次控制通过设置下垂系数，令储能变换器输出端电压的频率参考值等于频率额定值减去有功功率乘频率下垂系数，端电压幅值参考值等于电压额定值减去无功功率乘电压下垂系数，实现群内基本的功率分配；
(3)二次控制通过一致性算法，对储能变换器的有功/无功功率状态变量和与其通信的所有储能变换器的功率状态变量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，对和值进行误差校正后，得到该储能变换器的功率分配调节修正量，对该储能变换器的功率分配调节修正量和与其通信的所有储能变换器的功率分配调节修正量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，得到该储能变换器的频率/电压调节修正量，补偿下垂造成的频率/电压偏移和功率分配不均的问题。
进一步的，一次控制与二次控制是完全分布式的，通过邻间稀疏通信实现控制，以公式表示为：
Figure BDA0003546291910000021
ωki＝ωn-mkiPki+Ψki
其中，ki表示第k个集群中的第i个储能，
Figure BDA0003546291910000031
和
Figure BDA0003546291910000032
为逆变器输出电压幅值的直轴、交轴分量参考值，ωki为逆变器输出电压的频率参考值，vn和ωn为额定电压与额定频率，nki和mki为下垂系数，Pki和Qki为储能输出有功功率和无功功率，Ωki、Tki、Ξki和Ψki为附加控制变量，其定义如下：
Figure BDA0003546291910000033
Figure BDA0003546291910000034
Figure BDA0003546291910000035
Figure BDA0003546291910000036
其中，vd,fki和vq,fki为逆变器中间电压，
Figure BDA0003546291910000037
为集群k中储能i与储能j间的通信系数，avki，aQki，aωki和aPki为电压、无功功率、频率、有功功率的控制增益，
Figure BDA0003546291910000038
为集群k中储能i的领导控制增益，当
Figure BDA0003546291910000039
时，该储能可以直接接收到中间电压指令值
Figure BDA00035462919100000310
和
Figure BDA00035462919100000311
当
Figure BDA00035462919100000312
时则不可以。
进一步的，三次控制为集中式的，其控制目标为电能总传输损耗最小化，控制变量为各储能群的参考电压，优化目标为：
Figure BDA00035462919100000313
其中，Ploss为电能总传输损耗，Vfref＝[Vfref1,…,VfrefM]T为各储能群电压参考值，即控制变量。
进一步的，三次控制考虑的约束有电量平衡约束、运行安全约束和储能出力约束，以公式表示为：
电量平衡约束：
Figure BDA0003546291910000041
其中，PGi和QGi为节点i的储能输出有功和无功功率，PDi和QDi为节点i的负荷有功和无功功率，Vi为节点i的电压幅值，θij为节点i与节点j的电压相角差，Gij和Bij为节点i与节点j间的线路电导与电纳；
运行安全约束：
Figure BDA0003546291910000042
Figure BDA0003546291910000043
Figure BDA0003546291910000044
其中，Vfrefk为集群k的电压参考值，V frefk和
Figure BDA0003546291910000045
为其上下限，Pij和Qij为节点i与节点j间的线路传输有功和无功功率，P ij、
Figure BDA0003546291910000046
Q ij和
Figure BDA0003546291910000047
分别为其上下限；
储能出力约束：
Figure BDA0003546291910000048
Figure BDA0003546291910000049
其中，P i和
Figure BDA00035462919100000410
为储能输出有功功率上下限，Q i和
Figure BDA00035462919100000411
为储能输出无功功率上下限。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过设计一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，在储能群内，通过一次控制实现群内基本的功率分配；进一步通过基于一致性算法的二次控制，得到该储能变换器的频率/电压调节修正量，补偿下垂造成的频率/电压偏移和功率分配不均的问题，群内的一次、二次控制结合实现了频率、电压无静差控制以及功率精确分配；在储能群间，三次控制通过设置一中央控制器，将网损设为目标函数，设置电力系统的电量平衡约束、运行安全约束、储能出力约束，利用MATLAB软件的fmincon函数进行非线性优化，计算最优潮流的解，并将其作为控制信号下达至各个集群，调整各储能群的参考电压并实现传输损耗的最小化，由二次控制实时跟踪该控制信号，三次控制能够设置约束使电压水平限定在安全运行范围内(从仿真结果可以看出输出电压被限定在+-0.1pu内)，求解出使线损达到最小的电压运行最优解，唯一的控制变量是每个集群的参考电压，不需要公共母线，控制更灵活，可以有效降低线损，同时保证分布式储能基于下垂的二次控制的有效性，提高系统运行效率，且二次控制中有功、无功的精确分配并不会受到影响，频率仍然稳定在额定值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于最优潮流的分布式储能多层控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的分布式储能多层控制拓扑结构图；
图3是本发明实施例提供的测试系统电气拓扑图；
图4是本发明实施例提供的集群内各储能相关物理量图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，用于实现大规模分布式储能集群的分群控制，将分布式储能按照距离分为多个集群，采用一次、二次控制实现群内控制，采用三次控制实现群间控制，具体包括如下步骤：
步骤1、三次控制通过设置一中央控制器，将电能总传输损耗设为目标函数，设置电力系统的电量平衡约束、运行安全约束、储能出力约束，利用MATLAB软件的fmincon函数进行非线性优化，计算最优潮流的解，并将其作为控制信号下达至各个集群，在每一次控制信号下发时调整一次各集群的电压参考值。
步骤3、群内通过设置下垂系数进行基本的一次控制，令储能变换器输出端电压的频率参考值等于频率额定值减去有功功率乘频率下垂系数，端电压幅值参考值等于电压额定值减去无功功率乘电压下垂系数，实现群内基本的功率分配；进一步，通过基于一致性算法的二次控制，对该储能变换器的有功/无功功率状态变量和与其通信的所有储能变换器的功率状态变量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，对和值进行误差校正后，得到该储能变换器的功率分配调节修正量，对该储能变换器的功率分配调节修正量和与其通信的所有储能变换器的功率分配调节修正量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，得到该储能变换器的频率/电压调节修正量，补偿下垂造成的频率/电压偏移和功率分配不均的问题。群内二次控制、一次控制通过一致性算法实现频率/电压恢复和功率精确分配，并实时跟踪三次控制下发的电压参考值；
如图2所示，所述一次控制与二次控制是完全分布式的，只需邻间稀疏通信即可实现控制，以公式表达为：
Figure BDA0003546291910000061
ωki＝ωn-mkiPki+Ψki
其中，“ki”表示第k个集群中的第i个储能。
Figure BDA0003546291910000062
和
Figure BDA0003546291910000063
为逆变器输出电压幅值的直轴、交轴分量参考值，ωki为逆变器输出电压的频率参考值，vn和ωn为额定电压与额定频率，nki和mki为下垂系数，Pki和Qki为储能输出有功功率和无功功率，Ωki，Tki，Ξki和Ψki为附加控制变量，其定义如下：
Figure BDA0003546291910000064
Figure BDA0003546291910000071
Figure BDA0003546291910000072
Figure BDA0003546291910000073
其中，vd,fki和vq,fki为逆变器中间电压，
Figure BDA0003546291910000074
为集群k中储能i与储能j间的通信系数，avki，aQki，aωki和aPki为电压、无功功率、频率、有功功率的控制增益，
Figure BDA0003546291910000075
为集群k中储能i的领导控制增益，当
Figure BDA0003546291910000076
时，该储能可以直接接收到中间电压指令值
Figure BDA0003546291910000077
和
Figure BDA0003546291910000078
当
Figure BDA0003546291910000079
时则不可以。
如图2所示，三次控制为集中式的，其控制目标为电能总传输损耗最小化，控制变量为各储能群的参考电压，优化目标为：
Figure BDA00035462919100000710
其中，Ploss为传输损耗，Vfref＝[Vfref1,…,VfrefM]T为各集群电压参考值，即控制变量。
三次控制的约束有电量平衡约束、运行安全约束、储能出力约束，设置约束的目的是使三次控制的解不会使电力系统的功率、电压越限或者使系统失稳，能够保证电力系统的安全、稳定运行，以公式表达为：
电量平衡约束：
Figure BDA00035462919100000711
其中，PGi和QGi为节点i的储能输出有功和无功功率，PDi和QDi为节点i的负荷有功和无功功率，Vi为节点i的电压幅值，θij为节点i与节点j的电压相角差，Gij和Bij为节点i与节点j间的线路电导与电纳。
运行安全约束：
Figure BDA0003546291910000081
Figure BDA0003546291910000082
Figure BDA0003546291910000083
其中，Vfrefk为集群k的电压参考值，V frefk和
Figure BDA0003546291910000084
为其上下限，Pij和Qij为节点i与节点j间的线路传输有功和无功功率，P ij、
Figure BDA0003546291910000085
Q ij和
Figure BDA0003546291910000086
分别为其上下限。
储能出力约束：
Figure BDA0003546291910000087
Figure BDA0003546291910000088
其中，P i和
Figure BDA0003546291910000089
为储能输出有功功率上下限，Q i和
Figure BDA00035462919100000810
为储能输出无功功率上下限。
如图3所示，本发明实施例中分布式储能单元分散在IEEE标准39节点电网上，电压额定值为230V，频率额定值为50Hz。
如图4所示，传统的多层控制可以有效地实现消除平均电压、频率的静差，并实现有功、无功功率的精确分配，但并不能有效减小线损。本发明所提出的基于最优潮流的分布式储能多层控制方法通过调整各群的参考电压，设置约束使电压水平限定在安全运行范围内，求解出使线损达到最小的电压运行最优解。由图4可以看出，有功、无功的精确分配并不会受到影响，频率仍然稳定在额定值，所改变的只有电压幅值。输出电压虽然相较传统的多层控制，有一定的偏移，但是被有效限定在安全运行范围(±0.1p.u.)内，不会影响电力系统的安全稳定运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其特征在于，所述方法用于实现大规模分布式储能集群的分群控制，将分布式储能按照距离分为多个集群，采用一次、二次控制实现群内控制，采用三次控制实现群间控制，其中：
(1)三次控制通过设置一中央控制器，计算最优潮流的解，并将其作为控制信号下达至各个集群，在每一次控制信号下发时调整一次各集群的电压参考值，由二次控制、一次控制实时跟踪所述控制信号；
(2)一次控制通过设置下垂系数，令储能变换器输出端电压的频率参考值等于频率额定值减去有功功率乘频率下垂系数，端电压幅值参考值等于电压额定值减去无功功率乘电压下垂系数，实现群内基本的功率分配；
(3)二次控制通过一致性算法，对储能变换器的有功/无功功率状态变量和与其通信的所有储能变换器的功率状态变量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，对和值进行误差校正后，得到该储能变换器的功率分配调节修正量，对该储能变换器的功率分配调节修正量和与其通信的所有储能变换器的功率分配调节修正量的偏差进行加权求和，权值为储能变换器之间的通信权重，得到该储能变换器的频率/电压调节修正量，补偿下垂造成的频率/电压偏移和功率分配不均的问题。
2.如权利要求1所述的一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其特征在于，一次控制与二次控制是完全分布式的，通过邻间稀疏通信实现控制，以公式表示为：
Figure FDA0003546291900000011
ωki＝ωn-mkiPki+Ψki
其中，ki表示第k个集群中的第i个储能，
Figure FDA0003546291900000012
和
Figure FDA0003546291900000013
为逆变器输出电压幅值的直轴、交轴分量参考值，ωki为逆变器输出电压的频率参考值，vn和ωn为额定电压与额定频率，nki和mki为下垂系数，Pki和Qki为储能输出有功功率和无功功率，Ωki、Tki、Ξki和Ψki为附加控制变量，其定义如下：
Figure FDA0003546291900000021
Figure FDA0003546291900000022
Figure FDA0003546291900000023
Figure FDA0003546291900000024
其中，vd,fki和vq,fki为逆变器中间电压，
Figure FDA0003546291900000025
为集群k中储能i与储能j间的通信系数，avki，aQki，aωki和aPki为电压、无功功率、频率、有功功率的控制增益，
Figure FDA0003546291900000026
为集群k中储能i的领导控制增益，当
Figure FDA0003546291900000027
时，该储能可以直接接收到中间电压指令值
Figure FDA0003546291900000028
和
Figure FDA0003546291900000029
当
Figure FDA00035462919000000210
时则不可以。
3.如权利要求1所述的一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其特征在于，三次控制为集中式的，其控制目标为电能总传输损耗最小化，控制变量为各储能群的参考电压，优化目标为：
Figure FDA00035462919000000211
其中，Ploss为电能总传输损耗，Vfref＝[Vfref1,…,VfrefM]T为各储能群电压参考值，即控制变量。
4.如权利要求3所述的一种基于最优潮流的分布式储能多层控制方法，其特征在于，其特征在于，三次控制考虑的约束有电量平衡约束、运行安全约束和储能出力约束，以公式表示为：
电量平衡约束：
Figure FDA0003546291900000031
其中，PGi和QGi为节点i的储能输出有功和无功功率，PDi和QDi为节点i的负荷有功和无功功率，Vi为节点i的电压幅值，θij为节点i与节点j的电压相角差，Gij和Bij为节点i与节点j间的线路电导与电纳；
运行安全约束：
Figure FDA0003546291900000032
Figure FDA0003546291900000033
Figure FDA0003546291900000034
其中，Vfrefk为集群k的电压参考值，V frefk和
Figure FDA0003546291900000035
为其上下限，Pij和Qij为节点i与节点j间的线路传输有功和无功功率，P ij、
Figure FDA0003546291900000036
Q ij和
Figure FDA0003546291900000037
分别为其上下限；
储能出力约束：
Figure FDA0003546291900000038
Figure FDA0003546291900000039
其中，P i和
Figure FDA00035462919000000310
为储能输出有功功率上下限，Q i和
Figure FDA00035462919000000311
为储能输出无功功率上下限。
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