CN115333076A - 一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力信息技术领域，公开了一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，该方法适用于采用下垂控制的直流微网系统的DG单元。本发明以各DG单元下垂控制器的下垂系数为优化变量，通过构建并求解一个优化问题确定最优下垂系数，依靠自适应的下垂控制器进行母线电压调节及DG单元输出电流的分配。本发明采用线性规划方法，能够快速求解优化问题，满足实时电压控制的需求。从控制效果来看，本发明的实时电压控制策略能够实现全部DG母线及直流母线总体电压控制效果最佳，并获得与期望的负荷系数相一致的DG单元输出电流分配结果。

Description

一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法
技术领域
本发明属于电力信息技术领域，尤其涉及一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法。
背景技术
随着常规能源的短缺以及环境问题的日益严峻，可再生能源逐步引起人们的关注。微网以其高效、清洁、扩展性强等优点成为可再生能源利用的有效途径。交流微网便于接入现有配电网络，而直流微网更方便为各种直流负载供电。同时，由于不存在无功功率、频率同步以及谐波等问题，直流微网可提供更高的电能质量和运行效率。因此，直流微网逐步在负荷终端得以推广。
为保证直流微网的稳定运行，需对其进行有效的能量控制，尤其是实时电压控制。下垂控制技术具有良好的自适应特性，适用于直流微网的电压控制。然而，下垂控制会产生电压偏差及电流分配误差，从而导致母线电压的不稳定及换流器输出电流不均。因此，需要进一步的实时电压修正。
目前，对下垂控制的实时电压修正主要通过控制下垂控制器的参数实现，如电压参考值校正、电流参考值校正等。从控制效果来看，现有的控制策略可以消除或减小部分母线的电压偏差及电流分配误差。但无法同时获得全部母线电压的精准控制及负荷电流的合理分配。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，以解决现有实时电压控制中不能同时获得全部母线电压的精准控制及负荷电流合理分配的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法的具体技术方案如下：
一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，所述电压控制方法针对直流微网系统，所述直流微网系统包括DG单元、线路、直流母线以及负荷；DG单元由直流电源及升压型斩波器组成；斩波器低压侧与直流电源连接，高压侧与线路连接；所有线路在直流母线汇集连接；负荷接入直流母线；直流微网独立运行；所述直流微网实时电压控制方法通过优化DG单元下垂控制器的下垂系数进行母线电压调节及DG单元输出电流的分配，具体按照以下步骤实施：
步骤1：进行DG母线电压及直流母线电压检测并计算电压偏差；当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2；
步骤2：进行DG单元输出电流检测并计算电流分配误差；当存在某DG单元输出电流误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序；
步骤3：建立并求解以DG单元下垂系数为优化变量的优化问题，获得当前运行状态下的最优下垂系数；
步骤4：更新DG单元控制器的下垂系数，调节DG单元的输出电流与母线电压，完成实时电压控制。
进一步地，步骤1包括如下具体步骤：
测量各母线电压，计算母线电压偏差：
Figure BDA0003844696620000021
其中：
Figure BDA0003844696620000022
以上两式中，N为DG母线数量；V1,V2,…,VN为各DG母线电压实际值；V1,ref,V2,ref,…,VN,ref为各DG母线电压参考值；δVi为各母线电压偏差，i＝1,2,…N；Vb、Vb,ref为直流母线电压实际值及参考值；δVb为直流母线电压偏差；
Figure BDA0003844696620000023
为电压偏差向量；
当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2，其中，母线电压偏差判断依据为：
Figure BDA0003844696620000024
式(3)中，VTHR为电压偏差阈值。
进一步地，步骤2包括如下具体步骤：
测量DG单元输出电流，计算输出电流分配误差：
Figure BDA0003844696620000031
其中：
Figure BDA0003844696620000032
式(4)及式(5)中，Ii为DG单元i的输出电流；βi为经济调度中设定的DG单元i的负荷系数；Ib为直流母线的等值负荷电流；δIi为DG单元i的输出电流误差；
Figure BDA0003844696620000033
为输出电流误差向量；
当存在某DG单元的输出电流分配误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序，其中，电流误差判断依据为：
Figure BDA0003844696620000034
式(6)中，ITHR为电流误差阈值。
进一步地，步骤3包括如下具体步骤：
构建参数优化问题的数学模型：以各DG单元下垂控制器的下垂系数为优化变量，以下垂特性方程、线路电压降落方程、直流母线电流平衡方程作为等式约束条件，将斩波器容量、母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立参数优化问题的数学模型如下：
ob：Jres＝ηU(δVT·EU·δV)+ηI(δIT·EI·δI) (7)
st：Vi,ref＝Vi+diIi (8)
Vi＝Vb+Rline,iIi (9)
Ib＝I1+I2+…+IN (10)
Ii≤Ii,rate (11)
Vlim,down≤Vi,Vb≤Vlim,up (12)
式(7)～(12)中，Jres为系统残差；ηI为电流权重；ηU为电压权重；EU为与电压偏差向量同阶的单位矩阵；EI为与电流误差向量同阶的单位矩阵；di为DG单元i的下垂系数；Rlien,i为与DG单元i相连的线路电阻；Ii,rate为DG单元i的额定电流；Vlim,up及Vlim,dowm为电压上、下限；
求解上述优化问题，获得各DG单元下垂控制器的下垂系数最优值d1,opt,d2,opt,…,dN,opt。
进一步地，步骤4包括如下具体步骤：
实时更新各DG单元下垂控制器的下垂系数，各换流器输出电流及母线电压在新的下垂系数下完成电压调节与电流分配。
本发明的一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法具有以下优点：
本发明所述的直流微网实时电压控制方法通过建立并求解一个优化问题确定下垂控制器的最优下垂系数，计算结果是全局最优的方案。与其它的电压控制方法相比，本发明能够实现DG母线以及直流母线总体电压控制效果最佳；能够令DG单元的输出电流与期望的负荷系数保持一致。
附图说明
图1为本发明的直流微网系统的结构图；
图2为本发明的参数优化控制的流程图；
图3为本发明的DG单元控制策略框图；
图4(a)为负荷改变时的母线电压波形图；
图4(b)为负荷改变时DG单元输出电流波形图；
图5(a)为负荷系数改变时的母线电压波形图；
图5(b)为负荷系数改变时DG单元输出电流波形图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明一种基于参数优化的直流微网系统包括4个DG单元，每个DG单元由直流电源及Boost变换器组成；Boost变换器低压侧与直流电源连接，Boost变换器高压侧与线路连接；4条线路在直流母线汇集连接；2个直流负荷接入直流母线。直流微网系统独立运行，DG单元的电压控制采用所述实时电压控制策略，具体按照以下4个步骤实施：
步骤1：进行DG母线电压及直流母线电压检测并计算电压偏差；当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2；
测量各母线电压，计算母线电压偏差：
Figure BDA0003844696620000041
其中：
Figure BDA0003844696620000051
以上两式中，N为DG母线数量；V1,V2,…,VN为各DG母线电压实际值；V1,ref,V2,ref,…,VN,ref为各DG母线电压参考值；δVi为各母线电压偏差，i＝1,2,…N；Vb、Vb,ref为直流母线电压实际值及参考值；δVb为直流母线电压偏差；
Figure BDA0003844696620000052
为电压偏差向量。
当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2。其中，母线电压偏差判断依据为：
Figure BDA0003844696620000053
式(3)中，VTHR为电压偏差阈值。
步骤2：进行DG单元输出电流检测并计算电流分配误差；当存在某DG单元输出电流误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序；
测量DG单元输出电流，计算输出电流分配误差：
Figure BDA0003844696620000054
其中：
Figure BDA0003844696620000055
式(4)及式(5)中，Ii为DG单元i的输出电流；βi为经济调度中设定的DG单元i的负荷系数；Ib为直流母线的等值负荷电流；δIi为DG单元i的输出电流误差；
Figure BDA0003844696620000056
为输出电流误差向量。
当存在某DG单元的输出电流分配误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序。其中，电流误差判断依据为：
Figure BDA0003844696620000057
式(6)中，ITHR为电流误差阈值。
步骤3：建立并求解以DG单元下垂系数为优化变量的优化问题，获得当前运行状态下的最优下垂系数；
构建参数优化问题的数学模型。以各DG单元下垂控制器的下垂系数为优化变量，以下垂特性方程、线路电压降落方程、直流母线电流平衡方程作为等式约束条件，将斩波器容量、母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立参数优化问题的数学模型如下：
ob：Jres＝ηU(δVT·EU·δV)+ηI(δIT·EI·δI) (7)
st：Vi,ref＝Vi+diIi (8)
Vi＝Vb+Rline,iIi (9)
Ib＝I1+I2+…+IN (10)
Ii≤Ii,rate (11)
Vlim,down≤Vi,Vb≤Vlim,up (12)
式(7)～(12)中，Jres为系统残差；ηI为电流权重；ηU为电压权重；EU为与电压偏差向量同阶的单位矩阵；EI为与电流误差向量同阶的单位矩阵；di为DG单元i的下垂系数；Rlien,i为与DG单元i相连的线路电阻；Ii,rate为DG单元i的额定电流；Vlim,up及Vlim,dowm为电压上、下限。
求解上述优化问题，获得各DG单元下垂控制器的下垂系数最优值d1,opt,d2,opt,…,dN,opt。该过程如附图2所示。
步骤4：更新DG单元控制器的下垂系数，调节DG单元的输出电流与母线电压，完成实时电压控制。
根据图3，实时更新各DG单元下垂控制器的下垂系数，各换流器输出电流及母线电压在新的下垂系数下完成电压调节与电流分配。
实施例
所述直流微网包含4个DG单元、4条线路、一个直流母线及两个负荷；负荷通过断路器接入直流母线，初始运行状态下断路器1#闭合，断路器2#断开；Rload,1＝18Ω，Rload,2＝36Ω；各母线电压参考值为200V，电流权重为5，电压权重为1。各DG单元的参数如表1所示。
表1 DG单元的参数
参数 DG 1 DG 2 DG 3 DG 4
初始下垂系数(V/A) 1.00 2.77 1.79 2.04
额定容量(kW) 2.0 1.0 1.5 1.25
初始负荷系数 0.348 0.174 0.261 0.217
(1)对所述微网系统进行负荷突变情形下的测试：
2s时断路器2#闭合，采用所述的实时电压控制策略进行仿真，可以得到各DG单元控制器的最优下垂系数为1.0V/A、2.71V/A、1.75V/A、1.99V/A，各母线电压及DG输出电流波形如图4所示，在负荷变化前后的两个阶段稳态母线电压及DG单元输出电流比例LP1～LP4如表2所示。
表2负荷突变时稳态母线电压及DG输出电流比例
Figure BDA0003844696620000071
由图4(a)-4(b)及表2可知，在系统发生负荷突变时，采用所述策略进行实时电压控制可将母线电压稳定在参考值附近，实际电流比例与设定的负荷系数基本一致。该组仿真表明，所述的实时电压控制策略可以适应实时运行中负荷变化的情况，能够将各DG单元的输出电流调节至设定的负荷系数并维持系统母线电压的稳定。
(2)对所述的微网系统进行变更分配系数的测试：
恢复初始运行条件，令断路器2#处于断开状态。在2秒时将4个DG的负荷分配系数变为0.5、0.25、0.125、0.125，采用所述的实时电压控制策略进行仿真，可以得到各DG单元控制器的最优下垂系数为1.0V/A、2.75V/A、7.79V/A、7.45V/A，各母线电压及DG输出电流波形如图5所示，在不同负荷系数下的稳态母线电压及DG输出电流比例LP1～LP4如表3所示。
表3负荷系数改变时稳态母线电压及DG输出电流比例
Figure BDA0003844696620000072
由图5(a)-5(b)及表3可知，当负荷系数发生变化时，采用所述电压控制策略进行控制，系统全部母线电压均匀分布在参考值附近，实际负荷比例与设定的负荷系数相差较小。该组仿真表明，所述的实时电压控制策略可以在不同的微网经济调度周期内发挥作用，根据不同调度周期内设定的负荷系数将DG单元的输出电流调整至所需值并维持系统母线电压的稳定。
根据对所述的微网系统进行的负荷突变及变更负荷系数的仿真测试可知，所述的基于参数优化的实时电压控制策略能够在多种运行条件下保持全部母线电压的稳定及DG单元输出电流的合理分配。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，所述电压控制方法针对直流微网系统，所述直流微网系统包括DG单元、线路、直流母线以及负荷；DG单元由直流电源及升压型斩波器组成；斩波器低压侧与直流电源连接，高压侧与线路连接；所有线路在直流母线汇集连接；负荷接入直流母线；直流微网独立运行；其特征在于，所述直流微网实时电压控制方法通过优化DG单元下垂控制器的下垂系数进行母线电压调节及DG单元输出电流的分配，具体按照以下步骤实施：
步骤1：进行DG母线电压及直流母线电压检测并计算电压偏差；当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2；
步骤2：进行DG单元输出电流检测并计算电流分配误差；当存在某DG单元输出电流误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序；
步骤3：建立并求解以DG单元下垂系数为优化变量的优化问题，获得当前运行状态下的最优下垂系数；
步骤4：更新DG单元控制器的下垂系数，调节DG单元的输出电流与母线电压，完成实时电压控制。
2.根据权利要求1所述的基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，其特征在于，步骤1包括如下具体步骤：
测量各母线电压，计算母线电压偏差：
Figure FDA0003844696610000011
其中：
Figure FDA0003844696610000012
以上两式中，N为DG母线数量；V1,V2,…,VN为各DG母线电压实际值；V1,ref,V2,ref,…,VN,ref为各DG母线电压参考值；δVi为各母线电压偏差，i＝1,2,…N；Vb、Vb,ref为直流母线电压实际值及参考值；δVb为直流母线电压偏差；
Figure FDA0003844696610000013
为电压偏差向量；
当存在某母线电压偏差绝对值大于电压偏差阈值时进行步骤3，否则进行步骤2，其中，母线电压偏差判断依据为：
Figure FDA0003844696610000021
式(3)中，VTHR为电压偏差阈值。
3.根据权利要求1所述的基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，其特征在于，步骤2包括如下具体步骤：
测量DG单元输出电流，计算输出电流分配误差：
Figure FDA0003844696610000022
其中：
Figure FDA0003844696610000023
式(4)及式(5)中，Ii为DG单元i的输出电流；βi为经济调度中设定的DG单元i的负荷系数；Ib为直流母线的等值负荷电流；δIi为DG单元i的输出电流误差；
Figure FDA0003844696610000024
为输出电流误差向量；
当存在某DG单元的输出电流分配误差大于电流误差阈值时进行步骤3，否则退出电压优化程序，其中，电流误差判断依据为：
Figure FDA0003844696610000025
式(6)中，ITHR为电流误差阈值。
4.根据权利要求1所述的基于参数优化的直流微网实时电压控制方法，其特征在于，步骤3包括如下具体步骤：
构建参数优化问题的数学模型：以各DG单元下垂控制器的下垂系数为优化变量，以下垂特性方程、线路电压降落方程、直流母线电流平衡方程作为等式约束条件，将斩波器容量、母线电压上、下限作为不等式约束条件，建立参数优化问题的数学模型如下：
ob： Jres＝ηU(δVT·EU·δV)+ηI(δIT·EI·δI) (7)
st： Vi,ref＝Vi+diIi (8)
Vi＝Vb+Rline,iIi (9)
Ib＝I1+I2+…+IN (10)
Ii≤Ii,rate (11)
Vlim,down≤Vi,Vb≤Vlim,up (12)
式(7)～(12)中，Jres为系统残差；ηI为电流权重；ηU为电压权重；EU为与电压偏差向量同阶的单位矩阵；EI为与电流误差向量同阶的单位矩阵；di为DG单元i的下垂系数；Rlien,i为与DG单元i相连的线路电阻；Ii,rate为DG单元i的额定电流；Vlim,up及Vlim,dowm为电压上、下限；
求解上述优化问题，获得各DG单元下垂控制器的下垂系数最优值d1,opt,d2,opt,…,dN,opt。
5.根据权利要求1所述的基于参数优化的微网实时电压控制方法，其特征在于，步骤4包括如下具体步骤：
实时更新各DG单元下垂控制器的下垂系数，各换流器输出电流及母线电压在新的下垂系数下完成电压调节与电流分配。
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