CN116488237A - 一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法 - Google Patents

一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法，涉及交通电力系统技术领域，本发明提供的方法包括如下步骤：获取风电最大消纳能力、能源路由结构运维成本、未消纳的分布式电源出力与并网点净负荷波动，然后计算得到最优有功参数目标值，获取系统网损、并网点电压偏移与电压质量，控制无功功率，得到最优无功参数，进行上层有功与下层无功的交替迭代，实现对有功无功功率的控制提高电能质量并降低网损，本发明提供的方法能够实现系统动态网损降低、节点电压波动率降低、风电消纳能力提高，港口冲击性负荷波动率灵敏度降低。

Description

一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法
技术领域
本发明涉及交通电力系统技术领域，具体涉及一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法。
背景技术
港口作为连接陆地和海洋的桥梁，是贸易运输的重要枢纽。推进港口能源路由系统建设，优化能源结构，减少港口作业污染势在必行。
随着大量分布式电源的接入，功率失衡、电能质量下降等问题日益严重，同时大量冲击性负荷如大规模岸电电源并网也会给电网的运行带来很多不稳定因素。船舶从停靠港口到离开港口的过程中，船舶带来的负载从无到有，这样的冲击性负荷接入系统后，将会对港口配电网的安全带来极大的挑战。传统的被动应对式的配电网和传统形式的电力设备、技术已不能满足负荷侧多种能源和多种负荷发配电需求以及人们对高品质电能的需求，因此将能源路由结构应用于港口配电网进行优化调控得到了越来越多的关注。
但是，现有技术存在系统动态网损高、节点电压波动率高、风电消纳能力低等问题。然而，基于船用能源路由系统的双层协调优化控制在港口能源路由系统中的应用尚无全面的分析和研究，上述重要参数缺乏研究基础，也没有相关船用能源系统及一种合理方法针对上述参数，进而提高系统的稳定、卓越性能。
发明内容
为解决目前存在的问题，本发明提出了一种船用能源路由系统及其双层协调优化控制方法，用以实现系统动态网损降低、风电消纳能力提高。
一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，对船用能源路由结构使用双层协调调度策略与智能算法，包括如下步骤：
步骤S1、通过单位电量的弃风电价和单位时间段内节点处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率，获取得出风电最大消纳能力值；通过开关损耗系数和能量路由器端口注入有效电流值，获取能源路由结构运维成本值；
步骤S2、通过并网点处节点有功功率峰值有功功率谷值以及各自对应时刻的储能运行功率，获取并网点净负荷波动值，同步获取到未消纳的分布式电源出力；
步骤S3、根据步骤S1、S2获取的风电最大消纳能力值、能源路由结构运维成本值、并网点净负荷波动值三项参数得到最优有功参数目标值；
步骤S4、通过瞬时时刻两节点线路有功功率、无功功率、线路阻抗以及节点电压，获取系统网损值；
步骤S5、并网点电压偏移及电压质量值的获取由电压偏移和电压质量相加得到；
步骤S6、根据步骤S4、S5获取的系统网损值及并网点电压偏移与电压质量值控制无功功率，计算得到最优无功参数值，进行上层有功与下层无功的交替迭代。
进一步地，所述步骤S1中：
由公式计算得出能源路由结构运维成本值其中，ac、bc为开关损耗系数、il，rms为能量路由器端口注入有效电流值，l为端口号、k为最多端口数。
进一步地，所述步骤S1中：
由公式计算得到风电最大消纳能力值，其中，Cwind为单位电量的弃风电价，/>分别为时间段Δt内节点i处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率。
进一步地，所述步骤S2中：
由公式得到并网点净负荷波动值，其中Pb，t+Δt max为t时刻并网点处节点有功功率峰值、Pb，t±Δt min为t时刻并网点处节点有功功率谷值，Pess，t±Δt为t时刻的储能运行功率。
进一步地，所述步骤S3中：
由公式minFU＝min(Psc loss+fwind+fflu)得到最优有功参数目标值，其中，为能源路由结构运维成本值、fwind为风电最大消纳能力值、fflu为并网点净负荷波动值。
进一步地，所述步骤S4中：
由公式得到系统网损Floss值，其中，/>为t时刻节点i到节点j线路有功功率、/>为t时刻节点i到节点j线路无功功率、rij为t时刻节点i到节点j线路阻抗、/>为节点i电压，Δt指时间变化量，v(i)为以节点i为首端节点的支路末端节点集合，N为最多节点数。
进一步地，所述步骤S5中：
并网点电压偏移与电压质量值FUN由电压偏移和电压质量相加得到，使用公式FUN＝FUN1+FTHD，所述电压偏移由公式得出，所述电压质量由公式得出，其中，/>为t时刻并网点处节点电压、VN为t时刻并网点处额定电压，UN，B未并网点处电压的N次谐波、U1，B为未并网点处电压的基波、N＝2指谐波次数为2次、H为最高谐波次数。
本发明还提供了一种船用能源路由系统，使用上述任一项双层协调优化控制方法，该系统包括能源路由结构，并在所述能源路由结构基础上加入风电场、港口主要负荷、储能系统、无功补偿装置，并具备固定能量路由系统节点模型；船用能量路由系统采用IEEE33节点作为端口配电网模型，并引入四端口能量路由结构分别连接节点22、33、18、25，通过获取实际端口冲击负载、分布式电源、SVC、储能网络参数，建立端口能量路由系统节点模型。
技术效果：
本发明提供的系统由于采用了双层协调优化模型，通过上层参数与下层参数设计出系统节点模型，实现对船用能源路由系统的协调优化控制，港口冲击性负荷波动率灵敏度降低。
本发明方法对船用能源路由结构使用双层协调调度策略与智能算法，对现有技术中存在的多项问题同时兼顾，从参数进行直接识别与分析，上层参数的优势方面：提高风电最大消纳能力，有利于考量强风环境下该能源路由是否可以正常工作；对路由结构在满足产品功能合格的基础上实现路由结构的运行和维修成本降低；本发明方法涉及未消纳的分布式电源出力与并网点净负荷波动，成为分析分析能源路由系统节点电压波动率的重要参数。
下层参数优势方面：本发明方法实现能源路由系统运行过程中动态网损降低；本发明方法实现了分析能源路由系统正常运行时的电能质量，提高了并网点电压偏移与电压质量。
附图说明
图1为本发明船用能源路由系统的示意图；
图2为本发明船用能量路由系统的节点分布示意图；
图3为本发明船用能源路由系统的双层协调优化控制方法的流程图；
图中：1、发电机组；2、港口电网；3、静止无功补偿器SVC；4、第三电容器组；5、第一电容器组；6、能源变换器；7、储能器件；8、冲击性负荷；9、第二电容器组；101、第一节点；102、第二节点；103、第三节点；104、第四节点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为方便理解，本实施例中对下列名词进行解释，风电最大消纳能力：对于在强风环境下是必要的参数，是考量该能源路由器能否在强风环境下正常工作的重要参数。路由结构运维成本：成本是任何产品都需考虑的，在满足产品功能合格的情况下，运行和维修成本需要尽可能低。未消纳的分布式电源出力与并网点净负荷波动：分析能源路由系统节点电压波动率的重要参数。系统网损：能源路由系统运行过程中的网损需要尽可能减少。并网点电压偏移与电压质量：用于分析能源路由系统正常运行时的电能质量。
参阅附图3，为本发明一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法的流程图，本发明提供了一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，对船用能源路由结构使用双层协调调度策略与智能算法，所述双层协调优化控制方法包括如下步骤：
步骤S1、通过单位电量的弃风电价和单位时间段内节点处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率，获取得出风电最大消纳能力值；通过开关损耗系数和能量路由器端口注入有效电流值，获取能源路由结构运维成本值。具体的，步骤S1中：
由公式计算得出能源路由结构运维成本值其中，ac、bc为开关损耗系数、il，rms为能量路由器端口注入有效电流值，l为端口号、k为最多端口数。
由公式计算得到风电最大消纳能力值，其中，Cwind为单位电量的弃风电价，/>分别为时间段Δt内节点i处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率。
步骤S2、通过并网点处节点有功功率峰值有功功率谷值以及各自对应时刻的储能运行功率，获取并网点净负荷波动值，同步获取到未消纳的分布式电源出力。具体的，步骤S2中：
由公式fflu＝|(Pb，t±Δt max-Pess，t±Δt)-(Pb，t±Δt min-Pess，t±Δt)|得到并网点净负荷波动值，其中Pb，t±Δt max为t时刻并网点处节点有功功率峰值、Pb，t±Δt min为t时刻并网点处节点有功功率谷值，Pess，t±Δt为t时刻的储能运行功率。
步骤S3、根据步骤S1、S2获取的风电最大消纳能力值、能源路由结构运维成本值、并网点净负荷波动值三项参数得到最优有功参数目标值；具体的，步骤S3中：
由公式minFU＝min(Psc loss+fwind+fflu)得到最优有功参数目标值，其中，为能源路由结构运维成本值、fwind为风电最大消纳能力值、fflu为并网点净负荷波动值。
步骤S4、通过瞬时时刻两节点线路有功功率、无功功率、线路阻抗以及节点电压，获取系统网损值；具体的，步骤S4中：
由公式得到系统网损Floss值，其中，/>为t时刻节点i到节点j线路有功功率、/>为t时刻节点i到节点j线路无功功率、rij为t时刻节点i到节点j线路阻抗、/>为节点i电压，Δt指时间变化量，v(i)为以节点i为首端节点的支路末端节点集合，N为最多节点数。
步骤S5、并网点电压偏移及电压质量值的获取由电压偏移和电压质量相加得到；具体的，步骤S5中：
并网点电压偏移与电压质量值FUN由电压偏移和电压质量相加得到，使用公式FUN＝FUN1+FTHD，所述电压偏移由公式得出，所述电压质量由公式得出，其中，/>为t时刻并网点处节点电压、VN为t时刻并网点处额定电压，UN，B未并网点处电压的N次谐波、U1，B为未并网点处电压的基波、N＝2指谐波次数为2次、H为最高谐波次数。
步骤S6、根据步骤S4、S5获取的系统网损值及并网点电压偏移与电压质量值控制无功功率，计算得到最优无功参数值，进行上层有功与下层无功的交替迭代，实现对有功无功功率的控制提高电能质量并降低网损。
本发明还提供了一种船用能源路由系统，使用上述任一项双层协调优化控制方法，该系统包括能源路由结构，在本实施例中为能源变换器6，并在所述能源路由结构基础上加入风电场、港口主要负荷、储能系统、无功补偿装置，并具备固定能量路由系统节点模型；结合参阅图1与图2，图1为本发明船用能源路由系统的示意图，在能源路由结构中，包括发电机组1、港口电网2、静止无功补偿器SVC 3、第三电容器组4、第一电容器组5、能源变换器6、储能器件7、冲击性负荷8、第二电容器组9。电容器组使用CB电容，三个电容器组的投切量都为0～5，静止无功补偿器SVC可变容量为0～500KVA，发电机组1与港口电网2组成港口配电网。
船用能量路由系统采用IEEE 33节点作为端口配电网模型，图2为本发明船用能量路由系统的节点分布示意图能量路由结构(能源变换器6)有4个节点：第一节点101、第二节点102、第三节点103、第四节点104，通过获取实际端口冲击负载、分布式电源、SVC、储能网络参数，建立端口能量路由系统节点模型。能源路由系统设于第一节点101、第二节点102、第三节点103、第四节点104之间，第二节点102接第二电容器组9；第四节点104接静止无功补偿器SVC 3；第一节点101接储能器件7和冲击性负荷8；第三节点103接第一电容器组5和第三电容器组4。四端口能源路由结构端口的6种基本切换策略：(1)第四节点104到第三节点103：(2)第四节点104到第二节点102：(3)第四节点104到第一节点101，(4)第三节点103到第一节点101：(5)第三节点103到第二节点102：(6)第二节点102到第一节点101。
本发明系统由于采用了双层协调优化模型，通过上层参数与下层参数设计出系统节点模型，实现对船用能源路由系统的协调优化控制，港口冲击性负荷波动率灵敏度降低。
本发明方法对船用能源路由结构使用双层协调调度策略与智能算法，对现有技术中存在的多项问题同时兼顾，从参数进行直接识别与分析，上层参数的优势方面：提高风电最大消纳能力，有利于考量强风环境下该能源路由是否可以正常工作；对路由结构在满足产品功能合格的基础上实现路由结构的运行和维修成本降低；本发明方法涉及未消纳的分布式电源出力与并网点净负荷波动，成为分析分析能源路由系统节点电压波动率的重要参数。
下层参数优势方面：本发明方法实现能源路由系统运行过程中动态网损降低；本发明方法实现了分析能源路由系统正常运行时的电能质量，提高了并网点电压偏移与电压质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，对船用能源路由结构使用双层协调调度策略与智能算法，其特征在于，所述双层协调优化控制方法包括：
步骤S1、通过单位电量的弃风电价和单位时间段内节点处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率，获取得出风电最大消纳能力值；通过开关损耗系数和能量路由器端口注入有效电流值，获取能源路由结构运维成本值；
步骤S2、通过并网点处节点有功功率峰值有功功率谷值以及各自对应时刻的储能运行功率，获取并网点净负荷波动值，同步获取到未消纳的分布式电源出力；
步骤S3、根据步骤S1、S2获取的风电最大消纳能力值、能源路由结构运维成本值、并网点净负荷波动值三项参数得到最优有功参数目标值；
步骤S4、通过瞬时时刻两节点线路有功功率、无功功率、线路阻抗以及节点电压，获取系统网损值；
步骤S5、并网点电压偏移及电压质量值的获取由电压偏移和电压质量相加得到；
步骤S6、根据步骤S4、S5获取的系统网损值及并网点电压偏移与电压质量值控制无功功率，计算得到最优无功参数值，进行上层有功与下层无功的交替迭代。
2.根据权利要求1所述的一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：
由公式计算得出能源路由结构运维成本值/>其中，ac、bc为开关损耗系数、il，rms为能量路由器端口注入有效电流值，l为端口号、k为最多端口数。
3.根据权利要求1所述的一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：
由公式计算得到风电最大消纳能力值，其中，Cwind为单位电量的弃风电价，/>Pwind，i，t分别为时间段Δt内节点i处风电场的峰值输出有功功率和实际输出有功功率。
4.根据权利要求1所述的船一种用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：
由公式fflu＝|(Pb，t±Δt max-Pess,t±Δt)-(Pb，t±Δt min-Pess，t±Δt)|得到并网点净负荷波动值，其中Pb，t±Δt max为t时刻并网点处节点有功功率峰值、Pb，t±Δt min为t时刻并网点处节点有功功率谷值，Pess，t±Δt为t时刻的储能运行功率。
5.根据权利要求1所述的一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S3中：
由公式minFU＝min(Psc loss+fwind+fflu)得到最优有功参数目标值，其中，为能源路由结构运维成本值、fwind为风电最大消纳能力值、fflu为并网点净负荷波动值。
6.根据权利要求1所述的一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S4中：
由公式得到系统网损Floss值，其中，/>为t时刻节点i到节点j线路有功功率、/>为t时刻节点i到节点j线路无功功率、rij为t时刻节点i到节点j线路阻抗、/>为节点i电压，Δt指时间变化量，v(i)为以节点i为首端节点的支路末端节点集合，N为最多节点数。
7.根据权利要求1所述的一种船用能源路由系统的双层协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤S5中：
并网点电压偏移与电压质量值FUN由电压偏移和电压质量相加得到，使用公式FUN＝FUN1+FTHD，所述电压偏移由公式得出，所述电压质量由公式得出，其中，/>为t时刻并网点处节点电压、VN为t时刻并网点处额定电压，UN，B未并网点处电压的N次谐波、U1，B为未并网点处电压的基波、N＝2指谐波次数为2次、H为最高谐波次数。
8.一种使用权利要求1-7任一项双层协调优化控制方法的船用能源路由系统，其特征在于，包括能源路由结构，并在所述能源路由结构基础上加入风电场、港口主要负荷、储能系统、无功补偿装置，并具备固定能量路由系统节点模型；船用能量路由系统采用IEEE 33节点作为端口配电网模型，并引入四端口能量路由结构分别连接节点22、33、18、25，通过获取实际端口冲击负载、分布式电源、SVC、储能网络参数，建立端口能量路由系统节点模型。
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