CN117410969A - 一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本方案公开了智能电网控制技术领域的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，包括以下步骤：步骤1：采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；步骤2：根据步骤1所述的观测负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；步骤3：利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；步骤4：根据步骤2和步骤3所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。本方案中的方法可降低系统的运行成本，提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网控制技术领域，特别涉及一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置。
背景技术
微电网是一个整合分布式发电电源、储能、电力电子变换器及负载的整体，可以工作在孤岛或并网模式。微电网作为可再生能源消纳的有效途径，可以有效缓解能源危机，调整能源结构，促进分布式发电的快速发展。分布式电源的类型很多，甚至同一类型的分布式电源由于制造工艺等的不同其运行成本也不同。从经济运行方面来看，所有分布式电源的输出功率都应该在考虑容量约束、频率恢复和电压质量的前提下最小化串联型微电网的运行成本。
目前针对并联型微电网的经济运行控制已做了大量的研究工作。依据其对通信网络的依赖程度分为：集中式、分布式和分散式。集中式和分布式控制依赖于通信，当通讯故障、通讯延时等发生时，会影响系统的性能。分散式控制策略因其不需要通信仅用本地信息便可实现经济运行控制而受到广泛的关注。但当考虑频率恢复和最小化运行成本时，分散式控制无法在并联型微电网中实现。
串联型微电网可以利用低压的分布式组件串联形成中高压电力网络，从而避免使用笨重且体积大的变压器，减低一次投入成本，提高系统的运行效率。目前针对串联型微电网的分散式控制的研究主要集中在同步控制方面，针对考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量的最小化运行成本优化问题，尚未见相关分散式控制方法。因此，有必要探索串联型微电网考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量情况下的分散式最小化运行成本控制方法，降低系统的运行成本，提高系统的经济效益。
发明内容
本发明意在提供一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置，以提供一种串联型微电网考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量情况下的分散式最小化运行成本控制方法，降低系统的运行成本，提高系统的经济效益。
本方案中的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置，包括以下步骤：
步骤1：采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；
步骤2：根据步骤1所述的观测负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；
步骤3：利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；
步骤4：根据步骤2和步骤3所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。
进一步，步骤1中第i个DG观测的负载功率计算方法如下：
根据本地采集的电压电流信息，获取第i个DG输出的有功功率、无功功率，获取第i个DG的功率因数，其表达式为：
再根据设定的负载电压参考，本地测量的线路电流有效值，取第i个DG观测的负载功率，其表达式为：
进一步，步骤2中第i个DG电压幅值参考的计算方法包括：
根据串联型微电网最小化运行成本目标，考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量的优化问题表示如下：
min(∑Ci(Pi))
s.t.∑Pi＝PL
Pi,min≤Pi≤Pi,max
fi＝f*
式中Ci(Pi)为第i个DG关于有功功率Pi的运行成本函数，PL为含线路损耗的负载功率，Pi,min和Pi,max表示第i个DG允许输出的最小功率和最大功率，fi和f*为第i个DG输出电压频率和额定频率，VPCC和为PCC点处电压及其额定电压。根据极值定理，可解出上述优化问题解，表达式为：
Pi *＝gi(PL)
式中gi(PL)为关于PL的最优解函数，Pi *为第i个DG的输出功率的最优解。
根据上述最优解函数，步骤1所述观测到的负载功率，获取第i个DG的电压幅值参考，其表达式为：
进一步，步骤3中第i个DG频率参考的计算方法包括：
利用锁相环获取的本地线路电流频率fi,line，给定的频率恢复参考为f*，获取第i个DG的频率参考，表达式为：
式中m和k为正的系数，和/>为第i个DG的功率因数角和额定功率因数角，s为复变量。
进一步，步骤4中第i个DG的电压调节模块，包括：根据上述电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考ui＝Visin(ωit)，其中ωi＝2πfi，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环控制器，用于对第i个DG进行电压跟踪，使得输出电压与给定的正弦电压参考一致。
一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制装置，包括控制单元，所述控制单元包含串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法。
本方案的工作原理及其有益效果：上述技术方案可以解决串联型微电网考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量情况下最小化运行成本的问题。现有控制方法为基于通信的控制方法，在通信延时、故障等情况下，有可能会导致系统失稳，甚至发生停电。而本专利是一种完全分散式的控制方式，不需要各DG之间的通讯，仅需要本地电压电流信息便可构造控制器，系统可靠性高，能够将所有DG的输出功率控制在容量范围内，避免过载而发生损坏，能够确保系统频率恢复和负载电压质量性能，能够为用户提供高质量的电能。
从三个层面分析本专利带来了三个明显的有益效果，首先，社会效果：能够有效降低系统的运行成本，进而降低用户的用电成本，提高用户的幸福感。同时，该控制策略能够确保系统的频率恢复和负载电压质量，为用户提供高质量的电能，有利于充分发挥电气设备的最佳性能，为国民经济发展提供保障。
其次，经济效果：降低系统的运行成本进而有利于降低用户的用电成本，具有较好的经济效益。
再次，技术效果：该控制方法可以将所有分布式发电单元控制在其容量约束范围内，能够有效保护分布式电源，避免过载而损坏。能够确保系统的频率恢复和负载电压，提供高质量的电能。能够最小化系统的运行成本，提高系统的经济效益。
本专利提出了分散式最小化运行成本控制方法，可以有效降低串联型微电网的运行成本，提高系统的经济效益，同时能够确保系统频率恢复和负载电压性能，为用户提供高质量的电能。
附图说明
图1为根据本发明实施例的串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法流程图；
图2为根据本发明实施例的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的控制框图；
图4为根据本发明实施例的各微源运行成本函数图像；
图5为根据本发明实施例的最优解函数图像；
图6为根据本发明实施例的无优化无频率恢复控制下频率仿真波形图；
图7为根据本发明实施例的无优化无频率恢复控制下有功功率仿真波形图；
图8为根据本发明实施例的无优化无频率恢复控制下运行成本仿真波形图；
图9为根据本发明实施例的所提分散式最小化运行成本控制下频率仿真波形图；
图10为根据本发明实施例的所提分散式最小化运行成本控制下有功功率仿真波形图；
图11为根据本发明实施例的所提分散式最小化运行成本控制下运行成本仿真波形图；
图12为根据本发明实施例的所提分散式最小化运行成本控制下负载电压电流仿真波形图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例基本如附图1所示：如图1所示，根据本发明的一个方面，提供一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，该方法包括：
步骤1：采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；
步骤2：根据步骤1所述的观测负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；
步骤3：利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；
步骤4：根据步骤2和步骤3所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。
本发明提出的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置，采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；根据步骤1所述的观测负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；根据所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。根据本发明提供的串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，能够有效的降低系统的运行成本，提高系统的经济效益，能够确保系统频率恢复和负载电压质量，为用户提供高质量的电能。
作为一种可选实施例，对于串联型微电网，根据采集的本地电压、电流信息，计算有功功率、无功功率，第i个DG的功率因数，其表达式为：
作为一种可选实施例，第i个DG本地观测的负载功率，其表达式为：
作为一种可选实施例，第i个DG获取的电压幅值参考，其表达式为：
作为一种可选实施例，第i个DG本地构造的频率参考，其表达式为：
作为一种可选实施例，第i个DG的正弦电压参考为ui，其表达式为ui＝Vi sin(ωit)，其中ωi＝2πfi。
作为一种可选实施例，根据所述角频率参考量和电压幅值参考量，合成作为矢量的电压参考量。
基于上述图1对应实施例提供的方法，本发明实施例提供了一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法。该方法包括：
101，根据采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；
102，根据所述观测的负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息。
103，利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，根据频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；
104，根据所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。
需要说明的是，本发明提出的方法适用于图2所示的串联型微电网结构图，该方法的控制框图如图3所示。
其中，串联型微电网系统中包含的微源数目没有范围限定。具体地，在本实施例中，相关电路参数值如表1所示。其中，串联型微电网系统包括3个DG微源，每个DG对应一个本地控制器。分布式微源为基于DC/AC逆变器。每个DG配置有单独的LC滤波器，可以实现独立电压源控制，LC滤波器串联经线路阻抗(感性)接到PCC点，PCC点处接交流负载。每个DG包括负载功率观测器模块、电压幅值参考获取模块、频率参考获取模块、正弦电压参考合成模块、电压调节模块(含电压外环电流内环模块和PWM调制模块)。
表1
为了构建第i个DG观测的负载功率，首先获取第i个DG的功率因数，表达式为：
然后，再结合本地线路电流信息和额定PCC点电压，获取第i个DG观测的负载功率，表达式为：
其中，102，获取观测负载功率之后，需要获取第i个DG的电压幅值参考。具体地，在本实施例中，第i个DG的电压幅值参考为：
其中，103，利用锁相环获取本地线路电流信息之后，获取第i个DG的频率参考。具体地，在本实施例中，第i个DG的频率参考为：
104，基于所述DG的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考，然后对利用电压外环电流内环对所述DG进行电压调节。采用电压外环电流内环控制，跟踪给定的电压参考量，使得对应的DG工作在电压源模式。
本实施例提出的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；根据步骤1所述的观测负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；根据所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。根据本发明提供的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，能够有效的降低系统的运行成本，提高系统的经济效益，能够确保系统频率恢复和负载电压质量，为用户提供高质量的电能。
根据本实施例所采用的串联型微电网结构，按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.],各微源运行成本函数图像如图4所示，最优解函数图像如图5所示，进行了仿真验证。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用无优化无频率恢复控制k＝0时，采用仿真软件进行仿真所得的频率波形图如图6所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为频率，单位为Hz。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用无优化无频率恢复控制k＝0时，采用仿真软件进行仿真所得的有功功率波形图如图7所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为有功功率，单位为W。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用无优化无频率恢复控制k＝0时，采用仿真软件进行仿真所得的运行成本波形图如图8所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为运行成本，单位为p.u.。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用所提分散式最小化运行成本控制k＝3时，采用仿真软件进行仿真所得的频率波形图如图9所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为频率，单位为Hz。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用所提分散式最小化运行成本控制k＝3时，采用仿真软件进行仿真所得的有功功率波形图如图10所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为有功功率，单位为W。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用所提分散式最小化运行成本控制k＝3时，采用仿真软件进行仿真所得的运行成本波形图如图11所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为运行成本，单位为p.u.。
对按照串联分布式微源数量为3，额定功率因数角为0，PCC点额定电压幅值为110V，额定频率为50Hz，各微源容量范围为[0p.u.,1p.u.]的方式，当采用所提分散式最小化运行成本控制k＝3时，采用仿真软件进行仿真所得的电压电流波形图如图12所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压电流数值，单位为V或A。
对比仿真波形图6与仿真波形图9，所提分散式最小化运行成本控制方法能够实现频率恢复性能。
对比仿真波形图7与仿真波形图10，所提分散式最小化运行成本控制方法能够将所有微源的有功功率控制在允许的容量范围内。
对比仿真波形图8与仿真波形图11，所提分散式最小化运行成本控制方法能够降低系统的运行成本，实现经济运行。
仿真波形图12表明所提分散式最小化运行成本控制方法能够确保负载电压质量。
由此可知，本发明提出的获取电压幅值参考和频率参考的方法实现了串联型微电网的分散式最小化运行成本控制，能够降低系统的运行成本，提高经济效益，确保频率恢复和负载电压质量，为用户提供高质量的电能。
作为一种可选实施例，所述电压幅值参考获取模块具体用于串联型微电网的第i个微源，根据本地锁相环采集的线路电流信息和频率恢复给定值，进而获取第i个微源的频率参考。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采集第i个DG的本地电压、电流信息，利用负载功率观测器模块获取本地观测到的负载功率；
步骤2：根据步骤1所述观测到的负载功率，利用电压参考获取模块，获取第i个DG的电压幅值参考信息；
步骤3：利用锁相环采集本地线路电流频率和系统频率恢复给定值，利用频率参考获取模块，获取第i个DG的频率参考信息；
步骤4：根据步骤2和步骤3所述的电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个DG进行电压调节，实现系统的整体控制。
2.根据权利要求1所述的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，其特征在于：步骤1中第i个DG观测的负载功率计算方法如下：
根据本地采集的电压电流信息，获取第i个DG输出的有功功率、无功功率，获取第i个DG的功率因数，其表达式为：
再根据设定的负载电压参考，本地测量的线路电流有效值，取第i个DG观测的负载功率，其表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，其特征在于：步骤2中第i个DG电压幅值参考的计算方法包括：
根据串联型微电网最小化运行成本目标，考虑容量约束、频率恢复、负载电压质量的优化问题表示如下：
min(∑Ci(Pi))
s.t.∑Pi＝PL
Pi,min≤Pi≤Pi,max
fi＝f*
式中Ci(Pi)为第i个DG关于有功功率Pi的运行成本函数，PL为含线路损耗的负载功率，Pi,min和Pi,max表示第i个DG允许输出的最小功率和最大功率，fi和f*为第i个DG输出电压频率和额定频率，VPCC和为PCC点处电压及其额定电压，根据极值定理，可解出上述优化问题解，表达式为：
Pi *＝gi(PL)
式中gi(PL)为关于PL的最优解函数，Pi *为第i个DG的输出功率的最优解，
根据上述最优解函数，步骤1所述观测到的负载功率，获取第i个DG的电压幅值参考，其表达式为：
4.根据权利要求3所述的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，其特征在于：步骤3中第i个DG频率参考的计算方法包括：
利用锁相环获取的本地线路电流频率fi,line，给定的频率恢复参考为f*，获取第i个DG的频率参考，表达式为：
式中m和k为正的系数，和/>为第i个DG的功率因数角和额定功率因数角，s为复变量。
5.根据权利要求4所述的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法，其特征在于：步骤4中第i个DG的电压调节模块，包括：根据电压幅值参考和频率参考，合成第i个DG的正弦电压参考ui＝Visin(ωit)，其中ωi＝2πfi，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环控制器，用于对第i个DG进行电压跟踪，使得输出电压与给定的正弦电压参考一致。
6.根据权利要求5所述的一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制装置，其特征在于：包括控制单元，所述控制单元包含串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311344360.9A CN117410969A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311344360.9A CN117410969A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117410969A true CN117410969A (zh) | 2024-01-16 |
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ID=89490157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311344360.9A Pending CN117410969A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种串联型微电网分散式最小化运行成本控制方法及装置 |
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| CN (1) | CN117410969A (zh) |
-
2023
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