一种基于Prim的微电网源荷储恢复方法与流程

本发明属于微电网控制领域，特别涉及一种基于Prim(普里姆算法，一种最小生成树算法)的微电网源荷储恢复方法。

背景技术：

近些年来，随着经济的快速发展，能源的需求急剧增加，而分布式发电(Distributed Generation，DG)技术以其能源利用率高，污染小等特点受到了广泛的关注，微电网作为其技术支持也受到同样的关注。微电网既能作为可控发/用电单元运行在并网状态，又能作为小型区域电网运行在孤岛状态。通过微电网的设计思想，可将大量具有随机波动性的分布式电源发电问题转化为一个可控的微电网系统发电问题，从而可以大大减小分布式能源间歇性对传统电力系统的消极影响，同时也可提高对微电网内部负荷的供电可靠程度。

微电网系统不可避免因某些事故进入断电停运状态，这将造成重要负荷断电并引起经济损失，因此微电网系统必须具有孤岛状态下的黑启动能力。微电网的黑启动是指在微电网因故障停运进入孤岛状态后，先启动系统中具有自启动能力的储能单元作为主电源，再带动无启动能力的微电源，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。黑启动是微电网系统安全稳定运行的最后一道防线。

经对现有技术文献的检索发现，(一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，中国专利号：201410201098.7)提出了一种适用于风光水互补型微电网黑启动控制方法，该方法通过采集微电网基础数据，根据这些参数选出备选微电网黑启动方案，然后在对备选方案逐一仿真计算，在此基础上生成可行方案。上述专利在生成备选方案后需要进行数据量巨大的在线仿真，这要求微电网中央控制器具有强大的数据处理能力，这对于小型的微电网系统并不适用。

本发明将微电网黑启动过程中源荷储设备的恢复顺序问题等价为路径优化问题，将恢复事件作为连通无向图的顶点，把微电网稳定裕度的负值作为顶点间的边权值，基于Prim算法思想搜索无向连通图中所有的顶点生成最小生成树，形成整个微电网黑启动过程的恢复顺序方案。本发明的微电网源荷储恢复方法具有简单、实用、恢复平滑的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足之处，一种基于Prim的微电网源荷储恢复方法，基于Prim算法生成最小生成树的思想形成整个微电网黑启动过程的恢复顺序方案。

本发明提供了一种基于Prim的微电网源荷储恢复方法，包括如下步骤：

(1)微电网中央控制器(MGCC，Microgrid Central Controller)进行微电网整体拓扑和设备状态监控，计算当前微电网运行裕度和稳定裕度K_pMG；其中，微电网运行裕度用于描述微电网黑启动过程的有功备用裕度。表示微电网具有正值的有功出力调整裕度以应对负荷增加和电源出力减少的情况；表示微电网具有负值的有功出力调整裕度以应对负荷减少和电源出力增加的情况。微电网稳定裕度K_pMG表示微电网的功率调整裕度，可衡量微电网的稳定性，K_pMG越大，其稳定性越好。K_pMG可由计算得出，计算公式如下：

当且不满足时，令K_pMGi＝-1。

(2)根据MGCC监控的设备信息(包括各类微电源、负荷、储能装置，简称源荷储)，进行需恢复设备的编码，形成加权连通无向图的顶点集合，并形成当前生成树的顶点集合T和不属于当前生成树的顶点集合T′，初始化已生成边集合邻接矩阵H：

其中，S是用来存放已经生成边的有序集合；T表示当前生成树的顶点集合即已投入微电网的设备集合；T′表示不属于当前生成树的顶点集合即未投入微电网的设备集合；H表示邻接矩阵，用于表达加权连通无向图顶点之间是否关联以及关联顶点间的边权值；n表示微电网需恢复的源荷储设备数目；

(3)从T′中选择可使投入后微电网稳定裕度K_pMG最大的事件对应顶点，作为树的起始顶点，将其加入T，并从T′删除；

(4)判断源荷储设备是否全部投入完毕：若满足，则结束微电网源荷储恢复流程，若否，则进入步骤(5)；

(5)进入邻接矩阵更新算法；

(6)从T′的未投入设备中，选择可使边权值l最小的边(u′,v′)；其中u′取用最后一次加入T的元素，v′是T′中的顶点；l表示边权值，l的计算公式如下；

l＝-K_pMG

(7)进入判断条件：l≤0；如满足，则进入步骤(8)，若不满足，则结束微电网源荷储恢复流程；

(8)(u′,v′)加入已生成边集合S，将v′加入T和从T′删除，返回步骤(4)。

进一步地，微电网运行裕度用于描述微电网黑启动过程的有功备用裕度；表示微电网具有正值的有功出力调整裕度以应对负荷增加和电源出力减少的情况；表示微电网具有负值的有功出力调整裕度以应对负荷减少和电源出力增加的情况；

微电网稳定裕度K_pMG表示微电网的功率调整裕度，可衡量微电网的稳定性，K_pMG越大，其稳定性越好。K_pMG可由计算得出，计算公式如下：

当且不满足时，令K_pMGi＝-1。

进一步地，边权值取用微电网稳定裕度的负值，计算公式如下：

l＝-K_pMG。

进一步地，步骤(5)所述邻接矩阵更新算法包括如下步骤：

(5.1)MGCC统计当前T的顶点数即已投入微电网的设备数目n₁，T′顶点数即未投入微电网的设备数目n₂，并初始化迭代更新次数为t＝1，其中，t表示本轮邻接矩阵更新算法的目前迭代次数；

(5.2)判断：若满足，进入步骤(5.4)；若不满足，则进入步骤3。

(5.3)邻接矩阵H更新：

其中，H(i,j)表示邻接矩阵第i行第j列元素，(u_h,v_h)是最后一次加入S的边，(x_h,u_h)是最后第二次加入S的边；

(5.4)进入循环流程，判断循环结束条件：t＝n₂；如满足，进入步骤5；若否，则结束邻接矩阵流程；

(5.5)判断若T′{t}投入后，微电网是否稳定，即判别式为：l_T′{t}≤0；若不满足，T{n₁}与T′{t}顶点不关联，邻接矩阵H保持，返回步骤4；若满足，T{n₁}与T′{t}顶点关联，则进入步骤6；其中，l_T′{t}表示T′{t}投入后形成边的边权值，T{n₁}、T′{t}分别表示T的最后一个元素、T′的第t个元素；

(5.6)更新邻接矩阵H，返回步骤(5.4)，

其中，是T{n₁}对应事件的编码，是T′{t}对应事件的编码。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明将微电网黑启动过程中源荷储设备的恢复顺序问题等价为路径优化问题，将恢复事件作为连通无向图的顶点，把微电网稳定裕度的负值作为顶点间的边权值，基于Prim算法思想搜索无向连通图中所有的顶点生成最小生成树，形成整个微电网黑启动过程的恢复顺序方案。本发明的微电网源荷储恢复方法具有简单、实用、恢复平滑的优点，可为微电网的黑启动提供参考，提高微电网系统可靠性。

附图说明

图1是基于Prim的微电网源荷储恢复方法流程图。

图2是邻接矩阵更新流程图。

图3是一种典型的微电网拓扑。

图4是微电网源荷储恢复过程仿真波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

基于Prim的微电网源荷储恢复方法，包括如下步骤。

步骤1：进行微电网整体拓扑和设备状态识别，图3是一种典型的微电网拓扑，计算当前微电网运行裕度和微电网稳定裕度K_pMG。

步骤2：根据设备信息(包括各类微电源、负荷、储能装置，简称源荷储)，进行需恢复设备的编码，形成加权连通无向图的顶点集合，并形成当前生成树的顶点集合T和不属于当前生成树的顶点集合T′，初始化已生成边集合邻接矩阵H：

其中，S是用来存放已经生成边的有序集合；T表示当前生成树的顶点集合即已投入微电网的设备集合；T′表示不属于当前生成树的顶点集合即未投入微电网的设备集合；H表示邻接矩阵，用于表达加权连通无向图顶点之间是否关联以及关联顶点间的边权值；n表示微电网需恢复的源荷储设备数目；

步骤3：从T′中选择可使投入后微电网稳定裕度K_pMG最大的事件对应顶点，作为树的起始顶点，将其加入T，并从T′删除；

步骤4：判断源荷储设备是否全部投入完毕：若满足，则结束微电网源荷储恢复流程，若否，则进入步骤5；

步骤5：进入邻接矩阵更新算法；邻接矩阵更新流程如图2所示。

(5.1)MGCC统计当前T的顶点数即已投入微电网的设备数目n₁，T′顶点数即未投入微电网的设备数目n₂，并初始化迭代更新次数为t＝1，其中，t表示本轮邻接矩阵更新算法的目前迭代次数；

(5.2)判断：若满足，进入步骤(5.4)；若不满足，则进入步骤3。

(5.3)邻接矩阵H更新：

其中，H(i,j)表示邻接矩阵第i行第j列元素，(u_h,v_h)是最后一次加入S的边，(x_h,u_h)是最后第二次加入S的边；

(5.4)进入循环流程，判断循环结束条件：t＝n₂；如满足，进入步骤5；若否，则结束邻接矩阵流程；

(5.5)判断若T′{t}投入后，微电网是否稳定，即判别式为：l_T′{t}≤0；若不满足，T{n₁}与T′{t}顶点不关联，邻接矩阵H保持，返回步骤4；若满足，T{n₁}与T′{t}顶点关联，则进入步骤6；其中，l_T′{t}表示T′{t}投入后形成边的边权值，T{n₁}、T′{t}分别表示T的最后一个元素、T′的第t个元素；

(5.6)更新邻接矩阵H，返回步骤(5.4)，

其中，是T{n₁}对应事件的编码，是T′{t}对应事件的编码。

步骤6：从T′的未投入设备中，选择可使边权值l最小的边(u′,v′)；其中u′取用最后一次加入T的元素，v′是T′中的顶点；l表示边权值；

步骤7：进入判断条件：l≤0；如满足，则进入步骤8，若不满足，则结束微电网源荷储恢复流程；

步骤8：(u′,v′)加入已生成边集合S，将v′加入T和从T′删除，返回步骤4。

图4中，(a)是微电网交流母线电压波形；(b)是微电网交流母线频率波形；(c)是微电网储能装置的输出功率波形；(d)是微电网负荷功率波形；(e)是微电网光伏发电系统的输出功率波形。

由图4可知：经过基于Prim的微电网源荷储恢复流程决策，得到源荷储恢复顺序为：负荷1-光伏2-负荷2-光伏1-负荷3。根据此决策结果进行微电网源荷储恢复仿真，负荷1于t＝2s时投入，光伏2于t＝4s时投入，负荷2于t＝6s时投入，光伏1于t＝8s时投入，负荷3于t＝10s时投入，投入时电压和频率的波动范围都在允许范围内。仿真结果验证了所提方法能够实现微电网微电源、负荷和储能装置平稳恢复。

以上对本发明所提供的一种基于Prim的微电网源荷储恢复方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。