考虑微电源无功出力均衡度的微电网实时电压控制方法
【专利说明】考虑微电源无功出力均衡度的微电网实时电压控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明设及微电网系统中微电源的运行控制领域，尤其设及一种考虑微电源无功 出力均衡度的微电网实时电压控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 微电网作为一种充分利用分布式清洁能源进行电力生产的有效组织形式，在当前 能源危机与环境问题的严峻形势下具有良好的发展前景。与大电网相比，微电网中的负荷 与风电、光伏分布式电源具有较大的波动性，运对微电网的稳定运行，特别是电压稳定问题 造成了巨大的挑战，需要一套完善的能量管理系统实现对微电网中的分布式电源和负荷进 行有序管理，W维持微电网的长期安全稳定运行。
[0003] 能量管理系统的是微电网安全稳定运行的重要保障，引起了国内外科研工作者的 广泛关注。但是目前对于微电网能量管理系统的研究主要集中在对有功功率的管理上，对 于无功功率的管理设及甚少。特别是在实时控制层面上，由于风、光、荷的波动造成的微电 网电压偏移，仅通过对有功功率的调节很难完成电压的恢复，可W考虑统筹有功无功进行 综合调节控制。首先，通过对有功的一次调节(类似于大电网的AGC功能），在满足供需平衡 的基础上使得电压得到一定的恢复，然后启动无功调节(类似于大电网的AVC功能)措施，进 一步对电压进行精细调控，得到更高质量的运行电压。
[0004] 由于电力电子控制技术的飞速发展，逆变器有功无功功率的解禪控制为微电源注 入无功功率研究提供了理论基础。与传统电网的无功调压设备分接头可调变压器和并联电 容器组相比，逆变器注入无功功率具有响应速度快的优点，同时不存在频繁改变无功出力 对设备的使用寿命造成影响的问题，能够很好地适应微电网中的风、光、荷的随机波动性。 然而现有的实时电压控制方法均未考虑其注入无功功率，微电网的安全稳定运行不能够得 到有效的保证，微电网中无功调节设备的投资相对较高。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明的目的在于:提供一种考虑微电源无功出力均衡度的微电网实时电压控制 方法，W实现微电网的实时无功电压控制，提高微电网的安全稳定运行。
[0006] 为了实现上述目的，本发明在在线监测或实时有功控制给定微电源有功出力的基 础上，建立了一种考虑微电源无功出力均衡度的无功优化模型进行微电网实时电压控制的 方法。具体的方法如下：
[0007] 步骤1:对微电网中的微电源分类，分为直接并网型微电源和逆变器接口型微电 源；
[000引对于直接并网型微电源，按照给定功率因数来确定其无功功率范围；
[0009] 对于逆变器接口型微电源，建立不同有功出力工况下，通用的微电源无功出力上 限分段线性数学模型;拟合逆变器无功出力上限值；
[0010] 步骤2:在在线监测或实时有功控制给定微电网系统中实时有功数据基础上，建立 考虑微电源无功出力均衡度的实时电压调节优化模型；
[0011] 步骤3:采用灵敏度分析的方法，将所提无功优化模型转化为二次规划子问题进行 快速求解，得到微电网的节点电压、微电源注入功率和微电源无功出力均衡度。
[0012] 作为本发明的进一步改进，在步骤1之前首先获取微电网系统的基本参数、微电源 的基本参数W及微电网系统的运行参数，包括：
[0013] 微电网的拓扑结构与线路参数；
[0014] 直接并网型微电源的运行功率因数范围、逆变器接口型微电源逆变器的基本参 数；
[0015] 微电网运行的节点电压上下限、系统中实时的负荷W及微电源实时的有功出力数 据。
[0016] 作为本发明的进一步改进，在步骤1中的建立了不同有功出力工况下，通用的逆变 器无功出力上限分段线性数学模型的具体计算步骤为：
[0017] 步骤1.1:逆变器在功率平面的运行区域由考虑逆变器电流限值约束的稳态功率 不等式(1)和考虑逆变器最大交流调制电压限值约束的稳态功率不等式(2)共同确定：
[0020] 式中:P为逆变器的有功出力，Q为逆变器的无功出力，Vs为逆变器端口电压，Ismax为 逆变器允许流过的最大电流，Vsmax为逆变器的最大交流调制电压，X为逆变器的桥臂等值电 抗；
[0021] 步骤1.2:忽略运行电压对逆变器的影响，在功率平面上，采用与逆变器有功出力 相关的分段线性函数拟合微电源无功出力极限：在逆变器允许的最低端电压Vs = V"in和最 高电压Vs = Vmax下，画出逆变器运行区域，然后利用式（3)和式(4)的关系，W逆变器有功出 力为变量对其无功出力上限进行近似：
[0024] 其中：ai~a6，bi~b6为待计算系数，将（1)和（2)转换为等式，代入Vs = Vmin和Vs = Vma冰解相应的方程，可W得到Pl、P2和P3及其对应的无功上限，代入(3)和(4)即可确定ai~ as'bi~bs;
[0025] 步骤1.3:代入当前微电源有功出力值，计算微电源无功出力上限。
[0026] 作为本发明的进一步改进，在计算微电源无功出力上限之后，还包括根据实际机 组的启停状态进行无功出力上限修正步骤:对于储能元件，在整个过程中始终处于运行状 态，当其有功出力为0时，能够最大限度的发出无功功率;对于除去储能元件的其余微电源， 当其有功出力为加寸，认为机组停运，不能提供无功功率，需要将其无功出力上限设为0。
[0027] 作为本发明的进一步改进，在步骤2具体包括：
[0028] 步骤2.1:分析实时无功电压控制的优化目标各微电源无功出力均衡度保持一 致作为优化目标，使得微电网中分散的微电源有着均衡的无功裕度;微电源无功出力均衡 度在数学形式上表现为全部微电源的无功裕度的方差最小；
[0029] 步骤2.2:根据步骤2.1中的优化目标，确立无功优化问题相应的约束条件，考虑的 约束条件包括:节点电压的运行上下限、微电源无功出力的上下限。
[0030] 作为本发明的进一步改进，步骤3进行求解是指：选择微电源无功出力为控制变 量，节点电压作为状态变量，利用灵敏度关系，将微电网的潮流方程在一个稳态运行点线性 化，消去原模型中的状态变量，将难W求解的非凸优化问题转化为二次规划子问题，进行快 速求解二次规划子问题。
[0031] 作为本发明的进一步改进，快速求解的具体步骤如下：
[0032] 步骤3.1:结合微电网系统的负荷信息，按照步骤1计算得到的微电源无功出力上 限对微电网中的无功负荷进行预安排；
[0033] 步骤3.2:结合给定的微电源有功出力和预安排的无功出力，进行潮流计算得到一 个稳定运行点；
[0034] 步骤3.3:计算微电网系统在所得稳定运行点处的微电源无功出力与节点电压的 灵敏度关系；
[0035] 步骤3.4:利用灵敏度关系，在稳定运行点处，将优化模型中的节点电压，用微电源 无功出力修正量线性表示，消去模型中的节点电压，将模型转化为仅包含微电源无功出力 修正量的标准二次规划子问题；
[0036] 步骤3.5:求解步骤3.4中所得的二次规划子问题，得到微电源注入无功出力修正 量，并利用修正量对微电源无功出力进行修正，重新计算微电网中的潮流信息；
[0037] 步骤3.6:判断所得修正量是否满足收敛条件，如果满足则输出步骤3.5的潮流信 息，统计微电网的节点电压、微电源的注入功率和微电源无功出力均衡度；否则转入步骤 3.3继续迭代计算，直到满足步骤3.6中的收敛条件为止；
[0038] 如果在步骤3.2和步骤3.5中的潮流计算过程中出现潮流不收敛的情况，说明系统 已经偏离了稳定运行范围，需要采取紧急的切负荷措施来维持系统的安全稳定运行。
[0039] 作为本发明的进一步改进，步骤2.1的数学模型如式(5)所示：
[0040]
(5；
[0041] 式中:Μ为微电网中可调无功源的数量，Qupi表示第i个无功源在当前无功出力下的 上调裕度，可由式(6)计算的得到：
[0042]
C6)
[0043] 其中：Qimax为第i个无功源的无功出力上限，可由式(3)或(4)计算得到。
[0044]作为本发明的进一步改进，步骤2.2中的约束条件包括交流潮流约束、节点电压和 微电源的无功出力约束，具体数学模型如式(7)~(9)所示：
[004引式中：N为微电网中的节点数，Μ为微电网中的微电源数，Pi和化分别为节点i的净注 入有功和无功功率，Gij和Bij分别为导纳阵中的实部和虚部元素，0ij为节点i和j之间的相角 差;Vimin和Vimax分别为节点i电压运行的上下限值，Qimin和化max分别为无功源i无功出力的下 上限值；
[0049] 在求解上述的优化问题过程中，选择微电源的无功出力为控制变量;其余各未知 量，包括微电源的节点电压和节点间的相角差为状态变量。
[0050] 作为本发明的进一步改进，快速求解过程如下：
[0051] 1)根据微电网的负荷信息W及微电源的无功出力上限对无功负荷进行预安排，每 个无功源的无功出力按照式(10)确定：
no)
[0化2]
[0053] 式中：Qimax为无功源i无功出力的上限值，终为微电源i预给定的无功注入，gLi为 节点j的无功负荷，N为