一种微电网供电质量评估及其模拟负荷均衡控制系统及方法与流程

本发明属于电力系统技术领域，特别是涉及一种微电网供电质量智能评估系统和模拟负荷均衡控制系统及方法。

背景技术：

随着煤、石油、天然气等非可再生能源消耗加剧，从可持续发展及环境保护出发，太阳能、风能等清洁型分布式发电发展迅速，微电网在解决分布式发电间歇性、随机性而带来的电网频率波动、电压偏移等电能质量问题上发挥着重大作用。微电网电能质量控制以及对大电网的功率支撑控制是研究微电网的关键技术，现有的大电网电能质量评估方法在微电网中的应用并不广泛，且存在评估指标多、评估方法繁琐落后、评估后续治理效果差等缺点，本发明提出一种基于供电质量国家标准的微电网供电质量智能评估方法，能很好地解决微电网供电质量评估中存在的问题，同时提出了一种模拟负荷均衡控制装置及功率自主均衡算法很好地解决了微电网供电质量评估后续治理效果不理想问题，对微电网供电质量的提高、微电网与大电网的友好互动以及“互联网+”智慧能源的发展具有积极的影响。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种微电网供电质量评估及其模拟负荷均衡控制系统及方法，以达到提高微电网供电质量评估效率及有效性，提高供电质量评估后续治理效果，有效平抑微电网功率波动，改善电压、频率偏移等供电质量问题，提高微电网供电可靠性的目的。

一种微电网供电质量评估及其模拟负荷均衡控制系统，该系统包括微电网电压、电流、频率采集模块，微电网供电质量智能评估器和模拟负荷均衡控制器，其中：

微电网电压、电流、频率采集模块：用于采集实时微电网电压、电流、频率值并传送至微电网供电质量智能评估器中；

微电网供电质量智能评估器：用于分析计算实时微电网电压、电流、频率，评估微电网供电质量是否满足要求，判断模拟负荷均衡控制器是否需要投入工作；

模拟负荷均衡控制器包括功率均衡器、模拟负荷系统；

功率均衡器：用于计算模拟负荷模块的有功功率和无功功率的吸纳与发出值，为模拟负荷的每个储能装置均衡分配有功功率与无功功率的吸纳与发出值；

模拟负荷系统：用于吸收或发出有功功率或无功功率，平抑微电网功率波动，改善微电网供电质量，由多个模拟负荷单元并联，构成多模拟负荷并联运行系统；所述的模拟负荷单元包括双向ac-dc变流器、双向dc-dc变换器、双向ac-dc变流器功率控制器、双向dc-dc变换器控制器和储能设备。所述的双向dc-dc变换器控制单元依据储能设备的soc自动切换恒电流/恒功率/恒电压三种充/放电模式，达到保护储能设备、提高储能设备使用寿命、降低系统成本的目标。

上述一种微电网供电质量评估及其模拟负荷均衡控制系统的方法，包括如下步骤：

步骤一：利用微电网供电质量智能评估器，计算分析通过微电网电压、电流、频率采集模块采集的实时微电网电压、电流、频率数据，并依据国家电能质量标准评估实时微电网供电质量是否满足标准，若不满足标准模拟负荷均衡控制器需要投入使用；

步骤二：当判断需要投入负荷均衡控制器时，功率均衡器将依据微电网供电质量智能评估器中的电压与频率，利用功率自主均衡算法得到系统充放电功率的设定值，并结合模拟负荷系统中每个模拟负荷单元储能设备的soc计算模拟负荷单元及系统的最大允许充放电功率，同时依据储能设备的soc计算每个模拟负荷单元应分配的充放电功率设定值。

进一步地，上述步骤一具体包括以下步骤：

步骤1：由采样模块处理后得到包含电压偏差、电压波动和闪变、谐波含量、三相电压不平衡度、暂时过电压、瞬态过电压、电流谐波含量、频率偏差9个特征的样本特征集；

步骤2：对微电网供电质量特征集的每个特征进行归一化处理；

步骤3：依据供电质量国家标准对样本数据进行标注；

步骤4：依据比例随机划分训练样本和测试样本，并依据步骤3对样本数据进行标注；

步骤5：对步骤4选取的每个训练样本采用自下而上的方法进行训练，对训练过程划分为输入层、训练层、调优层、输出层四个层面，逐层训练、优化；

步骤6：利用测试样本对训练样本最终输出值进行评估，评估系统训练的准确率，若样本不满足供电质量要求，则模拟负荷均衡控制装置需要投入使用。

进一步地，上述步骤一中的步骤5具体包括以下步骤：

步骤5-1：训练开始时给各层参数赋相应初值，各层参数包括训练层偏置γh，输出层偏置θj，输入层第i个单元和训练层第h个单元的连接权重vih，训练层第h个单元和输出层第j个单元的连接权重whj，调优层η1、η2、η3、η44个学习率参数，是4个恒为正的常数量；训练层和输出层的输入值计算依据公式

计算，式中，每个样本的输入层输入值为xi(i＝1,2，…d)，d为输入层单元个数，训练层输入值为eh(h＝1,2，…，q)，q为训练层单元个数，输出层输入值为yj(j＝1,2，…，l)，l为输出层单元个数；

步骤5-2：将训练层的输出作为下一训练层的输入，重复步骤5-1，达到设定训练层数后，将以上参数从上而下输入调优层进行参数调优；

步骤5-3：对评估过程进行参数调优处理。

计算每个样本的均方误差e；

步骤5-3-1：调优层中输出层偏置θj的调优公式为

式中，为输出层每个样本的输出值期望。

步骤5-3-2：训练层第h个单元和输出层第j个单元的连接权重whj的调优公式为

步骤5-3-3：调优层中训练层偏置γh的调优公式为

故

步骤5-3-4：调优层中输入层第i个单元和训练层第h个单元的连接权重vih的调优公式为

故

进一步地，上述步骤二中的功率均衡器的功率自主均衡算法包括以下步骤：

步骤1)：依据微电网供电质量智能评估器的评估结果，若模拟负荷不需要投入使用，循环执行此步骤；若模拟负荷需要投入使用，执行步骤2)；

步骤2)：依据soc及储能设备参数计算模拟负荷单元及系统最大允许充放电功率；

步骤3)：依据微电网供电质量智能评估器的电压、频率值以及各发电设备参数，计算系统充/放电功率设定值；

步骤4)：取步骤3中的功率设定值与步骤2)中系统最大允许充放电功率中较小的值作为新的系统功率设定值；

步骤5)：依据电池soc和功率权重分配公式，得到每个模拟负荷单元的功率设定值，将其送至双向ac-dc变流器功率控制器中。

进一步地，上述步骤2)中最大允许充/放电功率计算公式为

式中，n表示模拟负荷单元即储能设备个数，每个模拟负荷单元用字母i表示，每个储能设备的荷电状态为soci(i＝1,2，……n)，pi^mc表示最大允许充电有功功率、qi^mc表示最大允许充电无功功率、pi^md表示最大允许放电有功功率、qi^md表示最大允许放电无功功率，每个储能最大充/放电功率依据储能设备自身特性，由设备出厂时决定，开关量ui取1表示模拟负荷单元投入使用，ui取0表示模拟负荷单元不投入使用，ui的取值取决于储能设备的soc，即储能设备soc在设备允许工作范围内时ui取1，储能设备soc在设备允许工作范围外时ui取0。

进一步地，上述步骤3)系统充/放电功率设定值计算，由发电机组转子运动方程得模拟负荷系统功率设定值与发电机组转速的关系

写成状态方程形式为

其中，ωn为额定角速度，δ为功角，pt、pe、pd分别为发电机组的机械功率、输出功率和损耗功率，tj为等值惯性时间常数，计算公式为tji为每台发电机组的惯性时间常数，继续推导得模拟负荷系统功率设定值与频率的关系

其中，ω和f分别为惯性中心角速度和惯性中心频率，由

计算得来。

进一步地，上述步骤5)由电池soc和功率权重分配公式计算每个模拟负荷单元的功率设定值，功率权重分配公式为

式中，每个模拟负荷单元的充电功率为pi^c(qi^c)，放电功率为pi^d(qi^d)，将计算结果送至双向ac-dc变流器功率控制器中。

进一步地，上述步骤5)中双向ac-dc变流器功率控制单元依据功率均衡器所得的功率设定值控制双向ac-dc变流器，完成微电网功率解耦控制，达到改善微电网供电质量的目标；同时在功率解耦控制中加入鲁棒下垂控制器平衡微电网频率和电压偏差，提高系统的鲁棒性，具体为：将频率偏差和电压偏差经鲁棒下垂系数的比例作用和限幅模块后加入到有功功率和无功功率的偏差中，提高系统的鲁棒性，鲁棒下垂控制器的有效性分析通过频率相对误差体现，根据下垂关系得功率相对误差为

式中，p和p*分别为实际微电网交流母线有功功率值和有功功率设定值，q和q*分别为实际微电网交流母线无功功率值和无功功率设定值，u和u0分别为实测的微电网交流母线电压和母线电压标准值，f和f0分别为实际测得的微电网交流母线频率和频率的标准值(50hz)，m、n为下垂系数；微电网交流母线频率和电压相对误差和在一定时期内变化不大，则下垂系数m和n越大，微电网交流母线侧有功功率的相对误差就越大。加入鲁棒下垂控制器后的功率相对误差为

通过鲁棒下垂系数kp、kq平衡下垂系数m、n对功率相对误差的影响，提高功率控制精度。

本发明的有益效果：

本发明一种微电网供电质量评估及其模拟负荷均衡控制系统及方法，协调微电网供电质量评估的多个指标，提出供电质量智能评估方法，解决了评估方法繁琐落后、评估效果差问题，实现了微电网供电质量评估的智能性和有效性；通过对储能设备的功率自主均衡控制，最大限度地实现了保护储能设备、延长储能设备寿命、降低系统运行成本与平抑微电网功率波动、提高微电网供电质量之间的协调；多模拟负荷并联运行，满足微电网负荷多样性需求，提高了模拟负荷运行的可靠性；双向ac-dc变流器功率控制中加入鲁棒下垂控制器，平衡了微电网频率和电压偏差，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统组成框图；

图2为本发明实施例的微电网供电质量智能评估器流程图；

图3为本发明实施例的智能评估器结构图；

图4为本发明实施例的功率均衡控器工作流程图；

图5为本发明实施例的模拟负荷单元组成框图；

图6为本发明实施例的模拟负荷单元拓扑结构图；

图7为本发明实施例的双向ac-dc变流器控制框图；

图8为本发明实施例的双向dc-dc变换器控制框图；

图9为本发明实施例的储能设备充电功率、电压、电流模式切换图；

图10为本发明实施例的储能设备放电功率、电压、电流模式切换图

图11为本发明实施例的微电网电压波形图；

图12为本发明实施例的微电网电流波形图；

图13为本发明实施例的微电网频率波形图；

图14为本发明实施例的模拟负荷交流侧有功功率波形图；

图15为本发明实施例的模拟负荷交流侧无功功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

图1为本发明实施例的系统组成框图，包括微电网电压、电流、频率采集模块，微电网供电质量智能评估器，功率均衡器和模拟负荷并联系统，其中微电网电压、电流、频率采集模块能够完成对实时交流微电网母线电压、母线电流以及母线频率的采集，并将采集信息传送至微电网供电质量智能评估器中，微电网供电质量智能评估器将评估结果即模拟负荷是否需要投入使用传送至功率均衡器中，若当前微电网供电质量不在标准范围内，则功率均衡器依据采集模块的实时微电网交流母线电压、母线电流和母线频率以及微电网供电质量智能评估器评估结果，由功率自主均衡算法，结合当前储能设备soc，将实时功率吸纳或发出值均衡分配至每个模拟负荷，每个储能设备中，模拟负荷并联系统则依据功率均衡器的分配值，通过双向ac-dc变流器以及双向dc-dc变换器的控制，完成微电网交流母线侧功率依据设定值运行，完成平抑微电网功率波动，进而改善微电网供电质量。

图2和图3为本发明实施例的微电网供电质量智能评估器流程图和结构图，微电网供电质量智能评估器的具体实施包括以下步骤：

步骤1：由采样模块计算后的数据得到电压、电流、频率、功率因数四个方面数据，电压又包含电压偏差、电压波动和闪变、谐波含量、三相电压不平衡度、暂时过电压、瞬态过电压等六个特征，电流包含电流谐波含量一个特征，频率包含频率偏差一个特征，功率因数包含功率因数大小一个特征，即样本集的每个变量包含9个特征，将样本集表示为矩阵

n为样本大小。

步骤2：采用0均值标准化公式对微电网供电质量特征集的每个特征进行归一化处理，归一化公式为

式中，mean(x)为各样本特征集中各特征的平均值，σ为该特征的标准差，归一化处理能够提升模型的训练速度和准确度。

步骤3：依据国家标准对样本数据进行标注，标注数据集用

表示，即对样本特征集中满足供电质量要求的样本标注为(1，0)^t，不满足供电质量标准的样本标注为(0，1)^t。

具体供电质量国家标准分别参照《电能质量供电电压允许偏差》(gb/t12325-2003)，《公用电网谐波》(gb/t14549-1993)，《三相电压允许不平衡度》(gb/t15543-2008)，《电力系统频率允许偏差》(gb/t15949-1995)，《电压波动和闪变》(gb/t12326-2008)，《暂时过电压和瞬态过电压》(gb/t18481-2001)。

步骤4：依据比例随机划分训练样本和测试样本，并依据步骤3对样本数据进行标注。

步骤5：对步骤4选取的每个训练样本采用自下而上的方法进行训练，对训练过程划分为输入层、训练层、调优层、输出层四个层面，每个样本的输入层输入值为xi(i＝1,2，…9)，训练层输入值为eh(h＝1,2，…，q)，q为训练层单元个数，本发明实施例中选取5层训练层，每层训练层个数依次为45,36,18,9,2，输出层输入值为yj(j＝1,2)，给训练层偏置γh、输出层偏置θj、输入层第i个单元和训练层第h个单元的连接权重vih、训练层第h个单元和输出层第j个单元的连接权重whj4个参数赋随机值，调优层参数η1、η2、η3、η44个学习率参数赋初始值0.1。

步骤5-1：训练层和输出层的输入值计算依据公式

计算。

步骤5-2：将训练层的输出作为下一训练层的输入，重复步骤5-1，达到设定训练层数后，将以上参数从上而下输入调优层进行参数调优。

步骤5-3：调优层数据处理中依据

计算每个样本的均方误差，式中，为输出层每个样本的输出值期望。

步骤5-3-1：调优层中输出层偏置θj的调优公式为

式中的计算公式为

步骤5-3-2：训练层第h个单元和输出层第j个单元的连接权重whj的调优公式为

式中的计算公式为

步骤5-3-3：调优层中训练层偏置γh的调优公式为

式中偏导数的求解公式为

故

步骤5-3-4：调优层中输入层第i个单元和训练层第h个单元的连接权重vih的调优公式为

式中的求解公式为

故

步骤6：利用测试样本对训练样本最终输出值进行评估，若训练结果不满足准确度要求，返回步骤5,继续对参数进行调优,若训练结果满足准确度要求,则依据供电质量是否是标准集判断模拟负荷均衡控制装置需要投入使用。

图4为本发明实施例的功率均衡控器功率自主均衡算法工作流程图，本发明实施例中，储能设备有n个，即模拟负荷单元有n个，每个模拟负荷单元用字母i表示，功率均衡器中功率自主均衡算法包括以下步骤：

步骤1：收到微电网供电质量智能评估器的需要模拟负荷投入使用的指令；

步骤2：功率均衡器从微电网供电质量智能评估器中读取微电网交流母线电压、电流、频率，并从每个储能设备中读取当前荷电状态soc(stateofcharge)和最大充/放电功率，最大充电功率用pi^mc(qi^mc)表示，最大放电功率用pi^md(qi^md)表示，其中储能设备的最大充/放电功率依据储能设备自身特性，由设备出厂时决定，每个储能设备的荷电状态标记为soci(i＝1,2，……n)；

步骤3：将每个模拟负荷单元是否投入使用用开关量ui表示，ui取1表示模拟负荷单元投入使用，ui取0表示模拟负荷单元不投入使用，ui的取值取决于储能设备的soc，即储能设备soc在设备允许工作范围内时ui取1，储能设备soc在设备允许工作范围外时ui取0，储能设备的允许工作范围同样依据储能设备自身特性，由设备出厂时决定；

步骤4：由最大允许充/放电功率计算公式

分别计算模拟负荷并联系统最大允许充/放电功率，其中系统最大允许充电功率为p^mc(q^mc)，系统最大允许放电功率为p^md(q^md)；

步骤5：模拟负荷充/放电功率设定值计算。由发电机组转子运动方程可得模拟负荷系统功率设定值与发电机组转速的关系

写成状态方程形式为

其中，ωn为额定角速度，δ为功角，pt、pe、pd分别为发电机组的机械功率、输出功率和损耗功率，tj为等值惯性时间常数，计算公式为tji为每台发电机组的惯性时间常数，继续推导可得模拟负荷系统功率设定值与频率的关系

其中，ω和f分别为惯性中心角速度和惯性中心频率，可由

计算得来。

模拟负荷需从网侧吸收/补偿的无功功率依据有功功率设定值以及步骤1中的功率因数，由q*＝p*×tanθ计算得来，其中θ为功率因数角。

步骤6：将步骤5中计算所得的模拟负荷并联系统功率设定值与步骤4中计算所得的模拟负荷并联系统最大允许充/放电功率作对比，取二者中较小值作为新的模拟负荷并联系统功率设定值；

步骤7：依据模拟负荷单元各自储能设备的soc，由计算公式

计算每个模拟负荷单元应分配的充/放电功率，其中，每个模拟负荷单元的充电功率为pi^c(qi^c)，放电功率为pi^d(qi^d)，

步骤8：将每个模拟负荷单元分配到的功率值送至双向ac-dc变流器和双向dc-dc变换器的控制单元。

图5为本发明实施例的模拟负荷单元组成框图，模拟负荷单元由双向ac-dc变流器、双向dc-dc变换器和储能设备组成，图6为本发明实施例的模拟负荷单元拓扑结构图，其中双向ac-dc变流器的拓扑结构包含微电网交流母线侧滤波电感、六个开关器件构成三个可控桥臂a、b、c和直流侧滤波电容；双向dc-dc变换器的拓扑结构包含两个igbt和一个电感构成能双向升/降压的双向buck/boost电路。

图7为本发明实施例的双向ac-dc变流器控制框图，在得到每个模拟负荷单元的充/放电功率设定值p*(q*)后，应用功率完全解耦控制方法来实现对模拟负荷与微电网交流母线接口处的有功功率、无功功率控制，利用有功功率与频率和无功功率与电压的下垂关系

最终达到调节微电网电压和频率在标准范围内的目标，其中，u和u0分别为实测的微电网交流母线电压和母线电压标准值(380v)，f和f0分别为实际测得的微电网交流母线频率和频率的标准值(50hz)，p和p*分别为实际微电网交流母线有功功率值和有功功率设定值，q和q*分别为实际微电网交流母线无功功率值和无功功率设定值，m、n为下垂系数，初始下垂系数设置为0.11。

依据整流和逆变的思想以及基尔霍夫定律，结合pwm整流器的功率解耦控制，可得旋转dq坐标系下的电流方程为

其中，ls为微电网交流母线侧滤波电感，本发明实施例中取为0.5mh，ed、eq为变换到dq坐标系下的微电网交流母线电压，id、iq为变换到dq坐标系下的微电网交流母线电流，r为微电网交流母线侧线路电阻，ω为微电网交流母线角频率，ud、uq为dq坐标系下的开关电压矢量。

选择dq旋转坐标系中的d轴与电压矢量重合，忽略开关损耗和交流侧电阻损耗，结合旋转坐标系下电流与瞬时功率方程

得

将功率设为闭环调节，得

在解耦控制基础上，依据有功功率与频率及无功功率与电压的下垂关系，增加对频率和电压偏差的鲁棒下垂控制器，即将频率偏差和电压偏差经鲁棒下垂系数的比例作用和限幅模块后加入到有功功率和无功功率的偏差中，然后进行功率得解耦控制，提高系统鲁棒性。鲁棒下垂控制器的有效性分析包括以下步骤：

步骤1：依据公式

计算微电网交流母线侧功率调节相对误差，用ep、eq表示，式中p和p*分别为实际微电网交流母线有功功率值和有功功率设定值，q和q*分别为实际微电网交流母线无功功率值和无功功率设定值；

步骤2：依据下垂关系

整理得功率偏差与频率、电压偏差的数学关系

并代入功率相对误差公式，得功率相对误差

步骤2-1：微电网交流母线频率相对误差在一定时期内变化不大，则下垂系数m越大，微电网交流母线侧有功功率的相对误差就越大；

步骤2-2：微电网交流母线电压相对误差在一定时期内变化不大，则下垂系数n越大，微电网交流母线侧无功功率的相对误差就越大；

步骤3：微电网交流母线频率和电压偏差经过鲁棒下垂控制后，功率调节相对误差变为

式中kp、kq为图7中鲁棒下垂控制器中的下垂系数，初始值设置为0.1，通过鲁棒下垂系数kp、kq来平衡下垂系数m、n对功率相对误差的影响，从而提高功率控制精度。

图8为本发明实施例的双向dc-dc变换器控制框图，双向dc-dc变换器控制部分的具体实施包括以下步骤：

步骤1：比较微电网交流母线侧功率与功率设定值的大小；

步骤2：当微电网交流母线侧功率大于功率设定值时，选择模拟负荷充电模式来吸收微电网多余功率，通过传感器检测储能设备电流、电压及soc，在平抑微电网功率波动和保护储能设备两个约束条件下，

步骤2-1：当储能设备soc低于10％时，为防止初期充电电流过大造成对储能设备的损坏，采用恒电流充电模式来对储能设备进行充电处理；

步骤2-2：当储能设备soc达到20％时，切换充电模式为恒功率充电模式，此充电模式下，储能设备吸收的功率与微电网多余功率恰好平衡，此时储能设备能最有效的发挥平抑微电网功率波动的作用；

步骤2-3：当充电电压达到储能设备标称电压后，切换为恒电压充电模式，防止充电电压过高损坏储能设备；

步骤2-4：当储能设备的soc高于90％时，为保护储能设备，避免造成储能设备的过度充电，此时开关函数ui取0，即此状态下的储能设备不再投入使用。

步骤3：当微电网交流母线侧功率小于功率设定值时，选择模拟负荷放电模式来补偿微电网缺失的功率，通过传感器检测储能设备电流、电压及soc，在平抑微电网功率波动和保护储能设备两个约束条件下，

步骤3-1：当储能设备放电电压高于最低放电电压时，选择放电模式为恒功率放电模式，此放电模式下，储能设备放出的功率与微电网缺少的功率恰好平衡，此时储能设备能最有效的发挥平抑微电网功率波动的作用；

步骤3-2：当储能设备soc低于30％时，随着储能设备自身内阻的减小，为防止放电电流过大，选择模拟负荷的恒电流放电模式进行放电处理；

步骤3-3：当放电电压达到储能设备最低放电电压后，为保护储能设备，避免造成储能设备的过度放电，此时开关函数ui取0，即此状态下的储能设备不再投入使用。

结合图8的控制框图和步骤描述，图9为本发明实施例的储能设备充电功率、电压、电流模式切换图，图10为本发明实施例的储能设备放电功率、电压、电流模式切换图，可以清晰看出储能设备于何时切换充/放电模式。

本发明实施例中，图11为微电网电压波形图，图12为微电网电流波形图，图13为微电网频率波形图，在微电网交流母线电压、电流和频率上满足供电质量要求。

图14和图15为本发明实施例的模拟负荷交流侧有功功率和无功功率波形图，有功功率设定起始值为10kw，在系统运行至0.4s时切换至15kw，并在0.7s发生微电网电压暂降及频率波动，及时调整模拟负荷系统的功率设定值，使其维持在10kw；无功功率设定起始值为0kvar，在系统运行至0.4s时切换至10kvar，在0.7s发生微电网电压暂降及频率波动，及时调整模拟负荷系统的功率设定值，使其维持在0.9kvar，从微电网交流母线侧有功功率与无功功率的跟踪控制上达到控制模拟负荷交流侧功率依据微电网交流母线功率波动要求，平抑微电网功率波动，最终达到改善微电网供电质量的目标。