含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法与流程
本发明涉及一种配电网状态估计方法。特别是涉及一种将电力电子变压器(powerelectronictransformer,pet)应用于交直流混合系统中的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法。
背景技术：
随着分布式能源的大规模并网，电网的安全运行和能源的高效消纳问题日益突出。一方面，目前可再生能源多接入交流配网，交直流变换环节多，系统损耗大。另一方面，配电网的互联性差，柔性调控能力差阻碍了分布式能源的充分消纳和经济利用。pet是由电力电子变换器和高频变压器组成，同时具有交流接口和直流接口。pet端口具备潮流调节能力，可准确协调系统交流分区和直流分区间的功率分布，实现电能的互联互济，充分消纳可再生能源，是未来发展的方向。基于pet的交直流混合系统的网络结构复杂，运行状态灵活。掌握其真实的运行情况是实现可再生能源的安全稳定运行和互补优化调度的前提。研究含有pet的交直流网络状态估计问题具有重要意义。
国内外学者针对状态估计问题已开展大量研究，不同的研究角度主要体现在对状态变量的选择、状态估计算法和对不良数据的处理方法等方面。1968年，日本学者丰田淳一首次将状态估计应用于负荷预报中；1969年美国麻省理工学院的f.c.schweppe等人提出了基于加权最小二乘法(weightedleastsquare,wls)的状态估计方法[1]。其后在许多国家相继开展了该方面研究工作。目前，加权最小二乘估计法已经成为运用最广泛的状态估计方法之一。不同的加权最小二乘估计法之间的差异主要体现在：1)对状态变量的选择；2)为提高计算速度进行的模型简化方法；3)对不同数据源的数据融合方法。文献[2]分析了实际系统中加权最小二乘状态估计量测权值的直接影响因素，提出了设置量测权值的实用化方法，使得量测权值可以更加准确地反映量测精度，进而提高状态估计的准确性。文献[3]将数据监控及采集系统(supervisorycontrolanddataacquisitionsystem,scada)与广域测量系统(wideareameasurementsystem,wams)相结合，构建合量测预处理数据集，以适用于多种时间尺度下的状态估计。文献[4]采用统计状态估计算法估算网络中每个节点的电压，据此对系统中可调设备进行控制，以增加分布式电源出力。
状态估计在配电系统中同样具有广泛的学术研究及一定的实际应用。文献[5]将同步相量量测装置(phasormeasurementunit,pmu)所采集的数据与scada数据结合，针对扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计时遇到的鲁棒性不足等问题，提出了基于求积分卡尔曼滤波算法的状态估计方法，提高了状态估计的精度；文献[6]使用scada数据修正下一节点高级量测体系(advancedmeasurementinfrastructure,ami)数据，以解决配网状态估计中ami数据的延迟和周期性问题；文献[7]考虑到现代配电系统中各子系统互联状态，提出了一种基于共识滤波器的动态状态估计算法，并给出该方法在配电系统场景下的收敛性分析；文献[8]在配电网量测装置数量不足的情况下，提出一种基于有限测量信息的配电网状态估计方法；文献[9]以节点负荷值和分布式电源输出值为状态变量，建立了含分布式电源的配电网状态估计模型，并使用变异粒子群优化-禁忌搜索混合算法进行求解，可用于求解含非线性设备的配电网状态估计问题；文献[10]考虑含有高渗透率分布式电源配电系统状态估计中的间歇性通信中断问题，将次耗散性约束与动态边界估计方法结合，利用近似时不变的雅可比矩阵进行状态估计，并对其收敛性进行了仿真验证。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以快速、准确地感知电网的实时运行状态的含pet的交直流混合配电网状态估计方法。
本发明所采用的技术方案是：一种含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，其特征在于，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立ac/dc换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流-直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计。
本发明的含pet的交直流混合配电网状态估计方法，将交直流状态估计作为配电网能量管理系统的重要模块，可以快速、准确地感知电网的实时运行状态。本发明建立了交直流装换装置和多端口pet的三相稳态模型，提出了含pet的交直流混合配电网络的状态估计方法，通过引入虚拟节点的概念，将pet的稳态方程与各个子网络的潮流方程融合为一体，扩展系统状态变量，得到交直流网络的一体化状态估计方法。针对低压网络中量测信息不足的问题，本发明充分考虑了电力电子设备高精度的控制能力，将控制信息作为伪量测添加到状态估计的量测系统中，提高了状态估计的精度。本发明考虑了不同分布式电源的控制策略和运行特性，构建了两个基于pet的交直流混合可再生能源的应用场景，并结合仿真及工程实例测试，证明了所提出交直流混合配电网络的状态估计方法的有效性。
附图说明
图1是pet多端口等效模型；
图2是ac/dc换流器等效电路；
图3是本发明中虚拟节点示意图；
图4是本发明实施例中含pet的交直流混合网络示意图；
图5是采用本发明的方法得到的电压幅值与潮流值的绝对误差；
图6是采用本发明的方法得到的电压相角与潮流值的绝对误差。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法做出详细说明。
本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法，包括首先建立电力电子变压器的稳态潮流模型，包括建立ac/dc换流器模型和电力电子变压器的损耗和功率约束；然后，进行交直流混合配电网的状态估计，包括：对每一个交流-直流能量变换装置的端口添加虚拟节点，根据电力电子变压器的潮流模型和各端口的控制方式对电力电子设备添加伪量测方程，利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计。
含电力电子变压器(pet)主电路基于三级结构，分别为高压输入级、中间隔离级和低压输出级，如图1所示。输入级可视作一台ac/dc换流器，实现从高压交流到高压直流的转换。隔离级可视作一台dc/dc换流器，将高压直流电转换为低压直流电。输出级可根据电能需求，直接输出直流电压，或经ac/dc换流器将直流逆变为三相交流输出。
1)本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法中所述的建立ac/dc换流器模型，结构图如图2所示。
所述的ac/dc换流器模型表示为：
其中，pin和qin分别是换流器与系统交换的有功功率和无功功率；p0和q0分别是注入到换流器中的有功功率和无功功率；u表示系统交流端口的电压幅值；θ表示系统交流端口的电压相角；e0表示换流器入口调制电压相量的幅值；θ0表示换流器入口调制电压相量的相角；g表示交流端口与换流器入口之间的电导，b表示交流端口与换流器入口之间的电纳。
对于pet的输入级，与主网相连，运行在三相平衡状态，可用单相模型描述。对于pet的低压交流侧，三相不平衡问题突出，其功率需要按照各相分别计算，计算方式与式(1)(2)相同。
2)pet在运行各个端口需满足功率平衡约束，本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法中所述的电力电子变压器的损耗和功率约束表示为：
其中，pm表示从主网输入到pet的有功功率；s表示pet输出级交流端口的个数；
pet的有功损耗主要包含输入级和输出级换流器的有功损耗，且与每一相的换流器桥臂电流近似呈现二次关系，即：
式中，ploss,n表示端口n桥臂的有功损耗；an、bn、cn是经换流器电磁暂态仿真计算后，由曲线拟合所得到的参数，用来模拟有功损耗与桥臂电流之间的二次函数；ic为换流器的桥臂电流。
ac/dc换流器的有功损耗为三相损耗之和，其交流端每一相的桥臂电流可以表示为：
其中，
直流端口的桥臂电流可以表示为：
式中；idc,k表示直流端口k输出的电流；pdc,k表示直流端口k输出的有功功率；udc,k表示直流端口k输出的无功功率。
3)通过分析式(1)(2)可以发现，每一个交流-直流能量变换装置的潮流表达形式与传统交流网络的潮流方程相似，可以建立统一的潮流模型，从而建立一体化的状态估计算法。对于图3中描述的交流-直流换流器模型，按图3所示结构，对每个端口添加虚拟节点，使得交流-直流端口可以通过虚拟节点包含至原有的交流系统中。本发明的含电力电子变压器的交直流混连配电网状态估计方法中所述的虚拟节点是指端口的电压和幅值。
4)所述的对电力电子设备添加伪量测方程，包括：
(1)根据功率平衡约束和控制模式对电力电子变压器的各个端口添加伪量测方程
根据pet的功率平衡约束，列写方程：
对于定交流电压控制模式，列写方程：
其中，
对于定交流有功功率控制模式，列写方程：
其中，
对于定交流无功功率控制模式，列写方程：
其中，
对于定直流电压控制模式，列写方程：
其中，
对于定直流功率控制模式，列写方程：
其中，
(2)对经换流器并入交流电网的分布式电源添加伪量测方程
根据换流器输出电压三相对称，列写方程：
其中，
对于pq控制，添加伪量测方程：
其中，
(3)对经换流器并入直流电网的分布式电源添加伪量测方程
对于定udc控制，添加伪量测方程：
其中，
对于定pdc控制，添加伪量测方程：
其中，
对于定idc控制，添加伪量测方程：
其中，
本发明所述的利用加权最小二乘法进行交直流混合配电网的状态估计是采用如下公式：
minj(x)＝[z-h(x)]tw[z-h(x)](24)
其中，j(x)是加权最小二乘法的目标函数；x是状态量向量；
为验证本发明的含电力电子变压器的交直流混合配电网状态估计方法的正确性，对含pet交直流混合网络进行求解分析。
算例如图4所示，其中直流侧电压等级为750v，共有9个节点；交流侧为400v电压等级的三相配电网络，含有13个节点。算例中，交直流网络都并网运行，低压端口采用恒电压控制。
该算例中含有4个分布式电源，其中交流节点6处接入的燃气轮机采用直接交流并网方式，其余分布式电源均采用经换流器并网方式，换流器的参数及控制方式如表1所示。
表1dg控制方式
每一个负荷节点可根据历史数据和实时天气预测等人工设置生成节点负荷伪量测，pet端口和换流器可根据控制方程设置伪量测。除此之外，系统中还设置了实时量测，配置如表2所示。
所有的量测数据是在潮流真值基础上叠加一个均值为0的正态分布的量测误差上产生的。其中实时量测的标准差为0.002，人工设置的负荷功率伪量测的标准差为0.05。
表2实时量测配置数量
在交流系统中添加虚拟节点，将pet低压交流端口的虚拟节点编为0号节点，风电机组并网端口的虚拟节点变为14号节点。
经状态估计计算，可以得到算例各个状态变量的估计值。将估计值与潮流解相减并取绝对值，可以得到各个状态变量的绝对误差。交流系统各节点电压幅值和相角的估计绝对误差分别如图5和图6所示。图中，横轴为交流系统每个节点的编号，每个节点编号内含有三条柱线，从左到右依次代表a，b，c三相。
电压幅值和相角的最大绝对误差分别是4.75e-05和1.96e-03。平均绝对误差分别是1.83e-05和4.74e-04。由以上估计结果可知，对于含pet的交直流混合网络，本发明所提出的状态估计方法有良好的估计效果。
参考文献
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