基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法与流程

本发明涉及智能电网控制领域，具体为基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法。

背景技术：

微电网(简称mg)也译为微网，是指由分布式电源(distributedenergyresource，简称der)、储能装置、能量转换装置、负荷、监控以及保护装置等组成的小型发配电系统，作为高压传输与低压der之间的桥梁，“微电网”的概念如今得到了广泛应用，我国也将其作为重要的战略研究内容；

现有的低压交流微电网中针对反下垂控制和二次控制的研究还很少，且设计的基于一致性算法的电压二次控制策略不能有效维持各发电设备输出电压稳定，不能与der一起规划出最优出功，从而不能降低整个微电网的总发电成本，同时容易对频率、电压和无功功率的正常输出造成影响，为此，我们提出基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法，以解决上述背景技术中提出的现有的低压交流微电网中针对反下垂控制和二次控制的研究还很少，且设计的基于一致性算法的电压二次控制策略不能有效维持各发电设备输出电压稳定，不能与der一起规划出最优出功，从而不能降低整个微电网的总发电成本，同时容易对频率、电压和无功功率的正常输出造成影响的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法，该柴-储微电网有功调控方法的具体步骤如下：

步骤一：设计电压二次控制策略；

步骤二：设计考虑储能设备和边际成本一致的出功规划算法；

步骤三：设计基于电流调控的有功功率调控策略；

步骤四：通过搭建实验场景验证该方法的有效性。

进一步地，步骤一中电压二次控制的具体过程为：利用电压二次控制器调控mg中的各个der的输出电压达到该值，其采用二次控制结合下垂控制实现；

其中，电压二次控制器是基于通信数据和一致性算法实现，且电压二次控制器设计应包括以下三个方面：

mg通信网络：表示mg的通信网络，包括传感器、上传信道、执行器以及下发信道；

图论：对于有向图而言，若存在一条有向路径可以连接所有的节点，该路径就被称为有向生成树，其初始节点就被称为根节点；

一致性算法：在一个有向图中若有一个初始节点的数据可以被输送至其它节点，即生成有向树，该初始节点被称为领航者，其它节点即为跟随者,领航者的系信息数据可以被记为xl，基于该生成树，如果有算法可以实现条件那么就说每个跟随者的信息都与领航者的信息达到了一致，该条件对应的算法也就是一致性算法，

进一步地，所述一致性算法的公式(1)；

其中，bi代表第i个跟随者能否接收到领航者的信息数据，如果可以接收，那么bi＝1，否则，bi＝0；ni代表第i个节点的相邻节点的集合；kxi代表增益参数。

进一步地，所述传感器用于搜集物理数据，所述上传信道用于上传物理数据，所述执行器用于在网络中完成所需的控制器或算法，所述下发信道用于将网络中的控制器或者算法得到的控制量下发至物理系统。

进一步地，所述der通过下垂控制进行一次控制，所述der的输出电压随负载扰动进行抖动，且两者呈线性关系，电压二次控制就应被设计出来给下垂控制添加反馈量，以调节其输出达到设定的参考值，依然以第i个der为例，计算出电压反馈量。

进一步地，所述电压反馈量为：

其中uui是电压二次控制器；δui是电压反馈量，在二次控制过程中，δui将被添加入下垂控制的输出电压ui，以抬高电压值，uui被设计为

其中，ui和uj代表第i个der与第j个der输出的电压值；ul代表领航者的电压值；kui1和kui2都是增益系数。

进一步地，步骤二中出功规划算法具体体现在以下三个方面：

(一)、mg中的有功功率调节：在交流mg中，基于系统中只存在一类der与储能设备，计算出der发电成本，以第i个der为例，其发电成本为

其中，αderi，βderi和γderi都是第i个der的发电成本系数；pderi是第i个der的出功；

(二)、当soc值处于正常范围时，所述储能设备的充放电效率与输出功率可拟合为线性关系，表示为：

ηesu＝αesu-βesupesu(6)

其中，ηesu为mg内储能设备的充放电效率；αesu和βesu为储能设备发电参数，与储能硬件参数、容量及使用寿命相关；pesu为对应储能设备的输出功率，储能设备的运行成本函数可以被表示为：

其中，s是实时电价，因此，可知mg的总运行成本可以被表示为

此外，也需要确保如下的等式约束是成立的；

其中，pload是负载所需功率，对于上述有约束单目标优化问题，引入了拉格朗日乘子l后，得到了

进而，再令公式(10)对der和储能设备的出功求偏导数可以得到

若令和则可以得到

(三)、在满足功率平衡的条件下，当边际成本一致时，计算出mg的运行成本最低值。

进一步地，所述mg的运行成本最低值即der和储能设备对应的输出功率分别为(l-βderi)/2αderi和[l-(s-sαesui)]/2sβesui。

进一步地，步骤三中基于电流调控的有功功率调控主要通过电流调控，其中以第i个mg中的第i个发电设备为例，其有功功率的计算公式为

其中uid和uiq分别是第i个发电设备输出电压经过park变换后得到的d轴和q轴分量；iid和iiq分别是第i个发电设备输出电流经过park变换后得到的d轴和q轴分量，由于uid≈ui，因此就有电流需满足如下条件

在设计完电流调控环节后，虽然能得到最优输出功率，但由于der的出功有上下限，储能设备的出功也有soc限制，因此就有

与现有技术相比，本发明的有益效果是：目前在低压交流微电网中针对反下垂控制和二次控制的研究还很少，且设计的基于一致性算法的电压二次控制策略可以有效维持各发电设备输出电压稳定；设计的考虑储能设备和边际成本一致的出功规划算法可以有效将柴-储微电网中的储能设备发电成本也表示为二次函数的形式，并与der一起规划出最优出功，以使得整个微电网的总发电成本是最低的；在以往的经济性调控策略中，都是基于一致性算法来实现将边际成本调节为一致，由于一致性算法的使用必然会增加通信负担，且需要迭代时间才能完成调控过程，设计的电流调控策略可以有效调控各der的出功达到最优值，并且不会对频率、电压和无功功率的正常输出造成影响。

附图说明

图1为电压二次控制过程的简化图；

图2为简化的微电网通信与控制流程图；

图3为基于电流调控的有功功率调控简化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法，该基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法的具体步骤如下：

步骤一，设计电压二次控制策略；

步骤二，设计考虑储能设备和边际成本一致的出功规划算法；

步骤三，设计基于电流调控的有功功率调控策略；

步骤四，通过搭建实验场景验证该方法的有效性。

进一步的，步骤一中，应该调控mg中的各个der的输出电压达到该值，在本发明中，采用二次控制结合下垂控制来实现，电压二次控制器是基于通信数据和一致性算法实现的，因此先给出如下定义，以便后续的控制器设计。

mg通信网络：mg的通信网络包括传感器，用于搜集物理数据；上传信道，用于上传物理数据；执行器，用于在网络中完成所需的控制器或算法，如一致性算法等；下发信道，用于将网络中的控制器或者算法得到的控制量等下发至物理系统，改善物理层中对应环节的运行效果。

图论:对于一个有向图而言，一旦存在一条有向路径可以连接所有的节点，该路径就被称为有向生成树，其初始节点就被称为根节点，并且为了描述节点之间的连接关系，就有如下参数被设定，即aij，如果第j个der的数据可以被输送至第i个der，aij就被置为1，否则aij＝0。

一致性算法:在一个有向图中，可以将第i个节点的信息数据置为xi，并且，如果有一个初始节点的数据可以被输送至其它节点，即生成有向树，那么该初始节点就被称为领航者，其它节点就是跟随者，领航者的系信息数据可以被记为xl，基于该生成树，如果有算法可以实现条件那么就说每个跟随者的信息都与领航者的信息达到了一致，该条件对应的算法也就是一致性算法，即公式(1)。

其中，bi代表第i个跟随者能否接收到领航者的信息数据，如果可以接收，那么bi＝1，否则，bi＝0；ni代表第i个节点的相邻节点的集合；kxi代表增益参数。

注1：mg系统中的每一个der都可以看作是一个节点，但实际上，在mg系统中选择领航者并不方便，因此，本发明采用虚拟领导者来解决这一问题，它的实现只是将xl设计成一个固定值(如电压或频率参考值)，并直接送入一致性算法中，这样，只要合理地设置aij和bi以保证有向生成树的存在(在该树中，虚拟领导者是根节点)，一致性算法的控制效果就可以得到保证。

对于mg中的der而言，其一次控制一般都是下垂控制，并且，由于孤岛微电网一般都是低压网，线路阻抗一般阻性较强，因此常用p-u/q-ω下垂控制，以第i个der为例，其数学表达式如下

ui＝uref-mipi(2)

其中mi是下垂系数；uref是电压参考值；pi是第i个der输出的有功功率，可以看出，下垂控制本身就是有差调节，并且一旦有负载扰动发生，就会使得der的输出电压也发生抖动，两者呈线性关系，由于每个der的下垂控制系数不同，并且对应的线路阻抗也不同，因此很容易导致输出电压是不一致的，这样，就很有可能会导致系统中出现环路电流，为了解决上述问题，电压二次控制就应被设计出来给下垂控制添加反馈量，以调节其输出达到设定的参考值，依然以第i个der为例，其电压反馈量为

其中uui是电压二次控制器；δui是电压反馈量，在二次控制过程中，δui将被添加入下垂控制的输出电压ui，以抬高电压值，一般而言，uui被设计为

其中ui和uj代表第i个der与第j个der输出的电压值；ul代表领航者的电压值；kui1和kui2都是增益系数。

进一步的，步骤二中：对于mg中的有功功率调节而言，考虑到要最小化发电成本，本发明就提出了基于边际成本一致并考虑储能设备的出功规划算法，具体的设计如下，在交流mg中，考虑系统中只存在柴油机(一类der)与储能设备，以第i个der为例，其发电成本为

其中，αderi，βderi和γderi都是第i个der的发电成本系数；pderi是第i个der的出功，对于储能设备而言，当其soc值处于正常范围时，其充放电效率与输出功率可拟合为线性关系，表示为

ηesu＝αesu-βesupesu(6)

其中，ηesu为mg内储能设备的充放电效率；αesu和βesu为储能设备发电参数，与储能硬件参数、容量、使用寿命相关；pesu为对应储能设备的输出功率，储能设备的运行成本函数可以被表示为

其中，s是实时电价。因此，可知mg的总运行成本可以被表示为

此外，也需要确保如下的等式约束是成立的。

其中，pload是负载所需功率。对于上述有约束单目标优化问题，引入了拉格朗日乘子l后，得到了

进而，再令公式(10)对der和储能设备的出功求偏导数可以得到

若令和则可以得到

这样，可以称2αipderi+βderi和(s-sαesu)+2sβesupesu分别就是第i个der与储能设备的边际成本。并且，只有在满足功率平衡的条件下，当边际成本一致时，才能实现mg的运行成本最低，这样，der和储能设备对应的输出功率分别为(l-βderi)/2αderi和[l-(s-sαesui)]/2sβesui。

进一步的，步骤三中：在以往的经济性调控策略中，都是基于一致性算法来实现将边际成本调节为一致，但是，一致性算法的使用必然会增加通信负担，并且需要迭代时间才能完成调控过程，针对这些缺陷，本发明提出了电流调控来解决上述问题，以第i个mg中的第i个发电设备为例，其有功功率的计算公式为

其中uid和uiq分别是第i个发电设备输出电压经过park变换后得到的d轴和q轴分量；iid和iiq分别是第i个发电设备输出电流经过park变换后得到的d轴和q轴分量，并且，由于uid≈ui，因此就有电流需满足如下条件

在设计完电流调控环节后，虽然能得到最优输出功率，但由于der的出功有上下限，储能设备的出功也有soc限制，因此就有

工作原理：对于这类的基于反下垂与电压二次控制的柴-储微电网有功调控方法，首先，设计电压二次控制策略，目前在低压交流微电网中针对反下垂控制和二次控制的研究还很少，本发明可填补这一空缺，且设计的基于一致性算法的电压二次控制策略可以有效维持各发电设备输出电压稳定，紧接着设计考虑储能设备和边际成本一致的出工规划算法，设计的考虑储能设备和边际成本一致的出功规划算法可以有效将柴-储微电网中的储能设备发电成本也表示为二次函数的形式(以往的研究都仅仅考虑调节der)，并与der一起规划出最优出功，以使得整个微电网的总发电成本是最低的，然后设计基于电流调控的有功功率调控策略，在以往的经济性调控策略中，都是基于一致性算法来实现将边际成本调节为一致，由于一致性算法的使用必然会增加通信负担，且需要迭代时间才能完成调控过程，设计的电流调控策略可以有效调控各der的出功达到最优值，并且不会对频率、电压和无功功率的正常输出造成影响，最后通过搭建实验场景验证该方法的有效性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。