一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法

1.本发明涉及负荷控制技术领域，特别涉及一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法。


背景技术：

2.近年来，可再生能源渗透率不断增加，由于其发电间歇性和用户电力需求难以预测性等原因，现代电力系统中功率不平衡事件频发，带来了一系列频率、电压稳定性问题。
3.一次控制是电力系统进行频率电压调节的一种常用方法。为应对系统中的功率扰动事件，通常由发电侧的传统同步发电机来实现一次控制。一次控制能够重新平衡功率，并且使系统的频率和电压稳定在新的平衡点。但是，由于发电机调速器的机械限制，它们的调节速度相对较慢。此外，这种方式经济性差，环境不友好。
4.为此，如何提供一种环境友好性强，能够缓解传统同步发电机的调节压力，提升功率扰动下系统的频率、电压响应水平，且能够使得控制过程中对系统用户综合负效应最小的用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法，包括：
8.s1：依据不同系统节点的频率电压状态方程，建立电力系统网络动态模型；
9.s2：建立控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标，并在满足转化条件的情况下，转化为对偶问题的最大化，得出电力系统网络动态模型为对偶问题最大化的求解算法；
10.s3：基于转化条件和电力系统网络动态模型设计负荷控制器。
11.可选的，s1中，电力系统网络动态模型，具体为：
12.当系统节点j属于发电机节点，摆动方程为：
[0013][0014]
其中，g为发电机节点集合；hj为发电机惯性常数；ωj为频率偏差；为有功功率注入总量；pj为可控有功负荷量；ε为系统网络的边集；pe为与节点j关联支路e的有功潮流；dj为常系数；c
je
为输电网络的关联矩阵，具体如下：
[0015][0016]
其中，i为与节点j相连的节点；
[0017]
当系统节点j属于负荷节点，电压幅值动态方程为：
[0018][0019]
其中，l为负荷节点集合；kj为电压相关系数；vj为电压偏差；为无功功率注入总量；qj为可控无功负荷量；qe为与节点j关联支路e的无功潮流；d
jl
为常系数。
[0020]
可选的，s2中，最优负荷控制目标，具体为：
[0021][0022][0023]
其中，pj和分别为可控有功负荷量的下限和上限；qj和分别是可控无功负荷量的下限和上限；c
pj
(pj)和c
qj
(qj)分别为配置有功和无功可控负荷的费用函数，满足严格凸并分别在和上二次可微；为频率敏感型不可控有功负荷；为电压敏感型不可控无功负荷。
[0024]
可选的，s2中，转化条件，具体为：
[0025]
将最优负荷控制目标转化为对偶问题，如下：
[0026][0027]
其中，vj和λj为拉格朗日乘子，则有：
[0028][0029]
其中，
[0030][0031][0032][0033][0034]
式(7)为转化条件。
[0035]
可选的，s2中，转化为对偶问题的最大化，具体为：
[0036][0037]
利用梯度下降算法进行优化求解，vj和λj的动态为：
[0038][0039][0040]
其中，γj＞0和κj＞0为步长，定义：
[0041][0042]
用ωj和vj代替变量vj和λj，得到：
[0043][0044][0045]
可选的，s3中，负荷控制器的设计，具体为：
[0046][0047][0048]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法。通过建立由不同系统节点的频率电压状态方程构成的电力系统网络动态模型以及控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标，并在符合转化条件的情况下，将最优负荷控制目标转化为对偶问题的最大化，最终得到电力系统网络动态模型即为对偶问题的最大化的求解算法，基于转化条件以及电力系统网络动态模型设计的负荷控制器，不仅因使用户侧的可控负荷参与一次频率、电压控制，缓解了传统同步发电机的调节压力，提升了功率扰动下系统的频率、电压响应水平，还因基于转化条件以及符合转化条件的情况下，将控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标转化为对偶问题最大化的求解算法，即电力系统网络动态模型设计负荷控制器，实现了最小化调节过程中对系统和用户的综合负效应，相比传统方案，本发明在同时提供频率电压支撑以及考虑综合负效用上具有明显的优越性。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0050]
图1为本发明的流程示意图。
[0051]
图2为本发明的电力仿真系统示意图。
[0052]
图3为本发明设计的最优负荷控制器示意图。
[0053]
图4为仅采用传统方法和与本发明方法结合下的系统频率电压响应的实验结果对比示意图。
[0054]
图5为本发明对系统和用户产生的综合负效应收敛过程示意图。
具体实施方式
[0055]
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。
[0056]
实施例1：
[0057]
本发明实施例1公开了一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法，如图1所示，包括：
[0058]
s1：依据不同系统节点的频率电压状态方程，建立电力系统网络动态模型，具体为：
[0059]
当系统节点j属于发电机节点，摆动方程为：
[0060][0061]
其中，g为发电机节点集合；hj为发电机惯性常数；ωj为频率偏差；为有功功率注入总量；pj为可控有功负荷量；ε为系统网络的边集；pe为与节点j关联支路e的有功潮流；dj为常系数；c
je
为输电网络的关联矩阵，具体如下：
[0062][0063]
其中，i为与节点j相连的节点；
[0064]
当系统节点j属于负荷节点，电压幅值动态方程为：
[0065][0066]
其中，l为负荷节点集合；kj为电压相关系数；vj为电压偏差；为无功功率注入总量；qj为可控无功负荷量；qe为与节点j关联支路e的无功潮流；d
jl
为常系数。
[0067]
本发明的电力系统网络动态模型，考虑了各系统节点状态变量的动态规律，是后续推导分析的基础，在步骤s2中证明了该网络动态模型可以用于求解下面步骤s2中的最优负荷控制问题。
[0068]
s2：建立控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标，具体为：
[0069]
[0070][0071]
其中，pj和分别为可控有功负荷量的下限和上限；qj和分别是可控无功负荷量的下限和上限；c
pj
(pj)和c
qj
(qj)分别为配置有功和无功可控负荷的费用函数，满足严格凸并分别在和上二次可微；为频率敏感型不可控有功负荷；为电压敏感型不可控无功负荷。
[0072]
其中，c
pj
(pj)和c
qj
(qj)满足严格凸并分别在和上二次可微，可以设置为经典二次型，其中配置有功可控负荷的费用函数c
pj
(pj)，如下：
[0073][0074]
配置无功可控负荷的费用函数c
qj
(qj)，如下：
[0075][0076]
其中，α和β为正数。
[0077]
当功率扰动事件发生后，各节点满足有功、无功功率平衡方程，实现频率、电压的恢复，即综合负效应最小化问题的约束条件为：
[0078][0079][0080]
因此，本发明所提出的最优负荷控制模型在各可控负荷均取得最优配置时，能够为电网提供频率电压支撑的同时，且尽可能降低对系统和用户总的负面影响。
[0081]
并在满足转化条件的情况下，转化为对偶问题的最大化，得出电力系统网络动态模型为对偶问题最大化的求解算法；
[0082]
转化条件，具体为：
[0083]
将最优负荷控制目标转化为对偶问题，如下：
[0084][0085]
其中，vj和λj为拉格朗日乘子，则有：
[0086][0087]
其中，
[0088][0089][0090][0091][0092]
式(10)为转化条件，只有在满足转化条件的情况下，才能将控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标转化为对偶问题的最大化。
[0093]
转化为对偶问题的最大化，具体为：
[0094][0095]
利用梯度下降算法进行优化求解，vj和λj的动态为：
[0096][0097][0098]
其中，γj＞0和κj＞0为步长，定义：
[0099][0100]
用ωj和vj代替变量vj和λj，得到：
[0101][0102][0103]
通过最终结果式(15)和式(16)，可看出式(15)相当于式(1)，式(16)相当于式(3)，即得出电力系统网络动态模型为对偶问题最大化的求解算法。
[0104]
s3：基于转化条件和电力系统网络动态模型设计负荷控制器，具体为：
[0105][0106][0107]
通过设计最优负荷控制器，使得系统中的可控负荷参与一次频率、电压控制，应对
现代电力系统中的功率扰动频发的情况。本发明给出的是一类优化问题的通用最优负荷控制器设计方法，可以使得用户侧有功、无功可控负荷在功率不平衡事件下最优配置，为电网提供频率电压支撑，抑制超调量，提升稳态水平，同时尽可能降低对系统和用户总的负面影响。
[0108]
实施例2：
[0109]
本发明实施例2公开了一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法的实验验证。
[0110]
利用matlab通过如图2所示的仿真系统，对本发明提出的用于电网调频调压的最优控制方法进行了实验验证。以图2所示的包括传统同步机和负荷组成的ieee33节点系统为例进行仿真，节点1为20mw的同步发电机模型g代表主网，系统节点电压标准值12.66kv，网内总负荷为3715+j2300kva。系统运行过程中，由于部分节点负荷需求增加，系统欠频事件发生。为应对功率扰动，可控负荷风机参与一次控制，降低其自身功率需求量，以尽快保证系统的功率平衡，实现系统频率支撑。
[0111]
其中，系统内用于调频调压的负荷节点的可操控负荷量如下表1所示。
[0112]
表1
[0113][0114]
采用本发明方法，当优化目标函数中配置有功可控负荷的费用函数为配置无功可控负荷的费用函数为最优负荷控制器，如图3所示。
[0115]
仅采用传统方法和与本发明方法结合下的系统频率电压响应的实验结果对比，如图4所示。一般来说，电力系统的一次控制能力与传统同步发电机的调差系数σ相关。调差系数σ越小，频率跌落相同的情况下承载的负荷量越多。通过对比分析图4中采用传统方法和与本发明方法结合下的系统频率电压响应的实验结果可知：在较小的调差系数σ下，相较于传统方法仅依赖同步发电机调节，与本发明方法相结合使得频率/电压的最低值抬升，调整
时间缩短。
[0116]
为了发电机调速器的稳定运行，调差系数不能设定得过小。如图4所示，在较大的调差系数σ下，本发明的最优负荷控制效果更为明显。系统旋转备用不足，仅依靠传统同步发电机调节，与本发明方法结合使得频率/电压的最低值抬升，调整时间缩短。此外，频率/电压稳态值也得到抬升。
[0117]
在本发明最优负荷控制下，对系统和用户产生的综合负效应收敛过程，如图5所示。在本发明方法下，用户侧可控负荷参与一次频率、电压调节的同时，综合考虑了对系统和用户的影响，对于特定的功率扰动，总负效应最终收敛到最小值。
[0118]
本发明实施例公开了一种用于电网调频调压的最优负荷控制器设计方法。通过建立由不同系统节点的频率电压状态方程构成的电力系统网络动态模型以及控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标，并在符合转化条件的情况下，将最优负荷控制目标转化为对偶问题的最大化，最终得到电力系统网络动态模型即为对偶问题的最大化的求解算法，基于转化条件以及电力系统网络动态模型设计的负荷控制器，不仅因使用户侧的可控负荷参与一次频率、电压控制，缓解了传统同步发电机的调节压力，提升了功率扰动下系统的频率、电压响应水平，还因基于转化条件以及符合转化条件的情况下，将控制过程中对系统用户综合负效应最小的最优负荷控制目标转化为对偶问题最大化的求解算法，即电力系统网络动态模型设计负荷控制器，实现了最小化调节过程中对系统和用户的综合负效应，相比传统方案，本发明在同时提供频率电压支撑以及考虑综合负效用上具有明显的优越性。
[0119]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0120]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。