CN110601198A - 计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，包括以下步骤：步骤1：建立混合微电网优化运行模型，以运行成本最低为目标函数，并包含以下约束条件：功率平衡约束、节点电压约束、储能***运行约束、谐波约束以及三相不平衡约束；步骤2：采用迭代式微电网三相潮流计算方法求解混合微电网优化运行模型，从而获得满足目标函数的各节点进行优化运行的基波电压、基波电流、谐波电流与谐波电压；迭代式微电网三相潮流计算方法是在三相基波潮流的基础上，通过谐波电流与基波电压的线性耦合方程来计算微电网的三相谐波潮流。本发明在考虑安全约束的前提下，满足负荷需求的同时实现综合成本的最优化运行。

Description

计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法

技术领域

本发明涉及混合微电网优化运行技术领域。

背景技术

微电网作为消纳可再生能源的一种可行的技术手段备受关注，微电网的容量规模一般较小，接入的电压等级一般也不超过35kV。低压微网具有控制简单、运行灵活和成本较低等优点，已经成为微电网发展的主要方向。然而，低压微网中存在大量以电力电子装置为基波单元的单相负荷和单相微源，由此引起的谐波和三相不平衡问题日趋严重。因此，通过微电网的优化运行改善低压微电网中的电能质量具有重要的意义。微电网经济运行是微电网集成控制及能量管理研究中的重要组成部分。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，在考虑安全约束的前提下，满足负荷需求的同时实现综合成本的最优化运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，包括以下步骤：

步骤1：建立混合微电网优化运行模型，以运行成本最低为目标函数，并包含以下约束条件：功率平衡约束、节点电压约束、储能***运行约束、谐波约束以及三相不平衡约束；

步骤2：采用迭代式微电网三相潮流计算方法求解混合微电网优化运行模型，从而获得满足目标函数的各节点进行优化运行的基波电压、基波电流、谐波电流与谐波电压；迭代式微电网三相潮流计算方法是在三相基波潮流的基础上，通过谐波电流与基波电压的线性耦合方程来计算微电网的三相谐波潮流。

进一步的，迭代式微电网谐波潮流计算方法包括以下步骤：

步骤201：设第λ次迭代过程中节点i的h次谐波有功功率、谐波无功功率分别为 并且节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为其中，P_i、Q_i分别表示节点i的总有功功率、总无功功率；当λ＝1时，各节点的初始谐波有功功率率与谐波无功功率均设为0；

步骤202：基于前推回代法计算微电网的三相基波潮流，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的基波电压；其中，节点i的基波电压为

步骤203：将各节点的三相基波电压代入谐波电流与基波电压的线性耦合方程，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的谐波电流；其中，节点i的h次谐波电流为

步骤204：根据节点电压方程得到λ+1次迭代时微电网中各节点的h次谐波电压

步骤205：计算λ+1次迭代时各节点的谐波有功功率、谐波无功功率、基波有功功率与基波无功功率；其中，λ+1次迭代时节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为分别表示节点i的h次谐波有功功率、h次谐波无功功率；

步骤206：判断相邻两次迭代对应的基波有功功率之差以及基波无功功率之差是否满足收敛条件；若是，则停止计算；若否，令λ＝λ+2，并回到步骤202。

进一步的，节点谐波电流与基波电压的线性耦合方程如下：

式中，E是规定的单位阵；H表示最高谐波次数，H为奇数，h∈{3,5,...,H}；

表示微电网的h次谐波电流向量：其中，m表示节点总数；

表示微电网的基波电压向量：

Y¹表示基波节点导纳矩阵：

B中的元素Z^h表示谐波节点阻抗矩阵，B中的元素Y^h,k表示h次谐波电压与k次谐波电压的耦合矩阵，k∈{3,5,...,H}；

表示节点iφ相的h次谐波电压与k次谐波电压的耦合关系。

进一步的，混合微电网优化运行模型的目标函数如下：

minf＝C_ESS+C_Grid+C_IL

式中，C_ESS表示储能***运行成本：

C_Grid表示微电网与配电网购售电交易成本：

C_IL表示可中断负荷补偿成本：

式中，T为调度时段总数；N_ESS表示储能***总数；为储能***n_ess的单位电量运行维护成本系数；为储能***n_essφ相的充放电功率，充电时为正，放电时为负；P_Grid(t)为微电网与配电网交互功率，配电网向微电网送电时为正，微电网向配电网送电时为负；p_buy(t)和p_sell(t)分别为t时刻从电网购电和向电网售电的价格；为负荷n_IL的可中断时段；N_IL为可中断负荷总数；为可中断负荷n_IL在调度周期内单位电量中断成本；为0-1二进制变量，表示可中断负荷n_IL的开关状态；表示负荷处于连接状态，表示负荷处于中断状态；为可中断负荷n_IL中断功率。

进一步的，混合微电网优化运行模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中，N_WT为风电机组总数；为风机n_wtφ相的出力；N_PV为光伏电源总数；为光伏电源n_pvφ相的出力；为微电网与电网φ相的交互功率；为可中断负荷n_ILφ相的功率；为所有固定负荷φ相的功率；为φ相的网损；

2)节点电压约束

式中，为节点iφ相的电压；U _i,φ(t)和分别为节点iφ相的电压上下限；为节点iφ相的h次谐波电压；

3)储能***运行约束

式中，和分别为储能***n_essφ相的的充放电功率上下限；为储能***n_ess的电池荷电状态；储能***n_ess的容量；和分别为储能***n_ess的荷电状态上下限；

4)谐波约束

式中，THD_i,φ(t)为节点iφ相的电压畸变率；THD_lim为电压畸变率的限值；

5)三相不平衡约束

根据基波潮流计算结果，运用对称分量法获得母线f基波电压正序分量和负序分量母线f的负序电压不平衡度

式中，表示负序电压不平衡度限值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的混合微电网优化运行模型以运行成本最低为目标函数，确立经济运行的目标；功率平衡约束、节点电压约束与储能***运行约束是安全运行的保障；谐波约束以及三相不平衡约束则是电能质量的保障。

2、本发明对于混合微电网优化运行模型的求解，考虑到了微电网中负荷和电源一般情况下处于三相不平衡状态，因此放弃采用对称模型计算微电网中的潮流分布，而是采用三相潮流计算方法求解。

3、本发明采用前推回代法来计算三相基波潮流，并建立了谐波电流与基波电压的线性耦合方程，从而能够通过三相基波潮流来求解三相谐波潮流。

附图说明

图1是基于前推回代发的微电网三相潮流原理图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，包括以下步骤：

步骤1：建立混合微电网优化运行模型，以运行成本最低为目标函数，并包含以下约束条件：功率平衡约束、节点电压约束、储能***运行约束、谐波约束以及三相不平衡约束；

步骤2采用迭代式微电网三相潮流计算方法求解混合微电网优化运行模型，从而获得满足目标函数的各节点进行优化运行的基波电压、基波电流、谐波电流与谐波电压；迭代式微电网三相潮流计算方法是在三相基波潮流的基础上，通过谐波电流与基波电压的线性耦合方程来计算微电网的三相谐波潮流。

下面分别对步骤1与步骤2进行详细说明。

一、建立混合微电网优化运行模型

①目标函数

将一天分为48个时段，根据新能源发电、不可控负荷预测曲线以及可控负荷的设定，利用能量管理***对可控谐波源和储能电池运行时间或者功率进行调整，使得微电网在满足电能质量约束的前提下以最低成本运行。微电网运行成本主要由风电和光伏发电成本、储能充放电成本、与电网交易成本和可控负荷中断补偿成本组成。由于微网中风电、光伏以最大功率跟踪方式运行，其运行成本属于不可控的常数，因此目标函数中不考虑其运行成本。目标函数可表示为：

minf＝C_ESS+C_Grid+C_IL

式中，C_ESS表示储能***运行成本：

C_Grid表示微电网与配电网购售电交易成本：

C_IL表示可中断负荷补偿成本：

式中：T为调度时段总数，本具体实施方式中T＝48；N_ESS表示储能***总数；为储能***n_ess的单位电量运行维护成本系数；为储能***n_essφ相的充放电功率，充电时为正，放电时为负；P_Grid(t)为微电网与配电网交互功率，配电网向微电网送电时为正，微电网向配电网送电时为负；p_buy(t)和p_sell(t)分别为t时刻从电网购电和向电网售电的价格；为负荷n_IL的可中断时段；N_IL为可中断负荷总数；为可中断负荷n_IL在调度周期内单位电量中断成本；为0-1二进制变量，表示可中断负荷n_IL的开关状态；表示负荷处于连接状态，表示负荷处于中断状态；为可中断负荷n_IL中断功率。

微电网优化运行模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中，N_WT为风电机组总数；为风机n_wtφ相的出力；N_PV为光伏电源总数；为光伏电源n_pvφ相的出力；为微电网与电网φ相的交互功率；为可中断负荷n_ILφ相的功率；为所有固定负荷φ相的功率；为φ相的网损；

2)节点电压约束

式中：为节点iφ相的电压；U _i,φ(t)和分别为节点iφ相的电压上下限；为节点iφ相的h次谐波电压。

3)储能***运行约束

式中：和分别为储能***n_essφ相的的充放电功率上下限；为储能***n_ess的电池荷电状态；储能***n_ess的容量；和分别为储能***n_ess的荷电状态上下限。

4)谐波约束

式中，THD_i,φ(t)为节点iφ相的电压畸变率；THD_lim为电压畸变率的限值。由于公共连接点的电能质量直接关系到配电变压器的运行安全和上一级电网的电能质量，因此本具体实施方式仅考虑公共连接点的谐波电压畸变率约束。国标规定，公共连接点处的奇次谐波电压畸变率应不超过4％。

5)三相不平衡约束

根据基波潮流计算结果，运用对称分量法获得母线f基波电压正序分量和负序分量低压电网三相不平衡主要指负序电压不平衡，对零序电压不平衡不予考虑。母线f的负序电压不平衡度为

与谐波电压畸变率类似，本具体实施方式仅考虑公共耦合点的电压不平衡约束。国标规定电力***公共连接点负序电压不平衡度限值为1.3％。

二、采用迭代式微电网谐波潮流计算方法求解混合微电网优化运行模型

首先建立谐波电流和基波电压的线性耦合方程，基于谐波电流和基波电压的线性耦合方程才能根据基波分量求解谐波分量，对于基波分量的求解采用前推回代法。

2.1立谐波电流和基波电压的线性耦合方程

①不控和相控型谐波源模型

不控和相控型整流装置广泛应用于各种用电设备，是一种典型的非线性谐波源。微电网中绝大多数负荷如空调、计算机、节能灯等均可视为该类型的整流设备。基于调制理论，典型的整流装置交流侧各次谐波电流与谐波电压的关系可表示为

上述方程可简写为

式中，Y_i,+和Y_i,-分别为谐波源i谐波耦合导纳矩阵，表示谐波源h次谐波电压与k次谐波电流的耦合关系，而表示整流装置h次谐波电压共轭与h次谐波电流的耦合关系，因为谐波电压共轭对谐波电流的影响极小，因此可将上式忽略。

②全控型谐波源模型

由于不控和相控型谐波源模型不适用于分布式电源变流器此类全控型器件，对于此类的谐波源本文采用交叉频率导纳矩阵模型，如下式所示

通过逐次叠加谐波电压，求解谐波特性矩阵参数，该方法仅适用于稳态负载。而分布式电源在优化周期内功率水平处于动态变化，不同功率水平下谐波特性矩阵存在明显的差异，因此本文采用复数域最小二乘法求解全控型谐波源从10％额定功率到100％额定功率水平下，注入电流谐波与电压谐波之间的耦合导纳矩阵，然后利用插值函数获得实际功率水平下谐波特性矩阵。

除了不控、相控整流负荷以及全控型谐波源外，网络中还存在线性负荷、公共连接点等非谐波源节点。对于线性负荷，谐波耦合导纳矩阵为对角阵，矩阵参数为各次谐波对应的负荷等值导纳，而剩余其他节点的谐波特性导纳矩阵参数均设为0。负荷节点一般是包含线性负荷、非线性负荷多种负荷类型的综合节点，由于各种负荷是并联关系，因此该负荷节点的谐波特性矩阵即为各类负荷谐波耦合导纳矩阵之和。

③谐波电压和基波电流线性耦合方程

将网络中m个节点谐波特性矩阵方程组合，由此得到下式

式中：和Y_i分别为节点i的三相谐波电流相量、谐波电压相量和谐波特性导纳矩阵。

对矩阵方程等式两边进行初等变换，将谐波次数相等元素放在一起，即

式中：分别是节点iφ相的h次谐波电流和电压；节点iφ相的h次谐波电压与k次谐波电压的耦合关系。

结合谐波节点阻抗矩阵Z^h，谐波电压可表示为

故式(5)可变换为

将基波电流提取出，余下的谐波电流方程为

式中：

对式(8)等式左右两端进行初等变换，可得

由此，获得微电网各节点谐波电流与基波电压的线性耦合关系，基波电流和谐波电压可根据谐波节点电压方程计算得到。

(2.2)迭代式微电网三相潮流计算：

考虑谐波功率时，微电网节点i的功率可用如下的功率方程表示

式中，P_i、Q_i分别为节点i总有功和无功功率；P_i ¹、分别节点i的基波有功和无功功率；P_i ^h、分别为节点i的h次谐波有功和无功功率，并且

由此可见，微电网节点功率由基波功率和各次谐波功率组成，而谐波功率可由谐波电流和谐波电压求解。结合式(10)可知，求解谐波参数之前，必须首先求解基波分量。

迭代式微电网三相潮流计算步骤如下：

步骤201：设第λ次迭代过程中节点i的h次谐波有功功率、谐波无功功率分别为 并且节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为其中，P_i、Q_i分别表示节点i的总有功功率、总无功功率；当λ＝1时，各节点的初始谐波有功功率率与谐波无功功率均设为0；

步骤202：基于前推回代法计算微电网的三相基波潮流，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的基波电压；其中，节点i的基波电压为

步骤203：将各节点的三相基波电压代入谐波电流与基波电压的线性耦合方程，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的谐波电流；其中，节点i的h次谐波电流为

步骤204：根据节点电压方程得到λ+1次迭代时微电网中各节点的h次谐波电压

步骤205：计算λ+1次迭代时各节点的谐波有功功率、谐波无功功率、基波有功功率与基波无功功率；其中，λ+1次迭代时节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为 分别表示节点i的h次谐波有功功率、h次谐波无功功率；

步骤206：判断相邻两次迭代对应的基波有功功率之差以及基波无功功率之差是否满足收敛条件；若是，则停止计算；若否，令λ＝λ+2，并回到步骤202。

(2.3)基于前推回代法计算微电网的三相基波潮流

微电网中负荷和电源一般情况下处于三相不平衡状态，因此不能采用对称模型计算微电网中的潮流分布，有必要采用三相潮流计算方法求解。微电网通常为辐射型网络，而前推回代法在计算辐射型网络潮流具有计算效率高、收敛效果好等优点。

步骤2021：确定节点类型：由于微电网并网时，配电网可视为无穷大电源，因而将配电网等值电动势作为平衡节点电压，也是潮流计算的根节点。分布式电源节点根据DG模型已确定，而负荷节点统一视为PQ节点。

步骤2022：回代过程，更新支路电流：从最后一条支路的节点开始向根节点回代。将该节点的负荷电流与该节点下游支路电流相加，即得该节点上游支路电流。

图1为辐射型微电网潮流计算原理图，假设母线f+1的φ相(φ＝A,B,C)负载为S_f+1,φ。对于母线f和f+1间的φ相支路电流可表示为

步骤2023：前推过程，更新节点电压：从根节点开始向最后一层推进，然后继续向下一节点推进。处于母线f+1的三相电压与相邻母线f的三相电压关系可表示为

式中：Z为母线f和f+1间支路l_f的阻抗矩阵。

一般情况下，相邻母线间的阻抗矩阵为线路阻抗矩阵，而根节点与公共连接点之间的阻抗矩阵为配电网***等值阻抗矩阵。

步骤2024：判断是否满足收敛条件：计算相邻两次迭代节点电压差的模是否满足收敛条件，如不符合，重复步骤2022与步骤2023，直到满足要求为止。

Claims (6)

1.一种计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立混合微电网优化运行模型，以运行成本最低为目标函数，并包含以下约束条件：功率平衡约束、节点电压约束、储能***运行约束、谐波约束以及三相不平衡约束；

步骤2：采用迭代式微电网三相潮流计算方法求解混合微电网优化运行模型，从而获得满足目标函数的各节点进行优化运行的基波电压、基波电流、谐波电流与谐波电压；迭代式微电网三相潮流计算方法是在三相基波潮流的基础上，通过谐波电流与基波电压的线性耦合方程来计算微电网的三相谐波潮流。

2.根据权利要求1所述的计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，迭代式微电网谐波潮流计算方法包括以下步骤：

步骤201：设第λ次迭代过程中节点i的h次谐波有功功率、谐波无功功率分别为 并且节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为其中，P_i、Q_i分别表示节点i的总有功功率、总无功功率；当λ＝1时，各节点的初始谐波有功功率率与谐波无功功率均设为0；

步骤202：基于前推回代法计算微电网的三相基波潮流，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的基波电压；其中，节点i的基波电压为

步骤203：将各节点的三相基波电压代入谐波电流与基波电压的线性耦合方程，从而得到λ+1次迭代时微电网中各节点的谐波电流；其中，节点i的h次谐波电流为

步骤204：根据节点电压方程得到λ+1次迭代时微电网中各节点的h次谐波电压

步骤205：计算λ+1次迭代时各节点的谐波有功功率、谐波无功功率、基波有功功率与基波无功功率；其中，λ+1次迭代时节点i的基波有功功率、基波无功功率分别为 分别表示节点i的h次谐波有功功率、h次谐波无功功率；

步骤206：判断相邻两次迭代对应的基波有功功率之差以及基波无功功率之差是否满足收敛条件；若是，则停止计算；若否，令λ＝λ+2，并回到步骤202。

3.根据权利要求2所述的计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，节点谐波电流与基波电压的线性耦合方程如下：

式中，E是规定的单位阵；H表示最高谐波次数，H为奇数，h∈{3,5,...,H}；

表示微电网的h次谐波电流向量：其中，m表示节点总数；

表示微电网的基波电压向量：

Y¹表示基波节点导纳矩阵：

B中的元素Z^h表示谐波节点阻抗矩阵，B中的元素Y^h,k表示h次谐波电压与k次谐波电压的耦合矩阵，k∈{3,5,...,H}；

表示节点iφ相的h次谐波电压与k次谐波电压的耦合关系。

4.根据权利要求2所述的计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，基于前推回代法计算微电网的三相基波潮流，按如下步骤：

步骤2021：确定节点类型：将配电网等值电动势作为平衡节点电压，负荷节点统一视为PQ节点，分布式电源节点作为潮流计算的根节点；

步骤2022：回代过程，更新支路电流：从最后一条支路的节点开始向根节点回代：将该节点的负荷电流与该节点下游支路电流相加，即得该节点上游支路电流。

步骤2023：前推过程，更新节点电压：从根节点开始向最后一层推进，然后继续向下一节点推进；

步骤2024：计算相邻两次迭代节点电压差的模是否满足收敛条件；若是，则停止计算；若否，则重复步骤2022与步骤2023，直到满足收敛条件。

5.根据权利要求1所述的计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，混合微电网优化运行模型的目标函数如下：

minf＝C_ESS+C_Grid+C_IL

式中，C_ESS表示储能***运行成本：

C_Grid表示微电网与配电网购售电交易成本：

C_IL表示可中断负荷补偿成本：

式中，T为调度时段总数；N_ESS表示储能***总数；为储能***n_ess的单位电量运行维护成本系数；为储能***n_essφ相的充放电功率，充电时为正，放电时为负；P_Grid(t)为微电网与配电网交互功率，配电网向微电网送电时为正，微电网向配电网送电时为负；p_buy(t)和p_sell(t)分别为t时刻从电网购电和向电网售电的价格；为负荷n_IL的可中断时段；N_IL为可中断负荷总数；为可中断负荷n_IL在调度周期内单位电量中断成本；为0-1二进制变量，表示可中断负荷n_IL的开关状态；表示负荷处于连接状态，表示负荷处于中断状态；为可中断负荷n_IL中断功率。

6.根据权利要求1所述的计及谐波和电压不平衡约束的混合微电网优化运行方法，其特征在于，混合微电网优化运行模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中，N_WT为风电机组总数；为风机n_wtφ相的出力；N_PV为光伏电源总数；为光伏电源n_pvφ相的出力；为微电网与电网φ相的交互功率；为可中断负荷n_ILφ相的功率；为所有固定负荷φ相的功率；为φ相的网损；

2)节点电压约束

式中，为节点iφ相的电压；U_i,φ(t)和分别为节点iφ相的电压上下限；为节点iφ相的h次谐波电压；

3)储能***运行约束

式中，和分别为储能***n_essφ相的的充放电功率上下限；为储能***n_ess的电池荷电状态；储能***n_ess的容量；和分别为储能***n_ess的荷电状态上下限；

4)谐波约束

式中，THD_i,φ(t)为节点iφ相的电压畸变率；THD_lim为电压畸变率的限值；

5)三相不平衡约束

根据基波潮流计算结果，运用对称分量法获得母线f基波电压正序分量和负序分量母线f的负序电压不平衡度

式中，表示负序电压不平衡度限值。