微电网多目标优化运行控制方法

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微电网多目标优化运行控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及分布式发电和智能电网控制领域，具体涉及一种微电网的多目标优化运行控制方法。\n背景技术\n[0002] 近年来，随着人们对能源和环境问题的日益关注以及用户对供电质量要求的不断提高，微电网作为一种能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新型能量传输模式和组织形式，能够充分发挥分布式电源（Distributed Generation，DG）为电力系统和用户所带来的技术、经济、环境效益，进一步提高电力系统运行的灵活性、经济性和清洁性，更好地满足电力用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求，也可以通过冷热电联供满足能量的梯级利用和供电多样性的要求，逐渐成为国内外的研究热点。微电网中的分布式电源主要包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电源和风力发电机等，其容量一般不超过\n100kW，一般需要通过控制灵活的逆变器连接到电网，以保证微电网系统运行的柔性和可靠性。微电网存在两种典型的运行模式：在正常情况下，微电网与常规电网并网运行，称为并网运行模式；当检测到电网故障或者电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而处于独立运行模式。同时，微电网需要根据实际运行状况的变化实现两种模式之间的平滑切换。\n[0003] 微电网需要对其内部的分布式电源进行有效的协调控制，以使微电网在不同的运行模式下以及不同模式切换过程中，尽可能实现系统多种运行指标的综合最优。\n[0004] 申请号为200910305535.9的中国专利“微电网能量智能控制系统”给出了一种利用预测信息对微电网进行控制的智能能量控制系统，包括微电网系统和控制系统，其中控制系统包含的微电网多目标优化运行和综合协调控制模块按照预先设定的控制目标对微电网内部各分布式单元进行联合最优控制，实现微电网的闭环运行。但是该专利申请没有给出，也不能直接从系统中推得微电网在多种工作模式下多目标优化运行和协调控制的实现方法。\n[0005] 申请号为201110115437.6的中国专利“微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法”只是通过计算离网时微电网的功率盈缺来地制定各负荷、分布式电源的投退计划，保证微电网运行的可靠性、稳定性。但是该专利申请只涉及离网至并网的切换控制，切换控制方法较为粗略，且并未关注微电网运行的暂态稳定性。实质上，通过分布式电源逆变器的协调控制，柔性调节微电网在多种工作模式和切换过程的优化运行，可以达到多个运行指标的综合最优。\n[0006] 《电力系统自动化》，2008，32(7):98-103中的《微电网综合控制与分析》提出了一种微电网中基于下垂特性的分布式电源协调控制策略，每个分布式电源根据自己局部的相关信息进行独立控制，有效实现系统的功率平衡，且即插即用的特点可以灵活方便地组网。\n但是，该方法在不同运行模式下对分布式电源采用不同控制策略，即并网运行模式下采用PQ控制，独立运行模式时采用V/f控制，存在运行模式切换时产生暂态振荡的可能性。\n[0007] 《电工技术学报》，2009，24(2):100-107中的设计了一种微电网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略，采用电压外环稳定负载电压，电流内环提高系统的动态响应，但没有实现电压、电流dq轴的解耦控制，系统的动态特性和均流特性有待进一步提高。\n[0008] 《电力系统自动化》，2010，34(22):97-102中的《逆变型分布式电源微电网小信号稳定性动态建模分析》以及《电力系统自动化》，2011，35(6):76-80中的《逆变型分布式电源微电网并网小信号稳定性分析》建立完整的微电网小信号动态模型，可以分析控制参数对微电网动态性能和稳态特性的影响，但是没有将分析结果应用于微电网的运行控制之中。\n[0009] 总之，目前研究中的微电网运行控制，尤其是针对包含风光互补和冷热电联产的微电网，都没有明确提出微电网优化运行的指标函数以及微电网优化运行的控制方法，而且缺乏理论分析与指导。\n发明内容\n[0010] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种微电网多目标优化运行控制方法，该方法可使微电网在不同的运行模式（并网运行模式、并网运行与独立运行的模式切换、负荷突变的独立运行模式、重新并网运行模式）下，都能达到经济性、清洁性、可靠性、稳定性和动态性能等多个运行指标目标的综合最优。\n[0011] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：\n[0012] 微电网中分布式电源单元结构及控制系统如图2所示。在逆变器单元与负载之间由电感L1、L2和电容C、电阻Rf组成的LCL滤波器，并将LCL滤波器的电容电压VC和电感电流il1纳入到逆变器的电压电流双闭环控制之中。功率控制器的输入为分布式电源的瞬时输出功率，根据下垂特性输出闭环控制的参考电压。下垂控制方法只需检测逆变器自身的输出，通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制逆变器输出的有功和无功功率，实现整个系统的功率均分和稳定，是一种完全冗余的控制方式。具体的下垂特性功率控制器结构如图3所示。该控制器避免了微电网运行模式变化时控制策略的切换过程，有利于系统的暂态稳定。在图4中，以电感电流瞬时反馈控制作为内环，以电容电压瞬时反馈控制作为外环。外电压环采用PI控制器可以提高稳态精度；滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，提高了系统的稳定性。同时，对包含在环内的扰动，能起到及时有效的抑制作用，改善了系统性能。\n[0013] 一种微电网多目标优化运行控制方法，包括以下步骤：\n[0014] 1）构造涉及微电网多种运行模式下经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能的优化指标函数，上述指标函数在实际运行中不可能同时达到最优，从而决定了需要采用多目标优化算法获取微电网优化控制方案集，以供电力公司或用户决策；\n[0015] 2）建立微电网完整的小信号动态模型，包括微电网中电路网络的小信号动态模型和多个分布式电源单元的小信号动态模型；基于经典控制理论对微电网小信号动态模型进行稳定性和动态性能分析，获取决定微电网运行状态的关键控制参数的优先取值域；\n[0016] 3）利用电力系统暂态分析软件PSCAD/EMTDC，搭建微电网系统暂态仿真模型；仿真系统的初始化控制参数在步骤2）中得出的优先取值域中随机选取；\n[0017] 4）利用Matlab软件与PSCAD/EMTDC软件之间的接口，针对步骤3）建立的PSCAD/EMTDC软件环境下的微电网仿真模型，根据步骤1）构造的微电网运行经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能控制指标，采用多目标遗传算法NSGA-II在步骤2）给出的优先取值域内，对涉及微电网多目标优化运行的关键控制参数进行优化选择和匹配设计，以使微电网在多种模式及其切换运行过程中都能达到经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能多个目标的综合最优；其中的多目标遗传算法即NSGA-II是公知技术，例如Deb K，Pratap A，Agarwal S，et al．A fast and elitist multi-objective genetic algorithms：\nNSGA-II[J]．IEEE Trans on Evolutionary Computation，2002，6(2)：182-197中有明确记载；\n[0018] 5）微电网多目标优化运行控制方案的决策。由于步骤4）得到的是优化后运行方案的多组关键控制参数集，每一组控制参数对应不同的优化运行控制方案，不同的优化控制方案应用后对每个指标函数的改进程度也不尽不相同，因此，电力公司或用户可以根据微电网运行过程的实际要求，选择不同的优化控制方案应用到微电网运行控制中，在敏感负荷相对较多的微电网，可以选择侧重供电可靠性指标较优的运行控制方案，而在经济不发达地区，可以采用侧重经济成本最低的微电网运行控制方案。\n[0019] 所述步骤1）中微电网包含新能源分布式电源和微型燃气轮(Micro Turbine,MT)等冷热电联供装置，可以实现风光互补和冷热电联供，同时可以提高供电经济性、环保性和可靠性；采用逆变器作为分布式电源和储能装置(Storage Battery，SB)的接口，有效提高微电网运行的柔性、稳定性和动态性能；涉及多种运行模式，包括并网运行模式、并网运行与独立运行的模式切换、负荷突变的独立运行模式和重新并网运行模式。\n[0020] 所述步骤1)中微电网运行的经济性指标函数如下：\n[0021] fEN＝CWGPWG+CPVPPV+CMTPMT+CSBPSB+ClossPloss\n[0022] 其中，PV表示光伏，WG表示风力发电，MT表示微型燃气轮，SB表示储能装置，CWG,CPV,CMT,CSB分别为WG，PV，MT，SB的运行成本；PWG,PPV,PMT,PSB为WG，PV，MT，SB的功率；\nCloss为单位网损的经济成本；Ploss为网损功率。\n[0023] 所述步骤1）中微电网运行的环保性指标函数如下：\n[0024] 为衡量微电网运行的环境友好程度，将微电网中分布式电源与相同功率的传统发电源（Traditional Power Generation,TPG）的相对环境成本作为微电网的环境效益评价指标，即\n[0025] \n[0026] 式中，EWG,EPV,EMT,ESB,ETPG分别为WG，PV，MT，SB和TPG的环境成本；PTPG为TPG的输出功率，PTPG(t)＝PWG(t)+PPV(t)+PMT(t)+PSB(t)，显然，相对环境成本EB越小，环境改善程度越大，微电网系统的环境效益也越大；\n[0027] 环境成本的表达式为\n[0028] \n[0029] 式中， 为第i项污染物的环境价值，单位为＄/kg；n为污染物种类；Qi为第i项污染物的排放量，单位为kg； 为排放第i项污染物所受罚款，单位为＄/kg。\n[0030] 所述步骤1）中微电网运行的可靠性指标函数如下：\n[0031] 微电网的供电可靠性指标，定义为独立运行模式时，微电网系统不能满足的负荷需求除以评估期总的负荷需求，本发明采用时间序列法和能量平衡原则，即把评估期分为许多相等的时间段，认为在任意时间段内，风速、光强、负荷都是不变的，且风力发电机、光伏电池、微型燃气轮机、蓄电池电量输出总和应该等于负荷输入、各设备的损失、卸荷负荷输入的总和；\n[0032] 因此，当风力发电机、光伏电池和微型燃气轮机及蓄电池分布式电源可提供的能量不能满足微电网内负荷需求时：\n[0033] \n[0034] 其中，T为评估周期，T＝24h；Pload1为电负荷需求量；ηinv为逆变器效率。\n[0035] 所述步骤1）中微电网运行的稳定性和动态性能指标函数为:\n[0036] 为了保证微电网能够在多种工作模式下稳定运行并具有较好的动态特性，需满足①微电网能够稳定高效地控制分布式电源逆变器的功率输出；②整个微电网的电压频率和幅值能够较快地稳定在额定值附近；因此，微电网运行的稳定性和动态性能的目标函数可以表示为\n[0037] \n[0038] 式中，i和t分别代表运行模式和运行时间； 为运行模式i下的动态过程的开始与终止时间；μ是一个权值矩阵，μ＝[1,1,2.5,20]； 是绝对误差矩阵，定义为[0039] \ni i i\n[0040] 式中，ΔV(t)和Δfreq(t)分别表示电压幅值和频率与额定值的偏差；ΔP(t)、i\nΔQ(t)分别代表有功功率和无功功率的控制误差；为便于计算，本发明用功率控制器的输出电压参考Vcdref、Vcqref与电压测量值Vcd、Vcq的误差ΔVcdref、ΔVcqref分别代替ΔP(t)、ΔQ(t)，故此时的 可以表示为\n[0041] 本发明的有益效果是，本发明针对冷热电联供微电网，基于多目标智能优化理论，综合利用PSCAD/EMTDC与MATLAB软件，设计一种微电网多目标优化运行控制方案，使得微电网在不同的运行模式（并网运行模式、并网运行与独立运行的模式切换、负荷突变的独立运行模式、重新并网运行模式）下，节省了运行成本和有功网损，降低了环境污染，保证了供电可靠性，提高了运行的稳定性和动态性能。如图11所示，采用微电网多目标优化运行控制方案前后，微电网部分运行指标（经济成本、环保性和可靠性）的对比图；图12、图13分别为优化后的微电网在PSCAD/EMTDC仿真环境下，分布式电源DG1和DG2在不同运行模式下的有功功率和无功功率的输出情况。\n附图说明\n[0042] 图1是微电网系统示意图；\n[0043] 图2是微电网中分布式电源单元结构及控制系统结构图；\n[0044] 图3是下垂特性功率控制器结构图；\n[0045] 图4是电压电流双环控制器结构图；\n[0046] 图5是微电网多目标优化运行控制方法的设计架构图；\n[0047] 图6是并网运行模式下的根轨迹趋势图；\n[0048] 图7是独立运行模式下的根轨迹趋势图；\n[0049] 图8是频域响应分析图；\n[0050] 图9是多目标遗传算法优化流程图；\n[0051] 图10是微电网运行优化示意图；\n[0052] 图11是优化前后微电网运行指标的对比图;\n[0053] 图12、图13分别为优化后的微电网在PSCAD/EMTDC仿真环境下，分布式电源DG1和DG2在不同运行模式下的有功功率和无功功率的输出情况。\n具体实施方式\n[0054] 下面结合附图和实例对本发明进一步说明。\n[0055] 微电网中分布式电源单元结构及控制系统如图2所示。在逆变器单元与负载之间由电感L1、L2和电容C、电阻Rf组成的LCL滤波器，并将LCL滤波器的电容电压VC和电感电流il1纳入到逆变器的电压电流双闭环控制之中。功率控制器的输入为分布式电源的瞬时输出功率，根据下垂特性输出闭环控制的参考电压。下垂控制方法只需检测逆变器自身的输出，通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制逆变器输出的有功和无功功率，实现整个系统的功率均分和稳定，是一种完全冗余的控制方式。具体的下垂特性功率控制器结构如图3所示。该控制器避免了微电网运行模式变化时控制策略的切换过程，有利于系统的暂态稳定。在图4中，以电感电流瞬时反馈控制作为内环，以电容电压瞬时反馈控制作为外环。外电压环采用PI控制器可以提高稳态精度；滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，提高了系统的稳定性。同时，对包含在环内的扰动，能起到及时有效的抑制作用，改善了系统性能。\n[0056] 本发明关于微电网多目标优化运行控制方法的设计架构如图5所示，其具体的步骤如下：\n[0057] 1）构造涉及微电网多种运行模式（并网运行模式、并网运行与独立运行的模式切换、负荷突变的独立运行模式、重新并网运行模式）下经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能等的优化指标函数，这是采用多目标遗传算法对微电网多目标优化运行的控制参数进行优化选择和匹配设计的前提。具体的微电网运行优化指标如下：\n[0058] (a)微电网运行的经济性指标:\n[0059] fEN＝CWGPWG+CPVPPV+CMTPMT+CSBPSB+ClossPloss\n[0060] 其中，PV表示光伏，WG表示风力发电，MT表示微型燃气轮，SB表示储能装置，CWG,CPV,CMT,CSB分别为WG，PV，MT，SB的运行成本；PWG,PPV,PMT,PSB为WG，PV，MT，SB的功率；\nCloss为单位网损的经济成本；Ploss为网损功率。\n[0061] (b)微电网运行的环保性指标:\n[0062] 为衡量微电网运行的环境友好程度，将微电网中分布式电源与相同功率的传统发电源（Traditional Power Generation,TPG）的相对环境成本作为微电网的环境效益评价指标，即\n[0063] \n[0064] 式中，EWG,EPV,EMT,ESB,ETPG分别为WG，PV，MT，SB和TPG的环境成本；PTPG为TPG的输出功率，PTPG(t)＝PWG(t)+PPV(t)+PMT(t)+PSB(t)，显然，相对环境成本EB（越小，环境改善程度越大，微电网系统的环境效益也越大；\n[0065] 环境成本的表达式为\n[0066] \n[0067] 式中， 为第i项污染物的环境价值，单位为＄/kg；n为污染物种类；Qi为第i项污染物的排放量，单位为kg； 为排放第i项污染物所受罚款，单位为＄/kg。\n[0068] (c)微电网运行的可靠性指标:\n[0069] 微电网的供电可靠性指标，定义为独立运行模式时，微电网系统不能满足的负荷需求除以评估期总的负荷需求，本发明采用时间序列法和能量平衡原则，即把评估期分为许多相等的时间段，认为在任意时间段内，风速、光强、负荷都是不变的，且风力发电机、光伏电池、微型燃气轮机、蓄电池电量输出总和应该等于负荷输入、各设备的损失、卸荷负荷输入的总和；\n[0070] 因此，当风力发电机、光伏电池和微型燃气轮机及蓄电池分布式电源可提供的能量不能满足微电网内负荷需求时：\n[0071] \n[0072] 其中，T为评估周期，T＝24h；Pload1为电负荷需求量；ηinv为逆变器效率。\n[0073] (d)微电网运行的稳定性和动态性能指标为:\n[0074] 为了保证微电网能够在多种工作模式下稳定运行并具有较好的动态特性，需满足①微电网能够稳定高效地控制分布式电源逆变器的功率输出；②整个微电网的电压频率和幅值能够较快地稳定在额定值附近；因此，微电网运行的稳定性和动态性能的目标函数可以表示为\n[0075] \n[0076] 式中，i和t分别代表运行模式和运行时间； 为运行模式i下的动态过程的开始与终止时间；μ是一个权值矩阵，μ＝[1,1,2.5,20]； 是绝对误差矩阵，定义为[0077] \n[0078] 式中，ΔVi(t)和Δfreqi(t)分别表示电压幅值和频率与额定值的偏差；ΔPi(t)、i\nΔQ(t)分别代表有功功率和无功功率的控制误差；为便于计算，本发明用功率控制器的输出电压参考Vcdref、Vcqref与电压测量值Vcd、Vcq的误差ΔVcdref、ΔVcqref分别代替ΔP(t)、ΔQ(t)，故此时的 可以表示为\n[0079] 上述指标函数在实际运行中不可能同时达到最优，从而决定了需要采用多目标优化算法获取微电网优化控制方案集，以供电力公司或用户来决策；\n[0080] 2）建立微电网完整的小信号动态模型，包括电路网络的小信号动态模型和多个分布式电源单元逆变器的小信号动态模型。其中，如图2所示的分布式电源逆变器的小信号动态模型又包含功率控制器的小信号动态子模型和电压电流双闭环控制器的小信号动态子模型等。根据建立的微电网小信号动态模型，采用经典控制理论中的实数域根轨迹法和频域分析方法，分析控制参数对微电网多目标优化运行的影响，尤其是对系统动态性能和稳态特性的影响，并确定控制参数的优先取值域。图6、7分别为微电网并网运行和独立运行模式下，微电网运行的部分控制参数变化时，微电网的相关特征根从某稳态运行点变化的根轨迹趋势图。图8为系统频域响应的分析结果。\n[0081] 3）利用专业的电力系统暂态分析软件PSCAD/EMTDC，搭建微电网系统暂态仿真模型。仿真系统的初始化参数在步骤2）中得出的优先取值域中随机选取。\n[0082] 4）开发Matlab软件与PSCAD/EMTDC软件之间的接口，针对步骤3）建立的微电网仿真模型，根据步骤1）建立的微电网运行经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能等控制指标，采用多目标遗传算法NSGA-II在步骤2）给出的优先取值域内对微电网多目标优化运行的控制参数进行优化选择和匹配设计，以使微电网在多种模式及其切换运行过程中都能达到经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能等多个目标的综合最优。\n[0083] 以微电网运行经济性、环保性、可靠性、稳定性和动态性能最优作为目标函数，以微电网多目标优化运行控制参数作为种群个体，将多目标遗传算法应用于微电网运行优化的流程如图9所示。\n[0084] 基于PSCAD/EMTDC与MATLAB接口的微电网运行优化控制的实现过程如图10所示。在PSCAD/EMTDC环境下，微电网的每重运行过程均涉及四种运行模式，在每种模式下的采集功率、电压、频率的动态数据以及计算目标函数。当某代种群中的所有种群个体均载入并评价结束后，将结果代入MATLAB中的遗传算法程序进化种群和更新控制参数。利用PSCAD/EMTDC与MATLAB接口实现新控制参数的重载并开始下一重的微电网仿真运行。\n[0085] 5）微电网多目标优化运行控制方案的决策，由于步骤4）得到的是优化后运行方案的多组关键控制参数集，每一组控制参数对应不同的优化运行控制方案，不同的优化控制方案应用后对每个指标函数的改进程度也不尽不相同，因此，电力公司或用户根据微电网运行过程的实际要求，选择不同的优化控制方案应用到微电网运行控制中。比如，在敏感负荷相对较多的微电网，可以选择侧重供电可靠性和稳定性指标相对较优的运行控制方案；\n而在经济不发达地区，可以采用侧重经济成本相对较低的微电网运行控制方案。\n[0086] 本发明针对冷热电联供微电网，基于多目标智能优化理论，综合利用PSCAD/EMTDC与MATLAB软件，设计一种微电网多目标优化运行控制方案，使得微电网在不同的运行模式（并网运行模式、并网运行与独立运行的模式切换、负荷突变的独立运行模式、重新并网运行模式）下，节省了运行成本和有功网损，降低了环境污染，保证了供电可靠性，提高了运行的稳定性和动态性能。如图11所示，采用微电网多目标优化运行控制方案前后，微电网部分运行指标（经济成本、环保性和可靠性）的对比图；图12、图13分别为优化后的微电网在PSCAD/EMTDC仿真环境下，分布式电源DG1和DG2在不同运行模式下的有功功率和无功功率的输出情况。