專利名稱：微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及分布式發(fā)電和智能電網(wǎng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種微電網(wǎng)的多目標優(yōu)化運行控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人們對能源和環(huán)境問題的日益關(guān)注以及用戶對供電質(zhì)量要求的不斷提高，微電網(wǎng)作為一種能量供應(yīng)系統(tǒng)中增加可再生能源和分布式能源滲透率的新型能量傳輸模式和組織形式，能夠充分發(fā)揮分布式電源(Distributed Generation, DG)為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境效益，進一步提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、經(jīng)濟性和清潔性，更好地滿足電力用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求，也可以通過冷熱電聯(lián)供滿足能量的梯級利用和供電多樣性的要求，逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點。微電網(wǎng)中的分布式電源主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電源和風力發(fā)電機等，其容量一般不超過 100kW，一般需要通過控制靈活的逆變器連接到電網(wǎng)，以保證微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的柔性和可靠性。微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式在正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為并網(wǎng)運行模式；當檢測到電網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開而處于獨立運行模式。同時，微電網(wǎng)需要根據(jù)實際運行狀況的變化實現(xiàn)兩種模式之間的平滑切換。微電網(wǎng)需要對其內(nèi)部的分布式電源進行有效的協(xié)調(diào)控制，以使微電網(wǎng)在不同的運行模式下以及不同模式切換過程中，盡可能實現(xiàn)系統(tǒng)多種運行指標的綜合最優(yōu)。申請?zhí)枮?00910305535. 9的中國專利“微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)”給出了一種利用預(yù)測信息對微電網(wǎng)進行控制的智能能量控制系統(tǒng)，包括微電網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包含的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行和綜合協(xié)調(diào)控制模塊按照預(yù)先設(shè)定的控制目標對微電網(wǎng)內(nèi)部各分布式單元進行聯(lián)合最優(yōu)控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)的閉環(huán)運行。但是該專利申請沒有給出，也不能直接從系統(tǒng)中推得微電網(wǎng)在多種工作模式下多目標優(yōu)化運行和協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)方法。申請?zhí)枮?01110115437.6的中國專利“微電網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)控制方法及無縫切換方法”只是通過計算離網(wǎng)時微電網(wǎng)的功率盈缺來地制定各負荷、分布式電源的投退計劃，保證微電網(wǎng)運行的可靠性、穩(wěn)定性。但是該專利申請只涉及離網(wǎng)至并網(wǎng)的切換控制，切換控制方法較為粗略，且并未關(guān)注微電網(wǎng)運行的暫態(tài)穩(wěn)定性。實質(zhì)上，通過分布式電源逆變器的協(xié)調(diào)控制，柔性調(diào)節(jié)微電網(wǎng)在多種工作模式和切換過程的優(yōu)化運行，可以達到多個運行指標的綜合最優(yōu)。《電力系統(tǒng)自動化》，2008，32(7) :98_103中的《微電網(wǎng)綜合控制與分析》提出了一種微電網(wǎng)中基于下垂特性的分布式電源協(xié)調(diào)控制策略，每個分布式電源根據(jù)自己局部的相關(guān)信息進行獨立控制，有效實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡，且即插即用的特點可以靈活方便地組網(wǎng)。 但是，該方法在不同運行模式下對分布式電源采用不同控制策略，即并網(wǎng)運行模式下采用 PQ控制，獨立運行模式時采用V/f控制，存在運行模式切換時產(chǎn)生暫態(tài)振蕩的可能性。
《電工技術(shù)學報》，2009，24(2) :100_107中的設(shè)計了一種微電網(wǎng)中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略，采用電壓外環(huán)穩(wěn)定負載電壓，電流內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，但沒有實現(xiàn)電壓、電流dq軸的解耦控制，系統(tǒng)的動態(tài)特性和均流特性有待進一步提高?！峨娏ο到y(tǒng)自動化》，2010,34(22):97_102中的《逆變型分布式電源微電網(wǎng)小信號穩(wěn)定性動態(tài)建模分析》以及《電力系統(tǒng)自動化》，2011,35 (6) 76-80中的《逆變型分布式電源微電網(wǎng)并網(wǎng)小信號穩(wěn)定性分析》建立完整的微電網(wǎng)小信號動態(tài)模型，可以分析控制參數(shù)對微電網(wǎng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)特性的影響，但是沒有將分析結(jié)果應(yīng)用于微電網(wǎng)的運行控制之中?？傊壳把芯恐械奈㈦娋W(wǎng)運行控制，尤其是針對包含風光互補和冷熱電聯(lián)產(chǎn)的微電網(wǎng)，都沒有明確提出微電網(wǎng)優(yōu)化運行的指標函數(shù)以及微電網(wǎng)優(yōu)化運行的控制方法，而且缺乏理論分析與指導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，該方法可使微電網(wǎng)在不同的運行模式(并網(wǎng)運行模式、并網(wǎng)運行與獨立運行的模式切換、負荷突變的獨立運行模式、重新并網(wǎng)運行模式)下，都能達到經(jīng)濟性、清潔性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能等多個運行指標目標的綜合最優(yōu)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案微電網(wǎng)中分布式電源單元結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)如圖2所示。在逆變器單元與負載之間由電感LpL2和電容C、電阻Rf組成的LCL濾波器，并將LCL濾波器的電容電壓Vc和電感電流、納入到逆變器的電壓電流雙閉環(huán)控制之中。功率控制器的輸入為分布式電源的瞬時輸出功率，根據(jù)下垂特性輸出閉環(huán)控制的參考電壓。下垂控制方法只需檢測逆變器自身的輸出，通過調(diào)整自身輸出電壓的頻率和幅值來控制逆變器輸出的有功和無功功率，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功率均分和穩(wěn)定，是一種完全冗余的控制方式。具體的下垂特性功率控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制器避免了微電網(wǎng)運行模式變化時控制策略的切換過程，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。在圖4中，以電感電流瞬時反饋控制作為內(nèi)環(huán)，以電容電壓瞬時反饋控制作為外環(huán)。外電壓環(huán)采用PI控制器可以提高穩(wěn)態(tài)精度；濾波電感電流內(nèi)環(huán)的引入，使濾波電感電流成為可控的電流源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，對包含在環(huán)內(nèi)的擾動，能起到及時有效的抑制作用，改善了系統(tǒng)性能。一種微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，包括以下步驟1)構(gòu)造涉及微電網(wǎng)多種運行模式下經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能的優(yōu)化指標函數(shù)，上述指標函數(shù)在實際運行中不可能同時達到最優(yōu)，從而決定了需要采用多目標優(yōu)化算法獲取微電網(wǎng)優(yōu)化控制方案集，以供電力公司或用戶決策；2)建立微電網(wǎng)完整的小信號動態(tài)模型，包括微電網(wǎng)中電路網(wǎng)絡(luò)的小信號動態(tài)模型和多個分布式電源單元的小信號動態(tài)模型；基于經(jīng)典控制理論對微電網(wǎng)小信號動態(tài)模型進行穩(wěn)定性和動態(tài)性能分析，獲取決定微電網(wǎng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵控制參數(shù)的優(yōu)先取值域；3)利用電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC，搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型；仿真系統(tǒng)的初始化控制參數(shù)在步驟2)中得出的優(yōu)先取值域中隨機選??；4)利用Matlab軟件與PSCAD/EMTDC軟件之間的接口，針對步驟3)建立的PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下的微電網(wǎng)仿真模型，根據(jù)步驟1)構(gòu)造的微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能控制指標，采用多目標遺傳算法NSGA-II在步驟2)給出的優(yōu)先取值域內(nèi)，對涉及微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行的關(guān)鍵控制參數(shù)進行優(yōu)化選擇和匹配設(shè)計，以使微電網(wǎng)在多種模式及其切換運行過程中都能達到經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能多個目標的綜合最優(yōu)；其中的多目標遺傳算法即NSGA-II是公知技術(shù)，例如Deb K， Pratap A,Agarwal S,et al. A fast and elitist multi-objective genetic algorithms NSGA-II [J] · IEEE Trans on Evolutionary Computation, 2002,6 (2) : 182-197 中有明確記載；5)微 電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方案的決策。由于步驟4)得到的是優(yōu)化后運行方案的多組關(guān)鍵控制參數(shù)集，每一組控制參數(shù)對應(yīng)不同的優(yōu)化運行控制方案，不同的優(yōu)化控制方案應(yīng)用后對每個指標函數(shù)的改進程度也不盡不相同，因此，電力公司或用戶可以根據(jù)微電網(wǎng)運行過程的實際要求，選擇不同的優(yōu)化控制方案應(yīng)用到微電網(wǎng)運行控制中，在敏感負荷相對較多的微電網(wǎng)，可以選擇側(cè)重供電可靠性指標較優(yōu)的運行控制方案，而在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，可以采用側(cè)重經(jīng)濟成本最低的微電網(wǎng)運行控制方案。所述步驟1)中微電網(wǎng)包含光伏(Solar Photovoltaic, PV)、風力發(fā)電(Wind Turbine Generation, WG)等新能源分布式電源和微型燃氣輪(Micro Turbine, MT)等冷熱電聯(lián)供裝置，可以實現(xiàn)風光互補和冷熱電聯(lián)供，同時可以提高供電經(jīng)濟性、環(huán)保性和可靠性；采用逆變器作為分布式電源和儲能裝置(Storage Battery, SB)的接口，有效提高微電網(wǎng)運行的柔性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能；涉及多種運行模式，包括并網(wǎng)運行模式、并網(wǎng)運行與獨立運行的模式切換、負荷突變的獨立運行模式和重新并網(wǎng)運行模式。所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性指標函數(shù)如下fEN — CWGPWG+CpVPpV+CMTPMT+CSBPSB+ClossPloss其中，PV表示光伏，WG表示風力發(fā)電，MT表示微型燃氣輪，SB表示儲能裝置，Cwc， CPV，Cmt，Csb 分別為 WG, PV, MT, SB 的運行成本；Pwg，Ppv, Pmt，Psb 為 WG, PV, MT, SB 的功率；Closs 為單位網(wǎng)損的經(jīng)濟成本；P1()SS為網(wǎng)損功率。所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的環(huán)保性指標函數(shù)如下為衡量微電網(wǎng)運行的環(huán)境友好程度，將微電網(wǎng)中分布式電源與相同功率的傳統(tǒng)發(fā)電源(Traditional Power Generation, TPG)的相對環(huán)境成本作為微電網(wǎng)的環(huán)境效益評價指標，即
權(quán)利要求
1.一種微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，包括以下步驟1)構(gòu)造涉及微電網(wǎng)多種運行模式下經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能的優(yōu)化指標函數(shù)，上述指標函數(shù)在實際運行中不可能同時達到最優(yōu)，從而決定了需要采用多目標優(yōu)化算法獲取微電網(wǎng)優(yōu)化控制方案集，以供電力公司或用戶決策；2)建立微電網(wǎng)完整的小信號動態(tài)模型，包括微電網(wǎng)中電路網(wǎng)絡(luò)的小信號動態(tài)模型和多個分布式電源單元逆變器的小信號動態(tài)模型；基于經(jīng)典控制理論對微電網(wǎng)小信號動態(tài)模型進行穩(wěn)定性和動態(tài)性能分析，獲取決定微電網(wǎng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵控制參數(shù)的優(yōu)先取值域；3)利用電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC，搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型；仿真系統(tǒng)的初始化控制參數(shù)在步驟2)中得出的優(yōu)先取值域中隨機選取；4)利用Matlab軟件與PSCAD/EMTDC軟件之間的接口，針對步驟3)建立的PSCAD/EMTDC 軟件環(huán)境下的微電網(wǎng)仿真模型，根據(jù)步驟1)構(gòu)造的微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能控制指標，采用多目標遺傳算法NSGA-II在步驟2)給出的優(yōu)先取值域內(nèi)， 對涉及微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行的關(guān)鍵控制參數(shù)進行優(yōu)化選擇和匹配設(shè)計，以使微電網(wǎng)在多種模式及其切換運行過程中都能達到經(jīng)濟性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能多個目標的綜合最優(yōu)；5)微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方案的決策，由于步驟4)得到的是優(yōu)化后運行方案的多組關(guān)鍵控制參數(shù)集，每一組控制參數(shù)對應(yīng)不同的優(yōu)化運行控制方案，不同的優(yōu)化控制方案應(yīng)用后對每個指標函數(shù)的改進程度也不盡不相同，因此，電力公司或用戶根據(jù)微電網(wǎng)運行過程的實際要求，選擇不同的優(yōu)化控制方案應(yīng)用到微電網(wǎng)運行控制中，在敏感負荷相對較多的微電網(wǎng)，選擇側(cè)重供電可靠性和穩(wěn)定性指標相對較優(yōu)的運行控制方案；而在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，采用側(cè)重經(jīng)濟成本相對較低的微電網(wǎng)運行控制方案。
2.如權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，所述步驟1)中微電網(wǎng)包含光伏、風電等新能源分布式電源和微型燃氣輪冷熱電聯(lián)供裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)風光互補和冷熱電聯(lián)供，同時提高供電經(jīng)濟性、環(huán)保性和可靠性；采用逆變器作為分布式電源和儲能裝置的接口，有效提高微電網(wǎng)運行的柔性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能；涉及多種運行模式，包括并網(wǎng)運行模式、并網(wǎng)運行與獨立運行的模式切換、負荷突變的獨立運行模式和重新并網(wǎng)運行模式。
3.如權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性指標函數(shù)如下f*en — CwgPwg+CpvPPV+CMTPMT+CSBPSB+C1OSSP1OSS其中，PV表示光伏，WG表示風力發(fā)電，MT表示微型燃氣輪，SB表示儲能裝置，Cwe，Cpv, CMT, Csb 分別為 WG, PV, MT, SB 的運行成本；Pwg，Ppv, Pmt，Psb 為 WG, PV, MT, SB 的功率;Closs 為單位網(wǎng)損的經(jīng)濟成本；P1()SS為網(wǎng)損功率。
4.如權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的環(huán)保性指標函數(shù)如下為衡量微電網(wǎng)運行的環(huán)境友好程度，將微電網(wǎng)中分布式電源與相同功率的傳統(tǒng)發(fā)電源的相對環(huán)境成本作為微電網(wǎng)的環(huán)境效益評價指標，即f (t\_ ^wg (O ‘ ^wg + Ppv (O ‘ Epv + Pmt (O · Emt + Psb (t) · EbtJeb y}ρTfYf1TPG Vi^ Ltpg式中，Ewg，Epv, Emt，Esb，Etpg分別為WG, PV, MT, SB和TPG的環(huán)境成本；Ptpg為TPG的輸出功率，PTre(t) = Pffc (t) +Ppv (t) +Pmt (t) +Psb (t)，顯然，相對環(huán)境成本EB越小，環(huán)境改善程度越大，微電網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境效益也越大；環(huán)境成本的表達式為
5.如權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的可靠性指標函數(shù)如下微電網(wǎng)的供電可靠性指標，定義為獨立運行模式時，微電網(wǎng)系統(tǒng)不能滿足的負荷需求除以評估期總的負荷需求，本發(fā)明采用時間序列法和能量平衡原則，即把評估期分為許多相等的時間段，認為在任意時間段內(nèi)，風速、光強、負荷都是不變的，且風力發(fā)電機、光伏電池、微型燃氣輪機、蓄電池電量輸出總和應(yīng)該等于負荷輸入、各設(shè)備的損失、卸荷負荷輸入的總和；因此，當風力發(fā)電機、光伏電池和微型燃氣輪機及蓄電池分布式電源可提供的能量不能滿足微電網(wǎng)內(nèi)負荷需求時
6.如權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，其特征是，所述步驟1)中微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標函數(shù)為為了保證微電網(wǎng)能夠在多種工作模式下穩(wěn)定運行并具有較好的動態(tài)特性，需滿①微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定高效地控制分布式電源逆變器的功率輸出；②整個微電網(wǎng)的電壓頻率和幅值能夠較快地穩(wěn)定在額定值附近；因此，微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和動態(tài)性能的目標函數(shù)可以表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，本發(fā)明針對涉及風光互補和冷熱電聯(lián)供微電網(wǎng)，首先提出微電網(wǎng)運行的指標函數(shù)；然后建立微電網(wǎng)完整的小信號模型進行理論分析，為其多目標優(yōu)化運行控制提供了理論指導(dǎo)；最后基于多目標智能優(yōu)化理論，綜合利用PSCAD/EMTDC與MATLAB軟件設(shè)計微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行控制方法，使微電網(wǎng)在不同的運行模式(并網(wǎng)運行模式、并網(wǎng)運行與獨立運行的模式切換、負荷突變的獨立運行模式、重新并網(wǎng)運行模式)下，都能達到經(jīng)濟性、清潔性、可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)性能等多個運行指標的綜合最優(yōu)。
文檔編號H02J3/38GK102354974SQ20111031019
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者張承慧, 李珂, 杜春水, 王瑞琪, 陳阿蓮 申請人:山東大學