[發(fā)明專利]一種交直流混合微電網(wǎng)連續(xù)潮流計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811064879.0
• 申請(qǐng)日: 2018-09-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109274116A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭寒梅;蘇敏;劉聰;王迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J3/38
• 分類號(hào): H02J3/38;H02J3/06;H02J3/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一種交直流混合微電網(wǎng)潮流計(jì)算方法，其特征在于：形成2種交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)類型和9種節(jié)點(diǎn)類型，提出帶非單調(diào)線性搜索LM(Levenberg-Marquardt with anonmonotone line search,LMNL)算法求解交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流初始點(diǎn)及基于LMNL算法的交替迭代方法求解交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流初始點(diǎn)，預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)采用局部參數(shù)化方法和切線方法，校正環(huán)節(jié)采用超球面參數(shù)化方法和組合牛頓方法，形成交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算及基于雙向迭代預(yù)測(cè)校正方法的交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算；

其中，所述形成2種交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)類型和9種節(jié)點(diǎn)類型，具體如下：

交直流混合微電網(wǎng)由交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)并接入公網(wǎng)，具有并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式，結(jié)合互連變換器連接情況，交直流混合微電網(wǎng)具有4種基本運(yùn)行方式：聯(lián)合并網(wǎng)方式(運(yùn)行方式1)、交并直離方式(運(yùn)行方式2)、聯(lián)合離網(wǎng)方式(運(yùn)行方式3)和分別離網(wǎng)方式(運(yùn)行方式4)，根據(jù)交、直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)是否互連，將交直流混合微電網(wǎng)4種不同基本運(yùn)行方式下形成的運(yùn)行系統(tǒng)分為2種類型，交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)類型Ⅰ：交直流互連微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)類型Ⅱ：不互連的交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)和直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)，交直流混合微電網(wǎng)在基本運(yùn)行方式1、3下為類型Ⅰ，在基本運(yùn)行方式2、4下為類型Ⅱ；

根據(jù)4種基本運(yùn)行方式下的DG裝置和互連變換器的控制方法，進(jìn)行DG裝置節(jié)點(diǎn)處理，交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)中DG裝置的控制方法有：恒壓恒頻控制、恒功率控制和P-ω/Q-U下垂控制，直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)中的DG裝置控制方法有：恒壓控制、恒功率控制和P-U下垂控制，互連變換器在基本運(yùn)行方式1下用于支撐直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)，一般采用恒壓控制，在基本運(yùn)行方式3方式下用于協(xié)調(diào)控制交、直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)，一般采用協(xié)調(diào)下垂控制，基本運(yùn)行方式1、3下，對(duì)于交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)將互連變換器處理為1個(gè)交流節(jié)點(diǎn)，并定義該節(jié)點(diǎn)為ILC交流節(jié)點(diǎn)，對(duì)于直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)，將互連變換器處理為1個(gè)直流節(jié)點(diǎn)，并定義該節(jié)點(diǎn)為ILC直流節(jié)點(diǎn)，由此，形成9種節(jié)點(diǎn)類型，包括5種交流節(jié)點(diǎn)類型：交流平衡節(jié)點(diǎn)、PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、交流下垂節(jié)點(diǎn)和ILC交流節(jié)點(diǎn)，包括4種直流節(jié)點(diǎn)類型：直流平衡節(jié)點(diǎn)、直流恒功率節(jié)點(diǎn)、直流下垂節(jié)點(diǎn)和ILC直流節(jié)點(diǎn)，交流平衡節(jié)點(diǎn)、直流平衡節(jié)點(diǎn)及PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、直流恒功率節(jié)點(diǎn)類似傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型；

交、直流下垂節(jié)點(diǎn)的等值電源有功和無(wú)功功率分別為

式中，P_DGa、Q_DGa為交流下垂節(jié)點(diǎn)的等值電源有功和無(wú)功功率，ω、U_a、ω₀、U_a0分別為交流下垂節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓頻率(系統(tǒng)頻率)和幅值及空載電壓頻率和幅值，K_pa^-1、K_Qa^-1為相應(yīng)的有功、無(wú)功功率下垂系數(shù)，P_DGd為直流下垂節(jié)點(diǎn)的等值電源有功功率，U_d、U_d0為直流下垂節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓和空載電壓，K_pd^-1為相應(yīng)的有功功率下垂系數(shù)；

ILC節(jié)點(diǎn)的等值電源有功和無(wú)功功率為

式中，P_ILC、Q_ILC分別為ILC節(jié)點(diǎn)的等值電源有功和無(wú)功功率，ω′、U′_ILCdc分別為ILC交流側(cè)頻率、ILC直流側(cè)的實(shí)際電壓經(jīng)歸一化處理后的值，其變化范圍為[-1,1]，U_ILCac,0、U_ILCac分別為交流側(cè)空載電壓和實(shí)際電壓幅值，K_PILC、K_QILC為ILC的有功和無(wú)功控制系數(shù)；

其中，所述LMNL算法求解交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流初始點(diǎn)及基于LMNL算法的交替迭代方法求解交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流初始點(diǎn)，具體如下：

連續(xù)潮流計(jì)算由初始點(diǎn)計(jì)算、預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)計(jì)算和校正環(huán)節(jié)計(jì)算3個(gè)步驟組成，初始點(diǎn)是給定初始負(fù)荷參數(shù)下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流解，其求解實(shí)質(zhì)是常規(guī)潮流計(jì)算，采用交替迭代方法求解交直流互連微電網(wǎng)的常規(guī)潮流，其實(shí)質(zhì)是在交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)常規(guī)潮流求解迭代過(guò)程中嵌入了一個(gè)完整的直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)常規(guī)潮流計(jì)算過(guò)程，由此，不同運(yùn)行方式下交直流混合微電網(wǎng)常規(guī)潮流計(jì)算的關(guān)鍵歸結(jié)為有/無(wú)平衡節(jié)點(diǎn)交、直流微電網(wǎng)的常規(guī)潮流求解，當(dāng)以節(jié)點(diǎn)功率為注入量時(shí)，潮流方程為一組非線性方程，可使交、直流微電網(wǎng)的潮流模型形式一致，便于分析計(jì)算，建立基于節(jié)點(diǎn)功率的有/無(wú)平衡節(jié)點(diǎn)交、直流微電網(wǎng)統(tǒng)一常規(guī)潮流模型，其應(yīng)用矩陣形式可簡(jiǎn)寫(xiě)為

F(x)＝0,x＝[U,δ,ω,x_ILC]∈Rⁿ (4)

式中，F(xiàn)(x)為除平衡節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)有功和無(wú)功功率平衡方程，x為系統(tǒng)的未知變量向量，n為未知變量的個(gè)數(shù)，U、δ為未知的電壓幅值向量和電壓相位角向量，x_ILC為ILC交流節(jié)點(diǎn)、ILC直流節(jié)點(diǎn)的未知狀態(tài)變量，對(duì)于有平衡節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)x不含ω，對(duì)于不含ILC直流節(jié)點(diǎn)和ILC交流節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)x不含x_ILC，對(duì)于不含ILC直流節(jié)點(diǎn)的直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)x不含x_ILC、δ、ω；

進(jìn)一步地，F(xiàn)(x)可寫(xiě)為

式中，F(xiàn)_P(x_P)為有功功率非線性函數(shù)，F(xiàn)_Q(x_Q)為交流無(wú)功功率非線性函數(shù)，P_G為節(jié)點(diǎn)等值電源有功功率，Q_G為交流節(jié)點(diǎn)等值電源無(wú)功功率，P_L為節(jié)點(diǎn)等值負(fù)荷有功功率，Q_L為交流節(jié)點(diǎn)等值負(fù)荷無(wú)功功率，P_i為節(jié)點(diǎn)注入有功功率，Q_i為交流節(jié)點(diǎn)注入無(wú)功功率，x_Pdc、x_Ddc、x_ILCdc分別為直流恒功率節(jié)點(diǎn)、直流下垂節(jié)點(diǎn)、ILC直流節(jié)點(diǎn)的未知狀態(tài)向量，x_PQ、x_PV、x_Dac、x_ILCac分別為交流PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、交流下垂節(jié)點(diǎn)、ILC交流節(jié)點(diǎn)的未知狀態(tài)向量；

LM(Levenberg Marquardt)方法適用于求解非線性方程組，且不要求雅可比矩陣非奇異，在方程雅可比矩陣非奇異且初始值接近精確解下具有局部二階收斂性，但不具有全局收斂性，線性搜索技術(shù)是獲得LM方法全局收斂性的主要方法之一，線性搜索有單調(diào)線性搜索和非單調(diào)線性搜索兩種方式，單調(diào)線性搜索的缺點(diǎn)是獲得的步長(zhǎng)有時(shí)會(huì)很小，尤其當(dāng)算法產(chǎn)生的方向與負(fù)梯度方向接近垂直時(shí)，而非單調(diào)線性搜索可克服這個(gè)缺陷，提高算法速度，且非單調(diào)線性搜索不要求函數(shù)值每一步迭代都單調(diào)下降，使得步長(zhǎng)因子的選取更具彈性；

定義LMNL算法：帶非單調(diào)線性搜索的三步LM算法，將LMNL算法用于求解有/無(wú)平衡節(jié)點(diǎn)交、直流微電網(wǎng)的統(tǒng)一常規(guī)潮流模型，即采用LMNL算法求解交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流的初始點(diǎn)，設(shè)式(4)中F：Rⁿ→Rⁿ是連續(xù)可微分函數(shù)，且在給定運(yùn)行條件下和計(jì)算精度下存在潮流解x*，LMNL算法求解式(4)，先求出d_1k：

式中，I為單位矩陣，β_k為非負(fù)參數(shù)，F(xiàn)_k＝F(x_k)、J_k＝J(x_k)分別為式(4)中F(x)在當(dāng)前迭代點(diǎn)x的取值和雅可比矩陣；

令y_k＝x_k+d_1k，得到d_2k：

令z_k＝y(tǒng)_k+d_2k，得到d_3k：

β_k更新方式如式(9)所示：

令d_LMNLk＝d_1k+d_2k+d_3k，判斷式(10)是否成立，

ψ(x_k+d_k)≤ρψ(x_k)-k₁||d_1k||²-k₂||d_2k||²-k₃||d_3k||² (10)

式中，ψ(x_k)＝‖F(xiàn)(x_k)‖²，ρ,k₁,k₂,k₃>0；

若式(10)成立，則下一個(gè)迭代點(diǎn)x_k+1＝x_k+d_LMNLk，否則x_k+1＝x_k+α_kd_1k+α_k²d_2k+α_k³d_3k，α_k由非單調(diào)線性搜索更新：

α_k＝max{1,γ,γ²,…}，γ∈(0,1) (11)

α_k＝γⁱ(i＝0,1,2,…)需滿足式(12)，

式中，σ₁,σ₂,σ₃,σ₄﹥0；

重復(fù)上述過(guò)程，直到滿足‖J_k^TF_k‖≤ε(ε為設(shè)定的常規(guī)潮流計(jì)算精度)，得到式(4)的潮流解；

對(duì)式(4)，作假設(shè)1：F(x)、J(x)Lipschitz連續(xù)，作假設(shè)2：‖F(xiàn)(x)‖在N(x*,b)(b∈[0,1])內(nèi)存在一個(gè)弱于雅可比矩陣非奇異的局部誤差界，可證明：1)若假設(shè)1成立，LMNL算法是全局收斂的，2)若假設(shè)2成立，LMNL算法是三階收斂的；

采用基于LMNL算法的交替迭代方法求解交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流的初始點(diǎn)，基于LMNL算法的交替迭代方法：首先設(shè)定交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)的狀態(tài)變量頻率ω及交流節(jié)點(diǎn)電壓的初值(交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)有平衡節(jié)點(diǎn)情況下只需設(shè)置交流節(jié)點(diǎn)電壓的初值)，把ω作為已知量，采用LMNL算法求解直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)潮流，得到互連變換器的傳輸有功功率P_ILCdc，將P_ILCac＝P_ILCdc代入交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率方程，進(jìn)入交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)潮流求解迭代過(guò)程，計(jì)算出ω及交流節(jié)點(diǎn)電壓，再根據(jù)計(jì)算得到的頻率修正值進(jìn)行直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)潮流計(jì)算，不斷交替迭代，直到收斂，得到交直流混合微電網(wǎng)的潮流解，該方法的實(shí)質(zhì)是在交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)潮流求解迭代過(guò)程中嵌入了一個(gè)完整的直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)潮流計(jì)算過(guò)程，且交、直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)都采用LMNL算法進(jìn)行潮流求解；

其中，所述預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)采用局部參數(shù)化方法和切線方法，校正環(huán)節(jié)采用超球面參數(shù)化方法和組合牛頓方法，形成交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算及形成基于雙向迭代預(yù)測(cè)校正方法的交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算，具體如下：

交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)的連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算的本質(zhì)相同，預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)采用局部參數(shù)化方法和切線方法，校正環(huán)節(jié)采用超球面參數(shù)化方法和組合牛頓方法，由此，形成交、直流微電網(wǎng)連續(xù)潮流預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算；

連續(xù)潮流計(jì)算是以含參數(shù)潮流方程的某已知解點(diǎn)為初始點(diǎn)，追蹤其在多維空間上映射出的解曲線的過(guò)程，基于節(jié)點(diǎn)功率的交、直流微電網(wǎng)含負(fù)荷參數(shù)潮流方程可簡(jiǎn)寫(xiě)為

f(x)＝0,x＝[U,δ,ω,x_ILC,λ]∈Rⁿ⁺¹ (14)

式中，f(x)為除平衡節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)有功和無(wú)功功率方程，λ為反映系統(tǒng)負(fù)荷水平的負(fù)荷參數(shù)，其它變量的意義同式(4)；

預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)采用局部參數(shù)化方法和切線方法，對(duì)含負(fù)荷參數(shù)潮流方程在基準(zhǔn)點(diǎn)處取全微分有

式中，f(x)、x的意義同式(14)，x_j為第j次預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，df(x_j)為f(x)在x_j處的微分，dx_j為x在x_j處的微分，即切向量；

第1次預(yù)測(cè)時(shí)選λ為局部參數(shù)，此后選擇上一次預(yù)測(cè)切向量中節(jié)點(diǎn)電壓幅值跌落最嚴(yán)重的狀態(tài)量為局部參數(shù)，得到確定的切向量后，由式(16)得到預(yù)測(cè)點(diǎn)；

x′_j+1＝x_j+αdx_j (16)

式中，x′_j+1為預(yù)測(cè)點(diǎn)，α為設(shè)置的步長(zhǎng)，第1次預(yù)測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)x_j為初始點(diǎn)；

校正環(huán)節(jié)采用超球面參數(shù)化方法和組合牛頓方法，校正環(huán)節(jié)是以預(yù)測(cè)點(diǎn)為近似解，通過(guò)校正迭代來(lái)獲得解曲線上的確定解點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是以預(yù)測(cè)點(diǎn)為初始值，求解含參數(shù)潮流方程的精確解，含參數(shù)潮流方程的未知量個(gè)數(shù)比方程個(gè)數(shù)多1，需采用參數(shù)化方法構(gòu)造圖形來(lái)增補(bǔ)方程，得到擴(kuò)展潮流方程為

式中，g(x)＝0為增補(bǔ)方程；

采用超球面參數(shù)化方法得到增補(bǔ)方程，該方法構(gòu)造的圖形為：過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)和切線預(yù)測(cè)法下的預(yù)測(cè)點(diǎn)，且以這兩點(diǎn)連線為直徑的超球面，其增補(bǔ)的方程為

擴(kuò)展潮流方程的實(shí)質(zhì)是一組非線性方程組，提出組合牛頓法求解擴(kuò)展潮流方程：先采用傳統(tǒng)牛頓法進(jìn)行校正，當(dāng)其迭代計(jì)算次數(shù)超過(guò)設(shè)置的最大迭代次數(shù)而仍不能收斂時(shí)，則認(rèn)為預(yù)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離解曲線，這時(shí)采用帶Armijo型線性搜索牛頓法校正，求解擴(kuò)展潮流方程(18)的帶Armijo型線性搜索牛頓法為

式中，d_ANm為迭代方向，x_m+1為第m次校正迭代計(jì)算后得到的值，m＝0時(shí)，x_m為預(yù)測(cè)點(diǎn)x′_j+1，J′_xm為在擴(kuò)展雅可比矩陣J′_x在x_m處的值，M(x_m)為M(x)在x_m處的值，γ_m為第m次迭代步長(zhǎng)，由Armijo型線性搜索確定；

交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流的預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算不同于單一供電形式的交、直流微電網(wǎng)，交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流的變化負(fù)荷主要分2種情況：變化負(fù)荷在交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)側(cè)和變化負(fù)荷在直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)側(cè)，采用雙向迭代預(yù)測(cè)校正方法進(jìn)行交直流互連微電網(wǎng)連續(xù)潮流的預(yù)測(cè)校正環(huán)節(jié)計(jì)算：變化負(fù)荷在交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)情況下，只需對(duì)交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)(不需對(duì)直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè))，預(yù)測(cè)結(jié)果在校正環(huán)節(jié)中通過(guò)頻率對(duì)互連變換器傳輸功率進(jìn)行影響，將交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定量傳遞到直流側(cè)，交、直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)都需進(jìn)行校正，變化負(fù)荷只在直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)情況下，只需對(duì)直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)(不需對(duì)交流微電網(wǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè))，預(yù)測(cè)結(jié)果在校正環(huán)節(jié)中通過(guò)ILC節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)其傳輸功率進(jìn)行影響，將直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定量傳遞到交流側(cè)，交、直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)都需進(jìn)行校正，預(yù)測(cè)采用采用局部參數(shù)化方法和切線方法，校正采用超球面參數(shù)化方法和組合牛頓方法。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交直流混合微電網(wǎng)，其特征交直流混合微電網(wǎng)可以是聯(lián)合并網(wǎng)方式(運(yùn)行方式1)、交并直離方式(運(yùn)行方式2)、聯(lián)合離網(wǎng)方式(運(yùn)行方式3)或分別離網(wǎng)方式(運(yùn)行方式4)下的交直流混合微電網(wǎng)。