一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法、系统和终端

1.本发明涉及配电网柔性互联设备领域，具体涉及一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。


背景技术：

2.近年来，随着光伏、风力发电等可再生能源的快速发展，越来越多的分布式电源接入电网，蜂巢状配电网由若干蜂巢单元组成，每个单元内部有供电馈线，彼此间供电边界清晰，且每个供电单元具有六边形结构从而覆盖二维平面的供电地理边界。蜂巢单元间由柔性互联装置连接，因此需要对蜂巢单元间的功率流动进行控制。
3.针对蜂巢状配电网的多蜂巢单元柔性互联，每个蜂巢单元通常由可控负荷、可调度的分布式电源、采用mppt(最大点功率跟踪)控制策略的分布式电源和储能组成。在蜂巢状配电网中，正常情况下源荷储之间基本保持供需平衡并维持蜂巢单元母线电压稳定，当蜂巢单元内部分布式电源或储能存储的能量不足以维持内部功率平衡时，可通过柔性互联装置从相邻蜂巢单元获取功率支撑，每个蜂巢单元对电能质量的需求不同，并且供电优先级也不同。当不通过柔性互联装置进行功率互济调节时，可能会导致蜂巢单元内母线电压越限，无法充分发挥蜂巢状配电网内部分布式资源调节潜力，并且蜂巢状配电网具有交直流单元，难以协调各单元间的功率分配。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，通过蜂巢单元电压量测数据计算蜂巢单元功率状态并进行功率交换，实现蜂巢单元柔性互联和功率传输。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.本技术第一方面公开一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，包括以下步骤：
7.根据蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比，对蜂巢单元内负荷供电优先级进行评估，并给出优先级权重系数；通过计算蜂巢状配电网每个蜂巢单元的重要供电客户所占的比例，给出相应的优先级系数；计算蜂巢状配电网每个蜂巢单元的柔性可控负荷和储能容量所占的比例，给出相应的优先级系数；通过对上述两项优先级系数进行加权计算，重要供电客户所占的比例越高/柔性可控负荷或储能容量的比例越低，该蜂巢单元优先级权重系数越高，反之则优先级权重系数越低，得到蜂巢单元优先级权重系数wi。
8.为了衡量每个蜂巢单元内部运行状态，通过将测量所得交流电压频率/直流电压与额定值作差得到归一化的指标：
[0009][0010]
其中f
pu
与v
dc,pu
分别为交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的归一化电压偏差指标，f与v分别为交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的电压实际量测值。f
max
和f
min
是交流蜂巢单元的频率上下限，v
max
和v
min
是直流蜂巢单元的直流电压上下限。
[0011]
将每个分布式电源的下垂控制曲线相加得到在交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的下垂特性表达式如下，其曲线图如附图图2所示：
[0012][0013]
其中m和k分别是p/f和p/v下垂系数之和。p
ac
为交流蜂巢单元内部参与下垂控制的分布式电源的总输出功率，p
ac,min
、p
ac,0
和p
ac,max
是分布式电源的总输出功率的上下限及额定值，p
dc
为直流蜂巢单元内部参与下垂控制的分布式电源的总输出功率，p
dc,min
、p
dc,0
和p
dc,max
是分布式电源的总输出功率的上下限及额定值。f
max
、f
min
和f0是交流蜂巢单元的频率上下限及额定值，v
max
、v
min
和v
dc,0
是直流蜂巢单元的直流电压上下限及额定值。并令：
[0014][0015]
当p
aci,min＝
p
dcj,min
＝0时有上式成立，η
pu
统一了交流单元与直流单元的电压偏差指标。根据上式可计算出蜂巢单元内分布式电源总输出功率与额定功率之间关系。
[0016]
设优化功率调节量的目标函数为：
[0017][0018]
约束条件为：
[0019][0020]
式中p
i,max
为蜂巢单元i个可调度分布式电源输出总功率的上限，p
load
为与柔性互联装置相连的三个蜂巢单元的负载功率之和。根据拉格朗日乘数法，当：
[0021][0022]
目标函数取最小值，wi为第i个蜂巢单元与优先级相对应的权重系数，η
pu,i
为第i个蜂巢单元的电压偏差指标。
[0023]
根据能量守恒定律：
[0024][0025]
式中pi为柔性互联装置变流器i与相连供电单元之间交换有功功率值。
[0026]
联立式(5)至式(7)，优化后的各蜂巢单元参考电压偏差指标目标值为：
[0027][0028]
其中η
*pu,i
为蜂巢单元参考电压偏差指标目标值。
[0029]
将上述步骤所测量计算得到的η
0pu,i
实际值与η
*pu,i
目标值作差，再根据式(9)得到柔性互联装置变流器i的二次控制交换功率参考值指令：
[0030][0031]
式中p
*i
为柔性互联装置变流器i的二次控制交换功率参考值指令，η
0pu,i
为启用二次控制之前的各蜂巢单元参考电压偏差指标，η
*pu,i
为启用二次控制之后的蜂巢单元参考电压偏差指标目标值。提出的控制策略如附图图3所示，在控制策略下层，柔性互联装置的端口变流器使用无通信的下垂控制，控制其输出端口电压，对输出功率进行一次分配。
[0032]
在控制策略上层，针对与柔性互联装置相连的蜂巢单元电压偏差指标不同的情况，以整体电压偏差指标最小为控制目标，根据原电压偏差指标生成修正量η
*pu,i
，对柔性互联装置各变流器的有功功率进行修正，调整输出有功功率以使得各蜂巢单元加权电压偏差指标最小，实现蜂巢单元功率互济的同时保证整个系统的电能质量。
[0033]
本技术第二方面公开一种应用如第一方面所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济系统，包括；
[0034]
优先级模块：基于蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比确定蜂巢单元负荷供电的优先级权重系数；
[0035]
电压偏差指标模块：基于蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压确定各蜂巢单元的电压偏差指标；
[0036]
功率模块：基于蜂巢单元的电压偏差指标和蜂巢单元的下垂控制特性确定蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值；
[0037]
优化模块：基于蜂巢单元负荷的优先级权重系数和电压偏差指标的构建优化分配模型；基于蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值和优化分配模型确定二次控制交换功率参
考值；
[0038]
执行模块：在柔性互联装置变流器采取下垂控制策略的一次调节基础上，通过二次控制交换功率参考值对各蜂巢单元的功率优化分配。
[0039]
本技术第三方面公开一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了如第一方面所述的一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。
[0040]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，采用了本技术第一方面所述的一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。
[0041]
本发明的有益效果：
[0042]
本发明可以在蜂巢状配电网无需集中通信方式情况下的蜂巢状配电网电压质量优化，各蜂巢单元通过meh交换的功率通过本地的通信系统和控制器实现，无需上级控制器，对通信系统具有较低要求，内部各单元根据优先级预先设定权重系数，在蜂巢单元内部分布式可再生电源和负载波动的情况下控制功率从能量充足的蜂巢单元到能量短缺的蜂巢单元之间流动，实现功率互济并优化各蜂巢单元电压质量。
附图说明
[0043]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0044]
图1为本技术的蜂巢状配电网交直流单元功率互济流程图；
[0045]
图2为本技术的交流蜂巢单元和直流蜂巢单元中的下垂控制特性图；
[0046]
图3为本技术所采用的柔性互联装置中的变流器控制框图；
[0047]
图4为本技术的连接一个直流单元和两个交流单元的柔性互联装置。
具体实施方式
[0048]
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0050]
下面结合一个实施例对本技术的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法进行说明；
[0051]
步骤1：在本技术的实施例中，参考图4，蜂巢单元1内重要供电客户所占比例为100％，蜂巢单元2和3内重要供电客户和柔性可控负荷及储能容量所占的比例各为50％，则设置蜂巢单元与优先级相对应的权重系数w1/w2/w3＝2/1/1。
[0052]
步骤2：通过电压传感器，采集蜂巢单元1内直流母线电压值，分别采集蜂巢单元2和3的交流母线电压至控制器，通过锁相环算法运算得到交流母线电压频率。设置蜂巢单元母线电压参数值v
dc1,min
/v
dc1,max
＝715/645v，f
ac2,min
/f
ac2,max
＝49.5/50.5hz，f
ac3,min
/f
ac3,max
＝49.5/50.5hz，根据式1计算各单元电压偏差指标。
[0053][0054]
步骤3：设置蜂巢单元母线电压参数值，v
dc1,min
/v
dc1,0
/v
dc1,max
＝715/680/645v，f
ac2,min
/f
ac2,0
/f
ac2,max
＝49.5/50/50.5hz，f
ac3,min
/f
ac3,0
/f
ac3,max
＝49.5/50/50.5hz，单元最大分布式电源容量p
dc1,max
/p
ac2,max
/p
ac3,max
/p
ac4,max
＝200/200/300/300kw，单元额定分布式电源有功功率p
dc1,0
/p
ac2,0
/p
ac3,0
/p
ac4,0
＝100/100/150/150kw，单元额定负荷有功功率p
load1
/p
load2
/p
load3
/p
load4
＝100/100/150/150kw。得到各蜂巢单元下垂特性表达式：
[0055][0056]
并画出各蜂巢单元下垂控制特性图，对应图2。
[0057]
步骤4：设置各蜂巢单元负荷功率初始为额定负荷有功功率。在某一时刻蜂巢单元2的负载功率增加50kw，在此时刻之前计算各蜂巢单元电压偏差指标η
0pu,i
实际值。根据式8计算此时刻之后目标值η
*pu,i
。
[0058][0059]
步骤5：按照式9计算出功率目标值，调整柔性互联装置二次控制指令功率值并进行控制，柔性互联装置外环控制框图如图3所示，内环控制一般为电流环。
[0060][0061]
表1
[0062][0063]
从表1为是否采用控制方法的对比结果，采用本发明所提出方法的作用下，柔性互联变流器二次控制达到稳态时各蜂巢单元电压偏差指数η
pu,1
：η
pu,2
：η
pu,3
＝3：2：1。具有相同单元容量的蜂巢单元1和蜂巢单元2，由于蜂巢单元1的负荷优先级权重系数较高，故蜂巢单元1具有更好的电压偏差指标。具有相同负荷优先级权重系数的蜂巢单元2和蜂巢单元3，由于蜂巢单元3的单元容量较高，故蜂巢单元2具有更好的电压偏差指标。并且采用本文提出的控制策略后，优化目标函数配电网电压质量的取值为0.0667，远小于不使用方法下的目标函数值0.25。
[0064]
本技术实施例公开一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济系统，包括；
[0065]
优先级模块：基于蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比确定蜂巢单元负荷供电的优先级权重系数；
[0066]
电压偏差指标模块：基于蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压确定各蜂巢单元的电压偏差指标；
[0067]
功率模块：基于蜂巢单元的电压偏差指标和蜂巢单元的下垂控制特性确定蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值；
[0068]
优化模块：基于蜂巢单元负荷的优先级权重系数和电压偏差指标的构建优化分配模型；基于蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值和优化分配模型确定二次控制交换功率参考值；
[0069]
执行模块：在柔性互联装置变流器采取下垂控制策略的一次调节基础上，通过二次控制交换功率参考值对各蜂巢单元的功率优化分配。
[0070]
本技术实施例还公开一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时，采用了上述实施例中的任意一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。
[0071]
其中，终端设备可以采用台式电脑、笔记本电脑或者云端服务器等计算机设备，并且，终端设备包括但不限于处理器以及存储器，例如，终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备以及总线等。
[0072]
其中，处理器可以采用中央处理单元(cpu)，当然，根据实际的使用情况，也可以采用其他通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以采用微处理器或者任何常规的处理器等，本技术对此不做限制。
[0073]
其中，存储器可以为终端设备的内部存储单元，例如，终端设备的硬盘或者内存，也可以为终端设备的外部存储设备，例如，终端设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(smc)、安全数字卡(sd)或者闪存卡(fc)等，并且，存储器还可以为终端设备的内部存储单元与外部存储设备的组合，存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据，本技术对此不做限制。
[0074]
其中，通过本终端设备，将上述实施例中的任意一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法存储于终端设备的存储器中，并且，被加载并执行于终端设备的处理器上，方便使用。
[0075]
本技术实施例还公开一种计算机可读存储介质，并且，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时，采用了上述实施例中的任意一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。
[0076]
其中，计算机程序可以存储于计算机可读介质中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间件形式等，计算机可读介质包括能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，计算机可读介质包括但不限于上述元器件。
[0077]
其中，通过本计算机可读存储介质，将上述实施例中的任意一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法存储于计算机可读存储介质中，并且，被加载并执行于处理器上，以方便上述方法的存储及应用。
[0078]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，包括：基于蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比确定蜂巢单元负荷供电的优先级权重系数；基于蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压确定各蜂巢单元的电压偏差指标；基于蜂巢单元的电压偏差指标和蜂巢单元的下垂控制特性确定蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值；基于蜂巢单元负荷的优先级权重系数和电压偏差指标的构建优化分配模型；基于蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值和优化分配模型确定二次控制交换功率参考值；在柔性互联装置变流器采取下垂控制策略的一次调节基础上，通过二次控制交换功率参考值对各蜂巢单元的功率优化分配。2.根据权利要求1所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，所述蜂巢单元负荷供电的优先级权重系数的确定，包括以下步骤：通过计算蜂巢状配电网每个蜂巢单元的供电客户所占的比例确定优先级系数一；计算蜂巢状配电网每个蜂巢单元的柔性可控负荷和储能容量所占的比例确定优先级系数二；将优先级系数一和优先级系数二进行加权计算，得到蜂巢单元的优先级权重系数w
i
。3.根据权利要求2所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，所述基于蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压确定各蜂巢单元的电压偏差指标，包括以下步骤：将测量所得交流电压频率/直流电压与额定值作差得到归一化的指标：其中f
pu
与v
dc,pu
分别为交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的归一化电压偏差指标，f与v分别为交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的电压实际量测值；f
max
和f
min
是交流蜂巢单元的频率上下限，v
max
和v
min
是直流蜂巢单元的直流电压上下限。4.根据权利要求3所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，所述基于蜂巢单元的电压偏差指标和蜂巢单元的下垂控制特性确定蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值，包括以下步骤：将每个分布式电源的下垂控制曲线相加得到在交流蜂巢单元和直流蜂巢单元的下垂特性表达式如下：其中m和k分别是p/f和p/v下垂系数之和；p
ac
为交流蜂巢单元内部参与下垂控制的分布式电源的总输出功率，p
ac,min
、p
ac,0
和p
ac,max
是分布式电源的总输出功率的上下限及额定值，p
dc
为直流蜂巢单元内部参与下垂控制的分布式电源的总输出功率，p
dc,min
、p
dc,0
和p
dc,max
是
分布式电源的总输出功率的上下限及额定值；f
max
、f
min
和f0是交流蜂巢单元的频率上下限及额定值，v
max
、v
min
和v
dc,0
是直流蜂巢单元的直流电压上下限及额定值；并令：当p
aci,min＝
p
dcj,min
＝0时有上式成立，η
pu
统一了交流单元与直流单元的电压偏差指标；根据上式可计算出蜂巢单元内分布式电源总输出功率与额定功率之间关系。5.根据权利要求4所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，所述基于蜂巢单元负荷的优先级权重系数和电压偏差指标的构建优化分配模型,包括以下步骤：设优化功率调节量的目标函数为：约束条件为：式中p
i,max
为蜂巢单元i个可调度分布式电源输出总功率的上限，p
load
为与柔性互联装置相连的三个蜂巢单元的负载功率之和；根据拉格朗日乘数法：目标函数取最小值，w
i
为第i个蜂巢单元与优先级相对应的权重系数，η
pu,i
为第i个蜂巢单元的电压偏差指标；根据能量守恒定律：式中p
i
为柔性互联装置变流器i与相连供电单元之间交换有功功率值；联立式(5)至式(7)，优化后的各蜂巢单元参考电压偏差指标目标值为：其中η
*pu,i
为蜂巢单元参考电压偏差指标目标值。
6.根据权利要求5所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法，其特征在于，基于蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值和优化分配模型确定二次控制交换功率参考值，包括以下步骤：将计算得到的η
0pu,i
实际值与η
*pu,i
目标值作差，再根据式(9)得到柔性互联装置变流器i的二次控制交换功率参考值指令：式中p
*i
为柔性互联装置变流器i的二次控制交换功率参考值指令，η
0pu,i
为启用二次控制之前的各蜂巢单元参考电压偏差指标，η
*pu,i
为启用二次控制之后的蜂巢单元参考电压偏差指标目标值。7.一种应用如权利要求1至6任意一项所述的蜂巢状配电网交直流单元功率互济系统，其特征在于，包括；优先级模块：基于蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比确定蜂巢单元负荷供电的优先级权重系数；电压偏差指标模块：基于蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压确定各蜂巢单元的电压偏差指标；功率模块：基于蜂巢单元的电压偏差指标和蜂巢单元的下垂控制特性确定蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值；优化模块：基于蜂巢单元负荷的优先级权重系数和电压偏差指标的构建优化分配模型；基于蜂巢单元内的功率缺额/盈余的数值和优化分配模型确定二次控制交换功率参考值；执行模块：在柔性互联装置变流器采取下垂控制策略的一次调节基础上，通过二次控制交换功率参考值对各蜂巢单元的功率优化分配。8.一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了权利要求1至6中任一项所述的一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器加载并执行时，采用了权利要求1至6中任一项所述的一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法。

技术总结
本发明公开了一种蜂巢状配电网交直流单元功率互济方法、系统和终端，属于配电网柔性互联设备领域。该方法包括：1)根据蜂巢单元内负荷类型以及柔性可控负荷的占比给出优先级权重系数；2)通过测量蜂巢单元交流母线电压频率或者直流母线电压并得到各单元电压偏差指标；3)通过蜂巢单元的下垂控制特性计算出单元内的功率缺额/盈余的数值；4)建立关于蜂巢单元负荷优先级权重系数和电压偏差指标的优化目标并进行求解。5)在柔性互联装置变流器采取下垂控制策略并通过二次控制调整交换功率对各蜂巢单元的功率优化分配。本发明解决了多个交流/直流蜂巢配电单元之间功率互济的目标，保证蜂巢状配电网平稳可靠运行。保证蜂巢状配电网平稳可靠运行。保证蜂巢状配电网平稳可靠运行。


技术研发人员：蒋玮 余斌
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14