一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法，属于电力系统运行和控制技术领域，该方法包括：建立分布式发电单元各自的发电成本函数与发电成本微增率函数；设定分布式发电单元有功功率输出限制约束；相邻分布式电源交换彼此的发电成本微增率信息，通过外环迭代方法进行牛顿迭代，从而求解能够实现功率平衡和发电成本最小化的发电成本微增率；在每步迭代中，各分布式发电单元通过内环递推和与相邻单元的信息交换，计算该步近似的牛顿方向，从而为外环迭代提供必要信息。本发明专利技术方法充分利用分布式牛顿方法的二阶收敛性，实现微电网快速的一次调频，稳定频率的同时，能够实现微电网发电成本的最小化，以及可再生能源利用率的最大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统运行和控制
，特别涉及一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法。
技术介绍
发展可再生能源分布式发电，可以优化能源结构、推动节能减排和实现经济可持续发展。近年来，可再生能源的分布式发电并网促进了微电网的发展，全国建立了很多微电网的示范项目和工程。微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。作为未来电力系统的基本单元，微电网必将成为新型智能电网以及能源互联网的重要组成部分。随着微电网中风力和光伏发电的渗透率越来越高，由于可再生能源出力的波动性、间歇性和不确定性，加之负荷的快速变化和系统较小的惯性系数，对保证微电网在孤网状态下安全可靠运行所需的控制系统提出了很大挑战，这一点特别体现在微电网频率控制问题中。如何对微网中的分布式电源与储能进行自律协调控制以保证系统孤网运行下的发用平衡和频率稳定一直以来都是研究的关注点，这被称为微电网的频率控制问题。传统频率控制问题被划分为三个层次。从时间尺度的角度来说由短到长分别为一次调频、二次调频和三次调频。其中一次调频通常要求在秒级的实时控制中保证系统的发用平衡和频率稳定，在实际中大量采用通过下垂控制保证系统功率平衡与频率稳定的方式。然而，由于微电网中可再生能源的波动性较强，传统在较长时间尺度内根据功率预测进行经济调度的方式并不适合小规模的微电网运行。因此，许多研究者开始关注在一次调频阶段考虑功率的合理分配和发电成本的优化。然而，传统基于下垂控制的一次调频无法实现发电成本的最小化，系统运行的经济性较差。与此同时，下垂控制存在对测量误差较敏感、易发生竞争控制与超调现象等问题。因此，如何将一次调频控制与经济调度相结合形成新型的微电网频率控制模式对微电网的稳定经济运行有着巨大的意义。由于通过微电网中央控制器集中收集分布式发电单元信息，进行集中优化计算并利用结果作为指令控制分布式发电单元的方式响应速度较慢，可靠性较差，且会引入明显的通信时延，无法满足一次调频对敏捷性的要求。因此如何能够设计一种通过分布式发电单元彼此通信而不需要集中协调的分布式一次调频控制方法，替代传统的下垂控制，实现发电成本最小、动态性能更好的一次调频，仍是微电网中亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法。本专利技术方法不需要微电网集中控制器，利用全分布式的通信技术，可满足频率与发电成本的调控目标，且可使再生能源的利用率达到最大，提高微网可再生能源的消纳能力，改善微电网一次调频的动态性能，且方法实现方便，控制简单。本专利技术提出的1、一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)建立包括分布式电源DG和分布式储能系统ESS的分布式发电单元DER的发电成本函数如下：Ci(Pi)＝aiPi2+biPi+ci(1)其中Ci表示第i台DER的发电成本，Pi表示第i台DER的有功功率输出，i为任意整数，ai、bi、ci分别为第i台DER发电成本函数中的二次项、一次项和常数项的系数；对公式(1)求导，得到第i台DER的发电成本微增率函数如下：xi(Pi)＝2aiPi+bi(2)其中xi表示第i台DER的发电成本微增率；2)设定DER的有功功率输出限制约束；3)设定DER之间的通信系数矩阵A＝[μij]m×m，其中m为微电网中DER的总数量，μij为第i台DER和第j台DER之间的通信系数，其具体取值为：式(7)中，Ni表示所有与第i台DER直接相连的DER的下标集合，ni和nj分别表示与第i台和第j台DER直接相连的DER的个数；4)一次调频过程开始，设定起始步数k＝0；5)所有DER与在电气拓扑上和与其直接相连的其它DER交换在第k步的发电成本微增率；即第i台DER在第k步的发电成本微增率信息xi(k)，发送给所有与其直接相连第j台DER，其中j∈Ni，且第i台DER收集所有与其直接相连第j台DER在第k步的发电成本微增率信息xj(k)；6)测量所有DER从第k步到第k+1步的频率变化f(k+1)-f(k)，其中f(k)表示微电网在第k步迭代时的频率；计算各DER本地求解第k步牛顿方向所需要的参数：计算第i台DER在第k步迭代的中间过程参数Dii,k如式(8)所示： D i i , k = α · 1 2 a i · 1 m Σ i = 1 m 1 2 a i + 2 - 2 μ i i - - - ( 8 ) ]]>其中系数α为小于1的正实数；计算第i台DER在第k步迭代的本地梯度参数gi,k如式(9)所示： g i , k = x i ( k ) - Σ j ∈ N i μ i j x j ( k ) + K · ( f ( k + 1 ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)建立包括分布式电源DG和分布式储能系统ESS的分布式发电单元DER的发电成本函数如下：Ci(Pi)＝aiPi2+biPi+ci      (1)其中Ci表示第i台DER的发电成本，Pi表示第i台DER的有功功率输出，i为任意整数，ai、bi、ci分别为第i台DER发电成本函数中的二次项、一次项和常数项的系数；对公式(1)求导，得到第i台DER的发电成本微增率函数如下：xi(Pi)＝2aiPi+bi         (2)其中xi表示第i台DER的发电成本微增率；2)设定DER的有功功率输出限制约束；3)设定DER之间的通信系数矩阵A＝[μij]m×m，其中m为微电网中DER的总数量，μij为第i台DER和第j台DER之间的通信系数，其具体取值为：式(7)中，Ni表示所有与第i台DER直接相连的DER的下标集合，ni和nj分别表示与第i台和第j台DER直接相连的DER的个数；4)一次调频过程开始，设定起始步数k＝0；5)所有DER与在电气拓扑上和与其直接相连的其它DER交换在第k步的发电成本微增率；即第i台DER在第k步的发电成本微增率信息xi(k)，发送给所有与其直接相连第j台DER，其中j∈Ni，且第i台DER收集所有与其直接相连第j台DER在第k步的发电成本微增率信息xj(k)；6)测量所有DER从第k步到第k+1步的频率变化f(k+1)‑f(k)，其中f(k)表示微 电网在第k步迭代时的频率；计算各DER本地求解第k步牛顿方向所需要的参数：计算第i台DER在第k步迭代的中间过程参数Dii,k如式(8)所示：其中系数α为小于1的正实数；计算第i台DER在第k步迭代的本地梯度参数gi,k如式(9)所示：其中频率权重系数K按照微电网容量规模或通过实验选取的正实数；7)计算各DER在第k步迭代时各自的牛顿方向；8)各DER执行本地牛顿迭代，计算k+1步的发电成本微增率，第i台DER本地牛顿迭代公式如下式：xi(k+1)＝xi(k)‑λdi,k(T)     (12)其中λ为牛顿迭代步长根据DER的实际容量选取，或通过实验调节取值大小，以获得最佳效果；9)各DER根据新的发电成本微增率调整有功功率输出：计算第i台DER有功功率输出的调整量如公式(13)所示：其中，ΔPi(k)为第i台DER在第k步和第k+1步之间的有功功率输出调整量；判断若Pi(k)+ΔPi(k)违背步骤2)中的有功功率输出约束，则有功功率输出固定在步骤2)给出的边界上，若未违背步骤2)中的有功功率输出约束，则按照公式(13)中计算得到的调整量调整对应DER的有功功率输出；10)判断两步迭代之间的频率变化是否满足f(k+1)‑f(k)<ε，其中ε为小于0.01的正实数，若满足f(k+1)‑f(k)<ε，转入步骤11)；否则，令k＝k+1，重新返回步骤5)；11)一次调频过程结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式牛顿法的微电网一次调频控制方法，其特征在于该方法包括以下步
骤：
1)建立包括分布式电源DG和分布式储能系统ESS的分布式发电单元DER的发电成本函
数如下：
Ci(Pi)＝aiPi2+biPi+ci(1)
其中Ci表示第i台DER的发电成本，Pi表示第i台DER的有功功率输出，i为任意整数，ai、
bi、ci分别为第i台DER发电成本函数中的二次项、一次项和常数项的系数；对公式(1)求导，
得到第i台DER的发电成本微增率函数如下：
xi(Pi)＝2aiPi+bi(2)
其中xi表示第i台DER的发电成本微增率；
2)设定DER的有功功率输出限制约束；
3)设定DER之间的通信系数矩阵A＝[μij]m×m，其中m为微电网中DER的总数量，μij为第i
台DER和第j台DER之间的通信系数，其具体取值为：
式(7)中，Ni表示所有与第i台DER直接相连的DER的下标集合，ni和nj分别表示与第i台
和第j台DER直接相连的DER的个数；
4)一次调频过程开始，设定起始步数k＝0；
5)所有DER与在电气拓扑上和与其直接相连的其它DER交换在第k步的发电成本微增
率；即第i台DER在第k步的发电成本微增率信息xi(k)，发送给所有与其直接相连第j台DER，
其中j∈Ni，且第i台DER收集所有与其直接相连第j台DER在第k步的发电成本微增率信息xj(k)；
6)测量所有DER从第k步到第k+1步的频率变化f(k+1)-f(k)，其中f(k)表示微电网在
第k步迭代时的频率；计算各DER本地求解第k步牛顿方向所需要的参数：
计算第i台DER在第k步迭代的中间过程参数Dii,k如式(8)所示：
其中系数α为小于1的正实数；计算第i台DER在第k步迭代的本地梯度参数gi,k如式(9)
所示：
其中频率权重系数K按照微电网容量规模或通过实验选取的正实数；
7)计算各DER在第k步迭代时各自的牛顿方向；
8)各DER执行本地牛顿迭代，计算k+1步的发电成本微增率，第i台DER本地牛顿迭代公
式如下式：
xi(k+1)＝xi(k)-λdi,k(T)(12)
其中λ为牛顿迭代步长根据DER的实际容量选取，或通过实验调节取值大小，以获得最
佳效果；
9)各DER根据新的发电成本微增率调整有功功率输出：计算第i台DER有功功率输出的
调整量如公式(13)所示：
其中，ΔPi(k)为第i台DER在第k步和第k+1步之间的有功功率输出调整量；
判断若Pi(k)+ΔPi(k)违背步骤2)中的有功功率输出约束，则有功功率输出固定在步骤
2)给出的边界上，若未违背步骤2)中的有功功率输出约束，则按照公式(13)中计算得到的
调整量调整对应DER的有功功率输出；
10)判断两步迭代之间的频率变化是否满足f(k+1)-f(k)...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文传，张伯明，孙宏斌，王忠冠，郭庆来，王彬，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11