一种面向微电网实时仿真的分块分层并行算法

微电网含有大量的高频功率开关和非线性元件,对电力系统实时仿真技术提出了很高的要求。为减轻逆矩阵法的存储压力,将整个网络分解成多个子网络,仅存储计算子网络状态变量和输出变量的各种参数。为降低子网络间约束方程的计算成本,利用其稀疏性的特点,提出了一种子网络分层合并的多端口等效方法。考虑FPGA硬件资源有限,设计了一种实现细粒度并行的专用运算组件。以2μs仿真步长在5SGSMD5芯片上实时仿真了一个低压微网系统,其仿真结果与商业离线仿真软件PSCAD结果一致,验证了所提方法的可行性和准确性。     

基于一致性理论的多区域电力系统分布式状态估计

随着电网规模不断扩大,传统集中式状态估计方法的数据通信与存储任务重、计算量大,难以满足现代电力系统状态估计需求。在计及系统状态估计非线性的基础上,将电力系统划分为若干个不重叠的子区域,并利用拉格朗日乘子法对状态估计方程进行解耦,建立电力系统多区域非线性状态估计模型。基于一致性理论建立全分布式状态估计方法对模型进行求解,该方法无需状态估计控制中心,只需各子区域交换一致性变量和边界节点的状态变量信息,各子区域便可平行独立地计算本地状态变量估计值,较集中式状态估计均衡了通信及计算负担。IEEE 14节点系统仿真结果验证了所提分布式状态估计方法的有效性。     

基于Sobol’法的孤岛微电网潮流全局灵敏度分析

随着可再生能源发电在微电网中的渗透率不断提高,微电网运行的不确定性显著增加,有必要准确评估输入变量对微电网状态的影响,以提高系统的运行控制水平。计及孤岛微电网中分布式电源和负荷的不确定性,基于有功—频率/无功—电压的下垂控制策略,构建了综合控制下的孤岛微电网概率潮流计算模型,并采用具有鲁棒性的自适应LM(Levenberg-Marquardt)算法进行求解。在此基础上,针对系统状态的不确定性,基于Sobol’全局灵敏度理论,建立了一种考虑源荷不确定性的孤岛微电网概率潮流灵敏度分析法,用于辨识影响系统状态的关键因素。通过对有多台分布式电源接入的33节点孤岛交流微电网系统进行仿真,获得了各输入变量的一阶灵敏度和总灵敏度,分析了输入变量对系统状态的影响,验证了所提方法的有效性。     

基于蒙特卡罗抽样半不变量法的微电网随机潮流计算

为了提高微电网随机潮流计算的精度,提出了将蒙特卡罗抽样和半不变量法相结合的方法。首先建立了微电网随机潮流的线性化模型,然后运用蒙特卡罗抽样法和常规数值法计算随机变量的各阶半不变量,进而计算节点状态变量和支路潮流的半不变量,并运用Gram-Charlier级数将其展开,最终得到半不变量的概率分布。将该方法与蒙特卡罗模拟法比较,算例表明该方法具有较高的准确性和快速性,可为电力调度提供可靠依据。     

基于粒子群优化算法的孤岛微电网电压不平衡补偿协调控制

微电网系统孤岛运行条件下,其系统电压完全由网内众微电网逆变器协调运行提供支撑,微电网逆变器控制性能将决定网内供电电压质量的优劣。考虑到微电网中大量单相负荷的存在,系统负荷实则通常表征为不平衡,容易引起系统电压的不平衡。针对这一问题,以同时兼顾微电网逆变器端口电压及公共连接点(PCC)电压不平衡度控制为目标,从分析电压不平衡机理入手,提出一种基于粒子群优化算法的负序电压补偿算法。补偿算法以逆变器端口电压和PCC电压不平衡度作为约束条件建立目标函数,同时考虑逆变器间的环流问题,在实现逆变器端口及PCC电压不平衡控制的同时减小逆变器间的环流。最后,分别基于MATLAB及某电力电子实时仿真平台搭建了系统仿真模型和半实物实时仿真模型,仿真及实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于一致性算法的孤岛型微电网群实时协同功率分配

孤岛型微电网通过互联构成微电网群,将有利于提高其整体的经济性与供电可靠性。由于缺乏主网支撑,孤岛型微电网群对功率的实时平衡要求较高。文中针对孤岛型微电网群的实时功率分配问题,运用多智能体一致性理论提出孤岛型微电网群实时协同功率分配的框架。在此基础上对微电网调节成本进行建模,以各微电网的调节成本作为一致性状态变量设计一致性功率分配算法,使得各微电网共同承担微电网群系统的功率不平衡量,从而达到降低调节成本的目的。算例仿真表明,一致性功率分配算法可有效解决孤岛型微电网群的实时功率分配问题。     

考虑不确定性的下垂控制微电网可达性分析

针对下垂控制微电网中时刻存在的不确定因素,提出基于齐诺多面体的可达性分析方法,研究系统在不确定条件下的动态运行特性。首先采用齐诺多面体作为集合表达形式,描述系统中的不确定变量,并提出线性动态系统可达集的计算方法。随后基于下垂控制微电网的动态模型,对微电网算例进行仿真分析,并通过时域采样仿真验证了所提方法的有效性。结果表明,可达性分析方法仅需通过一次仿真计算,即可考虑各种不确定因素的持续叠加影响,给出系统所有可能运行轨迹的边界,确定系统频率、电压等状态变量的最大波动范围,从而分析系统在不确定条件下的安全稳定性。     

基于PCC-ML深度学习的微电网多目标协调优化运行

为提高微电网可再生能源优化配置,降低微电网源荷不确定性,提出基于Pearson相关系数元学习（PCC-ML）源荷预测的微电网多目标协调调度优化方法。首先,运用Pearson相关性分析（PCC）分析原始多维输入变量组成的时间序列,通过元学习（ML）对微电网源荷数据进行特征提取、候选模型准备、标记、离线训练和在线预测结果评估5个过程管理;然后,基于预测结果建立微电网两阶段滚动调度优化模型,阶段一为日前预调度阶段,以实现微电网区域全局运行经济性最优为优化目标;阶段二为实时运行调控阶段,考虑微电网新能源实时出力不确定性,对预测偏差实时调控,实现微电网各设备运行成本最优。接着,利用列约束生成算法（C&CG）分解为主、子问题进行交互迭代求解两阶段优化模型。最后,算例分析表明所提方法能满足可见和不可见预测任务的性能需求,提高微电网经济收益。     

多母线微电网稳态谐波电压间接分析方法

随着电力电子装置的广泛应用和非线性电气设备的增加,大量谐波注入微电网,对微电网的安全、稳定和经济运行造成严重影响。针对以上问题,以微电源出口处检测到的电压和电流数据为参考,根据快速傅里叶分析方法得到各次电压谐波参数,结合微电网网络方程,提出了适合稳态情况下多母线微电网中微电源相邻母线谐波电压的间接分析方法。基于Matlab的仿真结果和实验结果有效验证了所提计算方法的正确性。     

基于Benders分解的微电网联网运行优化

针对联网运行的微电网,对其优化潮流(OPF)问题进行扩展,同时考虑机组组合(UC),建立微电网优化运行模型。针对模型中含有大量混合0/1决策变量和连续运行变量的求解,采用Benders分解方法将变量分离,在无网络约束UC主问题和网络约束OPF子问题之间迭代求解。在改造后的IEEE 13节点系统上进行了算例分析,表明所提方法可以快速可靠地优化微电网系统的运行。     

采用模块组多样性等效的模块化多电平换流器实时仿真

针对由双端口子模块构成的模块化多电平换流器开关器件多、工作方式复杂的问题,提出一种采用模块组多样性等效实现的实时仿真方法.通过分析桥臂子模块间的双端连接工作方式,推导出端口简化过程,以此建立模块组概念并采用单端口戴维南等效模型简化计算.为进一步扩大换流站仿真规模,在模块组分析基础上对换流站桥臂进行静态分段解耦,各静态段内采用多样性等效模型计算分段后结构变化的模块组,静态段间以节点电压法完成仿真计算;对桥臂分段后的计算量进行定量分析,确定桥臂静态段最优分段数量准则.采用基于现场可编程门阵列(FPGA)的实时数字仿真平台,验证仿真方法的先进性和仿真结果的正确性.     

关注区可变的实时仿真方法与平台

交直流混合电网的实时仿真既要考虑电力电子设备的开关特性,又要保证适应较大的电网规模,在实际工程中面临诸多困难.给子网络赋予动态可变的关注标志,对关注子网络采用存储压力小的节点消去法,对非关注子网络采用计算量少的线性组合法,从而保证骨架型节点电压法的实用性.在Xilinx公司的Virtex-7 FPGA VC709开发板中,采用无缝的并行化仿真计算程序对接方式和灵活的结构参数查询方法解决了现场可编程逻辑门阵列资源的紧缺问题,设计了一种关注区可变的实时数字仿真平台.以典型的交直流混合电网为例,仿真验证了所提方法的可行性与所研发平台的有效性.     

区域自治型单三相多微电网实时模型预测控制

随着用户侧微电网工程的逐步推广,一定区域内不同相序的微电网可联结成单三相混联的多微电网系统。针对脱离配电网情况下所形成的区域自治型单三相多微电网,提出一种基于模型预测控制的实时控制策略。所提策略根据多微电网集散式分层控制架构,考虑三相不平衡度,以实时联络线功率与给定参考值的偏差最小为控制目标,构建多输入、多扰动、多变量的动态预测模型,再将其转化为混合整数非线性规划问题进行求解,同时引入反馈校正环节进行预测误差修正,实现滚动式的有限时域闭环优化。仿真结果表明,所提策略可实现区域自治型单三相多微电网实时源、荷、储的功率调节,平抑源、荷的出力波动,跟踪联络线功率以满足三相不平衡度约束,有利于区域微电网的规模化推广。     

基于模糊最小二乘支持向量机的微电网群状态评估方法

针对微电网群能量管理与协调控制系统适应多微电网间多工况控制策略灵活调整的需要,提出了一种基于模糊最小二乘支持向量机(FLS-SVM)的低压微电网群运行状态实时评估模型。该模型基于传统电力系统运行状态描述方法,建立了微电网群及子微电网安全正常运行的边界条件,以电压偏移率、储能剩余容量及充放电时间、发用电功率等多维度特征向量对子微电网状态分类,应用FLS-SVM对子微电网的实时运行状态进行评估,最后判别出微电网群运行状态。实例计算分析表明,该模型可跟随系统采样周期实时评估,对离、并网条件下子微电网运行状态均能实现准确有效地分类,为微电网群快速判断网内状态并灵活调整控制策略提供依据。     

基于实时数字仿真的微电网数模混合仿真实验平台

研究了基于RTDS的微电网运行和综合监控系统数模混合仿真实验平台,主要包括RTDS实时数字仿真系统、分布式电源控制系统和微电网运行与综合监控系统(EMS/SCADA)三部分。RTDS实时数字仿真系统对微电网中的网络结构、各分布式电源和负荷的主回路电气部分和相应控制系统进行实时数字仿真模拟,并通过相应模拟量和数字量的输入输出接口与外部分布式电源控制系统和微电网综合监控系统进行实时数据交互,实现软件和硬件结合的闭环仿真。最后基于该方法,搭建了针对风柴储独立微电网系统的数模混合仿真实验平台,可对微电网协调控制策略和能量管理策略等关键技术进行有效验证。     

基于稀疏多项式混沌展开的孤岛微电网概率潮流计算

考虑到可再生能源的不确定性对微电网运行的影响,传统确定性潮流计算难以全面描述系统运行状态与潮流分布情况。在计及微电网源荷随机性与相关性的情况下,文中建立了孤岛交流微电网的概率潮流模型。进一步,提出了一种稀疏多项式混沌展开方法用于快速准确得到孤岛微电网的输出响应,在含有高维输入随机变量时,有效提高了孤岛微电网的概率潮流计算效率。采用接入多台分布式电源的33节点孤岛微电网系统进行仿真,通过与传统方法的对比,验证了所提方法的高效性和准确性。     

面向家庭直流微电网的多端口变换器研究

为减少家庭直流微电网中变换器的数量,本文提出了一种新型多端口直流变换器及其控制策略。该变换器具备4个端口,原边通过将双向Buck/Boost电路和移相全桥变换器的两个桥臂开关管进行复用而得到两个输入端口,副边与同步Buck变换器相结合构成高、低压两个输出端口,并通过选择和比较各端口的控制量实现多端口变换器控制策略的切换。该变换器能够实现多电压等级输入/输出及其端口电压的恒定控制、能量双向流动以及控制策略切换等功能,相较于其他多端口变换器,具有结构简单、功率密度高等优点。最后,本文通过Matlab/Simunlink软件搭建仿真模型,并进行详细的实验分析,结果验证了理论分析的正确性和有效性。     

基于堆叠自编码网络的风电机组发电机状态监测与故障诊断

为实现风力发电机的异常检测分析,提出了一种基于风电机组发电机正常状态下数据采集与监控(SCADA)样本数据的堆叠自编码网络深度学习方法。首先将多个自编码网络连接构成深度堆叠自编码网络,选取发电机SCADA状态变量数据作为网络的训练输入,使网络逐层智能提取数据间的分布式规则,从而构建发电机的堆叠自编码学习模型。依据故障状态下发电机SCADA数据内部动态平衡规则被破坏,利用发电机深度学习网络的输入与重构值计算重构误差,并作为整体状态的观测量。通过采用自适应阈值检测重构误差的状态趋势变化,并作为异常预警判定准则,从而实现对发电机故障的判定。当发电机发生异常时,变量的实际值与对应模型的重构值发生较大偏差,表现为状态变量的残差趋势将会偏离原有的动态稳定状态。因此利用状态变量的残差趋势变化对异常变量进行隔离,判定可能的故障原因达到故障诊断的目的。通过对发电机故障前后记录数据进行仿真分析,结果验证了堆叠自编码网络深度学习方法对发电机状态监测与故障诊断的有效性。     

基于深度强化学习的微电网在线优化

针对微电网的随机优化调度问题,提出了一种基于深度强化学习的微电网在线优化算法。利用深度神经网络近似状态-动作值函数,把蓄电池的动作离散化作为神经网络输出,然后利用非线性规划求解剩余决策变量并计算立即回报,通过Q学习算法,获取最优策略。为使得神经网络适应风光负荷的随机性,根据风电、光伏和负荷功率预测曲线及其预测误差,利用蒙特卡洛抽样生成多组训练曲线来训练神经网络;训练完成后,保存权重,根据微电网实时输入状态,神经网络能实时输出蓄电池的动作,实现微电网的在线优化调度。在风电、光伏和负荷功率发生波动的情况下与日前优化结果进行对比,验证了该算法相比于日前优化在微电网在线优化中的有效性和优越性。     

采用扩展微分代数方程法的直流网络模块化建模

交流电网的能量主要存储于同步发电机的动能中,具有惯量大的特点,交流电网稳定性研究中通常将交流网络建模为代数方程。直流电网的能量主要存储在换流器电容和直流网络的电容、电感中。直流网络与换流器的储能能力甚至超过了发电机的储能能力。为此,直流电网稳定性研究中不宜将直流网络简化为代数方程,而应考虑直流网络的微分动态方程。为精确地对任意复杂直流网络进行建模,提出了一种采用扩展微分代数方程的模块化建模方法,该方法可以方便地消除直流网络微分动态方程中的冗余状态变量,通过子矩阵的拼接、相乘等运算可以模块化的得到直流网络的动态模型从而省却手工推导动态模型状态空间矩阵各元素值的繁冗运算。最后以一个四端口直流电网为例,通过对比文中方法建立的小信号模型与详细电磁暂态模型时域仿真结果验证了所提出建模方法的准确性。