有源配电网信息物理系统混合仿真平台设计方法及其算例实现

随着电网信息流-能量流的深度耦合,有源配电网正逐渐成为信息空间与物理空间深度交互的电力信息物理系统(cyber physical system,CPS)。延时、丢包、拥堵、恶意攻击等问题导致电力系统的故障分析愈发复杂,传统的有源配电网仿真方法无法保证其仿真分析的精确性及实时性。该文分析了现有的配电网仿真技术研究现状,基于RT-LAB、DSP嵌入式系统、OPNET网络仿真环境以及配电网主站系统,设计了能量流与信息流深度交互的新型有源配电网CPS混合仿真平台,详细阐述仿真平台的整体架构,以及底层控制单元、泛能监测控制器、网络仿真单元、系统运行控制单元等重要组成部分的运行原理与构建方式。针对有源配电网CPS的分布式电源协同控制等算例进行仿真分析,结果验证了该仿真技术的有效性和合理性。     

基于节点映射模型的电力信息物理系统实时仿真平台

随着电力系统与信息系统的耦合影响日益加深复杂,需建立能够高效协调控制数据传输的电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)联合仿真平台,以精确模拟CPS的信息交互过程。该文在对比分析现有电力CPS联合仿真架构优缺点基础上,基于OPAL-RT和OPNET建立了电力信息物理系统实时仿真平台。针对电力系统实时控制场景需求,建立了链接电力和通信网络的节点映射模型,使用统一交互接口协调控制多节点电力CPS网络的信息交互动态过程,并验证了仿真平台数据交互的实时性。基于网络化控制的微电网仿真算例验证了建立的实时混合仿真平台的有效性和合理性,高效精确模拟出电力CPS信息交互过程。     

基于OPAL-RT和OPNET的电力信息物理系统实时仿真

随着智能电网建设的推进,电力信息物理系统(CPS)的可观性和可控性得到了极大增强。电力CPS的信息采集、传输、处理等过程对电力业务的影响越发明显。建立电力CPS的动态联合仿真平台有助于为相关理论和应用研究提供坚实的技术支撑。文中对比分析了现有的联合仿真平台方案与架构,指出由于电力流和信息流在数学模型上的本质区别,需要建立实时联合仿真平台;基于电力仿真工具OPAL-RT和通信仿真工具OPNET,研制开发了数据交互接口及数据转换模块,建立了电力CPS实时仿真平台,能够高速、精确地模拟电力CPS动态响应特性。针对电力CPS负荷控制的仿真算例结果表明,所研制的电力CPS实时仿真平台具有合理性和有效性。     

配电网信息物理系统协同控制架构探讨

信息物理系统(CPS)通过对计算、通信和控制技术的有机整合与协调,促进了电力系统运行方式的转变,并为其"智能化"的建设提供了途径。作为电力CPS的重要组成部分,配电网CPS须在未来大规模异构分布式新能源接入的条件下仍具有良好的实时控制及优化调度能力。在此背景下,对配电网CPS的控制架构进行了研究。结合CPS的组成要素和关键功能,提出了一种包含主动配电网及微电网技术在内的配电网CPS框架结构;在此基础上,针对配电网CPS的协同控制策略及其多层面、分布式耦合的特征,提出了包含感知通信、计算以及物理对象的分布式实体控制架构,以及兼具内部统一特性与外部互联特性的层次化抽象控制架构,从而构成完整的配电网CPS协同控制架构。     

分布式协同控制模式下配电网信息物理系统脆弱性评估

分布式协同控制模式的提出,为解决未来配电网信息物理系统(CPS)中高密度、强随机性分布式电源接入问题提供了途径。但同时,配电网CPS信息物理高度融合的特点也方便了网络攻击者通过信息系统威胁电力系统的安全稳定运行。据此,提出一种基于动态攻防博弈的分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性评估方法。首先,阐述了一种分布式电源等输出比协同控制策略,并对其收敛特性进行了分析和总结。其次,基于CPS风险评估框架,结合分布式电源协同控制策略及实际网络攻防策略的特点,提出配电网CPS风险评估模型;在此基础上,设计动态攻防博弈函数及博弈求解步骤,实现对于分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性的量化评估。最后,基于IEEE 34节点配电系统开展仿真测试,验证了所提方法的有效性。     

基于全分散理念的F-P型分布式电源自趋优控制方法

针对频率—有功功率(F-P)型分布式电源,提出一种适用于交流微网孤立运行时的有功控制策略。该策略充分利用微网中交流电网的天然耦合特性,在不借助分布式电源间或者分布式电源与中央控制器间通信的条件下,实现分布式电源出力自趋优功能。所提出的控制策略具有分层结构,包含频率分层控制和频率跟踪控制两个部分,其主要特点为:适用于以逆变器为接口且工作在电流源模式的分布式电源;完全基于本地信息,在不借助中央控制器和集中通信系统的情况下,能够通过各分布式电源的本地信息实现自趋优控制;该策略按照等微增率准则来分摊负荷,使各分布式电源的成本微增率相等。仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

非理想通信条件下微电网分布式有功功率控制

一致性控制是目前微电网控制领域主流的分布式控制方法之一。一致性控制系统的正常运行依赖于可靠的分布式控制器和通信网络。然而,通信网络中不可避免存在各种非理想因素,其中的通信干扰将导致电网中分布式电源出力以及电网频率出现偏差,甚至危及电网的安全运行。针对微电网一致性控制中的通信干扰,分析了干扰对系统控制性能的影响。进一步,提出了一种含状态观测器的分布式有功功率控制策略,给出了含事件触发机制的可变增益系数设计方法,分析了所提分布式控制策略在非理想通信条件下的动态性能,理论证明了该策略对典型形式的通信干扰具有良好的抑制能力,可显著提升微电网运行的可靠性。仿真和实验结果验证了所提策略的正确性和有效性。     

考虑通信缺失情景的光伏集群分散式电压控制方法

针对高渗透率分布式光伏接入配电网导致的电压越限问题,以及当前电力通信网络难以实现对接入光伏集中控制的现状,提出了一种光伏集群分散式电压控制方法。根据预测数据对配电网进行集群划分,采用集群间的协调控制策略,以电压越限量和网络损耗加权值最小为优化目标,基于交替方向乘子法进行优化计算。在集群间通信缺失的情景下,基于无功-电压控制曲线自主调节分布式电源逆变器的无功输出,即通过集群内的电压控制策略解决通信中断时发生电压越限的问题。以IEEE 33节点配电系统为例进行仿真分析,结果表明所提控制方法不仅对改善电压分布不均、降低网损、减轻控制器的计算负担具有积极的作用,还能在通信缺失的情景下具有良好的控制效果。     

稀疏通信下分布式电源微增率一致性加速算法

基于分层控制结构,提出一种稀疏通信下的分布式电源微增率一致性加速算法。该方法无需中央控制器,借助稀疏通信网络实现分布式电源的三次分层控制并加快收敛速度。在该分层控制中,一次控制采用线性下垂控制策略;二次控制仅借助本地频率信息实现系统频率调节;三次控制考虑各分布式电源的成本微增率,利用稀疏不完备的通信网络传递分布式电源成本微增率信息,并结合非线性下垂控制实现微增率的一致性,各分布式电源能较快地收敛至等微增率点。该算法所构建的稀疏通信网络拓扑可以是任意的,对于通信网络的单双向及连通性都没有要求。仿真算例验证了该算法的有效性。     

孤立微电网分布式二级功率优化控制

针对传统下垂控制的功率分配精度易受线路阻抗影响的不足,提出一种孤立微电网分布式二级功率优化控制策略。各分布式电源的控制器构成一分布式稀疏通信网络,与邻居控制器交互电压、频率信息。在仅有邻居分布式电源信息的基础上,利用一致性算法得到全网的平均电压和频率,用于二级优化控制。通过优化下垂控制的电压和频率参考值,实现有功功率按照额定容量比例精确分配的目标,并且进行系统电压和频率的调节。由于不存在中心控制器,该策略可靠性较高。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了所提控制策略的有效性及优越性。     

基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行技术

在孤岛运行模式下,各分布式电源并联运行时输电线路阻抗值存在差异,采用传统的下垂控制难以实现无功功率输出按DG容量比例合理分配。针对该问题,提出一种改进的自调节下垂控制策略,该改进策略在传统无功-电压下垂控制基础上,引入关于输出无功功率的比例积分控制环节后使无功功率输出与线路阻抗无关,从而实现无功功率输出按DG容量比例合理分配,抑制了系统无功环流分量。最后通过Matlab仿真平台搭建DG并联运行仿真模型验证了该改进策略的有效性。     

基于多智能体一致性的微电网无功功率分配方法研究

在孤岛运行的微电网中,由于各分布式电源到公共母线的距离和网络结构差异,导致采用传统下垂控制的分布式电源难以按其额定容量分担负荷。为此,提出一种基于多智能体一致性的分布式无功功率控制策略,各分布式电源通过通信网络,接收邻近微电源无功功率。应用动态一致性算法对无功功率差值进行迭代求和,再利用比例-积分器对下垂特性曲线的参考额定电压幅值进行自适应补偿。该策略在实现无功功率合理分配的同时,降低了系统对通信线路的要求,提高了系统的可靠性。     

永磁直驱风机的小步长硬件在环仿真研究

随着风电并网规模不断增大,主动配电网的动态电压稳定性和动态供电质量问题日益突出。永磁直驱风机的动态特性与电网交互作用对电力系统稳定存在重要影响,风电场中越来越多的开关器件给风机并网控制策略的验证带来了新的挑战。基于RT-LAB平台采用FPGA实时仿真器,搭建了永磁直驱风机的硬件在环仿真平台,实现了永磁直驱风机的亚微秒步长实时仿真,为直驱风机的控制策略验证及优化提供了一种快速有效的验证方法。仿真结果证明了小步长硬件在环仿真方法的有效性。     

直流微电网潮流控制器与分布式储能协同控制策略

针对直流微电网互联变换器提出一种能根据两端直流母线电压判断自身传输功率方向与大小的智能控制策略。该策略首先将两个直流微电网之间的互联变换器作为微电网潮流控制器(MicrogridPowerFlowController,MPFC)来控制互联线路上的潮流。然后提出一种微网自适应功率下垂控制方法使MPCF与分布式储能协同控制直流母线电压。最后使用Matlab/Simulink仿真验证该控制方法能够有效提高系统的稳定性和效率,并且能够减小因不需要的功率流动所带来的功率损耗及储能的充放电次数。     

一种馈线自动化仿真培训系统

针对复杂配电自动化生产过程操作实验成本较高,影响供电可靠性以及危险性较大等问题,给出了一种馈线自动化仿真培训平台构建方法。利用该方法,对配电主站、配电一次系统、EPON通信系统组成的馈线自动化系统进行仿真,实现了配电系统、EPON系统故障模拟,并对常见EPON系统故障进行了实测分析。理论分析与仿真案例表明,基于EPON通信的馈线自动化仿真系统建模方法是可行和有效的。该模型能反映馈线自动化系统的实际运行特性,从而提高仿真模型的精确性和仿真功能的多样性。     

基于超扭曲优化算法的风机最大功率跟踪控制

针对风力发电系统在低风速区采用传统控制方法具有风能转换效率较低、风轮转速跟踪实时风速的性能较差、发电机转矩波动范围较大等问题,提出了一种将超扭曲算法与最佳转矩法相结合的最大功率跟踪改进控制策略。为进一步改善控制性能,采用粒子群算法对控制器参数进行优化。最后以风轮角速度、发电机输出功率、发电机转矩、功率系数等为评价指标,通过Matlab/Simulink平台验证所提方法的可行性与有效性。仿真结果表明,所提控制策略在提高最大风能捕捉能力的同时可有效地抑制发电机转矩的抖振。     

一种具有功率耦合电路的无电解电容LED驱动电源

为解决LED驱动电源寿命短的问题,提出一种PFC+Buck/Boost的无电解电容LED驱动电源方案。PFC采用常用的Boost型电路结构,控制方法采用简单的CRM控制方式,Buck-Boost双向变换器与LED负载并联,替代电解电容器实现电源交流输入侧和直流输出侧的瞬时功率不平衡的功率耦合功能。设计了PFC的CRM控制策略和双向变换器的固定占空比控制策略,建立了Saber仿真实验模型。仿真研究结果表明,该电路的功率因数达到0.9以上,输出电流和输出电压具有很好的稳定性。     

混合储能系统平滑风电出力的变分模态分解-模糊控制策略

在风电机组并网处安装储能装置可以有效平滑功率波动,提出了变分模态分解-模糊控制策略平抑风电功率波动。首先通过滑动平均滤波获得储能系统参考功率,采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD)将储能系统参考功率分解后,分别将高频信号和低频信号分配给超级电容器和锂电池。结合超级电容器和锂电池当前荷电状态与其参考值偏差,经模糊控制规则修正储能系统设备的充放电功率。最后利用Matlab/Simulink仿真,结果表明该控制策略不仅能够满足风电场最大输出功率变化率限制要求,还可以保持荷电状态(SOC)维持在合理范围,避免过充和过放的发生。     

基于负荷均衡加载的电力系统分布式经济调度策略

在构建以新能源为主题的新型电力系统背景下,电网面临以电动汽车为代表的电气化交通负荷剧增的巨大挑战。针对上述问题提出一种负荷均衡优化模型,将负荷均衡后的集群电动汽车依次并入电网。然后应用多智能体一致性算法,以发电机组的增量成本和集群电动汽车的增量效益作为一致性变量,设计一种集群电动汽车参与电力系统经济调度的算法,通过分布式优化方式解决经济调度问题。建立4种典型的仿真情景,分别验证集群电动汽车分步参与电力系统分布式优化调度的有效性、对不同通信拓扑和功率受约束情况的适用性以及分布式优化算法在集群电动汽车参与经济调度时“即插即用”的能力。在IEEE 39节点系统上进行算例仿真,验证了策略的有效性。