一种直流电网实时分布式最优潮流控制方法及系统

本发明涉及直流电网控制领域，具体涉及一种直流电网实时分布式最优潮流控制方法及系统。

背景技术：

1、直流电网因结构简单、无需考虑频率同步和无功功率调节，在规模化接入直流电源与负荷方面得到了广泛应用，如何在电源功率调节范围内降低线路及电源的运行损耗、提升直流电网整体能源利用效率，是实现直流电网经济运行的迫切需求。

2、现有直流电网最优潮流控制方法主要分为两类。第一类为离线优化方法，其通过预测系统各节点负荷需求与电源功率调节范围，利用线性规划、粒子群算法等优化工具离线计算母线电压或功率参考值，再由电源底层控制跟踪执行。此类方法虽原理成熟，但严重依赖预测精度，一旦负荷波动或电源遭受外部扰动，其最优性即无法保证。第二类为实时分布式控制方法，其利用反馈控制思想使电网根据负荷变化动态调整母线电压，有效规避了离线方法对预测精度的依赖瓶颈，近年来受到广泛关注。

3、然而，现有的控制方法存在以下问题。一，多数方法仅考虑功率平衡约束，忽略电源与负荷间的电网拓扑约束，导致无法对线路损耗进行有效建模与优化，能源利用效率受限。二，部分考虑拓扑约束的方法（如一致性控制、次梯度下降等）虽可进行损耗优化，但其算法求解过程严重依赖直流电网的精确阻抗参数。实际运行中，线路老化、温度变化及网络拓扑重构等因素致使阻抗参数难以精确获取且动态变化，一旦参数存在误差，现有依赖精确模型的控制方法将无法收敛至真实全局最优运行点。三，现有优化问题的电压约束仅关注稳态安全范围，平均电压水平被动依赖于系统运行初值，缺乏主动调节手段，在遭遇大扰动时易发生电压跌落或越限，显著降低了直流电网的电压稳定裕度。

技术实现思路

1、针对现有技术中提到的问题，本发明提出一种直流电网实时分布式最优潮流控制方法及系统，实现其运行损耗最小化，以提高直流电网能源利用效率，并同时实现电网平均电压的主动调节，以提升直流电网电压稳定裕度。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提出一种直流电网实时分布式最优潮流控制方法，所述直流电网包括多个通过通信网络相互连接的直流电源控制器，包括以下步骤：

4、s1、获取本地直流电源的输出电压和输出电流；

5、s2、根据所述输出电压、预设的直流电网标称电压、本地一致性控制偏差以及从一个或多个邻居节点接收的邻居一致性控制偏差，计算得到本地平均电压误差；

6、s3、对所述本地平均电压误差进行积分控制，生成电压积分控制信号；

7、s4、根据所述电压积分控制信号和从一个或多个邻居节点接收的邻居电压积分控制信号，对所述本地一致性控制偏差进行更新，得到本地一致性控制偏差的更新信号；将本地一致性控制偏差的更新信号反馈至s2中用于下一控制周期计算；

8、s5、对所述输出电流与引入的虚拟电流信号之间的差值进行比例积分控制，生成电流比例积分控制信号；

9、s6、根据本地成本函数的梯度和预设的电流运行约束，对所述虚拟电流信号进行更新，得到虚拟电流信号的更新信号；将虚拟电流信号的更新信号反馈至s5中用于下一控制周期计算；

10、s7、根据所述电流比例积分控制信号、从一个或多个邻居节点接收的邻居电流积分控制信号、所述本地输出电压、以及从一个或多个邻居节点接收的邻居输出电压，生成电压参考值，并输出所述电压参考值以控制所述本地直流电源。

11、作为本发明进一步改进，所述s2中本地平均电压误差的计算式如下：

12、

13、式中：为本地平均电压误差；为直流电网标称电压；为本地直流电源的输出电压；为本地一致性控制偏差；为邻居一致性控制偏差，代表邻居节点编号；为本地直流电源与邻居节点的通信链路权重，取正常数。

14、作为本发明进一步改进，所述s3中对所述本地平均电压误差进行积分控制的计算式如下：

15、

16、式中：为电压积分控制信号；为电压积分控制增益；为本地平均电压误差。

17、作为本发明进一步改进，所述s4中对所述本地一致性控制偏差进行更新的计算式如下：

18、

19、式中：为本地一致性控制偏差的更新信号；为一致性更新增益；为电压积分控制信号；为邻居电压积分控制信号。

20、作为本发明进一步改进，所述s5中对所述输出电流与引入的虚拟电流信号之间的差值进行比例积分控制的计算式如下：

21、

22、式中：为电流比例积分控制信号；为电流积分控制增益；为本地直流电源的输出电流；为虚拟电流信号。

23、作为本发明进一步改进，所述s6中对所述虚拟电流信号进行更新的计算式如下：

24、

25、式中：为虚拟电流信号的更新信号；为虚拟电流更新增益；为取最小值函数，为取最大值函数；代表输出电流的运行下界；代表输出电流的运行上界；表示本地成本函数的梯度，表示本地成本函数；为虚拟电流信号；为电流比例积分控制信号。

26、作为本发明进一步改进，所述本地成本函数为凸函数，用于表征所述本地直流电源的运行损耗，其计算式如下：

27、

28、式中：，，表示发电成本计算参数，取正常数；

29、所述本地成本函数的梯度的计算式如下：

30、

31、式中：为符号函数。

32、作为本发明进一步改进，所述s7中生成电压参考值的计算式如下：

33、

34、式中：为电压参考值；为电压参考更新增益；为电压积分控制信号；为本地平均电压误差；为本地直流电源与邻居节点的通信链路权重；为本地直流电源的输出电压；为电流比例积分控制信号；为邻居输出电压，为邻居电流比例积分控制信号。

35、本发明提出一种直流电网实时分布式最优潮流控制系统，包括：

36、获取模块，用于获取本地直流电源的输出电压和输出电流；

37、平均电压误差计算模块，用于根据所述输出电压、预设的直流电网标称电压、本地一致性控制偏差以及从一个或多个邻居节点接收的邻居一致性控制偏差，计算得到本地平均电压误差；

38、电压积分控制信号模块，用于对所述本地平均电压误差进行积分控制，生成电压积分控制信号；

39、一致性控制偏差更新模块，用于根据所述电压积分控制信号和从一个或多个邻居节点接收的邻居电压积分控制信号，对所述本地一致性控制偏差进行更新，得到本地一致性控制偏差的更新信号；将本地一致性控制偏差的更新信号反馈至平均电压误差计算模块中用于下一控制周期计算；

40、电流比例积分控制模块，用于对所述输出电流与引入的虚拟电流信号之间的差值进行比例积分控制，生成电流比例积分控制信号；

41、虚拟电流更新模块，用于根据本地成本函数的梯度和预设的电流运行约束，对所述虚拟电流信号进行更新，得到虚拟电流信号的更新信号；将虚拟电流信号的更新信号反馈至电流比例积分控制模块中用于下一控制周期计算；

42、电压参考输出模块，用于根据所述电流比例积分控制信号、从一个或多个邻居节点接收的邻居电流积分控制信号、所述本地输出电压、以及从一个或多个邻居节点接收的邻居输出电压，生成电压参考值，并输出所述电压参考值以控制所述本地直流电源。

43、本发明提出一种直流电网实时分布式最优潮流控制设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如上述的直流电网实时分布式最优潮流控制方法。

44、本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：

45、本发明通过在引入虚拟电流信号，能将输出电流的优化转化为对虚拟电流的跟踪控制，并在后续步骤中基于本地成本函数的梯度进行虚拟电流更新，整个过程无需任何线路阻抗参数参与计算，本发明在电压参考值生成的过程中去除了对直流系统电气网络参数的依赖，直接使用人为设定的通信网络权重即可找到全网真实损耗最小的运行点，极大提高了系统在应对线路老化、网络重构等参数未知或时变工况下的控制鲁棒性。

46、本发明构建了平均电压主动调节闭环，通过计算本地平均电压误差，能将全局平均电压的控制目标分解为每个节点可本地计算的分布式一致性误差；步骤s3通过积分控制确保稳态时平均电压误差归零；通过一致性更新使电压积分控制信号趋于一致，能将平均电压调节至标称值，确保在系统受到扰动后仍能维持电压稳定，显著提升了直流电网的电压稳定裕度；另外，本发明的每个直流电源控制器仅需获取本地信息以及通过通信网络从邻居节点接收的邻居信息，并都能在每个控制周期内本地完成计算，无需任何集中式优化求解器或全局数据采集，采用分布式架构使系统具备良好的灵活性与可扩展性，能够适应直流电网即插即用的实际工况，同时避免了集中式控制中单点故障导致的全局失效风险。