基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略

1.基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述耦合系统包括上层MPC控制系统和下层MPC控制系统，所述上层MPC控制系统与下层MPC控制系统的控制满足安全约束条件，具体按照以下步骤实施：步骤1、分析耦合系统的“单元-场站-系统”层级特征，确定耦合系统分层电压控制结构；步骤2、兼顾耦合系统运行网损优化和各类并网点电压控制需求，考虑耦合系统内各类无功源资源，构建基于MPC-ADMM的网损优化控制与电压矫正控制的双模式自适应切换的分层协同控制数学模型；步骤3、采用ADMM算法对分层协同控制数学模型中参数进行优化，计算并网点电压控制结果；步骤3具体过程为：步骤3.1：设置功率日波动场景，时间尺度为15min，场景循环迭代标志 m = m +1；步骤3.2：初始化ADMM算法参数、算法乘子及系统内部各控制变量、下层场站并网点电压 U L WF、 U L PV，设置迭代标志 k =0；步骤3.3：令 k = k+ 1，上层MPC控制系统接受上级控制中心并网点参考电压指令后，判断上层MPC控制系统关键并网点电压状态，HMPC控制器切换至对应控制模式，并求解上层MPC控制系统控制的上层场站并网点电压作为对应新能源场站并网点电压控制指令，传递给下层对应场站LMPC控制器；步骤3.4：下层MPC控制系统在接受上层MPC控制系统下达场站并网点电压参考指令后，根据下层风、光场站并网点电压状态选择对应LMPC控制器控制模式，分别求解下层场站并网点电压，并向HMPC控制器系统上传新能源场站剩余可控无功范围；步骤3.5：判断HMPC控制系统风、光场站并网点电压 U H WF、 U H PV与对应LMPC控制系统场站并网点电压 U L WF、 U L PV之间的残差是否满足设定容差限值，若满足，则输出系统节点电压控制结果，更新算法乘子后返回步骤3.1，否则，更新算法乘子后返回步骤3.2。 2.根据权利要求1所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，步骤1具体过程为：所述上层MPC控制系统包括传统火电机组、无功补偿装置、上级控制中心，所述上级控制中心通过耦合系统并网点连接控制HMPC控制器，并向HMPC控制器输入耦合系统并网点参考电压指令，所述传统火电机组、无功补偿装置均连接HMPC控制器，并通过HMPC控制器接收耦合系统并网点参考电压指令；将下层MPC控制系统按新能源场站种类分解为多个由LMPC控制器控制的子场站系统，所述HMPC控制器通过各场站并网点连接LMPC控制器，并向LMPC控制器下发各场站并网点电压参考指令，所述LMPC控制器直接向各新能源场站下发各场站并网点电压参考指令，所述HMPC控制器接收各新能源场站剩余可调无功范围。 3.根据权利要求2所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述新能源场站种类包括风电场、光伏电场。 4.根据权利要求2所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述安全约束条件表示为： （1）式（1）中， 是HMPC控制器下发至风电场并网点参考电压指令， 是HMPC控制器下发至光伏电站并网点参考电压指令， 是LMPC控制器下发至风电场并网点参考电压指令， 是LMPC控制器下发至光伏电站并网点参考电压指令。 5.根据权利要求2所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，步骤2具体过程为：在控制目标电压设置上运行网损优化和各类并网点电压控制需求，设计两种控制模式：电压矫正控制、正常网损控制，两种控制模式通过判断耦合系统并网点电压的运行状态，实现控制状态的自适应切换；并以两种模式建立关于上层MPC控制系统和下层MPC控制系统的目标函数及预测模型，即为分层协同控制数学模型。 6.根据权利要求5所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述两种控制模式通过判断耦合系统并网点电压的运行状态，实现控制状态的自适应切换具体过程为：将耦合系统并网点作为一个节点 i ，并设置电压安全范围，控制器控制切换逻辑规则如下：①节点 i 电压处于预设电压安全范围内时，即：||U i －U i,ref || ≤ U i,th ，HMPC控制器或LMPC控制器处于正常网损控制模式，在保证电压安全约束条件下，使系统网损最优；②节点 i 电压处于设定电压安全范围外，即，||U i －U i,ref || >U i,th ，HMPC控制器或LMPC控制器转向电压矫正控制模式，使节点 i 电压偏差最小；其中， U i 表示节点 i 电压， U i,ref 则表示对应节点电压参考值； U i,th 表示节点 i 电压阈值。 7.根据权利要求6所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述以两种模式建立关于上层MPC控制系统和下层MPC控制系统的目标函数及预测模型具体过程为：（1）对于上层MPC控制系统的控制模型：①处于正常网损控制时，若上层系统关键并网点点电压均在预设范围内，即：|| U H i － U H i ,ref|| ≤ U H i ,th，HMPC控制器切换至正常网损控制模式；该控制模式下，系统有功网损和控制代价被作为优化目标；基于ADMM优化算法，目标函数表示为： （2）式(2)中，ω Ploss > 0、ω cost > 0分别代表系统网损和上层系统控制代价的权重系数，λ WF 、λ PV 均为拉格朗日乘子，ρ WF 、ρ PV 均为惩罚因子， Nc 表示模型预测控制算法中控制步长，其中预测步长N p = N c =3；系统有功网损受发电机端电压U g 、输出功率P g 和风、光新能源场站向上层MPC控制系统提供无功 Q WF sta、 Q PV sta的影响，则关于系统有功网损的线性化预测模型为： （3）式(3)中， P H loss (0)为系统有功网损在当前时刻测量值，∆ u H ( k )=[∆ U g( k ) ,∆ P g( k ) ,∆ Q WF sta( k ) ,∆ Q PV sta( k )] T 为未来 k 时刻控制变量组成的列向量；∂ P H loss/∂ u H 为系统有功网损对上层控制变量的灵敏度矩阵；新能源场站可提供无功可表示为： （4）式(4)中，∆ Q WF,SVC 、∆ Q PV,SVC 表示为： （5）式(4)中， S N,WF 、 S N,PV 为风机、光伏单元额定容量， P m,WF 、 P n,pv 为当前时刻风电场、光伏电站内第 m 和 n 台单元机组出力大小； N WF ， N PV 对应风电场、光伏电站单元机组数量；式(5)中， Q N,SVC 为SVC额定容量； Q WF,SVC 、 Q PV,SVC 分别表示下层风电场、光伏电站消耗无功补偿设备无功功率；②处于电压矫正控制时，当上层系统关键并网点电压超出电压预设范围，即：|| U H i － U H i ,ref|| ≥ U H i ,th，HMPC控制器转为电压矫正控制模式；该运行模式下，考虑并网点电压与对应参考电压偏移和控制代价，其控制器目标函数为： （6）式(6)中， U H i ( k )为上层系统关键节点 i 电压预测值；同样受发电机参考电压、出力和新能源场站可提供无功功率的影响，关于上层关键节点 i 电压的预测模型为： （7）其中， U H i (0)为上层系统节点 i 电压在当前时刻测量值，∂ U H i /∂ u H 为上层节点 i 电压对控制变量的灵敏度矩阵；上层MPC控制系统的目标函数(2)、(6)满足以下约束条件： （8）上层MPC控制系统的目标函数除了满足上述关于电压、控制变量范围不等式约束(8)外，还需满足式(3)、(6)中关于系统网损、上层关键节点电压等式约束；（2）对于下层MPC控制系统的控制模型仿照上层优化控制模型目标函数的设置，新能源场站控制目标函数也设置两种控制模式：矫正电压控制、正常网损控制；①处于正常网损控制时，如果下层系统各新能源场站关键并网点电压均在预设范围内，即：|| U L i － U L i ,ref|| ≤ U L i ,th，LMPC控制器运行在正常控制模式，以保证新能源场站运行经济性为目标，考虑场站有功网损和控制代价最小；其中，下层MPC控制系统中节点电压参考值 U L i ,ref为HMPC控制器输出结果；风电场的目标函数为： （9）光伏电站： （10）下层场站网损受到新能源单元和静止无功补偿装置无功 Q WFGU （ Q PVGU ）、 Q SVC 的影响，关于风、光场站有功网损的线性化预测模型为： （11） （12）式(11)-(12)中， P WF loss(0)、 P PV loss(0)对应风、光场站有功网损在当前时刻的测量值；∆ u WF ( k )=[∆ Q WFGU (k),∆ Q SVC ( k )] T 是对应未来 k 时刻风场站由控制变量组成的列向量；∆ u PV ( k )=[∆ Q PVGU ( k ),∆ Q SVC ( k )] T 是对应未来 k 时刻光场站由控制变量组成的列向量；∂ P WF loss/∂ u WF 、∂ P PV loss/∂ u PV 对应风、光场站有功网损对各控制变量的灵敏度矩阵；②处于电压矫正控制时，当下层新能源场站关键并网点电压超出预设范围即：|| U L i － U L i ,ref|| ≥ U L i ,th，LMPC控制器转为矫正控制模式；以电压安全性为目标，考虑并网点 i 电压与对应参考电压偏移和控制代价最小，其控制器目标函数为：风电场目标函数为： （13）光伏电站目标函数为： （14）式(13)-(14)中， U WF i ( k )、 U PV i ( k )对应 k 时刻风、光场站内关键并网点 i 电压预测值，同样受新能源单元和静止无功补偿装置无功的影响；关于下层MPC控制系统中关键节点 i 电压的预测模型表示为： （15） （16）其中， U WF i (0)、 U PV i (0)为风、光场站节点 i 电压在当前时刻测量值；∂ U WF i /∂ u WF 、∂ U PV i /∂ u PV 为下层风、光场站节点电压对控制变量的灵敏度矩阵；下层MPC控制系统中新能源场站目标函数(9)、(10)和(13)、(14)满足以下关于电压、控制变量不等式约束： （17） （18）下层MPC控制系统中新能源场站目标函数除了满足不等式约束之外，还需满足式(11)、(12)和(15)、(16)中关于下层场站网损、节点电压等式约束。 8.根据权利要求7所述基于MPC-ADMM的耦合系统电压分层协同控制策略，其特征在于，所述更新算法乘子的更新公式为： （19）式中， μ ，σ为可调参数，其中， μ >0、 τ inc >1.0、 τ dec >1.0。