一种计及光伏出力波动的交直流混合配电网安全域计算方法

技术领域

发明涉及一种计及光伏出力波动的交直流混合配电网安全域计算方法，属于交直流混合配电网运行与调度领域。

背景技术

近年来，国家倡导发展清洁能源，推进生态文明建设，进一步实现能源结构优化，新能源产业得到极大的扶持。随着分布式光伏(Photovoltaic，PV)在电网的渗透率越来越高，电动汽车(electric vehicle，EV)等直流负荷的日益增加，传统交流配电网正逐步演变为交直流混合配电网。相比于传统交流配电网，交直流配电网减少了部分换流环节，更有利于于分布式光伏的接入。分布式光伏的大量接入改变了配电网的潮流分布，间歇性光伏出力易导致配电网出现电压越限、潮流反转等问题。因此定量评估交直流混合配电网对光伏出力波动的接纳能力尤为重要。

安全性是配电网规划、优化和控制的关键，分布式光伏出力的不确定性给配电网的安全运行带来很大挑战。当前的研究存在一定的不足，主要包括三个方面。第一，配电网安全域定义为配电网运行中使所有节点均满足正常安全运行约束条件工作点的集合，描述了系统正常安全运行条件下工作点的最大出力范围，便于进行快速安全评估。但当前针对安全域的研究主要侧重交流配电网，而对于交直流配电网安全域模型的研究相对较少。第二，当前安全域的研究采用的主要是直流潮流线性模型，只考虑了馈线容量和主变容量的约束条件，而忽略了电压约束条件。交直流配电网潮流模型为非线性模型，当接入高比例新能源时配电网不确定性增加，容易出现无功补偿不完全充足和网络损耗较大的情况，配电网的安全运行(安全域)有必要计及电压幅值约束。第三，当前的配电网安全域研究未计及分布式光伏的随机性，将会造成运行控制策略过于乐观，或者构建的安全域无法真实刻画配电网的安全运行空间。第四，上述研究较多采用鲁棒优化等方法处理分布式光伏出力随机性带给配电网运行的影响，但是无法确切地评估配电网接纳光伏出力波动的能力，缺乏定量的刻画手段。

综上所述，本发明采用安全域定量刻画交直流混合配电网接纳光伏出力波动的范围，并提出了计及电压约束、后备容量调节约束、馈线容量约束和关键设备出力约束的交直流配电网安全域模型。其次，采取折半求解法获得一系列安全边界点。最后，采用凸包络法构建交直流混合配电网安全域。本发明所提交直流混合配电网安全域旨在为配电网应对间歇性光伏出力波动的能力评估提供参考。

发明内容：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是为衡量配电网应对间歇性光伏出力波动的能力而提供一种计及光伏出力波动的交直流混合配电网安全域计算方法。

技术方案：本发明提供以下技术方案：一种计及光伏出力波动的交直流混合配电网安全域计算方法，在计算机中按以下步骤实现：

1)基于光伏出力日前预测值构建交直流混合配电网确定性优化调度模型；

2)根据确定性优化调度模型求解交直流混合配电网基准运行点；

3)考虑光伏的实时波动特性建立交直流配电网实时调整模型；

4)引入松弛变量，采用折半求解的方法获取安全边界点；

5)采用凸包络法拟合安全边界点，生成安全域空间；

6)输出交直流混合配电网光伏出力波动空间的安全域图像。

作为优化，所述步骤1)中：

交流配电网潮流模型为：

式中：P

交流配电网约束条件为：

式中，

直流配电网潮流模型为：

式中：X(i)为直流电网中首节点为i的支路的末节点集合，Y(i)为直流电网中末节点为i的支路的首节点集合，Ω

直流配电网约束条件为：

式中：P

换流器数学模型为：

式中：

由于μ＝0.866，0≤M≤1，所以式(A-22)可以等效为如下线性约束：

作为优化，所述步骤3)中：

针对光伏出力的随机性，需在确定性优化调度模型的基础上计及配网侧的实时调整，保证在光伏出力波动的情况下配电网新的运行点处于安全运行范围内。交直流配电网实时调整模型为：

实时调整过程中，

同时采用同区域内各光伏出力波动量的差值平方和描述光伏出力相关性：

式中：

作为优化，所述步骤4)中：

通过建立非线性规划模型求取安全边界点，建立如下优化模型：

当

由于安全边界点一定在状态空间边界点和原点的连线上，采用折半求解法可求得安全边界点，安全边界点的搜索过程如下：

步骤1：根据后备调节容量约束条件确定光伏出力波动值的最大范围B，取状态空间边界点为交直流配电网的初始安全边界点

步骤2：选取一个正数ε，令t

步骤3：求解非线性规划模型(A-26)，若

步骤4：令t＝0.5×(t

步骤5：若t

上述步骤中，t为比例系数，t

作为优化，所述步骤5)中：

交直流配电网安全域定义为配电网运行中满足馈线容量约束条件、电压约束条件和后备调节容量约束条件的光伏出力波动运行点(即光伏实时出力与预测值的差值)的集合。则交直流配电网安全域内的工作点集合表示为：

采用凸包络法拟合安全边界点构建安全域空间，其本质为分段线性化拟合，不受拟合点数量的限制，构建高维安全域时仍有较好的拟合精度，凸包络为包含全部安全边界点的最小凸集，定义安全边界点集合为Y，安全边界点的凸包络表达式如下：

式中，δ

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明采用安全域定量刻画交直流混合配电网接纳光伏出力波动的范围，并提出了计及电压约束、后备容量调节约束、馈线容量约束和关键设备出力约束的交直流配电网安全域模型。其次，采取折半求解法获得一系列安全边界点。最后，采用凸包络法构建交直流混合配电网安全域。本发明所提交直流混合配电网安全域有望为配电网应对间歇性光伏出力波动的能力评估提供参考。

附图说明：

图1：本发明方法流程图；

图2：交直流混合配电网算例拓扑结构图；

图3换流器不同无功补偿下的安全域；

图4换流器不同控制方式下配电网安全域；

图5不同区域负荷加重情况下配电网安全域图像。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

1交直流混合配电网安全域模型

1.1交直流混合配电网确定性优化调度模型

确定性优化调度模型由交流配电网、直流配电网和换流器的模型构成。

对于交直流配电网的确定性优化运行，采取网络损耗最小为目标函数，即

式中：I

交流配电网潮流模型为：

式中：P

式(B-2)-(B-4)为交流配电网支路潮流方程，式(B-5)为节点有功功率注入方程，式(B-6)为节点无功功率注入方程。

交流配电网约束条件为：

式中，

式(B-7)为馈线首端出力约束，式(B-8)为馈线容量约束，式(B-9)-(B-10)为光伏出力约束，式(B-11)为节点电压约束。

直流配电网潮流模型为：

式中：X(i)为直流电网中首节点为i的支路的末节点集合，Y(i)为直流电网中末节点为i的支路的首节点集合，Ω

式(B-12)-(B-14)为直流流配电网支路潮流方程，式(B-5)为节点有功功率注入方程。

直流配电网约束条件为：

式中：P

式(B-16)为直流电网的馈线约束，式(B-17)为直流侧光伏出力约束，式(B-18)为节点电压约束。

换流器数学模型为：

式中：

由于μ＝0.866，0≤M≤1，所以式(A-22)可以等效为如下线性约束：

式(B-19)-(B-20)为VSC潮流方程，式(B-21)和式(B-22)分别为无功补偿约束和VSC容量约束。式(B-23)为换流器两侧电压关系。

1.2交直流混合配电网实时再调度优化模型

针对光伏出力的随机性，在确定性优化调度模型的基础上计及配网侧的实时调整，保证在光伏出力波动的情况下配电网新的运行点处于安全运行范围内。交直流配电网实时调整模型为：

实时调整过程中，

同时采用同区域内各光伏出力波动量的差值平方和描述光伏出力相关性：

式中：

1.3交直流混合配电网安全域模型

交直流配电网安全域定义为配电网运行中满足馈线容量约束条件、电压约束条件和后备调节容量约束条件的光伏出力波动运行点(即光伏实时出力与预测值的差值)的集合。则交直流配电网安全域内的工作点集合表示为：

式中：Ω

2安全边界点的求解

通过建立非线性规划模型求取安全边界点，建立如下优化模型：

当

由于安全边界点一定在状态空间边界点和原点的连线上，采用折半求解法可求得安全边界点，安全边界点的搜索过程如下：

步骤1：根据后备调节容量约束条件确定光伏出力波动值的最大范围B，取状态空间边界点为交直流配电网的初始安全边界点

步骤2：选取一个正数ε，令t

步骤3：求解非线性规划模型(B-28)，若

步骤4：令t＝0.5×(t

步骤5：若t

上述步骤中，t为比例系数，t

3算例分析

本发明测试算例采用改进的45节点环状交直流配电网系统，配电网拓扑结构如图2所示。交流电网电压等级为10kV，直流电网电压等级为±10kV,馈线首端载流量为3MVA，支路2-5载流量为1.5MVA，其他支路载流量为1MVA，光伏出力预测误差为30％。安全域边界点的求取(式(B-25)-(B-28))采用GAMS软件中的CONOPT求解器。

本发明设计对比了不同换流器无功补偿下交直流混合配电网安全域、换流器不同控制方式下交直流混合配电网安全域和不同区域负荷变化下交直流混合配电网安全域，并且验证了凸包络法拟合精度。对比分析结果如表1与图3-5所示，由该结果可知，换流器在系统无功不足时进行无功补偿，支撑系统电压，提高了配电网接纳光伏出力波动的能力。主从控制模式下的换流器优化了有功与无功控制参数，有效增大了安全域空间。此外，部分地区的安全域空间易受负荷增长的影响，需安装无功补偿设备以适应未来负荷的增长需求。以上计及光伏出力波动的交直流混合配电网安全域模型定量评估了交直流混合配电网应对间歇性光伏出力波动的能力，有望为配电网后续安全运行及规划设计提供参考。

表1凸包络发拟合精度