面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法

技术领域

本发明属于电力配电技术领域，特别是涉及一种面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法。

背景技术

经济的快速发展使得社会用电需求与日俱增，但也导致电网出现尖峰负荷以及峰谷差过大问题，为配电网的安全稳定运行带来挑战，因此在配电网实际运行过程中会采取相应的优化目标以实现负荷曲线的调节，由此来维持电网的安全经济运行。在电源侧方面，通过分布式发电装置与储能装置的联合优化调度来平滑负荷曲线得到越来越多专家与学者的注意；在用户侧方面，则大多集中于对电动汽车等新型负荷的管理以及需求侧响应技术的利用方面，柔性负荷是一种重要的需求侧资源，因此通过对柔性负荷进行主动管理实现削峰填谷以及负荷曲线的平滑已经成为调节负荷曲线的一种重要手段。

然而对于分布式电源来说，其容量小、分布广泛且具有间断性和随机性的特点，难以进行有效管理，同时对于中小用户来说，其负荷分散，参与市场的不确定性很高，难以使其参与到电力系统的调度与电力市场的交易中。虚拟电厂(VPP)的提出能够妥善解决分布式电源或相关用户难以管理的问题，目前已有大量有关虚拟电厂参与配电系统调度从而支撑配电网运行的研究。但上述研究大多集中于虚拟电厂参与配电网运行调度方向，从负荷曲线预测角度展开的关于虚拟电厂对负荷曲线的调节作用的研究还不多见。因此，为了量化虚拟电厂参与下对负荷曲线的调节效果，进而指导配电网的规划与运行，需要研发一种面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法。

为了达到上述目的，本发明提供的面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)获取配电网中虚拟电厂的数量、日负荷曲线、分布式电源的数量、分布式电源的装机容量、分布式电源各时刻的额定出力、储能装置容量、储能装置最大充放电功率、储能装置荷电状态的最大值和最小值、可转移负荷的容量和可削减负荷的容量、分时电价数据、可转移负荷和可削减负荷的补偿力度在内的基础数据；

步骤2)设置上下两层模型之间迭代的收敛条件；

步骤3)根据步骤1)中获取的基础数据，聚合分布式电源、储能装置、可转移负荷和可削减负荷在内的柔性负荷作为虚拟电厂，以配电系统负荷峰谷差最小以及上层虚拟电厂的计划出力和下层虚拟电厂的实际出力偏差最小作为目标函数，以配电系统功率平衡、虚拟电厂整体出力作为约束条件，构建虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟上层优化模型；

步骤4)采用CPLEX求解器对步骤3)构建的上层优化模型进行求解，获得虚拟电厂的计划出力；

步骤5)以上下两层虚拟电厂出力偏差值最小作为下层第一阶段优化模型的目标函数，以VPP系统供需平衡约束、分布式电源出力约束、储能装置出力约束和柔性负荷约束作为下层第一阶段优化模型的约束条件，以虚拟电厂的收益最大作为下层第二阶段优化模型的目标函数，以虚拟电厂出力约束、分布式电源出力约束、储能装置出力约束和柔性负荷约束作为下层第二阶段优化模型的约束条件，构建虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的下层第一、二阶段优化模型；

步骤6)将步骤4)中获得的虚拟电厂的计划出力作为下层第一阶段优化模型的输入数据，采用CPLEX求解器对步骤5)中构建的下层第一阶段优化模型进行求解，得到虚拟电厂的实际出力；

步骤7)判断虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值是否达到步骤2)中设置的收敛条件，若二者出力偏差值大于设置的收敛精度，则以下层第一阶段得到的虚拟电厂的实际出力替代步骤3)中下层虚拟电厂的实际出力，然后转到步骤4)，否则进入下一步骤；

步骤8)将步骤6)得到的虚拟电厂的实际出力作为下层第二阶段优化模型的输入数据，采用CPLEX求解器对步骤5)中得到的下层第二阶段优化模型进行求解，得到虚拟电厂的收益、虚拟电厂中各资源的调度方案以及最终优化后的负荷曲线；

步骤9)定义描述负荷曲线的相关特征指标，用以分析上下两层优化模型对负荷曲线的调节效果。

在步骤3)中，所述的虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的上层优化模型的目标函数表达式为：

min((maxP

其中，

式中，P

配电系统功率平衡约束条件表达式为：

虚拟电厂整体出力约束条件表达式为：

式中，

在步骤5)中，所述的构建虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的下层第一、二阶段优化模型的方法是：

步骤5.1)所述的下层第一阶段优化模型的目标函数表达式为：

VPP系统供需平衡约束条件表达式为：

分布式电源出力约束条件表达式为：

式中，

储能装置约束条件表达式为：

其中，式(10)为t时刻储能装置储存的电能及其充放电功率之间的关系；式(11)为储能装置的容量约束；式(12)、(13)分别为充电功率约束和放电功率约束；式(14)为储能装置的工作状态限制，分为空闲、充电与放电三种，在同一时刻只能处于一种工作状态；式(15)为储能装置的周期约束，周期始末储能装置的容量保持恒定，即充放电电量保持一致。

其中，

柔性负荷约束条件表达式为：

式(16)至式(19)为可削减负荷相关约束条件，式(20)至式(22)为可转移负荷相关约束条件。其中式(16)为用户舒适度与接受度的约束，限制每时刻削减容量上下限；式(17)为削减总次数约束；式(18)为单个用户削减总容量上下限约束；式(19)为VPP系统内所有用户削减总容量约束；式(20)为用户舒适度与接受度约束，限制每时刻转移容量上下限；式(21)为单个用户转移总容量上下限约束；式(22)为VPP系统内所有用户转移总容量约束。

其中，

步骤5.2)所述的下层第二阶段优化模型的目标函数表达式为：

其中，

其中，

虚拟电厂出力约束条件表达式为：

其中，

此外还需要考虑的约束条件包括第一阶段优化中提到的分布式电源出力约束、储能装置出力约束和柔性负荷约束条件，其表达式见式(9)-式(22)。

在步骤7)中，所述的判断虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值是否满足收敛条件的表达式为：

其中，r为虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值，δ为收敛精度最大值，表示当虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值小于收敛精度最大值δ时收敛得到虚拟电厂最终实际出力。

在步骤9)中，所述的描述负荷曲线的相关特征指标的表达式如表1所示：

表1负荷曲线特征指标

本发明提供的面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法的有益效果：首先，各类主动资源的引入虽然可以有效缓解电网尖峰负荷以及峰谷差过大问题，但上述资源存在着不确定性高且难以有效管理等难题，而通过虚拟电厂整合前文所述的各类资源参与到系统的优化运行中，能够有效解决各类资源难以管理的问题；其次，该方法考虑虚拟电厂的经济效益对虚拟电厂内部各发电单元和用电单元的出力进行优化，不但能够最大程度地实现分布式电源的就地消纳，并且能够保证虚拟电厂模型的经济性；最后，通过模拟主动管理策略下虚拟电厂对负荷曲线进行进一步优化，得到了更加贴合电网运行实际的负荷需求曲线，有利于更加精准地指导配电网的规划建设与运行调度。

附图说明

图1为本发明提供的面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法流程图。

图2为虚拟电厂1整体出力及其内部单元各自出力情况。

图3为虚拟电厂2整体出力及其内部单元各自出力情况。

图4为虚拟电厂系统整体出力及其内部单元各自出力情况。

图5为不同场景下虚拟电厂对负荷曲线调节效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的面向负荷曲线调节的有源配电网模拟优化运行方法按顺序进行的下列步骤：

步骤1)获取配电网中虚拟电厂的数量、日负荷曲线、分布式电源的数量、分布式电源的装机容量、分布式电源各时刻的额定出力、储能装置容量、储能装置最大充放电功率、储能装置荷电状态的最大值和最小值、可转移负荷的容量和可削减负荷的容量、分时电价数据、可转移负荷和可削减负荷的补偿力度在内的基础数据；

在本实施例中，表2为参与调节的原始日负荷曲线，考虑2个VPP系统参与配电系统的优化运行，第一个VPP系统中包括两个光伏系统和一个储能系统，光伏系统的装机容量为100kW，储能系统的容量为1800kWh，额定功率为300kW。第二个VPP系统由一个光伏系统和一个储能系统组成，光伏系统的装机容量为200kW，储能系统的容量为900kWh，额定功率为150kW。考虑储能装置荷电状态最大值和最小值分别为0.8和0.2。表3为各时刻分布式光伏的额定出力。对于第一个VPP系统，参与调度的可转移负荷总量占配电系统总负荷的3％，可削减负荷总量占配电系统总负荷的1％，第二个VPP系统参与调度的可转移负荷总量占配电系统总负荷的2％，可削减负荷总量占配电系统总负荷的1％。需求响应策略采用分时电价，表4为峰谷时段划分以及分时电价情况。本发明中按照同一时刻的系统电价对可削减负荷进行补偿，按照同一时刻系统电价的80％对可转移负荷的调度进行补偿，a

表2原始负荷水平

表3各时刻分布式光伏额定出力(p.u.)

表4分时电价划分

步骤2)设置CPLEX求解器的收敛间隙值为0.01，确定上下两层模型间迭代的收敛条件为上层模型得到的虚拟电厂的计划出力与下层模型得到的虚拟电厂的实际出力偏差值不大于1e-5；设定下层模型中虚拟电厂的实际出力初值为0。

步骤3)根据步骤1)中获取的基础数据，聚合分布式电源、储能装置、可转移负荷和可削减负荷在内的柔性负荷作为虚拟电厂，以配电系统负荷峰谷差最小以及上层虚拟电厂的计划出力和下层虚拟电厂的实际出力偏差值最小作为目标函数，以配电系统功率平衡、虚拟电厂出力作为约束条件，构建虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的上层优化模型；

其中，考虑虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的上层优化模型的目标函数表达式为：

min((max P

其中，

其中，P

配电系统功率平衡约束条件表达式为：

虚拟电厂整体出力约束条件表达式为：

其中，

步骤4)采用CPLEX求解器对步骤3)获得的上层优化模型进行求解，得到上层优化模型中虚拟电厂的计划出力；

步骤5)以上下两层虚拟电厂出力偏差值最小作为下层第一阶段优化模型的目标函数，以VPP系统供需平衡约束、分布式电源出力约束、储能装置出力约束和柔性负荷约束作为下层第一阶段优化模型的约束条件，以虚拟电厂的收益最大作为下层第二阶段优化模型的目标函数，以虚拟电厂出力约束、分布式电源出力约束、储能装置出力约束和柔性负荷约束作为下层第二阶段优化模型的约束条件，构建虚拟电厂参与主动管理的配电网运行模拟的下层第一、二阶段优化模型；

步骤5.1)所述的下层第一阶段优化模型的目标函数表达式为：

VPP系统供需平衡约束条件表达式为：

分布式电源出力约束条件表达式为：

其中，

储能装置约束条件表达式为：

式(39)为t时刻储能装置储存的电能及其充放电功率之间的关系；式(40)为储能装置的容量约束；式(41)、(42)分别为充电功率约束和放电功率约束；式(43)为储能装置的工作状态限制，分为空闲、充电与放电三种，在同一时刻只能处于一种工作状态；式(44)为储能装置的周期约束，周期始末储能装置的容量保持恒定，即充放电电量保持一致。

其中，

柔性负荷约束条件表达式为：

式(45)至式(48)为可削减负荷相关约束条件，式(49)至式(51)为可转移负荷相关约束条件。其中式(45)为用户舒适度与接受度的约束，限制每时刻削减容量上下限；式(46)为削减总次数约束；式(47)为单个用户削减总容量上下限约束；式(48)为VPP系统内所有用户削减总容量约束；式(49)为用户舒适度与接受度约束，限制每时刻转移容量上下限；式(50)为单个用户转移总容量上下限约束；式(51)为VPP系统内所有用户转移总容量约束。

其中，

步骤5.2)所述的下层第二阶段优化模型的目标函数表达式为：

其中，

其中，

虚拟电厂出力约束条件表达式为：

其中，

此外还需要考虑的约束条件包括下层第一阶段优化中提到的相关约束条件，其表达式见式(38)—式(56)。

步骤6)将步骤4)中求解得到的虚拟电厂的计划出力作为下层第一阶段优化模型的输入数据，采用CPLEX求解器对步骤5)中构建的第一阶段优化模型进行求解，得到虚拟电厂的实际出力；

步骤7)判断虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值是否达到步骤2)中设置的收敛条件，若二者出力偏差值大于设置的收敛精度，则以下层第一阶段得到的虚拟电厂的实际出力替代步骤3)中下层虚拟电厂的实际出力，然后转到步骤4)，否则进入下一步骤；

其中，所述的判断虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值是否满足收敛条件的表达式为：

其中，r表示虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值，δ为收敛精度最大值，表示当虚拟电厂的计划出力与实际出力偏差值小于收敛精度最大值δ时收敛得到虚拟电厂最终实际出力，收敛精度最大值δ取1e-5。

步骤8)将步骤6)得到的虚拟电厂的实际出力作为下层第二阶段优化模型的输入数据，采用CPLEX求解器对步骤5)中得到下层第二阶段优化模型进行求解，得到虚拟电厂的收益、虚拟电厂中各资源的调度方案以及最终优化后的负荷曲线；

步骤9)定义描述负荷曲线的相关特征指标，用以分析上下两层优化模型对负荷曲线的调节效果。

其中，所述的的相关特征指标的表达式如表5所示：

表5负荷曲线特征指标

对于本实施例，为了分析不同类型分布式能源构成虚拟电厂时对负荷曲线的调节效果，设置四种不同场景进行仿真模拟。场景1为基准场景，只考虑分布式电源对负荷曲线的调节；场景2中不考虑柔性负荷，仅考虑分布式电源与储能装置联合调度对负荷曲线的调节；场景3中不考虑储能装置，只考虑分布式电源和柔性负荷对负荷曲线的调节；场景4为综合场景，考虑分布式电源、储能装置以及柔性负荷对负荷曲线的调节。表6为具体的场景划分情况，表7为四种场景下各类负荷曲线指标的变化程度；虚拟电厂1整体出力及其内部单元各自出力情况如图2所示；虚拟电厂2整体出力及其内部单元各自出力情况如图3所示；虚拟电厂系统整体出力及其内部单元出力情况如图4所示；不同场景下虚拟电厂对负荷曲线调节效果图如图5所示。

表6VPP场景划分

表7场景4优化前后负荷曲线调节程度

由实际的计算结果我们可以看出，由分布式光伏、储能装置以及柔性负荷聚合成虚拟电厂参与配电系统的运行时，虚拟电厂中的储能装置在负荷低谷时段进行充电在高峰时段释放电能，同时能够与分布式电源配合实现分布式光伏的就地消纳，大大提升了资源的利用率，降低了弃光率；部分柔性负荷由用电高峰时段转移至低谷时段，甚至在高峰时段进行合理的削减。在此主动管理下，配电系统相关负荷曲线指标如峰谷差率、负荷率等都有很大程度的改善，主动管理策略的实施有效实现了配电系统的削峰填谷，大大缓解了电网压力，对负荷曲线的调节效果显著，能够为当前及未来配电网规划方案的提出提供支撑与指导。