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基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法

文献发布时间:2023-06-19 18:37:28


基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法

技术领域

本发明配电网能量控制技术领域,具体为基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法。

背景技术

随着全球能源、环境和气候问题日益突出,我国光伏呈现出“高比例,分散式”的发展趋势,据统计2021年我国新增分布式光伏约2900万千瓦,约占全部新增光伏发电装机的55%。然而,大量分布式光伏并网运行的低压配电网,由于薄弱的网架结构和基础设施导致系统应对电压越限、网损和峰谷差较大等的调节能力严重不足,须新增大量并网调节设备(储能、调压器、有载调容分接开关等)来保证网络运行的安全性和经济性,但这会带来巨量的设备投资和运维成本;同时,用户侧含有大量的储能(电、热、冷)设备和可调节负荷(洗衣机、消毒柜等),但电网的能量管理系统与用户的能量管理系统未形成互动关系,使得用户侧的大量可调资源未参与电网的调节,导致了资源的极大浪费。

配电能量管理系统(distribution energy management system,DEMS)是通过控制和通信技术对配电网中的可控设备进行优化管理,以提升网络的运行状态为目标。家庭能量管理系统(home energy management system,HEMS)是通过各种优化算法和优化模型对用户的可控负荷进行优化管理,以提高用户的用电经济性为目标。DEMS与HEMS的目标具有相互矛盾的性质,仅考虑DEMS 会增加电网投资和降低用户的收益,而仅考虑HEMS又无法解决海量光伏并网带来的安全性问题和造成用户可调资源的极大浪费。为了协调DEMS和HEMS,一些基于需求侧响应方法,来引导大型工商业用户进行负荷转移已达到了较好的削峰填谷的效果,但对于部分超低负荷农村区域的分布式光伏爆发式增长,其区域内统一的电价信息已无法引导屋顶光伏有序并网;另一些基于博弈论理论方法,存在电价价格函数按照发电机组的耗量特性确定与大量分布式光伏电源不相符合的情况,此外,未充分考虑用户本身具有的随机性、灵活性、自主性以及用户的隐私和设备产权等问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题,提出了本发明。

因此,本发明解决的技术问题是:传统低压配电网面临因海量光伏并网而导致的电网动态调节能力不足。

为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法,包括:

获取配电网参数,利用稳态安全域整定各节点的责任调节量;

基于所述责任调节量进行责任调节;

基于优化目标和安全域约束条件构建配电网优化模型和用户优化模型;

求解配电网优化模型和用户优化模型获取目标调节量和奖励价格信息,并将所述求解信息发送给用户以进行能量调节。

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述稳态安全域SSR为:节点电压约束的稳态电压安全区SVSR和线路电流约束的热安全区THSR的交集。

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述利用稳态安全域整定各节点的责任调节量,包括:构建线路电流约束的热安全区THSR的边界;

线路电流约束的热安全区THSR的边界对应于

线路电流约束的热安全区THSR的边界对应于

线路电流约束的热安全区THSR对应于I

其中,

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述利用稳态安全域整定各节点的责任调节量,还包括:构建稳态电压安全区SVSR边界的线性表达式,表示为:

其中,

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述稳态安全域SSR,表示为:

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述责任调节,包括:利用配电网侧的储能系统ESS、静止无功发生器SVG进行优先调节,当调节能力不足时,通过用户的ESS和可调负荷完成责任调节。

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述构建配电网优化模型,包括:以网损最小为优化目标构建三相四线制配电网最优潮流模型,优化变量为电网侧的储能有功和无功、SVG无功和用户侧的可调有功功率,表示为:

其中,P

N×1矩阵中的每个元素表示为:

其中,

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述构建配电网优化模型,还包括:在所构建的三相四线制配电网最优潮流模型中加入电压、电流、功率和三相不平衡约束和增量效益约束;

节点电压、支路电流和节点净功率约束满足SSR;

三相不平衡约束,表示为:

其中,

对各节点设备的功率可调节范围进行限制,表示为:

其中,

将用户参与调节所节省的网络损耗视为网络运行的效益增量,在所构建的配电网最优潮流模型中加入增量效益约束,表示为:

I

其中,I

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述构建用户优化模型,包括:基于用户经济成本最优的优化目标构建用户优化模型,节点i处用户收益的目标函数表示为:

其中,

作为本发明所述的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的一种优选方案,其中:所述构建用户优化模型,还包括:在所述用户优化模型中加入功率平衡约束、储能系统约束和可调节负荷功率约束;

功率平衡约束表示为:

其中,

储能系统的荷电状态SOC可表示为:

其中,i∈Φ

储能系统约束表示为:

其中,

可调节负荷的功率约束表示为:

其中,

本发明的有益效果:本发明通过构建低压配电网两阶段的能量管理架构及数学模型,既确保了网络运行安全性又提高了网络运行和用户用电经济性;通过将传统完全依赖于电网的调节模式改进为基于稳态安全域机会约束模型整定电网和用户的责任调节量方法,确保了网络安全性和“电网-用户”调节权责清晰,进而保障了每个用户都拥有相同的并网权利;通过构建配电网优化模型和用户优化模型对电网能量进行调节,实现了在避免电网可调资源投资过大的同时能进一步提高了用户收益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:

图1为本发明一个实施例提供的基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法的整体流程图;

图2为本发明一个实施例提供的两阶段调节架构图;

图3为本发明一个实施例提供的网络拓扑结构图;

图4为本发明一个实施例提供的并网光伏和负荷的24h功率曲线图;

图5为本发明一个实施例提供的四种策略下16节点电压幅值变化曲线图;图5(a)表示EMS-0策略的16节点电压幅值变化曲线图;图5(b)表示 EMS-1策略的16节点电压幅值变化曲线图;图5(c)表示EMS-2策略的16节点电压幅值变化曲线图;图5(d)表示EMS-3策略的16节点电压幅值变化曲线图;

图6为本发明一个实施例提供的各节点响应的调节策略和奖励价格图;

图7为本发明一个实施例提供的用户收益情况对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中,需要说明的是,术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定,术语“安装、相连、连接”应做广义理解,例如:可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接;同样可以是机械连接、电连接或直接连接,也可以通过中间媒介间接相连,也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1~2,为本发明的一个实施例,提供了基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法,包括:

S1:获取配电网参数,利用稳态安全域整定各节点的责任调节量。

具体的,获取配电网的参数包括获取配电网线路结构、线路参数、各节点的光伏、负荷和有功无功调节容量信息。

更进一步的,利用稳态安全域整定各节点的责任调节量。

应说明的是,在用户调节过程中,为了兼顾用户间的公平,采用安全域模型来划分用户功率变化边界,同一类型用户安全域边界相同,这就使得并网容量大的用户(节点功率超过边界更多)调节量更大,而并网容量小的用户(节点功率不超过边界)可以不启动调节,进而保障了每个用户都拥有相同的并网权利。

还应说明的是,稳态安全区(steady-state security region,SSR)是节点电压约束的稳态电压安全区(steady-state voltage security region,SVSR)和线路电流约束的热安全区(the thermal security region,THSR)的交集,它考虑了有功和无功发电容量限制。

在一个可选的实施例中,确定稳态安全区(SSR)数学表达式的具体步骤为:

以a相为例,假设配电网由nb条线路和n+1条线路组成节点(包括松弛总线),其中节点0是松弛总线;N={1,2…n}是整个网格的节点集;B是整个网格的线路集合。

更进一步的,做出如下两个假设:

假设1:与负载的影响相比,功率损耗的影响非常小,可以忽略不计。

假设2:每个节点的电压幅值等于V

更进一步的,线路l

其中,

电压幅值变化和电流幅值之间的变化关系可表示为:

其中,

更进一步的,通过电网拓扑结构进行推导获得节点j和节点k之间的等效电阻和电抗,表示为:

更进一步的,关于I

应说明的是,由于

更进一步的,通过对式(4)进行归一化,得到线路电流约束的热安全区 (THSR)的边界对应于

其中,

由于I

更进一步的,由式(5)和式(6)可得THSR对应于I

更进一步的,基于以上假设,推导稳态电压安全区(SVSR)边界的线性表达式。

具体的,对应于复杂功率注入空间中节点i的SVSR表示为:

其中,

通过网络拓扑获取节点i和节点j之间的等效电阻和电抗,表示为:

其中,D

更进一步的,复杂功率注入空间中的SSR表示为:

应说明的是,复功率注入空间中的SSR∈R

S2:基于责任调节量进行责任调节;

具体的,利用配电网侧的储能系统(energy storage systems,ESS)、静止无功发生器(static var generator,SVG)进行优先调节,当调节能力不足时,通过用户的ESS和可调负荷完成责任调节。

应说明的是,基于稳态安全域进行电网和用户责任调节量的整定,并基于责任调节量进行责任调节构成了本发明的第一阶段能量调节管理策略;第一阶段能量调节管理策略既能保证电网网络的安全运行,又能保证电网和用户的调节权责清晰。

S3:基于优化目标和安全域约束条件构建配电网优化模型和用户优化模型。

应说明的是,通过构建配电网优化模型和用户优化模型来进行第二阶段的调节,不仅考虑了电网投资和用户收益的,还考虑了用户参与调节的自主性;其中电网只给定用户的功率信号,不对用户的设备进行直接控制,仅交互功率信息更大程度上保护了用户的隐私,用户可以拥有自己的能量管理系统对分布式资源进行管理,尊重了用户在设备调节上的自主性和灵活性;此外,还避免了电网对大量用户终端感知设备的投资,降低了对电网控制中心的算力要求,通过合理的数字化技术和信息交互,将电网运行经济经济性的收益分配给用户,避免了电网的海量投资,充分调动了用户的资源为电网所用。

具体的,以网损最小为优化目标构建三相四线制配电网最优潮流模型,优化变量为电网侧的储能有功和无功、SVG无功和用户侧的可调有功功率,表示为:

其中,P

N×1矩阵中的每个元素表示为:

其中,

更进一步的,在所构建的三相四线制配电网最优潮流模型中加入电压、电流、功率和三相不平衡约束和增量效益约束;

具体的,节点电压、支路电流和节点净功率约束满足SSR;

三相不平衡约束,表示为:

其中,

更进一步的,对各节点设备的功率可调节范围进行限制,表示为:

其中,

更进一步的,将用户参与调节所节省的网络损耗视为网络运行的效益增量,在所构建的配电网最优潮流模型中加入增量效益约束,表示为:

I

其中,I

更进一步的,基于用户经济成本最优的优化目标构建用户优化模型,节点i褚用户收益的目标函数表示为:

其中,

用户购电成本或者售电收益

其中,

用户响应调节的收益

其中,

用户侧ESS的充放电成本

其中,i∈Φ

ESS的一次完整的充放电的运行成本表示为:

其中,

更进一步的,在所构建的用户优化模型中加入功率平衡约束、储能系统约束和可调节负荷功率约束。

功率平衡约束表示为:

其中,

储能系统的荷电状态(state of charge,SOC)可表示为:

其中,i∈Φ

储能系统约束表示为:

其中,

可调节负荷的功率约束表示为:

其中,

S4:求解配电网优化模型和用户优化模型获取目标调节量和奖励价格信息,并将求解信息发送给用户以进行能量调节。

在一个可选的实施例中,通过二阶锥规划方法进行松弛,使用MATLAB 2018b环境和YALMIP平台进行编程,调用CPLEX算法包对程序进行求解。

具体的,两阶段调节流程的具体步骤如下:

步骤1:获取低压配电网的网络拓扑结构、线路参数、各节点光伏、负荷和有功和无功调节容量。

步骤2:当各节点电压和支路电流不合格时,通过稳态安全域整定各节点用户的责任调节量,用户通过储能和可调负荷完成调节。

步骤3:首先,各节点的用户先上报有功功率可调节范围;其次,电网通过配电网优化模型向用户发送目标调节量和奖励价格信息。

步骤4:用户进行选择性响应,并根据用户优化模型优化出最为经济的调节策略,其中包括用户储能和可调节负荷的具体出力情况。

步骤5:剔除未响应变量,根据配电网优化模型进行下一次迭代优化,同时发布下一轮的目标调节量和奖励价格信息,用户再次响应调节。

步骤6:直至网络的运行效益增量小于10

应说明的是,构建配电网优化模型和用户优化模型,并对两模型进行求解进行电网能量调节构成了本发明的第二阶段能量调节管理策略;第二阶段能量调节管理策略通过考虑电网与用户的利益最大化,建立了能量管理系统相互独立、隐私隔离的电网和用户互动策略,电网以运行经济性最优为目标函数,将运行效益增量部分作为额外奖励反馈用户,在避免电网可调资源投资的同时能进一步提高了用户收益。

实施例2

参照图1~2,为本发明的一个实施例,提供了基于高比例户用光伏的低压配电网能量互动协调控制方法,将本发明所述技术方案与传统技术方案进行对比以验证本发明的有益效果。

本实施例采用低压21节点三相四线制网络进行仿真,网络拓扑结构如图 3所示,额定电压为380V,每段线路距离为50m,单位长度的线路阻抗参数如表1所示,基准负荷如表2所示。

电网侧资源:节点1的三相均配置有ESS,额定容量为30kW·h,充/放电功率上限为5kW;节点11的三相均配置有SVG,单项额定输出为100kvar。

用户侧资源:图3标注了用户的光伏和储能接入的位置和相线,单相光伏的最大发电功率为4、5和6kW,2种不同规格的ESS单相并网的额定容量分别为16kW·h和20kW·h,充放电功率上限分别为4和5kW,充电效率分别为92%和95%,充放电成本分别为0.31元/kW·h和0.41元/kW·h,光伏和ESS的具体的接入位置和容量如表3所示;储能SOC范围为[10%,90%]。

本实施例使用的分时电价如表4所示;本实施例设置网络各个节点的电压运行上下限为:0.93-1.07pu,参考电压为:1.0pu;支路电流的上下限为:± 100A。

表1单位长度的线路的阻抗参数

表2 21节点低压配电网基准负荷信息

表3 21节点低压配电网分布式光伏额定功率和储能额定容量

表4分时电价

图4表示并网光伏和负荷的24h功率曲线,图中功率为标幺值。

由图4可知:光伏大出力时段为8:00-17:00,此时段内光伏的大量剩余功率通过各节点注入低压配电网,导致电压越上限;高负荷时段为17:00-19:00,此时段光伏发电功率不足以支撑用户的负荷,导致电压越下限。

为了分析本实施例所提策略的效果,仿真包括了四种策略:

(1)EMS-0:不采用任何优化管理策略,作为基准结果用于与其它策略进行对比。

(2)EMS-1:采用传统低压配电网集中式的优化控制思路,以网损最小为目标建立最优潮流模型,不考虑用户侧资源,仅对电网侧的储能和SVG进行调节。

(3)EMS-2:即本发明所提的两阶段调节策略,第一阶段采用责任调节,第二阶段采用互动调节方式,整体架构如图2所示。

(4)EMS-3:仍采用传统低压配电网集中控制思路,电网增加设备投资以达到与EMS-2相同的调节资源。

电网侧调节效果分析

网络中的电压偏差可以通过最大电压偏差指数(maximum voltage deviationindex,MVDI)来衡量;16节点电压幅值变化情况仿真结果见图5,图中电压幅值为标幺值,该节点为网络末节点,最容易出现过/欠电压问题;表5为不同策略下的MVDI、网损和设备总投资的仿真结果。

表5不同策略下的仿真结果

由表5并结合图5可以看出:

在安全性方面:

(1)EMS-0策略下出现了严重的电压越限问题,其中MVDI为10.35%;

(2)MES-1的MVDI为8.83%,相比较EMS-0电压越限问题虽有所改善,但仍未解决,这是由于低压配电网有功、无功调节能力不足所导致;

(3)EMS-2和EMS-3相比较EMS-1,电压越限问题都得到了解决, MVID分别下降了2.79%和3.13%;4)EMS-3相比较EMS-2,MVID下降了 0.34%。

在经济性方面:

(1)EMS-0和EMS-1的网损分别为91.53和83.72kW·h,运行经济性较低;

(2)EMS-2和EMS-3相较EMS-1,网损分别降低了62.42%和66.01%;

(3)EMS-2和EMS-3相较EMS-1的网络运行成本将分别节约1.37×10

(4)EMS-3相比较EMS-2,节约了运行成本0.08×10

综上所述,由于低压配电网薄弱的调节能力,导致EMS-1下的网络运行的安全性和经济性较低;EMS-2和EMS-3两种策略都能够保证网络运行的安全性和经济性,虽然EMS-3较EMS-2的调节效果更佳,但会带来巨大的并网设备投资成本,总体经济性较低。

用户侧调节效果分析

为了合理引导用户参与调节,将第二阶段用户参与调节为网络运行带来的增量效益作为额外奖励反馈用户,并确定用户参与调节的单位奖励价格。用户综合考虑参与调节的成本和收益进行自主响应调节,各节点响应的调节策略和奖励价格如图6所示。

12和16等节点的奖励价格相对较高,这是由于这些节点的调节性能较好,为电网带来的效益增量较大;其次,奖励价格与调节量高度正相关,说明高奖励价格能够引导用户正向出力,并挖掘用户的显著调节能力;另一方面,高奖励价格还能够引导用户侧进行资源的合理配置。

为了进一步分析本文所提策略对用户用电经济性的提升效果,与常用的直接控制方法相比较,即电网以网络运行的经济性为目标直接控制用户的可响应调节资源,并按照正常的电价补偿用户(无额外奖励),用户收益情况如图 7所示。

从图7可以看出,总体上,本发明所提方法与直接控制方法相比较,用户总收益从248.73元增至282.45元,提升了13.6%;由于本发明方法考虑了用户参与调节获得额外奖励和用户以经济性为目标优化调节策略,能够提升用户的经济效益。

仿真实验结论

随着海量分布式光伏接入低压配电网导致网络出现严重安全稳定问题,同时为了提高电网运行和用户用电的经济性,提出了一种电网和用户协调互动的两阶段能量管理策略。研究结论如下:

(1)考虑到安全性和公平性,在第一阶段提出了一种基于稳态安全域机会约束模型整定电网和用户的责任调节量的方法,解决了网络的安全性问题。考虑到经济性,建立了具有隐私保护的互动协调策略,提升了电网和用户双方的利益。

(2)相比较传统完全依赖于电网的调节模式,所提策略下的电压偏差为 6.04%(降低了2.79%),有效解决了网络的安全性问题;同时还避免了电网的巨量投资。

(3)相比较直接控制方法,所提互动策略使用户的收益提升了13.6%,同时还能够正向引导用户出力和用户侧资源的合理配置。此外还提升了用户参与调节的自主性和灵活性,保护了用户的隐私。

应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术分类

06120115636569