CN107332290B - 一种基于直流线路的区域负荷转供方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直流线路的区域负荷转供方法，包括如下步骤：S1，建立利用直流线路连接交流配电区域的拓扑结构；S2，根据配电网络特征，提出负荷转供约束条件；S3，以每个换流器注入交流系统的有功作为自变量，以各交流区域总损耗最小作为目标函数，建立负荷转供优化模型；S4，采用遗传算法对S3中的优化模型求解；S5，判断迭代代数是否达到设定值，若达到，则结束计算输出各换流器功率，若未达到，则进行交叉变异运算，产生新的种群，返回S4。本发明认为交流区域间的直流线路能够功率传输任意大小功率，以此为前提，以整个系统有功损耗最小为目标函数，直流线路传输功率作为自变量建立优化模型，最终得出最优负荷转供方式。

Description

一种基于直流线路的区域负荷转供方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及交直流混合配电网，具体涉及换流器控制方式与配电网负荷转供方法，为一种基于直流线路的区域负荷转供方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的基础，随着传统能源的长期消耗，能源枯竭、环境问题等逐渐凸显，在绿色能源技术的发展下，越来越多的清洁能源如光能、风能、地热能等得到了利用，与之对应的发电技术也得到了广泛的发展。目前新能源发电的研究成为了当前电力系统的研究热点，随着技术的提升，越来越多的分布式电源接入了电力网络。

分布式电源并网方式多样，具有间歇性和随机性，其大量接入加重了本来就复杂的配电网的运行负担，表现为对配电网供电可靠性、电能质量、运行方式和继电保护等有很大影响。且分布式电源输出功率的调整范围有限，往往负荷密集台区与分布式电源密集台区不一致，对于分布式电源过剩的配电台区，功率倒送到上级电网再填补容量不足的配电台区，改变了上级电网的供电结构，将给电网运行安全带来隐患。此外，电动汽车的推广应用进一步加重了配电区域随机负荷比重，增加了相应配电变压器输送电能的波动性，尤其是当大量电动汽车同时充电时，配电变压器需要增加比平时更多的额外功率传送。

分布式电源及电动汽车的分配不均将导致部分区域配电变压器容量不足，部分区域配电变压器利用率低的情况，不利于电网的安全稳定与经济运行。对于地理位置上临近的上述配电台区可以通过互联线路实现台区负荷转供，平衡各台区分布式电源功率和负荷功率，减少分布式电源及电动汽车对上级电网的影响。各台区之间采用直流线路交换功率，一方面可以降低随机负荷对单个台区的影响，另一方面可以减少能源在传输过程中的损耗，提高能源利用效率。因此，采用直流网络进行负荷转供，可以实现不同配电台区之间的负荷均衡分布，降低随机负荷对单个台区的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：传统负荷转供认为上级电网注入交流区域的功率应当按区域配电变压器容量分配，但是这种分配并不是系统经济性最优的方案，并且传统方法认为负荷在很小的范围内波动，直流线路通过负荷转供平抑这个波动，因此现有的直流线路负荷转供中，直流线路上传输的容量较小，没有很好的发挥直流线路传输容量大损耗小的特点，尤其近几年VSC技术不断成熟，容量逐渐增加的前提下，急需一种通过大容量负荷转供实现系统损耗降低的技术。

本发明的技术方案为：一种基于直流线路的区域负荷转供方法，包括以下步骤：

S1、建立利用直流线路连接交流配电区域的拓扑结构：从各个配电区域引出联络线，通过VSC换流器转换为直流线路形式，各个区域互联形成直流配电网络，用于进行区域间的负荷调整；

S2、根据直流配电网络特征，计算约束条件，包括拓扑结构约束、潮流方程约束、节点电压约束、支路电流约束以及设备容量约束；

S3、换流器通过输出的有功和无功功率对连接的交流配电区域进行负荷调整，则以每个VSC换流器注入交流配电区域的有功功率作为自变量，以各交流配电区域总损耗最小作为目标函数，建立负荷转供优化模型，并以负荷转供前上级电网注入总有功功率的[0.8-1.2]倍作为功率约束，其中，上级电网注入总有功功率按区域配电变压器容量分配；

S4、采用遗传算法对S3中的优化模型求解，针对每一代自变量，通过交直流三相潮流计算获取配电网络运行状态，根据潮流结果计算交流部分有功损耗、直流部分有功损耗以及换流器有功损耗，得到整个配电网络的有功损耗；

S5、判断S4求解中迭代的代数是否达到设定值，若达到，则求解结束，计算输出各换流器功率，完成对交流配电区域的负荷调整，若未达到，则继续遗传算法的迭代，进行交叉变异运算，产生新的种群，返回S4继续求解。

进一步的，S2中，拓扑结构约束为：交流部分需满足辐射状运行状态。

进一步的，S2中，潮流方程约束具体为：负荷转供后的网络必须同时满足交流网络和直流网络的潮流方程，即交流部分满足：

其中，n为交流节点数，i、j表示交流节点；P_ia、Q_ia分别为节点i的a相注入有功和无功功率；G_ijaa、G_ijab和G_ijac分别为支路ij的三相电导；B_ijaa、B_ijab和B_ijac分别为支路ij的三相电纳；θ_iaja、θ_iajb和θ_iajc分别为节点i、j间三相相角差；U_ja、U_jb和U_jc分别为节点j的三相电压幅值；U_ia为节点i的a相电压幅值；

上述为三相电流的a相潮流方程，其它两相同理；

直流部分满足

其中，s为直流节点数，p、q表示直流节点；P_p为节点p的有功注入；U_p、U_q分别为节点p和q的节点电压；I_p为节点p的注入电流；G_pq为支路pq间电导。

S2中，节点电压约束为：节点电压不能越过该节点的电压上下限。

S2中，支路电流约束为：支路电流不能超过该支路的电流上限。

S2中，设备容量约束为：在控制注入功率时，保证网络中变压器元件不过载。

S3中目标函数为：

其中，f为各交流配电区域总损耗，m为区域数；P_loss,k为区域k的有功损耗；

自变量为直流电网向各交流区域注入的有功功率；

上级电网注入功率约束条件：

0.8P_ban,rate≤P_ban≤1.2P_ban,rate

其中，P_ban为上级电网注入功率；P_ban,rate为上级电网注入功率的额定值，额定功率按区域配电变压器容量分配；建立的优化模型，采用遗传算法求解。

进一步的，S4中，三相交直流潮流计算采用交替迭代的方法，交流侧采用三相牛顿拉夫逊法求解，直流侧采用普通牛顿拉夫逊法求解，潮流计算流程如下：

1)根据网络拓扑与网络状态，获取网络参数，包括线路参数和节点信息，所获取的参数数据分为三类：交流配电网数据、直流配电网数据以及VSC换流器数据；

2)形成交流配电网节点导纳矩阵以及直流配电网节点电导矩阵；

3)设置潮流计算初始值，以及交流部分、直流部分计算标志F_ac＝0和F_dc＝0；

4)利用恒定交流功率控制的VSC提供功率值求解直流网络注入功率，该节点为直流网络P节点，恒定直流电压控制的VSC节点为V节点；

5)计算直流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_dc＝0，转6)，若一致，则F_dc＝1，再判断F_ac是否为1，若为1，则计算结束，否则转6)；

6)利用恒定直流电压控制的VSC节点求解交流网络注入有功，该控制方式下注入无功恒定，该节点视作PQ节点，恒定交流功率控制的VSC节点也视作PQ节点；

7)求解交流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_ac＝0，转4)，若一致，则F_ac＝1，再判断F_dc是否为1，若为1，则计算结束，否则转4)。

本发明提出一种利用VSC的直流线路区域负荷转供方法，通过直流线路的大容量负荷转供实现系统损耗降低。虽然目前已有学者研究单个交直流系统间的负荷转供，并以交直流系统损耗最小为目标函数，计算得出转移负荷的大小，但与之不同的是，本发明所提出的负荷转供方法意在平衡多交流区域间负荷，直流部分无负荷，仅做为传输路线，传输功率既要满足直流线路功率上下限约束，又要考虑功率传输后交流系统的电压功率约束，并且交流部分还需考虑计及三相不平衡的影响。多个交流区域通过直流部分实现负荷转供，涉及的变量和约束等电路状况相比单独的交直流系统的负荷平衡复杂的多。

本发明提出一种基于遗传算法的直流线路负荷转供技术，改变传统认定按区域配电变压器容量分配的设定，将上级电网注入功率作为一定范围变化的约束条件，在满足这个条件和系统安全的前提下，认为交流区域间的直流线路能够功率传输任意大小功率，以此为前提，以整个系统有功损耗最小为目标函数，直流线路传输功率作为自变量建立优化模型，最终得出最优负荷转供方式。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于直流线路的区域负荷转供方法流程图。

图2为本发明方法中直流线路负荷转供拓扑结构图。

图3为本发明方法中单个交流配电区域配电情况结构图。

图4为本发明方法中换流器输出功率及网络损耗计算流程图。

图5为依据本发明方法改进的IEEE 14节点案例负荷转供拓扑结构图。

具体实施方式

本发明提供一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其方法流程如图1所示。

步骤S1，建立利用直流线路连接交流配电区域的拓扑结构，如图2所示，在不改变原有交流配电网的基础上，从各个配电区域引出联络线，通过VSC换流器转换为直流形式，区域互联形成直流配电网，进行各区域间的负荷调整。

由于直流配电网需要至少一个恒定电压节点作为平衡节点控制网络电压等级，因此，在进行负荷转供时可以考虑其中一个VSC节点作为恒定电压节点，其余节点根据区域负荷与配电容量计算所需功率，采用恒定交流功率控制方式向交流电网注入相应功率。

步骤S2，根据配电网络特征，提出负荷转供约束条件。

综合考虑交流网络约束和直流网络约束，包括拓扑结构约束、潮流方程约束、节点电压约束、支路电流约束以及设备容量约束。

拓扑结构约束方面，由于配电网采用“闭环设计，开环运行”，在进行负荷转供时，为了不影响运行方式，交流部分需满足辐射状运行状态。

潮流方程约束方面，潮流方程是网络求解的依据，真实反应网络状态，潮流方程约束具体为：负荷转供后的网络必须同时满足交流网络和直流网络的潮流方程，即交流部分满足：

其中，n为交流节点数，i、j表示交流节点；P_ia、Q_ia分别为节点i的a相注入有功和无功功率；G_ijaa、G_ijab和G_ijac分别为支路ij的三相电导；B_ijaa、B_ijab和B_ijac分别为支路ij的三相电纳；θ_iaja、θ_iajb和θ_iajc分别为节点i、j间三相相角差；U_ja、U_jb和U_jc分别为节点j的三相电压幅值；U_ia为节点i的a相电压幅值；

上述为三相电流的a相潮流方程，其它两相同理；

直流部分满足

其中，s为直流节点数，p、q表示直流节点；P_p为节点p的有功注入；U_p、U_q分别为节点p和q的节点电压；I_p为节点p的注入电流；G_pq为支路pq间电导。

节点电压约束方面，与潮流计算类似，电压不能越限，即节点电压的变化受其本身的电压上下限约束。

支路电流约束方面，支路电流同样不能越限，即流过某一支路的电流不能超过支路本身能支持的电流上限。

设备容量约束方面，由于采用直流线路进行负荷转供，换流器注入交流线路的功率是可控的，会相应改变上一级电网注入该区域的功率，如果控制方式不当，可能导致该区域配电容量不足，导致变压器过载，因此，在控制注入功率时，要保证网络中变压器等元件不过载。

步骤S3，以每个换流器注入交流系统的有功作为自变量，以各交流区域总损耗最小作为目标函数，建立负荷转供优化模型。目标函数为：

其中，f为各交流配电区域总损耗，m为区域数；P_loss,k为区域k的有功损耗；

自变量为直流电网向各交流区域注入的有功功率；

上级电网注入功率约束条件：

0.8P_ban,rate≤P_ban≤1.2P_ban,rate

其中，P_ban为上级电网注入功率；P_ban,rate为上级电网注入功率的额定值，额定功率按区域配电变压器容量分配；

上面的公式表示以负荷转供前上级电网注入总有功功率的[0.8,1.2]倍作为功率约束，其中，上级电网注入总有功功率按区域配电变压器容量分配。

对于单个交流配电区域，如图3所示，其中，P_sk为上级电网注入功率，P_lk为区域负荷总功率(包含分布式电源输出功率)，P_ck为换流器交流侧注入功率。若不计网络损耗，则注入功率与负荷功率相等，即：

P_lk＝P_sk+P_ck (4)

为保障各区域稳定运行，按照配变容量进行负荷分配，则：

其中，S_k为该区域配电变压器容量，

为所有互联区域配电变压器容量总和，/>

为各区域注入功率总和。

步骤S4，通过潮流计算获取配电网络运行状态，根据潮流结果计算交流部分有功损耗、直流部分有功损耗以及换流器有功损耗，得到整个配电网络的有功损耗，对总损耗最小的目标函数优化求解。

在图3的基础上，引入网络损耗P_loss,k，则式(4)变为：

P_lk+P_loss,k＝P_sk+P_ck (6)

网络损耗：

P_loss,k＝P_sk+P_ck-P_lk (7)

等式右边3个变量分别为平衡节点注入有功、换流器注入有功以及负荷节点注入有功，即所有交流节点注入功率之和，利用潮流计算结果可以直接求得。

对于负荷转供部分的直流线路，其网络损耗等于各个换流器节点注入交流线路有功功率之和的负数，即

其中，P_vsc,t为换流器t注入交流侧有功功率，换流器总数为T。对于采用恒定交流功率控制的换流器，其注入交流侧有功功率已知，对于采用恒定直流电压控制的换流器，其注入交流侧有功功率为该节点注入直流侧有功功率加上换流器有功损耗。

综合式(7)和式(8)，交直流混合配电网总损耗为：

其中，潮流计算的具体计算方法为：三相交直流潮流计算采用交替迭代的方法，交流侧采用三相牛顿拉夫逊法求解，直流侧采用普通牛顿拉夫逊法求解，潮流计算流程如下：

1)根据网络拓扑与网络状态，获取网络参数，包括线路参数和节点信息，所获取的参数数据分为三类：交流配电网数据、直流配电网数据以及VSC换流器数据；

2)形成交流配电网节点导纳矩阵以及直流配电网节点电导矩阵；

3)设置潮流计算初始值，以及交流部分、直流部分计算标志F_ac＝0和F_dc＝0；

4)利用恒定交流功率控制的VSC提供功率值求解直流网络注入功率，该节点为直流网络P节点，恒定直流电压控制的VSC节点为V节点；

5)计算直流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_dc＝0，转6)，若一致，则F_dc＝1，再判断F_ac是否为1，若为1，则计算结束，否则转6)；

6)利用恒定直流电压控制的VSC节点求解交流网络注入有功，该控制方式下注入无功恒定，该节点视作PQ节点，恒定交流功率控制的VSC节点也视作PQ节点；这里的PQ节点指节点的有功功率P和无功功率Q是给定的。

7)求解交流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_ac＝0，转4)，若一致，则F_ac＝1，再判断F_dc是否为1，若为1，则计算结束，否则转4)。

步骤S5，利用遗传算法求解建立的负荷转供优化模型，遗传算法交叉率设定为0.95，变异率设定为0.01。判断S4求解中迭代的代数是否达到设定值，若达到，则求解结束，计算输出各换流器功率，完成对交流配电区域的负荷调整，若未达到，则继续遗传算法的迭代，进行交叉变异运算，产生新的种群，返回S4继续求解。

采用3个配电区域的算例进行基于直流线路的区域负荷转供方法验证，网络及负荷转供拓扑如图5所示。指定VSC1所连区域配变容量为50MVA，VSC2所连区域配变容量为50MVA，VSC3所连区域配变容量为30MVA，VSC1采用直流电压控制，VSC2和VSC3采用定交流功率控制。

不考虑直流线路部分，直接对交流配电区域进行潮流计算，根据所得结果求得网络损耗为0.4359MW。采用本发明直流配线路进行负荷转供时，计算结果如表1和表2所示，其网络有功损耗为0.3756MW，相比于不考虑直流线路，网络损耗降低了13.83％。

表1换流器注入交流侧有功功率

/>

表2配电区域上级电网注入功率

以上虽然根据附图对本发明的实施例进行了详细说明，但不仅限于此具体实施方式，本领域的技术人员根据此具体技术方案进行的各种等同、变形处理，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是包括以下步骤：

S1、建立利用直流线路连接交流配电区域的拓扑结构：从各个配电区域引出联络线，通过VSC换流器转换为直流线路形式，各个区域互联形成直流配电网络，用于进行区域间的负荷调整；

S2、根据直流配电网络特征，计算约束条件，包括拓扑结构约束、潮流方程约束、节点电压约束、支路电流约束以及设备容量约束；

S3、换流器通过输出的有功和无功功率对连接的交流配电区域进行负荷调整，则以每个VSC换流器注入交流配电区域的有功功率作为自变量，以各交流配电区域总损耗最小作为目标函数，建立负荷转供优化模型，并以负荷转供前上级电网注入总有功功率的[0.8-1.2]倍作为功率约束，其中，上级电网注入总有功功率按区域配电变压器容量分配；

S4、采用遗传算法对S3中的优化模型求解，针对每一代自变量，通过交直流三相潮流计算获取配电网络运行状态，根据潮流结果计算交流部分有功损耗、直流部分有功损耗以及换流器有功损耗，得到整个配电网络的有功损耗；

其中，交直流三相潮流计算采用交替迭代的方法，交流侧采用三相牛顿拉夫逊法求解，直流侧采用普通牛顿拉夫逊法求解，潮流计算流程如下：

1)根据网络拓扑与网络状态，获取网络参数，包括线路参数和节点信息，所获取的参数数据分为三类：交流配电网数据、直流配电网数据以及VSC换流器数据；

2)形成交流配电网节点导纳矩阵以及直流配电网节点电导矩阵；

3)设置潮流计算初始值，以及交流部分、直流部分计算标志F_ac＝0和F_dc＝0；

4)利用恒定交流功率控制的VSC提供功率值求解直流网络注入功率，该节点为直流网络P节点，恒定直流电压控制的VSC节点为V节点；

5)计算直流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_dc＝0，转6)，若一致，则F_dc＝1，再判断F_ac是否为1，若为1，则计算结束，否则转6)；

6)利用恒定直流电压控制的VSC节点求解交流网络注入有功，该控制方式下注入无功恒定，该节点视作PQ节点，恒定交流功率控制的VSC节点也视作PQ节点；

7)求解交流网络潮流，判断结果与上次是否一致，若不一致，则F_ac＝0，转4)，若一致，则F_ac＝1，再判断F_dc是否为1，若为1，则计算结束，否则转4)；

S5、判断S4求解中迭代的代数是否达到设定值，若达到，则求解结束，计算输出各换流器功率，完成对交流配电区域的负荷调整，若未达到，则继续遗传算法的迭代，进行交叉变异运算，产生新的种群，返回S4继续求解。

2.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S2中，拓扑结构约束为：交流部分需满足辐射状运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S2中，潮流方程约束具体为：负荷转供后的网络必须同时满足交流网络和直流网络的潮流方程，即交流部分满足：

/>

其中，n为交流节点数，i、j表示交流节点；P_ia、Q_ia分别为节点i的a相注入有功和无功功率；G_ijaa、G_ijab和G_ijac分别为支路ij的三相电导；B_ijaa、B_ijab和B_ijac分别为支路ij的三相电纳；θ_iaja、θ_iajb和θ_iajc分别为节点i、j间三相相角差；U_ja、U_jb和U_jc分别为节点j的三相电压幅值；U_ia为节点i的a相电压幅值；

上述为三相电流的a相潮流方程，其它两相同理；

直流部分满足

其中，s为直流节点数，p、q表示直流节点；P_p为节点p的有功注入；U_p、U_q分别为节点p和q的节点电压；I_p为节点p的注入电流；G_pq为支路pq间电导。

4.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S2中，节点电压约束为：节点电压不能越过该节点的电压上下限。

5.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S2中，支路电流约束为：支路电流不能超过该支路的电流上限。

6.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S2中，设备容量约束为：在控制注入功率时，保证网络中变压器元件不过载。

7.根据权利要求1所述的一种基于直流线路的区域负荷转供方法，其特征是S3中，目标函数为：

其中，f为各交流配电区域总损耗，m为区域数；P_loss,k为区域k的有功损耗；

自变量为直流电网向各交流区域注入的有功功率；

上级电网注入功率约束条件：

0.8P_ban,rate≤P_ban≤1.2P_ban,rate

其中，P_ban为上级电网注入功率；P_ban,rate为上级电网注入功率的额定值，额定功率按区域配电变压器容量分配；建立的优化模型，采用遗传算法求解。

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