CN107644118A - 一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法 - Google Patents
一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，包括如下步骤：根据选定的配电系统，输入配电系统结构及参数；建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型；采用内点法对含智能软开关的有源配电系统时序优化模型进行求解，得到各节点电压幅值、配电系统损耗、智能软开关传输的有功/无功功率值、储能的充放电功率值、储能的荷电状态；输出求解结果。本发明的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，立足于集成储能的智能软开关运行控制问题，充分考虑智能软开关运行约束及其对配电系统潮流优化模型的影响，建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，并采用内点法求解工具包(IPOPT、BONMIN等)进行求解，得到智能软开关的时序优化策略。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能配电软开关时序优化方法。特别是涉及一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法。
背景技术
配电系统作为连接输电系统与终端用户的纽带，具有设备数量多、元件分布广、运行方式复杂等特点。长期以来，受传统“重发输、轻配用”思维的影响，配电网长期缺乏有效的技术支撑，管理方式粗犷、运维手段单一，在电网运行安全性、可靠性、经济性及新能源消纳方面都有巨大的提升空间。随着分布式电源渗透率不断提高，配电网潮流、无功与电压控制等问题日渐突出，而用户侧多样化的发电、用电需求以及与网侧的灵活互动机制则使得配电网的能量流动进一步复杂；由于潮流控制、保护配合等方面的原因，现阶段配电网只能采用闭环设计、开环运行的方式，这很大程度地降低了配电网的灵活性，制约了配电网供电可靠性的提升。面对上述问题，现有的配电网开关只能实现简单的状态转换，无法为潮流控制、电压调节、闭环运行等提供有效的技术支撑，已然成为配电网发展的瓶颈。
近年来突飞猛进的电力电子技术，为解决这一难题提供了契机。智能软开关(softopen point,SOP)是近年来提出，安装于传统联络开关处的电力电子装置，能实现馈线间的常态化柔性连接和灵活功率传输控制。与基于联络开关的常规网络连接方式相比，智能软开关实现了馈线间常态化柔性互联，避免了开关频繁变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控制的灵活性和快速性，使配电网同时具备了开环运行与闭环运行的优势，配电网的运行调度更加“柔性”。智能软开关的优势集中体现在调节能力更强、响应速度更快、动作成本更低、故障影响更小等。
智能软开关以背靠背变流器结构为基础，其“交-直-交”运行方式为智能软开关与储能的深度融合提供了可能。通过智能软开关中的直流环节，蓄电池等各种能量型直流储能元件能够很方便的接入到配网中，称为智能储能软开关(soft open point with energystorage,E-SOP)。利用智能软开关两侧的电力电子变换器实现储能元件的充放电控制，从而使智能软开关在原有功率传输功能的基础上进一步具备了能量存储功能，成为高度集成的综合能量变换装置。
因此，急需一种集成储能的智能配电软开关时序优化策略，用以解决智能软开关与储能一体化运行控制问题，实现配电系统高效运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种建立了含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，综合考虑多种系统安全及运行约束，得到智能软开关的集成储能的智能配电软开关时序优化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，包括如下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，分布式电源接入位置与容量，集成储能的智能软开关接入位置、容量及损耗系数，优化周期内负荷及分布式电源运行特性预测曲线，系统节点电压和支路电流限制，系统基准电压和基准功率初值；
2)建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，包括：选取根节点为平衡节点，设定配电系统总损耗最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统运行约束和集成储能的智能软开关运行约束，其中，所述的配电系统总损耗最小为目标函数包括线路损耗、智能软开关换流器损耗、储能充放电损耗；
3)采用内点法对含智能软开关的有源配电系统时序优化模型进行求解，得到各节点电压幅值、配电系统损耗、智能软开关传输的有功/无功功率值、储能的充放电功率值、储能的荷电状态；
4)输出求解结果。
步骤2)所述的配电系统总损耗最小为目标函数，表示为
式中，ΩT为优化计算的时段数，ΩB为系统所有支路的集合，ΩN为系统所有节点的集合，ΩM为系统直流节点的集合，ΩM∈ΩN；Δt为优化计算的时间间隔；Rij为支路ij的电阻，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；为t时段连接在节点i上智能软开关换流器的损耗；为t时段连接在节点m上的储能充放电损耗。
步骤2)所述的集成储能的智能软开关运行约束表示为
式中，和分别为t时段连接在节点i、j和m上智能软开关有功功率，和分别为t时段连接在节点i和j上智能软开关无功功率，注入节点功率方向为正方向； 和分别为连接在节点i、j和m上智能软开关换流器的损耗系数；和为t时段连接在节点i、j和m上智能软开关换流器的损耗；和分别为连接在节点i、j和m上智能软开关换流器容量；为t时段连接在节点m上接入储能的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为节点m上储能充放电损耗系数；为t时段连接在节点m上的储能充放电损耗；为节点m上储能充放电功率限值；T为系统优化计算结束时段；为t时段节点m上储能的荷电状态；和为节点m上储能荷电状态上下限；为初始时段节点m上储能的荷电状态，为结束时段节点m上储能的荷电状态。
本发明的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，立足于集成储能的智能软开关运行控制问题，充分考虑智能软开关运行约束及其对配电系统潮流优化模型的影响，建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，并采用内点法求解工具包(IPOPT、BONMIN等)进行求解，得到智能软开关的时序优化策略。
附图说明
图1是本发明集成储能的智能配电软开关时序优化方法的流程图；
图2是接入集成储能的智能软开关的IEEE 33节点算例结构图；
图3是分布式电源及负荷运行特性的日预测曲线；
图4是方案3智能软开关传输的有功功率时序图；
图5是方案3智能软开关传输的无功功率时序图；
图6是方案3智能软开关中储能充放电功率时序图；
图7是方案3智能软开关中储能荷电状态时序图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法做出详细说明。
本发明的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，分布式电源接入位置与容量，集成储能的智能软开关接入位置、容量及损耗系数，优化周期内负荷及分布式电源运行特性预测曲线，系统节点电压和支路电流限制，系统基准电压和基准功率初值；
2)建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，包括：选取根节点为平衡节点，设定配电系统总损耗最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统运行约束和集成储能的智能软开关运行约束，所述的配电系统总损耗最小为目标函数包括线路损耗、智能软开关换流器损耗、储能充放电损耗；其中，
(1)所述的配电系统总损耗最小为目标函数，表示为
式中，i、j为系统交流节点编号，m为系统直流节点编号；ΩT为优化计算的时段数，ΩB为系统所有支路的集合，ΩN为系统所有节点的集合，ΩM为系统直流节点的集合，ΩM∈ΩN；Δt为优化计算的时间间隔；Rij为支路ij的电阻，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；为t时段连接在节点i上智能软开关换流器的损耗；为t时段连接在节点m上的储能充放电损耗。
(2)所述的系统潮流约束表示为
式中，Xij为支路ij的电抗；Pij,t为t时段支路上节点i流向节点j的有功功率，Qij,t为t时段支路上节点i流向节点j的无功功率；Pi,t为t时段节点i上注入的有功功率之和，和分别为t时段节点i上分布式电源注入、智能软开关注入和负荷消耗的有功功率，注入节点功率方向为正方向；Qi,t为t时段节点i上注入的无功功率之和，和分别为t时段节点i上分布式电源注入、智能软开关注入和负荷消耗的无功功率，注入节点功率方向为正方向；Ui,t为t时段节点i的电压幅值。
(3)所述的系统运行约束表示为
式中，和分别为节点i的电压幅值上下限；为支路ij的电流幅值上限。
(4)所述的集成储能的智能软开关运行约束表示为
式中，和分别为t时段连接在节点i、j和m上智能软开关有功功率，和分别为t时段连接在节点i和j上智能软开关无功功率，注入节点功率方向为正方向； 和分别为连接在节点i、j和m上智能软开关换流器的损耗系数；和为t时段连接在节点i、j和m上智能软开关换流器的损耗；和分别为连接在节点i、j和m上智能软开关换流器容量；为t时段连接在节点m上接入储能的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为节点m上储能充放电损耗系数；为t时段连接在节点m上的储能充放电损耗；为节点m上储能充放电功率限值；T为系统优化计算结束时段；为t时段节点m上储能的荷电状态；和为节点m上储能荷电状态上下限；为初始时段节点m上储能的荷电状态，为结束时段节点m上储能的荷电状态。
上式(1)～(22)构成了含智能软开关的有源配电系统时序优化模型。
3)采用内点法对含智能软开关的有源配电系统时序优化模型进行求解，得到各节点电压幅值、配电系统损耗、智能软开关传输的有功/无功功率值、储能的充放电功率值、储能的荷电状态；
4)输出求解结果。
下面给出具体实施例：
对于本实施例，首先输入IEEE 33节点系统中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1和表2；接入5组风电机组和3组光伏系统，位置和容量见表3；优化计算时间选取一天24小时，以1小时为时间间隔，采用负荷预测方法来模拟负荷以及风电、光伏的日运行曲线，如图3所示；设定一组智能软开关SOP接入测试算例，取代联络开关TS3，如图3所示，智能软开关换流器容量均为500kVA，换流器损耗系数为0.02；储能容量为500kW×1h，荷电状态上下限为500kWh和100kWh，储能充放电功率限值500kW，将连接储能的换流器损耗和充放电损耗统一考虑为储能充放电损耗，损耗系数取0.02；规定注入节点功率方向为正方向，储能放电功率方向为正方向；最后设定系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。
为充分验证本发明的先进性，采取如下三种方案进行对比分析：
方案1：不接入智能软开关，进行时序潮流计算；
方案2：接入智能软开关(不含储能)，进行时序优化；
方案3：接入集成储能的智能软开关，进行时序优化，即本发明方法。执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-1620，主频为3.70GHz，内存为32GB；软件环境为Windows 10操作系统。
实施例的优化结果见表4，方案3中智能软开关传输的有功功率曲线见图4，无功功率曲线见图5，智能软开关中储能充放电功率见图6，储能荷电状态见图7。对比方案1与方案2可以看出，智能软开关的接入极大地改善了系统的运行状态，线路损耗降低了30％；对比方案2与方案3，储能的接入使得线路损耗进一步降低，具备能量存储功能的智能软开关能更好的跟踪馈线功率变化，进一步提升配电系统的运行状态。与单独建设相比，“智能软开关+储能”的一体化建设方式实现了智能软开关中两组大容量电力电子变换器的有效复用，提高了智能软开关设备利用率，极大地降低了系统建设投资与运行成本。集成储能的智能软开关将同时具备空间和时间两个维度上的能量转移能力，既能够实现不同馈线或站点间的传输功率实时调整，又能够实现一定时间周期内的平抑波动、削峰填谷等功能，进一步强化了智能软开关的调度控制能力，在提升间歇式能源消纳水平、提高供电质量、优化配电网运行水平等方面将发挥重要作用。
表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率
表2 IEEE33节点算例线路参数
表3 分布式电源配置参数
表4 不同方案系统损耗
Claims (3)
1.一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，分布式电源接入位置与容量，集成储能的智能软开关接入位置、容量及损耗系数，优化周期内负荷及分布式电源运行特性预测曲线，系统节点电压和支路电流限制，系统基准电压和基准功率初值；
2)建立含智能软开关的有源配电系统时序优化模型，包括：选取根节点为平衡节点，设定配电系统总损耗最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统运行约束和集成储能的智能软开关运行约束，其中，所述的配电系统总损耗最小为目标函数包括线路损耗、智能软开关换流器损耗、储能充放电损耗；
3)采用内点法对含智能软开关的有源配电系统时序优化模型进行求解，得到各节点电压幅值、配电系统损耗、智能软开关传输的有功/无功功率值、储能的充放电功率值、储能的荷电状态；
4)输出求解结果。
2.根据权利要求1所述的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，其特征在于，步骤2)所述的配电系统总损耗最小为目标函数，表示为
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式中，ΩT为优化计算的时段数，ΩB为系统所有支路的集合，ΩN为系统所有节点的集合，ΩM为系统直流节点的集合，ΩM∈ΩN；Δt为优化计算的时间间隔；Rij为支路ij的电阻，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；为t时段连接在节点i上智能软开关换流器的损耗；为t时段连接在节点m上的储能充放电损耗。
3.根据权利要求1所述的一种集成储能的智能配电软开关时序优化方法，其特征在于，步骤2)所述的集成储能的智能软开关运行约束表示为
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