CN109659973B - 一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法 - Google Patents

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CN109659973B CN201811469149.9A CN201811469149A CN109659973B CN 109659973 B CN109659973 B CN 109659973B CN 201811469149 A CN201811469149 A CN 201811469149A CN 109659973 B CN109659973 B CN 109659973B
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Abstract

本发明公开了一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，包括以下步骤：1)数据导入和初值输入；2)引入一种计及电压和无功功率的改进型直流潮流算法，实现支路潮流方程中电压幅值与相角的解耦；3)基于该算法提出一种考虑储能系统和主动管理措施协调优化的分布式电源规划方法；4)采用基于热启动的迭代求解流程，保证规划方法的精度性；5)结合具体的配电网络结构，以分布式电源运营商净收益为目标，对分布式电源的位置和容量进行优化配置。通过基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，能够增加分布式电源运营商的净收益，还会促进分布式电源的消纳以及降低系统网损。

Description

一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法
技术领域
本发明涉及配电网规划领域，具体涉及一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法。
背景技术
分布式电源规划是指在已知负荷预测结果及配电网运行状况的基础上，确定分布式电源的安装位置和配置容量，使整个规划期内配电网的经济性和可靠性达到最优。
在以大机组、大电网、高电压为主要特征的单一供电系统已经不能满足对电能质量与安全可靠性要求日益提高的今天，分布式电源以其投资小、清洁环保和发电方式灵活等优势正日益成为国内外研究的热点。然而，分布式电源的快速发展也给电力系统带来一系列的问题，如安装位置的不合理会降低系统可靠性；接入容量的过大会造成“弃光弃风”、过电压等现象，过小则无法充分发挥其在改善电压质量以及降低网损等方面的积极作用。
因此，有必要对分布式电源的位置和容量进行合理规划，以保证电力系统的安全与经济运行。
发明内容
技术问题：提供一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，该方法能够增加分布式电源运营商的净收益，还会促进分布式电源的消纳以及降低系统网损
技术方案：本发明的基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，包括下述步骤：
1)引入了一种计及电压和无功功率的改进型直流潮流算法，实现支路潮流方程中电压幅值与相角的解耦，所述算法为：
Figure GDA0003748926770000011
式中：Ps,ij,t和Qs,ij,t分别为任意s场景中t时刻节点i流向节点j的有功和无功功率；
Figure GDA0003748926770000012
为节点i的电压幅值的平方；θs,ij,t为支路ij两端的电压相角差；gij和bij分别为支路ij的电导和电纳。
其中，网损功率
Figure GDA0003748926770000013
和
Figure GDA0003748926770000014
的表达式为：
Figure GDA0003748926770000021
2)基于改进型直流潮流算法，提出一种分布式电源规划方法，具体为：以分布式电源运营商的净收益为目标，以节点功率平衡约束、支路容量约束、节点电压幅值限制、关口功率约束、根节点约束、分布式电源容量约束、分布式电源运行约束、储能约束、分组投切电容器约束、静止无功发生器约束、分布式电源切机，进行分布式电源的选址定容优化过程，得到最优接入位置和容量。
步骤1)中支路潮流等式的非线性项是网损功率
Figure GDA0003748926770000022
和
Figure GDA0003748926770000023
由支路两端相角差的平方项
Figure GDA0003748926770000024
和电压幅值差的平方项
Figure GDA0003748926770000025
构成，引入一种基于网损因子的方法，实现网损功率的线性表达：
Figure GDA0003748926770000026
其中，
Figure GDA0003748926770000027
为网损因子参数，具体表达式为：
Figure GDA0003748926770000028
式中：Mij为支路ij的连通性变量；Vi,0和θij,0是节点电压幅值和支路相角差的初值。
3)为保证模型线性化的精度，提出一种基于热启动(warmstart)技术的迭代求解流程：
(1)数据导入和初值输入。导入网架结构、设备参数、模型设置等数据，初始化电压幅值和相角。
(2)引入改进型直流潮流线性化潮流方程。线性化过程如步骤1)所示。
(3)终止条件判断。计算线路功率的误差率Δs,t，表达式如下。如果误差率大于模型设定的精度，则更新初值Vi,0和θij,0，并重新计算网损因子和网损功率值，然后返回至流程(3)；反之，则进行结果分析与验证。
Figure GDA0003748926770000031
式中：
Figure GDA0003748926770000032
和
Figure GDA0003748926770000033
为最优配置方案理论上支路功率的精确值；nl为支路总数。
(4)输出结果。输出优化目标值、规划方案以及设备的出力曲线。
所述分布式电源运营商的净收益的优化目标如下：
Figure GDA0003748926770000034
Figure GDA0003748926770000035
式中：NPRO为模型的优化目标，包含OSell、OGov、OIns、OOpe、OFix，分别表示分布式电源的年上网售电收益、年电价补贴收益、安装成本、年运维成本以及初始固定投资成本。CSell、CGov、CIns、fOpe、fFix分别为分布式电源的标杆上网电价、政府补贴电价、单位容量安装成本、年运行维护率以及初始固定投资费用。
Figure GDA0003748926770000036
和
Figure GDA0003748926770000037
分别为分布式电源的实际有功出力和接入数量；EDG为单个分布式电源的接入容量。
Figure GDA0003748926770000038
为场景s的概率；ΔT为时间间隔。qa为折现率，r为贴现率，a为规划年。
节点功率平衡约束
Figure GDA0003748926770000039
式中：Ps,i,t、
Figure GDA00037489267700000310
分别为节点的有功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口有功功率、分布式电源有功出力、储能系统放电功率、储能系统充电功率、负荷的有功功率；Qs,i,t、
Figure GDA0003748926770000041
分别为节点的无功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口无功功率、光伏逆变器发出的无功功率、分组投切电容器离散补偿功率、静止无功补偿装置连续补偿功率、负荷的无功功率。
支路容量约束
Figure GDA0003748926770000042
式中：
Figure GDA00037489267700000414
为支路的容量上限。
节点电压幅值限制
Figure GDA0003748926770000043
式中：
Figure GDA0003748926770000044
和
Figure GDA0003748926770000045
为节点电压幅值的上下限。
关口功率约束
Figure GDA0003748926770000046
式中：
Figure GDA0003748926770000047
分别为关口有功和无功功率的上下限。
根节点约束
Figure GDA0003748926770000048
分布式电源容量约束
Figure GDA0003748926770000049
式中：
Figure GDA00037489267700000410
为分布式电源的接入数量上限。
分布式电源运行约束
Figure GDA00037489267700000411
式中：
Figure GDA00037489267700000412
为分布式电源的实际出力，
Figure GDA00037489267700000413
分别为单块光伏面板的出力曲线及其预测功率。
储能约束
Figure GDA0003748926770000051
式中：
Figure GDA0003748926770000052
和
Figure GDA0003748926770000053
分别表示储能系统充放电状态；
Figure GDA0003748926770000054
为储能系统充放电状态转换次数上限；
Figure GDA0003748926770000055
分别为储能系统的充放电功率上下限；
Figure GDA0003748926770000056
和
Figure GDA0003748926770000057
分别为各调度周期ΔT内首尾时刻的荷电状态，
Figure GDA0003748926770000058
为荷电状态的系统设定值；
Figure GDA00037489267700000514
和
Figure GDA00037489267700000515
分别为充放电效率系数；
Figure GDA00037489267700000516
为储能系统的额定容量；式中
Figure GDA00037489267700000517
为储能系统的放电深度。
分组投切电容器约束
Figure GDA0003748926770000059
式中：
Figure GDA00037489267700000518
为分组投切电容器的每一档位的补偿量；
Figure GDA00037489267700000510
为电容器的投运组数；
Figure GDA00037489267700000520
为挂接的电容器总数；
Figure GDA00037489267700000519
为分组投切电容器的操作次数限制。
静止无功发生器约束
Figure GDA00037489267700000511
式中
Figure GDA00037489267700000521
分别为静止无功补偿装置补偿功率的上下限。
分布式电源切机
Figure GDA00037489267700000512
式中
Figure GDA00037489267700000522
分别为分布式电源的切除量及其上限。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)实现支路潮流方程中原本相互耦合的线性项与非线性项、支路功率与网损功率、电压幅值与相角的解耦，数学表达清晰明确。
2)传统直流潮流模型忽略无功与电压之间的联系，潮流计算容易产生极大误差，而本文所提出的改进型直流潮流算法能够同时计及电压和无功功率变化对潮流的影响，具有很强的实际应用价值。
3)改进型直流潮流算法具备较高的准确度，同时保留传统直流潮流模型本身的线性表达和快速性优点。
附图说明
图1为本发明一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法的流程图。
图2为15节系统示意图。
图3为光伏、储能和关口功率曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
图1为本发明方法的流程图。考虑到分布式电源的全寿命周期成本，本文选择规划周期内分布式电源运营商净收益最大为优化目标，包含分布式电源的年上网售电收益、年电价补贴收益、安装成本、年运维成本以及初始固定投资成本。
Figure GDA0003748926770000061
Figure GDA0003748926770000062
式中：NPRO为模型的优化目标，包含OSell、OGov、OIns、OOpe、OFix，分别表示分布式电源的年上网售电收益、年电价补贴收益、安装成本、年运维成本以及初始固定投资成本。CSell、CGov、CIns、fOpe、fFix分别为分布式电源的标杆上网电价、政府补贴电价、单位容量安装成本、年运行维护率以及初始固定投资费用。
Figure GDA0003748926770000063
和
Figure GDA0003748926770000065
分别为分布式电源的实际有功出力和接入数量；EDG为单个分布式电源的接入容量。
Figure GDA0003748926770000064
为场景s的概率；ΔT为时间间隔。qa为折现率，r为贴现率，a为规划年。
节点功率平衡约束
Figure GDA0003748926770000071
式中：Ps,i,t、
Figure GDA0003748926770000072
分别为节点的有功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口有功功率、分布式电源有功出力、储能系统放电功率、储能系统充电功率、负荷的有功功率；Qs,i,t、
Figure GDA0003748926770000073
分别为节点的无功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口无功功率、光伏逆变器发出的无功功率、分组投切电容器离散补偿功率、静止无功补偿装置连续补偿功率、负荷的无功功率。
支路容量约束
Figure GDA0003748926770000074
式中：
Figure GDA0003748926770000075
为支路的容量上限。
节点电压幅值限制
Figure GDA0003748926770000076
式中：
Figure GDA0003748926770000077
和
Figure GDA0003748926770000078
为节点电压幅值的上下限。
关口功率约束
Figure GDA0003748926770000079
式中：
Figure GDA00037489267700000710
分别为关口有功和无功功率的上下限。
根节点约束
Figure GDA00037489267700000711
分布式电源容量约束
Figure GDA00037489267700000712
式中：
Figure GDA00037489267700000713
为分布式电源的接入数量上限。
分布式电源运行约束
Figure GDA00037489267700000714
式中：
Figure GDA0003748926770000081
为分布式电源的实际出力，
Figure GDA0003748926770000082
分别为单块光伏面板的出力曲线及其预测功率。
储能约束
Figure GDA0003748926770000083
式中：
Figure GDA0003748926770000084
和
Figure GDA0003748926770000085
分别表示储能系统充放电状态；
Figure GDA0003748926770000086
为储能系统充放电状态转换次数上限；
Figure GDA0003748926770000087
分别为储能系统的充放电功率上下限；
Figure GDA0003748926770000088
和
Figure GDA0003748926770000089
分别为各调度周期ΔT内首尾时刻的荷电状态，
Figure GDA00037489267700000810
为荷电状态的系统设定值；
Figure GDA00037489267700000817
和
Figure GDA00037489267700000818
分别为充放电效率系数；
Figure GDA00037489267700000819
为储能系统的额定容量；式中
Figure GDA00037489267700000820
为储能系统的放电深度。
分组投切电容器约束
Figure GDA00037489267700000811
式中：
Figure GDA00037489267700000812
为分组投切电容器的每一档位的补偿量；
Figure GDA00037489267700000813
为电容器的投运组数；
Figure GDA00037489267700000821
为挂接的电容器总数；
Figure GDA00037489267700000822
为分组投切电容器的操作次数限制。
静止无功发生器约束
Figure GDA00037489267700000814
式中
Figure GDA00037489267700000823
分别为静止无功补偿装置补偿功率的上下限。
分布式电源切机
Figure GDA00037489267700000815
式中
Figure GDA00037489267700000824
分别为分布式电源的切除量及其上限。
下面例举一个实施例。
本文选用某市经济开发区的15节点单条馈线系统作为算例进行分析，网架结构如图2所示。其中，节点8挂接有1个分组投切电容器；节点13挂接有1个连续可调的静止无功补偿装置；同时，节点13还接入额定容量为1MW的储能系统。考虑到光伏发电是中低压分布式电源的主要形式，本文中亦选择光伏作为典型的分布式电源进行研究，候选安装节点集合为{节点8,节点10,节点12,节点13}。
此外，为验证规划方法的有效性，设计4种方案进行仿真计算，设置如下：
方案1。综合考虑主动管理措施(包含分布式电源切机的机组调节措施以及静止无功补偿装置与分组投切电容器的无功补偿措施)和储能系统协调优化的分布式电源规划模型。
方案2。考虑主动管理措施的分布式电源规划模型。
方案3。考虑分布式电源切机和储能系统调节的分布式电源规划模型。
方案4。仅考虑分布式电源机组自身调节能力(即分布式电源切机措施)的分布式电源规划模型
其中，分布式电源消纳率
Figure GDA0003748926770000091
和关口日费用ξPCC指标的计算公式为
Figure GDA0003748926770000092
Figure GDA0003748926770000093
式中：
Figure GDA0003748926770000094
为峰谷电价。
表1不同方案的配置结果和各指标情况
Figure GDA0003748926770000095
由配置方案表1以及附图3可看出，1)本文所提模型综合考虑了主动管理措施和储能系统的协调优化，能显著的提高分布式电源的消纳率以及能源的利用率。2)主动管理措施通过无功优化，储能系统参与削峰填谷过程都能一定程度的增加分布式电源运营商的净收益：在方案4的基础上，接入主动管理措施会使得分布式电源运营商净收益增加35.45％，而储能系统的接入只能增加10.09％，说明了主动管理措施的接入对分布式电源运营商净收益的增加效果更加显著。主要原因是储能系统作为一种无源设备，充放电功率必须遵循能量守恒定律，在配电网中更多是扮演削峰填谷的调节角色。3)此外，储能系统的接入还可以推迟分布式电源机组的新建计划，相比于方案4，储能系统的接入减少了3MW光伏容量，而主动管理措施的接入只能减少1MW。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)引入一种计及电压和无功功率的改进型直流潮流算法，实现支路潮流方程中电压幅值与相角的解耦，所述算法为：
Figure FDA0003748926760000011
式中：Ps,ij,t和Qs,ij,t分别为任意s场景中t时刻节点i流向节点j的有功和无功功率；
Figure FDA0003748926760000012
为节点i的电压幅值的平方；θs,ij,t为支路ij两端的电压相角差；gij和bij分别为支路ij的电导和电纳；
其中，网损功率
Figure FDA0003748926760000013
和
Figure FDA0003748926760000014
的表达式为：
Figure FDA0003748926760000015
2)基于改进型直流潮流算法，提出一种分布式电源规划方法，具体为：以分布式电源运营商的净收益为目标，以节点功率平衡约束、支路容量约束、节点电压幅值限制、关口功率约束、根节点约束、分布式电源容量约束、分布式电源运行约束、储能约束、分组投切电容器约束、静止无功发生器约束、分布式电源切机，进行分布式电源的选址定容优化过程，得到最优接入位置和容量；
3)为保证模型线性化的精度，提出一种基于热启动技术的迭代求解流程：
(1)数据导入和初值输入：导入网架结构、设备参数、模型设置等数据，初始化电压幅值和相角；
(2)引入改进型直流潮流线性化潮流方程；
(3)终止条件判断：计算线路功率的误差率Δs,t，表达式如下；如果误差率大于模型设定的精度，则更新初值Vi,0和θij,0，并重新计算网损因子和网损功率值，然后返回至流程(3)；反之，则进行结果分析与验证；
Figure FDA0003748926760000016
式中：
Figure FDA0003748926760000021
和
Figure FDA0003748926760000022
为最优配置方案理论上支路功率的精确值；nl为支路总数；
(4)输出结果：输出优化目标值、规划方案以及设备的出力曲线。
2.按照权利要求1所述的一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，其特征在于，步骤1)中支路潮流等式的非线性项是网损功率
Figure FDA0003748926760000023
和
Figure FDA0003748926760000024
由支路两端相角差的平方项
Figure FDA0003748926760000025
和电压幅值差的平方项
Figure FDA0003748926760000026
构成，引入一种基于网损因子的方法，实现网损功率的线性表达：
Figure FDA0003748926760000027
其中，
Figure FDA0003748926760000028
为网损因子参数，具体表达式为：
Figure FDA0003748926760000029
式中：Mij为支路ij的连通性变量；Vi,0和θij,0是节点电压幅值和支路相角差的初值。
3.按照权利要求1所述的一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，其特征在于，所述步骤2)中：
所述分布式电源运营商的净收益的优化目标如下：
Figure FDA00037489267600000210
Figure FDA00037489267600000211
式中：NPRO为模型的优化目标，包含OSell、OGov、OIns、OOpe、OFix，分别表示分布式电源的年上网售电收益、年电价补贴收益、安装成本、年运维成本以及初始固定投资成本；CSell、CGov、CIns、fOpe、fFix分别为分布式电源的标杆上网电价、政府补贴电价、单位容量安装成本、年运行维护率以及初始固定投资费用；
Figure FDA00037489267600000212
和
Figure FDA00037489267600000213
分别为分布式电源的实际有功出力和接入数量；EDG为单个分布式电源的接入容量；
Figure FDA0003748926760000031
为场景s的概率；ΔT为时间间隔；qa为折现率，r为贴现率，a为规划年。
4.按照权利要求1所述的一种基于改进型直流潮流算法的分布式电源规划方法，其特征在于，所述步骤2)中：
节点功率平衡约束
Figure FDA0003748926760000032
式中：Ps,i,t、
Figure FDA0003748926760000033
分别为节点的有功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口有功功率、分布式电源有功出力、储能系统放电功率、储能系统充电功率、负荷的有功功率；Qs,i,t、
Figure FDA0003748926760000034
分别为节点的无功注入功率、从根节点流入本级配电网的关口无功功率、光伏逆变器发出的无功功率、分组投切电容器离散补偿功率、静止无功补偿装置连续补偿功率、负荷的无功功率；
支路容量约束
Figure FDA0003748926760000035
式中：
Figure FDA0003748926760000036
为支路的容量上限；
节点电压幅值限制
Figure FDA0003748926760000037
式中：
Figure FDA0003748926760000038
和
Figure FDA0003748926760000039
为节点电压幅值的上下限；
关口功率约束
Figure FDA00037489267600000310
式中：
Figure FDA00037489267600000311
分别为关口有功和无功功率的上下限；
根节点约束
Figure FDA0003748926760000041
分布式电源容量约束
Figure FDA0003748926760000042
式中：
Figure FDA0003748926760000043
为分布式电源的接入数量上限；
分布式电源运行约束
Figure FDA0003748926760000044
式中：
Figure FDA0003748926760000045
为分布式电源的实际出力，
Figure FDA0003748926760000046
分别为单块光伏面板的出力曲线及其预测功率；
储能约束
Figure FDA0003748926760000047
式中：
Figure FDA0003748926760000048
和
Figure FDA0003748926760000049
分别表示储能系统充放电状态；
Figure FDA00037489267600000410
为储能系统充放电状态转换次数上限；
Figure FDA00037489267600000411
分别为储能系统的充放电功率上下限；
Figure FDA00037489267600000412
和
Figure FDA00037489267600000413
分别为各调度周期ΔT内首尾时刻的荷电状态，
Figure FDA00037489267600000414
为荷电状态的系统设定值；
Figure FDA00037489267600000415
和
Figure FDA00037489267600000416
分别为充放电效率系数；
Figure FDA00037489267600000417
为储能系统的额定容量；
分组投切电容器约束
Figure FDA00037489267600000418
式中：
Figure FDA00037489267600000419
为分组投切电容器的每一档位的补偿量；
Figure FDA00037489267600000420
为电容器的投运组数；Yi CB,max为挂接的电容器总数；
Figure FDA0003748926760000051
为分组投切电容器的操作次数限制；
静止无功发生器约束
Figure FDA0003748926760000052
式中
Figure FDA0003748926760000053
分别为静止无功补偿装置补偿功率的上下限；
分布式电源切机
Figure FDA0003748926760000054
式中
Figure FDA0003748926760000055
分别为分布式电源的切除量及其上限。
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