CN113097995A - 一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，包括以下步骤：步骤1、在日前优化阶段，建立交直流混合配电网的ESS‑VSC日前优化模型的目标函数及约束条件，求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；步骤2、判断在日前优化阶段的调控下是否发生故障，即是否发生电压越限，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，形成新的锥优化模型，并求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。本发明实现对交直流配电系统的日前‑实时的多时间尺度运行优化控制，使其能够灵活应对突发状况。

Description

一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法
技术领域
本发明属于配电网优化运行技术领域，涉及交直流混合配电网优化运行方法，尤其是一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法。
背景技术
目前，分布式电源的发展及电动汽车的接入，促进了直流配电网的发展，但传统的交流配电网由于设施较为完善、投资成本较低等诸多优势仍为主要形式，因此未来交直流混合配电网的发展是主要趋势，交直流混合配电网运行优化技术研究是当前研究热点之一。
传统的电压控制和运行优化设备有电容器、有载调压分接头、联络开关等，但这些在进行控制时都是离散的，并不能进行实时快速控制，调节次数也有限制且损耗较大，对电力系统冲击也较大。随着电力电子技术的发展和电力电子设备的成熟应用，电力电子装置的灵活调节特点为配电系统电压调节提供了新的途径。在交直流混合配电系统中，电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)既作为交流系统与直流系统之间的能量传输元件，又可以通过调节其内部电力电子元件对交流系统侧注入/吸收无功功率，从而参与配电系统电压调节、网损优化等运行控制；储能系统(Energy Storage System,ESS)在提高电能利用率，改善电能质量等方面作用也非常明显。此外，柔性多状态开关(flexibledistribution switch，FDS)作为一种全控型功率器件，相比于传统的联络开关和补偿电容，FDS响应迅速、可以实现功率的连续调节，同时也避免了传统开关在通断时对电路造成的冲击。
由于在配电网运行中，总会出现负荷突变及线路故障等情况，在对其进行优化时，要考虑一定的备用策略，使得在面对突发情况时配电网仍能工作在安全范围内。在以往对于交直流混合配电网的优化中大都在考虑在日前进行优化，对于突发情况应对的方法较少，而一次电力系统故障可能会造成严重的损失，因此如何提出一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，能够对交直流混合配电网进行实时快速控制，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。
经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，既能进行日前优化运行，又能进行实时快速控制，进而使其灵活应对突发的电力系统故障。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，包括以下步骤：
步骤1、在日前优化阶段，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件，求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；
步骤2、判断在日前优化阶段的调控下是否发生故障，即是否发生电压越限，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，形成新的锥优化模型，并求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。
而且，所述步骤1的具体步骤包括：
(1)在日前优化阶段，根据配电网、负荷、光伏、储能和VSC的参数数据，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数为：
f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV) (1)
Figure BDA0002979716740000031
Figure BDA0002979716740000032
式中：Ploss为系统总的损耗成本，包括直流、交流和VSC3部分，ΔV为系统节点电压偏差之和，λ1、λ2为系统损耗成本和电压水平偏差的权重系数，Nac和Ndc为系统交流部分和直流部分节点数，Ωi为与节点i相连的所有节点的集合，Rij,ac和Iij,ac为交流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，Rij,dc和Iij,dc为直流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，
Figure BDA0002979716740000033
为第k个VSC的有功功率损耗，price(t)为t时刻的电价，K为换流器个数，Vi(t)为节点i在t时刻的电压幅值，Vmin和Vmax表示节点电压优化区间的最大值和最小值；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的约束条件为：
①系统运行约束：
交流部分：
Figure BDA0002979716740000034
Figure BDA0002979716740000035
Figure BDA0002979716740000036
Vj,ac(t)2＝Vi,ac(t)2-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac(t)2 (7)
式(4)为交流系统功率约束，式(5)为节点注入的功率，式(6)-(7)为交流节点电压等式约束；
式中：
Figure BDA0002979716740000045
为以节点i为首端节点的支路末端节点集合；φi为以节点i为末端节点的支路首端节点集合；Pih,ac(t)为交流节点i流向交流节点h功率，Xij,ac为交流支路ij的电抗，和Qi,ac(t)为交流支路t时注入节点i的总有功和无功功率，
Figure BDA0002979716740000041
分别为交流节点i在t时刻分布式电源、储能、VSC注入的和负荷消耗的有功功率和无功功率。
(Vi,ac,min)2≤(Vi,ac(t))2≤(Vi,ac,max)2 (8)
0≤(Iij,ac(t))2≤(Iij,ac,max)2 (9)
式(8)-(9)为交流节点电压和电流不等式约束，式中：Vi,ac,min和Vi,ac,max分别为交流节点i的电压上下限，Iij,ac,max为交流支路ij的电流幅值上限。
直流部分：
Figure BDA0002979716740000042
Figure BDA0002979716740000043
Vj,dc(t)2＝Vi,dc(t)2-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc(t)2 (12)
Figure BDA0002979716740000044
式(10)为直流系统功率约束，式(11)-(12)为直流系统电压电流等式约束，式(13)为直流节点注入的功率。式中：Pij,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的有功功率，Rij,dc为直流支路ij的电阻，Pi,dc为t时段直流节点i上注入的有功功率之和，Iij,dc(t)和Vi,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的电流和节点i的电压，
Figure BDA0002979716740000051
分别为t时刻直流节点i注入的分布式电源、储能、换流器注入的及负荷消耗的功率。
(Vi,dc,min)2≤(Vi,dc(t))2≤(Vi,dc,max)2 (14)
0≤(Iij,dc(t))2≤(Iij,dc,max)2 (15)
式中：Vi,dc,min和Vi,dc,max分别为直流节点i的电压上下限，Iij,dc,max为直流支路ij的电流幅值上限。
②储能运行约束：
Figure BDA0002979716740000052
Figure BDA0002979716740000053
SOCi,min≤SOCi(t)≤SOCi,max (18)
式中：
Figure BDA0002979716740000054
为储能的有功功率上限，SOCi(t)、SOCi,min和SOCi,max表示第i个储能t时刻荷电状态及最大最小值；
③换流器运行约束：
Figure BDA0002979716740000055
和
Figure BDA0002979716740000056
为第k个VSC交流侧在t时刻的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002979716740000057
为第k个VSC直流侧在t时刻的有功功率
Figure BDA0002979716740000058
和
Figure BDA0002979716740000059
为第k个VSC的电阻和电抗，
Figure BDA00029797167400000510
为第k个VSC发出的无功功率：
Figure BDA00029797167400000511
Figure BDA00029797167400000512
Figure BDA00029797167400000513
Figure BDA00029797167400000514
Figure BDA0002979716740000061
式(19)-(21)为换流站数学模型，式(22)-(23)为VSC的损耗公式。式中：
Figure BDA0002979716740000062
为第k个VSC的容量，
Figure BDA0002979716740000063
为第k个VSC传输的有功功率和无功功率最大值，
Figure BDA0002979716740000064
为第k个换流器注入交流系统部分的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002979716740000065
为第k个VSC注入直流侧的有功功率，A为VSC损耗系数，一般取值3％-10％。
(2)对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型，并求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；
而且，所述步骤1的第(2)步的对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型的具体方法为：
建立目标函数为：f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV)
其中：
Figure BDA0002979716740000066
Figure BDA0002979716740000067
约束条件：
Figure BDA0002979716740000068
Figure BDA0002979716740000071
Vj,ac,2(t)＝Vi,ac,2(t)-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac,2(t) (28)
Figure BDA0002979716740000076
Figure BDA0002979716740000072
Vj,dc,2(t)＝Vi,dc,2(t)-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc,2(t) (31)
对式(27)和式(30)进行二阶锥约束松弛，如式(32)-(33)所示：
Figure BDA0002979716740000073
Figure BDA0002979716740000074
对式(19)进行旋转锥约束，如式(34)所示
Figure BDA0002979716740000075
而且，所述而且，所述步骤1的第(2)步的求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果的具体方法为：
首先，构建交直流混合配电网结构图，再输入电价、ESS、VSC及各节点负荷数据、控制方式等，再输入目标函数中的权重系数、VSC损耗系数、节点电压的调节范围，进而通过优化模型进行求解，得到最优情况时的目标函数、网络潮流及VSC的运行功率。
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
(1)根据配电网、负荷、光伏、储能、FDS的参数数据，并按照步骤1得到的日前优化阶段的网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果固定ESS的功率输出；
(2)按照步骤1的模型进行求解，通过检测电压是否越限判断交直流混合配电网是否发生故障，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明通过对电压源型换流器VSC(Voltage Source Converter，VSC)、柔性多状态开关FDS(flexible distribution switch，FDS)和储能系统ESS(Energy StorageSystem,ESS)的共同调节，实现对交直流配电系统的日前-实时的多时间尺度运行优化控制，使其能够灵活应对突发状况，实现系统中能量的灵活和高效利用，从而减少配电系统安装额外的电压支撑设备、提高清洁能源利用率和达成较好的经济效益和社会效益。
2、本发明在日前预先根据正常情况利用二阶锥算法，通过VSC和ESS协调优化，达到正常情况下的最优情况，进而确定最优情况时ESS的最佳功率输出情况；本发明采用二阶锥算法对交直流混合配电网处理，相比于传统的线性化方法，在处理效率和准确性方面都比较强。
3、本发明通过判断在VSC和ESS协调优化下电压是否越限，若越限则证明系统发生故障，利用FDS和VSC再进行协调优化，使系统电压重新恢复正常。本发明在电压越限时，加入FDS，FDS由于其在功率调控中控制方式灵活、连续可控、供电可靠性高等优点，在应对突发状况时能够更快、更好的反应，使得电力系统损失尽可能降低。本发明能够在正常情况下能够按照最优情况运行，在故障情况下也能够及时做出调整，使得系统能够减小损失。
附图说明
图1是本发明的二阶锥规划日前优化流程图；
图2是本发明的二阶锥规划实时快速控制流程图；
图3是本发明的VSC换流站模型示意图；
图4是本发明的多端口FDS等效模型示意图；
图5是本发明的交直流混合配电系统结构图；
图6是本发明的24小时光伏和负荷有功功率曲线图；
图7是本发明的场景一24小时3个VSC及总VSC的有功功率和无功功率变化和储能有功功率变化曲线图；
图8是本发明的场景一24小时部分节点电压变化曲线图；
图9是本发明的PV4发生故障时节点电压变化曲线图；
图10是本发明的FDS和VSC参与修复故障时VSC有功功率和无功功率变化曲线图；
图11是本发明的FDS两端口输出的有功功率和释放的无功功率曲线图；
图12是本发明的FDS和VSC参与修复故障时24小时部分节点电压变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
步骤1、在日前优化阶段，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件，求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；
所述步骤1的具体步骤包括：
(1)在日前优化阶段，根据配电网、负荷、光伏、储能和VSC的参数数据，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数为：
f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV) (35)
Figure BDA0002979716740000101
Figure BDA0002979716740000102
式中：Ploss为系统总的损耗成本，包括直流、交流和VSC3部分，ΔV为系统节点电压偏差之和，λ1、λ2为系统损耗成本和电压水平偏差的权重系数，Nac和Ndc为系统交流部分和直流部分节点数，Ωi为与节点i相连的所有节点的集合，Rij,ac和Iij,ac为交流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，Rij,dc和Iij,dc为直流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，
Figure BDA0002979716740000103
为第k个VSC的有功功率损耗，price(t)为t时刻的电价，K为换流器个数，Vi(t)为节点i在t时刻的电压幅值，Vmin和Vmax表示节点电压优化区间的最大值和最小值；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的约束条件为：
①系统运行约束：
交流部分：
Figure BDA0002979716740000104
Figure BDA0002979716740000105
Figure BDA0002979716740000111
Vj,ac(t)2＝Vi,ac(t)2-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac(t)2 (41)
式(4)为交流系统功率约束，式(5)为节点注入的功率，式(6)-(7)为交流节点电压等式约束；
式中：
Figure BDA0002979716740000116
为以节点i为首端节点的支路末端节点集合；φi为以节点i为末端节点的支路首端节点集合；Pih,ac(t)为交流节点i流向交流节点h功率，Xij,ac为交流支路ij的电抗，和Qi,ac(t)为交流支路t时注入节点i的总有功和无功功率，
Figure BDA0002979716740000112
分别为交流节点i在t时刻分布式电源、储能、VSC注入的和负荷消耗的有功功率和无功功率。
(Vi,ac,min)2≤(Vi,ac(t))2≤(Vi,ac,max)2 (42)
0≤(Iij,ac(t))2≤(Iij,ac,max)2 (43)
式(8)-(9)为交流节点电压和电流不等式约束，式中：Vi,ac,min和Vi,ac,max分别为交流节点i的电压上下限，Iij,ac,max为交流支路ij的电流幅值上限。
直流部分：
Figure BDA0002979716740000113
Figure BDA0002979716740000114
Vj,dc(t)2＝Vi,dc(t)2-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc(t)2 (46)
Figure BDA0002979716740000115
式(10)为直流系统功率约束，式(11)-(12)为直流系统电压电流等式约束，式(13)为直流节点注入的功率。式中：Pij,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的有功功率，Rij,dc为直流支路ij的电阻，Pi,dc为t时段直流节点i上注入的有功功率之和，Iij,dc(t)和Vi,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的电流和节点i的电压，
Figure BDA0002979716740000121
分别为t时刻直流节点i注入的分布式电源、储能、换流器注入的及负荷消耗的功率。
(Vi,dc,min)2≤(Vi,dc(t))2≤(Vi,dc,max)2 (48)
0≤(Iij,dc(t))2≤(Iij,dc,max)2 (49)
式中：Vi,dc,min和Vi,dc,max分别为直流节点i的电压上下限，Iij,dc,max为直流支路ij的电流幅值上限。
②储能运行约束：
Figure BDA0002979716740000122
Figure BDA0002979716740000123
SOCi,min≤SOCi(t)≤SOCi,max (52)
式中：
Figure BDA0002979716740000124
为储能的有功功率上限，SOCi(t)、SOCi,min和SOCi,max表示第i个储能t时刻荷电状态及最大最小值；
③换流器运行约束：
VSC结构如图3所示，图中
Figure BDA0002979716740000125
和
Figure BDA0002979716740000126
为第k个VSC交流侧在t时刻的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002979716740000127
为第k个VSC直流侧在t时刻的有功功率
Figure BDA0002979716740000128
和
Figure BDA0002979716740000129
为第k个VSC的电阻和电抗，
Figure BDA00029797167400001210
为第k个VSC发出的无功功率：
Figure BDA00029797167400001211
Figure BDA00029797167400001212
Figure BDA0002979716740000131
Figure BDA0002979716740000132
Figure BDA0002979716740000133
式(19)-(21)为换流站数学模型，式(22)-(23)为VSC的损耗公式。式中：
Figure BDA0002979716740000134
为第k个VSC的容量，
Figure BDA0002979716740000135
为第k个VSC传输的有功功率和无功功率最大值，
Figure BDA0002979716740000136
为第k个换流器注入交流系统部分的有功功率和无功功率，
Figure BDA0002979716740000137
为第k个VSC注入直流侧的有功功率，A为VSC损耗系数，一般取值3％-10％。
(2)对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型，并求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；
所述步骤(2)的对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型的具体方法为：
建立目标函数为：f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV)
其中：
Figure BDA0002979716740000138
Figure BDA0002979716740000139
约束条件：
Figure BDA0002979716740000141
Figure BDA0002979716740000142
Vj,ac,2(t)＝Vi,ac,2(t)-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac,2(t) (62)
Figure BDA0002979716740000143
Figure BDA0002979716740000144
Vj,dc,2(t)＝Vi,dc,2(t)-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc,2(t) (65)
对式(27)和式(30)进行二阶锥约束松弛，如式(32)-(33)所示：
Figure BDA0002979716740000145
Figure BDA0002979716740000146
对式(19)进行旋转锥约束，如式(34)所示
Figure BDA0002979716740000147
所述步骤(2)的求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果的具体方法为：
首先，构建交直流混合配电网结构图，再输入电价、ESS、VSC及各节点负荷数据、控制方式等，再输入目标函数中的权重系数、VSC损耗系数、节点电压的调节范围，进而通过优化模型进行求解，得到最优情况时的目标函数、网络潮流及VSC的运行功率。
步骤2、判断在日前优化阶段的调控下是否发生故障，即是否发生电压越限，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，形成新的锥优化模型，并求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。
所述步骤2的具体步骤包括：
(1)根据配电网、负荷、光伏、储能、FDS的参数数据，并按照步骤1得到的日前优化阶段的网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果固定ESS的功率输出；
(2)按照步骤1的模型进行求解，通过检测电压是否越限判断交直流混合配电网是否发生故障，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制；
在本实施例中，FDS结构如图4所示，图中
Figure BDA0002979716740000151
和
Figure BDA0002979716740000152
表示第m个端口输出的有功功率和无功功率，Udc为直流侧电压，其运行约束如下：
Figure BDA0002979716740000153
Figure BDA0002979716740000154
Figure BDA0002979716740000155
式(35)为FDS各端口有功功率、无功功率及损耗的关系，式(36)为FDS容量约束，式(37)为FDS损耗公式。式中：Pi FDS(t)和
Figure BDA0002979716740000156
为为FDS与节点i相连的端口在t时刻输出的有功、无功功率和有功损耗，
Figure BDA0002979716740000157
和
Figure BDA0002979716740000158
为FDS与节点i相连的端口输出的无功功率的最大值和最小值。
对式(36)进行旋转锥约束改造，再与步骤1中的锥模型相结合，共同构成新的锥约束模型：
Figure BDA0002979716740000161
此时，系统运行约束的交流部分功率约束中也加入了FDS：
Figure BDA0002979716740000162
在步骤1锥优化模型的基础上，要加入FDS的约束条件及对交流部分功率约束进行一定的变动(式(39))，并利用新的锥优化模型进行求解，使得在FDS加入后，系统能够合理应对系统中发生故障的情况，使得电压重新回到正常水平。
下面通过具体算例对本发明的有效性进行验证：
1、算例设置：
本发明通过改造的IEEE33节点交直流混合配电网验证所提的考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行的有效性，如图5所示，该系统分为交流配电系统和直流配电系统两大部分，左侧实线部分为交流部分，右侧虚线部分为直流部分，节点1和节点8为平衡节点，3个VSC的控制方式及其他参数如表2所示，设由交流部分流向直流部分为正，损耗系数A为0.03。各支路最大载流量为500A。储能上限输出功率为1MW，额定容量为10MW·h，储能工作在容量的10％～90％。目标函数中的权重系数λ1＝0.8，λ2＝0.2，直流系统和交流系统电压等级均为10kV，电压幅值上下限分别为1.04p.u.和0.96p.u.，电压优化区间上下限为1.02p.u.和0.98p.u.。该系统实行分时电价，如表3所示。光伏及负荷运行情况如图6和图7所示，3个光伏分别接在节点11、13和15，两个负荷分别接在节点18和33，如图5所示。
表2 VSC初始配置参数
Figure BDA0002979716740000163
Figure BDA0002979716740000171
表3 24小时电价
时间 电价(元kW·h)
0:00-7:59和22:00-23:59 0.294
8:00-21:59 0.976
2、优化结果分析：
在本实施例中，共设置两个场景：场景一为交直流混合配电系统日前优化模型，FDS不出力，仅有VSC和储能对系统进行调节；场景二为交直流混合配电系统实时快速控制模型，在场景一的基础上，PV4在12-14时发生故障，不出力，储能根据场景一得到的优化结果出力，再利用VSC和FDS对系统进行调节。
(1)场景一，日前优化
图6为24小时内每个VSC及3个VSC之和、ESS的运行情况，图8为系统在ESS和VSC调节下的电压水平.
1-5时段，光伏未出力，直流配电系统由交流配电系统通过VSC支撑，电压下降明显，无功出力较大；VSC1工作在定直流电压模式，为使直流部分电压水平更好，流过VSC1功率较少；VSC2工作在负方向是因为节点30附近支路的负荷由节点1经VSC3-VSC2传输功率明显比不经换流器传输功率损耗小。
8-12时段，光伏出力逐渐变大，节点电压逐渐偏高，VSC以反向出力将直流部分多余的功率向交流部分传输，节点电压明显上升，无功出力减小。13-16时，光伏逐渐减小，VSC反向传输功率也减小，节点电压下降，无功出力上升。
18-24时段，光伏逐渐不出力，直流部分负荷由交流部分经VSC传递功率支撑，22-24时段部分，VSC传递有功出力和发出的无功功率都增加，是因为此时段电价较低，相比之下节点电压偏差所占比例上升，为使目标函数更小，更多地功率用于减小节点电压偏差。
通过图7可知，储能的充放电功率与系统的供需关系基本一致，在电压较高时吸收功率，电压较低时释放功率，22-24时段功率释放减小是因为电价较低，可以直接由上级电网来提供更多电能，减小成本。
通过图8可知，所测节点中，最低电压为0.9694，最高电压为1.017，节点电压能够保持在一个良好的水平，其中节点33在12-14时的电压分别为0.985、0.9842和0.9805，在不出突发状况的情况下，通过二者完全可以满足精度需求，但是后备调节在实时快速控制的作用也非常重要。
(2)场景二，实时快速控制
在场景一的条件下，PV4在12-14时发生故障不能发电，ESS按照场景一的优化结果进行控制。当故障发生时，最明显的特点就是电压的变化，当检测到电压越限时，FDS投入使用，VSC和FDS共同优化，图9为发生故障情况下24小时节点电压变化，12-14时电压越限，图10和图11为VSC和FDS共同优化时VSC和FDS的有功功率和无功功率变化，图12为在FDS和VSC共同优化下24小时部分节点电压变化。
由图9可知，12-14时节点33的电压分别为0.9573、0.9524和0.9548，明显小于0.96，因此在此时段加入调控，通过图11可知，FDS通过由节点21处向节点33处输送有功功率及向两点发出无功功率升高电压，使得节点33电压升高，由图12可以看出，节点33在12-14时的电压在FDS和VSC的共同优化下达到0.9923、0.9893、0.9871，回到正常水平。
综上，ESS-VSC日前优化、VSC-FDS实时快速控制得多时间尺度得优化方法，确实能够应对突发状况产生优化效果，对正常供电起到保障作用。
本发明的工作原理为：
本发明的一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法主要分为日前优化阶段(如图1所示)和实时快速控制阶段(如图2所示)。
日前优化阶段是根据日前预测的负荷、光伏及线路阻抗等参数，利用ESS和VSC进行优化，得到在正常情况下的一个最佳情况，从而固定ESS的功率输出情况；实时快速控制阶段是在ESS输出固定的情况下，先利用VSC进行优化，若发生故障导致电压越限，则利用VSC及FDS来共同应对运行中的突发状况，从而保障电力系统安全经济运行。
日前优化阶段是利用预测的光伏、负荷曲线及线路阻抗等数据，建立交直流混合配电系统模型，在通过二阶锥优化算法进行处理，最后通过对电压源型换流器和储能等进行优化控制，从而得到同时顾及网损和电压偏差的多目标优化模型。
实时快速控制阶段是应对故障发生的阶段，发生故障最明显的状况就是发生电压越限，本发明通过按照日前优化阶段的优化结果控制ESS输出，检测电压是否越限来判断故障是否发生，当电压越限时，加入FDS，通过VSC和FDS共同对系统进行优化控制，使电压重新回到限制范围之内。
最后，在改造的IEEE33节点交直流混合配电网中验证本发明所提方法的可行性和有效性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (5)

1.一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在日前优化阶段，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件，求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果；
步骤2、判断在日前优化阶段的调控下是否发生故障，即是否发生电压越限，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，形成新的锥优化模型，并求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。
2.根据权利要求1所述的一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：
(1)在日前优化阶段，根据配电网、负荷、光伏、储能和VSC的参数数据，建立交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数为：
f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV) (1)
Figure FDA0002979716730000011
Figure FDA0002979716730000012
式中：Ploss为系统总的损耗成本，包括直流、交流和VSC3部分，ΔV为系统节点电压偏差之和，λ1、λ2为系统损耗成本和电压水平偏差的权重系数，Nac和Ndc为系统交流部分和直流部分节点数，Ωi为与节点i相连的所有节点的集合，Rij,ac和Iij,ac为交流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，Rij,dc和Iij,dc为直流部分节点i和节点j间的支路的电阻和电流，
Figure FDA0002979716730000021
为第k个VSC的有功功率损耗，price(t)为t时刻的电价，K为换流器个数，Vi(t)为节点i在t时刻的电压幅值，Vmin和Vmax表示节点电压优化区间的最大值和最小值；
所述交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的约束条件为：
①系统运行约束：
交流部分：
Figure FDA0002979716730000022
Figure FDA0002979716730000023
Figure FDA0002979716730000024
Vj,ac(t)2＝Vi,ac(t)2-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac(t)2 (7)
式(4)为交流系统功率约束，式(5)为节点注入的功率，式(6)-(7)为交流节点电压等式约束；
式中：
Figure FDA0002979716730000025
为以节点i为首端节点的支路末端节点集合；φi为以节点i为末端节点的支路首端节点集合；Pih,ac(t)为交流节点i流向交流节点h功率，Xij,ac为交流支路ij的电抗，和Qi,ac(t)为交流支路t时注入节点i的总有功和无功功率，
Figure FDA0002979716730000026
分别为交流节点i在t时刻分布式电源、储能、VSC注入的和负荷消耗的有功功率和无功功率；
(Vi,ac,min)2≤(Vi,ac(t))2≤(Vi,ac,max)2 (8)
0≤(Iij,ac(t))2≤(Iij,ac,max)2 (9)
式(8)-(9)为交流节点电压和电流不等式约束，式中：Vi,ac,min和Vi,ac,max分别为交流节点i的电压上下限，Iij,ac,max为交流支路ij的电流幅值上限；
直流部分：
Figure FDA0002979716730000031
Figure FDA0002979716730000032
Vj,dc(t)2＝Vi,dc(t)2-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc(t)2 (12)
Figure FDA0002979716730000033
式(10)为直流系统功率约束，式(11)-(12)为直流系统电压电流等式约束，式(13)为直流节点注入的功率。式中：Pij,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的有功功率，Rij,dc为直流支路ij的电阻，Pi,dc为t时段直流节点i上注入的有功功率之和，Iij,dc(t)和Vi,dc(t)为t时段直流节点i流向节点j的电流和节点i的电压，
Figure FDA0002979716730000034
分别为t时刻直流节点i注入的分布式电源、储能、换流器注入的及负荷消耗的功率；
(Vi,dc,min)2≤(Vi,dc(t))2≤(Vi,dc,max)2 (14)
0≤(Iij,dc(t))2≤(Iij,dc,max)2 (15)
式中：Vi,dc,min和Vi,dc,max分别为直流节点i的电压上下限，Iij,dc,max为直流支路ij的电流幅值上限；
②储能运行约束：
Figure FDA0002979716730000041
Figure FDA0002979716730000042
SOCi,min≤SOCi(t)≤SOCi,max (18)
式中：
Figure FDA0002979716730000043
为储能的有功功率上限，SOCi(t)、SOCi,min和SOCi,max表示第i个储能t时刻荷电状态及最大最小值；
③换流器运行约束：
Figure FDA0002979716730000044
和
Figure FDA0002979716730000045
为第k个VSC交流侧在t时刻的有功功率和无功功率，
Figure FDA0002979716730000046
为第k个VSC直流侧在t时刻的有功功率
Figure FDA0002979716730000047
和
Figure FDA0002979716730000048
为第k个VSC的电阻和电抗，
Figure FDA0002979716730000049
为第k个VSC发出的无功功率：
Figure FDA00029797167300000410
Figure FDA00029797167300000411
Figure FDA00029797167300000412
Figure FDA00029797167300000413
Figure FDA00029797167300000414
式(19)-(21)为换流站数学模型，式(22)-(23)为VSC的损耗公式；式中：
Figure FDA00029797167300000415
为第k个VSC的容量，
Figure FDA00029797167300000416
为第k个VSC传输的有功功率和无功功率最大值，
Figure FDA00029797167300000417
为第k个换流器注入交流系统部分的有功功率和无功功率，
Figure FDA00029797167300000418
为第k个VSC注入直流侧的有功功率，A为VSC损耗系数；
(2)对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型，并求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果。
3.根据权利要求2所述的一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，其特征在于：所述步骤1的第(2)步的对步骤1第(1)步所建立的交直流混合配电网的ESS-VSC日前优化模型的目标函数及约束条件进行锥优化处理，形成锥优化模型的具体方法为：
建立目标函数为：f＝min(λ1Ploss+λ2ΔV)
其中：
Figure FDA0002979716730000051
Figure FDA0002979716730000052
约束条件：
Figure FDA0002979716730000053
Figure FDA0002979716730000054
Vj,ac,2(t)＝Vi,ac,2(t)-2(Rij,acPij,ac(t)+Xij,acQij,ac(t))+(Rij,ac 2+Xij,ac 2)×Iij,ac,2(t) (28)
Figure FDA0002979716730000055
Figure FDA0002979716730000056
Vj,dc,2(t)＝Vi,dc,2(t)-2Rij,dcPij,dc(t)+Rij,dc 2×Iij,dc,2(t) (31)
对式(27)和式(30)进行二阶锥约束松弛，如式(32)-(33)所示：
Figure FDA0002979716730000061
Figure FDA0002979716730000062
对式(19)进行旋转锥约束，如式(34)所示
Figure FDA0002979716730000063
4.根据权利要求2所述的一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，其特征在于：所述步骤1的第(2)步的求解得到网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果的具体方法为：
首先，构建交直流混合配电网结构图，再输入电价、ESS、VSC及各节点负荷数据和控制方式，再输入目标函数中的权重系数、VSC损耗系数、节点电压的调节范围，进而通过优化模型进行求解，得到最优情况时的目标函数、网络潮流及VSC的运行功率。
5.根据权利要求1所述的一种考虑多时间尺度的交直流混合配电网优化运行方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：
(1)根据配电网、负荷、光伏、储能、FDS的参数数据，并按照步骤1得到的日前优化阶段的网络潮流及储能、VSC运行功率的优化结果固定ESS的功率输出；
(2)按照步骤1的模型进行求解，通过检测电压是否越限判断交直流混合配电网是否发生故障，当交直流混合配电网发生故障时，加入FDS，并对FDS的约束条件进行锥优化后，求解得到新的网络潮流及FDS和VSC运行功率，进而通过VSC和FDS共同对系统进行实时快速控制。
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