CN115051392A - 一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法 - Google Patents

一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法 Download PDF

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CN115051392A CN202111602136.6A CN202111602136A CN115051392A CN 115051392 A CN115051392 A CN 115051392A CN 202111602136 A CN202111602136 A CN 202111602136A CN 115051392 A CN115051392 A CN 115051392A
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周慧忠
谢永胜
郑涛涛
许晓峰
张小聪
任娴婷
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Abstract

本发明公开了一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，包括：S1、采集并整理计算配电网节点测试系统中的各项数据；S2、基于S1中的数据构建无功协调优化控制的目标函数和一般约束条件并求解；S3、对配电网节点测试系统进行安全检验，若不通过则添加对应约束条件后返回S2，若通过则进入S4；S4、通过安全检验的目标函数和约束条件的求解结果即为最终的无功协调优化控制方法。本发明将分布式电源、储能以及各类柔性负荷同时作为无功优化的调控资源，以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标，优化电力系统的无功调控策略，提升电网运行效能。

Description

一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法
技术领域
本发明涉及配电网控制技术领域，尤其是涉及一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法。
背景技术
随着分布式新能源电源接入量的不断增大、电动汽车普及率的不断提高以及储能与柔性可调负荷的增多，传统电网将面临诸多的挑战。在包括储能装置、分布式新能源、SVG、SVC、柔性负荷在内的大量分散调节资源接入电网后，无功电压特性已经与常规同步机组情形有很大的不同，其显著特征是模型不确定程度高，缺乏优良的电压支撑能力。因此，可能容易恶化电网电压状态，从而降低整个混联电网的电压支撑能力，给电网安全稳定运行带来新的挑战。另一方面，分散调节资源往往具备一定的动态调节能力，有望经过协调控制，改善电网电压动态。
在中国专利文献中公开的“考虑分布式电源出力不确定性的源网荷协调运行控制方法”，其公开号为CN108512252A，公开日期为2018-09-07，针对含有大量分布式电源与柔性负荷的配电网，实时监测采集配电网中分布式电源出力与负荷情况，并将采集数据上传至配电网控制中心，在出现供电短缺时，通过与柔性负荷连接的智能插座，监测并调节所述配电网区域内柔性负荷的运行状态，以达到源网荷的实时功率平衡，弥补配电网中分布式电源出力的不确定性缺点，提高配电网运行的安全稳定性。但是该技术只考虑了部分柔性负荷在配电网中参与时的控制方法，而现阶段，新能源、储能设备及柔性负荷都已成为电网调度控制中不可忽视的可用资源，其在电力系统无功电压控制中的应用前景及技术实施路线仍不清晰。因此，亟需开展计及新能源、储能及柔性负荷的动态无功协调优化控制的研究，挖掘大量分散调节资源的电压无功控制能力，协调控制资源将对保障电网安全稳定运行具有重大意义。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中缺少对于多种资源参与电压调节的动态无功协调优化控制方法的问题，提供了一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，将分布式电源、储能以及各类柔性负荷同时作为无功优化的调控资源，以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标，优化电力系统的无功调控策略，提升电网运行效能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，包括：
S1、采集并整理计算配电网节点测试系统中的各项数据；
S2、基于S1中的数据构建无功协调优化控制的目标函数和一般约束条件并求解；
S3、对配电网节点测试系统进行安全检验，若不通过则添加对应约束条件后返回S2，若通过则进入S4；
S4、通过安全检验的目标函数和约束条件的求解结果即为最终的无功协调优化控制方法。
本发明中将分布式电源、储能以及各类柔性负荷同时作为无功优化的调控资源，以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标，优化电力系统的无功调控策略。充分利用可调负荷、储能电站等弹性资源辅助电网运行优化，提升电网运行效能，解决多种资源参与电压调节的动态无功协调优化控制问题，充分发挥分散资源的动态调节能力。最后计算的结果包含配电网中每个时间点各可调元件的状态变量，如：t时刻i节点的无功负荷是否调节、调节量是多少；t时刻i节点的储能部分充电还是放电，充放电量是多，将这些结果整理后就是所需要的得到的无功协调优化控制方法。
作为优选，所述配电网节点测试系统为IEEE-33节点标准测试系统，所述数据包括典型日分布式电源出力曲线、典型日负荷曲线。本发明中IEEE-33节点标准测试系统用于计算测试配电网在考虑接入分布式电源配置后的运行数据，所得到的数据用于建立后续目标函数和约束条件的公式，以典型日分布式电源处理曲线和典型日负荷曲线为例，节点的注入功率等于电源出力功率减去负荷功率。
作为优选，所述S2中每一小时采集一次数据，计算一天24小时中动态无功协调优化控制的目标函数与一般约束条件的解。本发明中将目标函数和所有的约束条件整理为GAMS的输入形式，每一小时取1个扫描点采集数据，并基于GAMS软件的DICOPT求解器求取一天24小时的动态无功协调优化控制策略，即目标函数和一般约束条件的解。
作为优选，所述目标函数为：
Figure BDA0003433331000000021
f1为电网在一天24个时刻各支路网损之和；f2为电网在一天24个时刻各节点电压偏移量之和；f3为柔性负荷调控成本之和；α1、α2、α3为三个不同权重因子，满足α1+α2+α3＝1；n为电网的节点个数；nfl为电网中柔性负荷的个数；Gij为节点i和节点j之间的互导纳；
Figure BDA0003433331000000022
为节点i在t时刻的电压；
Figure BDA0003433331000000031
为t时刻节点i和节点j的电压相角差；
Figure BDA0003433331000000032
为节点i的电压基准值；
Figure BDA0003433331000000033
为节点i允许的最大电压偏移量；
Figure BDA0003433331000000034
分别为节点i在t时刻柔性负荷调节的有功功率、无功功率；λ、μ分别为柔性负荷调节的单位有功、无功功率的补偿费用。本发明是以网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标进行无功协调优化控制的，因此以各支路网损之和、各节点电压偏移量之和和柔性负荷调控成本之和进行加权计算求取最小值来得到最终的控制方法结果。
作为优选，所述一般约束条件为：
Vi,min≤Vi t≤Vi,max
Figure BDA0003433331000000035
Figure BDA0003433331000000036
Pi t、
Figure BDA0003433331000000037
为第i个节点在t时刻的注入有功功率、注入无功功率，Vi t为第i个节点在t时刻的电压幅值，Gij、Bij为i、j两节点间的互电导、互电纳，
Figure BDA0003433331000000038
为i节点在t时刻电压超前j节点电压的角度。本发明中根据实际情况对与每个节点在不同时刻的注入功率和不同节点之间同时刻的电压角度差都有各自的上限阈值和下限阈值作为约束条件，一般约束条件是为了保证整个系统的功率平衡、电压和线路功率处在安全的运行范围内，通常满足一般约束条件的系统都能通过安全校验。
作为优选，所述S3中的安全检验为N-1安全检验，断开配电网节点测试系统中的一条线路后检验该系统能否正常运行，能正常运行则通过安全检验，若不能正常运行则找出系统中越限的电气量，对该越限电气量添加对应约束条件并重新求解。本发明中安全检验则是为了保证在正常运行方式下，电力系统中任一线路无故障或因故障断开时，电力系统都能保持稳定运行和正常供电，且系统中的其他元件不超过负荷或越限，且能保持这个系统稳定和持续供电的能力，当安全检验时若有电气量存在越限情况，则对该电气量添加约束条件，然后再进行重新计算从而通过安全检验。
作为优选，所述对应约束条件包括：
发电机出力约束，用于进行功率约束；
有载调压变压器约束，用于进行分接头调节范围约束和调节次数约束；
分布式电源约束，用于有功出力约束和有功-无功关系约束；
无功补偿装置约束，用于无功补偿容量约束；
储能约束，用于充放电功率约束和电量约束；
柔性负荷约束，用于负荷调节量约束、调节次数约束。
本发明中发电机出力约束、有载调压变压器约束、分布式电源约束、无功补偿装置约束、储能约束的约束均是为了确保对应的元件在任何时刻都能正常安全的运行；柔性负荷约束是为了对调节量、调节次数进行限制，且柔性负荷约束针对不同的负荷类型对应有不同的约束关系式，包括无功不可调负荷约束、无功独立可调负荷约束以及无功非独立可调负荷约束。
本发明具有如下有益效果：将分布式电源、储能以及各类柔性负荷同时作为无功优化的调控资源，以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标，优化电力系统的无功调控策略，能够充分利用可调负荷、储能电站等弹性资源辅助电网运行优化，提升电网运行效能，解决多种资源参与电压调节的动态无功协调优化控制问题，充分发挥了分散资源的动态调节能力，具有较好的适用性，较好地满足了实际需求。
附图说明
图1是本发明获取无功协调优化控制方法的流程图；
图2是本发明实施例中动态无功协调优化控制方法生成的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，包括：
S1、采集并整理计算配电网节点测试系统中的各项数据；配电网节点测试系统为IEEE-33节点标准测试系统，其中的数据包括但不限于典型日分布式电源出力曲线、典型日负荷曲线。
S2、基于S1中的数据构建用于计算无功协调优化控制方法的目标函数和一般约束条件并进行求解；S2中每一小时采集一次数据，在一天24小时中采集24个时刻数据，并求动态无功协调优化控制的目标函数在一般约束条件下的解；
S3、对配电网节点测试系统进行安全检验，若安全检验不通过则添加对应约束条件后返回S2，若通过则进入S4；S3中的安全检验为N-1安全检验，即断开配电网节点测试系统中的一条线路后检验该系统能否继续正常运行，能正常运行则通过安全检验，若不能正常运行则找出系统中越限的电气量，对该越限电气量添加对应约束条件并重新求解；
对应约束条件包括：
发电机出力约束，用于进行功率约束；
有载调压变压器约束，用于进行分接头调节范围约束和调节次数约束；
分布式电源约束，用于有功出力约束和有功-无功关系约束；
无功补偿装置约束，用于无功补偿容量约束；
储能约束，用于充放电功率约束和电量约束；
柔性负荷约束，用于负荷调节量约束、调节次数约束。
S4、目标函数和约束条件的求解结果通过安全检验后，经过整理即为最终的无功协调优化控制方法。
本发明中将分布式电源、储能以及各类柔性负荷同时作为无功优化的调控资源，以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标，优化电力系统的无功调控策略。充分利用可调负荷、储能电站等弹性资源辅助电网运行优化，提升电网运行效能，解决多种资源参与电压调节的动态无功协调优化控制问题，充分发挥分散资源的动态调节能力。最后计算的结果包含配电网中每个时间点各可调元件的状态变量，如：t时刻i节点的无功负荷是否调节、调节量是多少；t时刻i节点的储能部分充电还是放电，充放电量是多，将这些结果整理后就是所需要的得到的无功协调优化控制方法。
本发明中IEEE-33节点标准测试系统用于计算测试配电网在考虑接入分布式电源配置后的运行数据，所得到的数据用于建立后续目标函数和约束条件的公式，以典型日分布式电源处理曲线和典型日负荷曲线为例，节点的注入功率等于电源出力功率减去负荷功率。
本发明中将目标函数和所有的约束条件整理为GAMS的输入形式，每一小时取1个扫描点采集数据，并基于GAMS软件的DICOPT求解器求取一天24小时的动态无功协调优化控制策略，即目标函数和一般约束条件的解。
本发明是以网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标进行无功协调优化控制的，因此以各支路网损之和、各节点电压偏移量之和和柔性负荷调控成本之和进行加权计算求取最小值来得到最终的控制方法结果。
本发明中根据实际情况对与每个节点在不同时刻的注入功率和不同节点之间同时刻的电压角度差都有各自的上限阈值和下限阈值作为约束条件，一般约束条件是为了保证整个系统的功率平衡、电压和线路功率处在安全的运行范围内，通常满足一般约束条件的系统都能通过安全校验。
本发明中安全检验则是为了保证在正常运行方式下，电力系统中任一线路无故障或因故障断开时，电力系统都能保持稳定运行和正常供电，且系统中的其他元件不超过负荷或越限，且能保持这个系统稳定和持续供电的能力，当安全检验时若有电气量存在越限情况，则对该电气量添加约束条件，然后再进行重新计算从而通过安全检验。
本发明中发电机出力约束、有载调压变压器约束、分布式电源约束、无功补偿装置约束、储能约束的约束均是为了确保对应的元件在任何时刻都能正常安全的运行；柔性负荷约束是为了对调节量、调节次数进行限制，且柔性负荷约束针对不同的负荷类型对应有不同的约束关系式，包括无功不可调负荷约束、无功独立可调负荷约束以及无功非独立可调负荷约束。
在本发明获取动态无功协调优化控制方法的实施例中，如图2所示，首先采集整理IEEE-33节点标准测试系统数据，包括节点导纳矩阵、线路传输功率边界等，同时基于典型的配电网络规模和数据选取对应的分布式电源配置，并接入配电网络后收集包括典型日分布式电源出力曲线、典型日负荷曲线等数据。
然后根据整理的数据构建数学模型并整理为GAMS的输入形式，这里的数学模型为由目标函数和一般约束条件共同构成的一个完整的数学模型，同时每一小时取1个扫描点，并基于GAMS软件的DICOPT求解器求取一天24小时动态无功协调优化控制方法，即目标函数在一般约束条件下的解。其中目标函数为：
Figure BDA0003433331000000061
f1表示电网在一天24个时刻各支路网损之和；f2表示电网在一天24个时刻各节点电压偏移量之和；f3表示柔性负荷调控成本之和；α1、α2、α3分别表示三个不同权重因子，满足α1+α2+α3＝1；n为电网的总节点个数；nfl为电网中柔性负荷的个数；Gij为节点i和节点j之间的互导纳；
Figure BDA0003433331000000062
为节点i在t时刻的电压；
Figure BDA0003433331000000063
为节点j在t时刻的电压；
Figure BDA0003433331000000064
为节点i和节点j在t时刻的电压相角差；
Figure BDA0003433331000000065
为节点i的电压基准值；
Figure BDA0003433331000000066
为节点i允许的最大电压偏移量；
Figure BDA0003433331000000067
为节点i在t时刻柔性负荷调节的有功功率、
Figure BDA0003433331000000068
为节点i在t时刻柔性负荷调节的无功功率；λ为柔性负荷调节的单位有功功率的补偿费用、μ为柔性负荷调节的单位无功功率的补偿费用。
其中一般约束条件的关系式为：
Vi,min≤Vi t≤Vi,max
Figure BDA0003433331000000071
Figure BDA0003433331000000072
Figure BDA0003433331000000073
Pi t、
Figure BDA0003433331000000074
分别为第i个节点在t时刻的注入有功功率和注入无功功率，Vi t为第i个节点在t时刻的电压幅值，
Figure BDA0003433331000000075
为第i个节点在t时刻的电压幅值，Gij为i、j两节点间的互导纳、Bij为i、j两节点间的互电纳，
Figure BDA0003433331000000076
为i节点在t时刻电压超前j节点电压的角度，Pij为节点i和节点j之间支路流经的功率。
在得到目标函数在一般约束条件下的解后，即得到了对于系统的具体控制方法，对使用该控制方法的系统进行N-1安全检验，断开其中的一条线路检验系统能否正常运行。若系统的功率平衡、电压和线路功率处在安全的运行范围内则说明通过安全检验；安全检验时存在任意电气量越限时，则说明安全检验不通过，需要对越限的电气量添加对应约束条件后再结合一般约束条件计算目标函数的解，然后重新进行安全检验知道最终通过安全检验。
在本实施例的对应约束条件中包括有以下约束条件的关系式：
发电机出力约束关系式为：
Figure BDA0003433331000000077
Figure BDA0003433331000000078
分别为第i个机组t时刻的有功出力和无功出力，
Figure BDA0003433331000000079
分别为第i个机组的有功出力上限和下限，
Figure BDA00034333310000000710
分别为第i个机组的无功出力上限和下限。
有载调压变压器约束关系式为：
Figure BDA00034333310000000711
Ti t为第i台有载调压变压器在t时刻的变比；Ti max、Ti min分别为第i台有载调压变压器的变比可调节上下限；
Figure BDA0003433331000000081
为状态变量，为1时调节变比，为0时不调节变比；
Figure BDA0003433331000000082
为一天内变比最大调节次数；ΔT为变比的调节量。
分布式电源约束约束关系式为：
Figure BDA0003433331000000083
Figure BDA0003433331000000084
分别为第i台分布式电源在t时刻的有功出力和无功出力，tanφi为功率因数，
Figure BDA0003433331000000085
表示第i台分布式电源的最大有功出力。
无功补偿装置约束关系式为：
Figure BDA0003433331000000086
Figure BDA0003433331000000087
为第i个静止无功补偿器所补偿的无功，
Figure BDA0003433331000000088
和
Figure BDA0003433331000000089
分别表示第i个静止无功补偿器所能补偿的无功的上限和下限。
储能约束关系式为：
Figure BDA00034333310000000810
Figure BDA00034333310000000811
表示为储能充电功率的上限；
Figure BDA00034333310000000812
表示为储能放电功率的上限；ηi,ch、ηi,dch分别为储能充电效率系数和储能放电效率系数；
Figure BDA00034333310000000813
为状态变量，为1时充电，为0时放电；
Figure BDA00034333310000000814
为t时刻节点i的电量；
Figure BDA00034333310000000815
为考虑寿命等因素后设置的电量上下值；Δt表示持续充电或放电的时间，在本实施例中在一天内取24个时间点进行动态无功协调优化，因此Δt取作1，若取一天内的96个时间点进行动态无功协调优化，则Δt＝24/96＝0.25。本实施例中下标ch为charge的缩写，代表充电；下标dch为discharge的缩写，代表放电。
柔性负荷约束针对不同类型会对应不同的约束关系式，包括无功不可调负荷约束、无功独立可调负荷约束以及无功非独立可调负荷约束。
无功不可调负荷约束，即在运行过程中无功功率无法调节的负荷，其关系式为：
Figure BDA0003433331000000091
无功独立可调负荷约束，即在运行过程中无功功率可以独立调节而有功功率可以保持不变的负荷，其关系式为：
Figure BDA0003433331000000092
无功非独立可调负荷约束，即在运行过程中负荷的功率因数需要保持不变，调节无功功率时会影响有功功率大小的负荷，其关系式为：
Figure BDA0003433331000000093
其中
Figure BDA0003433331000000094
分别为t时刻节点i处柔性负荷调节量；
Figure BDA0003433331000000095
分别为t时刻节点i处柔性负荷调节量的最大值和最小值；
Figure BDA0003433331000000096
为节点i处柔性负荷1天内最大调节次数；
Figure BDA0003433331000000097
为状态变量，为1时调节负荷，为0时不调节负荷；Tcf为负荷调节的间隔时间；
Figure BDA0003433331000000098
为i节点无功非独立可调负荷的功率因数；
Figure BDA0003433331000000099
分别为i节点t时刻的有功功率和无功功率。
在完成安全检验后，目标函数在一般约束条件和对应约束条件下求得的解包含了每个时间点中各可调元件的状态变量，如：t时刻i节点的无功负荷是否需要调节以及对应的调节量是多少；t时刻i节点的储能是进行充电还是放电，充放电量是多少等等，因此将求解的结果进行整理后就能得到以满足网损最小、电压偏移规定值最小以及柔性负荷调控成本最小为目标的动态无功协调优化控制方法。
上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，包括：
S1、采集并整理计算配电网节点测试系统中的各项数据；
S2、基于S1中的数据构建无功协调优化控制的目标函数和一般约束条件并求解；
S3、对配电网节点测试系统进行安全检验，若不通过则添加对应约束条件后返回S2，若通过则进入S4；
S4、通过安全检验的目标函数和约束条件的求解结果即为最终的无功协调优化控制方法。
2.根据权利要求1所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述配电网节点测试系统为IEEE-33节点标准测试系统，所述数据包括典型日分布式电源出力曲线、典型日负荷曲线。
3.根据权利要求1或2所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述S2中每一小时采集一次数据，计算一天24小时中动态无功协调优化控制的目标函数与一般约束条件的解。
4.根据权利要求3所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述目标函数为：
Figure FDA0003433330990000011
f1为电网在一天24个时刻各支路网损之和；f2为电网在一天24个时刻各节点电压偏移量之和；f3为柔性负荷调控成本之和；α1、α2、α3为三个不同权重因子，满足α1+α2+α3＝1；n为电网的节点个数；nfl为电网中柔性负荷的个数；Gij为节点i和节点j之间的互导纳；
Figure FDA0003433330990000012
为节点i在t时刻的电压；
Figure FDA0003433330990000013
为t时刻节点i和节点j的电压相角差；
Figure FDA0003433330990000014
为节点i的电压基准值；
Figure FDA0003433330990000015
为节点i允许的最大电压偏移量；
Figure FDA0003433330990000016
分别为节点i在t时刻柔性负荷调节的有功功率、无功功率；λ、μ分别为柔性负荷调节的单位有功、无功功率的补偿费用。
5.根据权利要求3所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述一般约束条件为：
Vi,min≤Vi t≤Vi,max
Figure FDA0003433330990000017
Figure FDA0003433330990000021
Pi t、
Figure FDA0003433330990000022
为第i个节点在t时刻的注入有功功率、注入无功功率，Vi t为第i个节点在t时刻的电压幅值，Gij、Bij为i、j两节点间的互导纳、互电纳，
Figure FDA0003433330990000023
为i节点在t时刻电压超前j节点电压的角度。
6.根据权利要求1所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述S3中的安全检验为N-1安全检验，断开配电网节点测试系统中的一条线路后检验该系统能否正常运行，能正常运行则通过安全检验，若不能正常运行则找出系统中越限的电气量，对该越限电气量添加对应约束条件并重新求解。
7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的一种含新能源、储能及柔性负荷的无功协调优化控制方法，其特征在于，所述对应约束条件包括：
发电机出力约束，用于进行功率约束；
有载调压变压器约束，用于进行分接头调节范围约束和调节次数约束；
分布式电源约束，用于有功出力约束和有功-无功关系约束；
无功补偿装置约束，用于无功补偿容量约束；
储能约束，用于充放电功率约束和电量约束；
柔性负荷约束，用于负荷调节量约束、调节次数约束。
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