CN116073447A - 一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法 - Google Patents

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CN116073447A CN202310216877.3A CN202310216877A CN116073447A CN 116073447 A CN116073447 A CN 116073447A CN 202310216877 A CN202310216877 A CN 202310216877A CN 116073447 A CN116073447 A CN 116073447A
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Abstract

本发明公开了一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，其步骤如下：首先，获取配电网结构及线路参数，建立配电网潮流计算模型；其次，当电压越限问题出现时，获取此时的负荷情况和分布式光伏接入情况；然后，考虑负荷和分布式光伏的波动性，基于鲁棒优化方法进行潮流计算得出分布式光伏功率输出参数；之后，二次控制层通过通信网络发出功率输出指令值；最后，一次控制层接受指令，控制光伏功率输出，电压越限问题解决。本发明以分布式光伏接入容量最大为目标，通过鲁棒优化方法计算二次控制指令值，实现分布式光伏功率输出的实时优化，计算结果抗干扰性好。在高比例新能源背景下，本发明对提高配电网的电能质量具有重要意义。

Description

一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法
技术领域
本发明属于配电网电压控制技术领域，具体涉及一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法。
背景技术
分布式光伏由于其低碳环保、灵活、建设周期短等优点，已得到大力推广。随着分布式光伏的广泛并网发电，配电网的电压控制问题愈发复杂。究其原因，分布式光伏的出力波动性使得电力系统运行中的不确定程度加剧，配电网电压控制的难度增加。因此，分布式光伏大量接入配电网在提高新能源利用水平、优化发电结构的同时，也使得配电网电能质量遭受影响，电压越限等问题频发。
对于高渗透率分布式光伏接入下的配电网，与传统配电网相比，其能承受的负荷波动范围有所减小，当配电网负荷水平大幅度减少时，会出现电压越限等问题。应对此类问题，盲目的切除已并网的分布式光伏会导致弃光率的提高。同时分布式光伏易受天气影响，导致出力不足，电压降低，电网的电压无功控制面临着随机扰动的风险。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，建立配电网含分布式光伏的潮流计算模型，当电压越限问题出现后，采集各节点数据，计算可接入分布式光伏容量上限。同时借助鲁棒优化算法可以有效应对负荷和分布式光伏波动性带来的影响，计算结果有较好的抗干扰性，在保证配电网电能质量的同时，提高分布式光伏接入容量。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，适用于高渗透率分布式光伏接入下的配电网发生电压越限问题时，及时调整并网点光伏出力，保证电能质量，其具体步骤如下：
步骤1：应用线性化的DistFlow支路潮流等式(1)，结合网架结构、线路参数以及各节点负荷水平，建立配电网潮流计算模型；
Pi+1＝Pi-pi+1  (1)
Qi+1＝Qi-qi+1
Vi+1＝Vi-(riPi+xiQi)/Vsub
式中Pi表示从节点i流向节点i+1的有功功率，Qi表示从节点i流向节点i+1的无功功率；Pi+1表示从节点i+1流向节点i+2的有功功率，Qi+1表示从节点i+1流向节点i+2的无功功率；pi+1表示节点i+1输出的有功功率，qi+1表示节点i+1输出的无功功率；Vi+1表示节点i+1的电压幅值；ri表示节点i和节点i+1之间线路的电阻，xi表示节点i和节点i+1之间线路的电抗；Vsub表示配电网与上级电网相连的变压器二次侧额定电压幅值；
步骤2：配电网各节点监测系统检测到出现电压越限问题，发出警报；
步骤3：采集配电网各节点当前负荷的有功功率
Figure BDA0004115225760000021
和无功功率
Figure BDA0004115225760000022
以及分布式光伏并网点接入有功功率
Figure BDA0004115225760000023
计算各节点输出的有功功率pi和无功功率qi，常规节点
Figure BDA0004115225760000024
分布式光伏并网点
Figure BDA0004115225760000025
步骤4：添加约束条件，包括节点电压安全约束、载流量约束、与上级电网的功率交换约束，确保配电网的运行安全；考虑负荷和分布式光伏的波动性，以允许接入的分布式光伏最大接入容量为目标函数，基于步骤1建立的配电网潮流计算模型对含分布式光伏的配电网进行潮流计算；
步骤5：通过鲁棒优化方法计算得出分布式光伏的有功无功出力，计算出来的有功和无功功率作为参考值，二次控制层通过通信网络发出指令，并网点及时调整光伏有功和无功出力；
步骤6：一次控制层接收到指令，由MPPT控制改为PQ控制，从而调整光伏有功和无功出力，各节点电压回归至允许值范围内；
步骤4的实现包括如下步骤：
步骤4.1、节点电压安全约束：
Figure BDA0004115225760000026
式中Vi,min和Vi,max分别是配电系统安全运行规定的节点i的电压幅值的上限和下限；
步骤4.2、载流量约束：
Figure BDA0004115225760000027
Figure BDA0004115225760000028
流过变压器或节点的功率受到其最大视在功率的限制，式中psub和qsub分别是流过变压器的有功功率和无功功率；Ssub,max是变压器允许流过的最大视在功率；Pi和Qi分别是从节点i流向下一节点的有功功率和无功功率；Si,max是节点i允许流过的最大视在功率；
步骤4.3、与上级电网的功率交换约束：
psub,min≤psub≤psub,max  (4)
qsub,min≤qsub≤qsub,max
高渗透率分布式光伏接入下的配电网通过配电变压器与上级电网相连，为了确保上级电网的安全稳定，接口处的有功功率和无功功率需要受到限制；式中psub,min和psub,max分别是上级电网允许交换的有功功率的上限和下限，qsub,min和qsub,max分别是上级电网允许交换的无功功率的上限和下限；
步骤4.4、负荷和分布式光伏的波动性：
Figure BDA0004115225760000031
Figure BDA0004115225760000032
式中
Figure BDA0004115225760000033
表示分布式光伏输出的有功功率，
Figure BDA0004115225760000034
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值，
Figure BDA0004115225760000035
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值
Figure BDA0004115225760000036
与区间边界值的差的绝对值；所以分布式光伏输出的有功功率的波动区间表示为
Figure BDA0004115225760000037
同理，
Figure BDA0004115225760000038
表示负荷水平，
Figure BDA0004115225760000039
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值，
Figure BDA00041152257600000310
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值
Figure BDA00041152257600000311
与区间边界值的差的绝对值负荷水平的波动区间为
Figure BDA00041152257600000312
步骤4.5、建立目标函数：
Figure BDA00041152257600000313
基于上述约束条件，在确保配电网运行安全的条件下，通过步骤1建立的配电网潮流计算模型对配电网进行潮流计算，得到允许接入的分布式光伏最大接入容量。
本发明方法利用现有配电网负荷水平和分布式光伏接入容量，基于鲁棒优化算法以允许接入的分布式光伏最大接入容量为目标函数对含分布式光伏的配电网进行优化求解，为分布式光伏控制提供调控指导。其优势在于：1、鲁棒优化强调不确定优化问题的解对于任何一个可能参数的实现都必须是可行的，本发明的分布式光伏分层控制方法可以在更大范围内维持节点电压在安全范围内。2、与现有方法相比，本发明的控制方法以分布式光伏接入容量最大为目标，能实时优化分布式光伏的有功功率和无功功率输出，保证电能质量。
本发明通过鲁棒优化算法，二次控制层计算可接入分布式光伏出力的上限，给予一次控制层一个参考值，可以有效应对负荷或分布式光伏出力突然减小造成的电压越限问题。电压越上限，及时调整分布式光伏接入容量；电压越下限，分布式光伏参与无功调节。同时借助鲁棒优化算法可以有效应对负荷和分布式光伏波动性带来的影响，计算结果有较好的抗干扰性。在新型电力系统新能源发电渗透率不断提高的背景下，本发明对提高配电网的电能质量具有重要意义。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是分布式光伏分层控制示意图。
图3是一次控制环节结构图。
图4是IEEE33节点配电网的网络拓扑结构图。
图5是系统正常运行时配电网各节点电压水平图。
图6(a)是负荷减少为原来一半后配电网各节点电压水平图。
图6(b)是调节配电网分布式光伏出力后各节点电压水平图。
图6(c)是节点24电压的电压有效值变化图。
图7(a)是分布式光伏出力减少后配电网各节点电压水平图。
图7(b)是分布式光伏进行无功调节后各节点电压水平图。
图7(c)是节点17电压的电压有效值变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，适用于高渗透率分布式光伏接入下的配电网发生电压越限问题时，及时调整并网点光伏出力，保证电能质量。其流程图如附图1所示；分布式光伏分层控制示意图如附图2所示；一次控制环节结构图如附图3所示；有分布式光伏接入的IEEE33节点配电网的网络拓扑结构图如附图4所示，节点5、节点21和节点24为光伏并网点，额定容量均为4MW；IEEE33节点配电网支路阻抗和节点负荷如表1所示：
表1
节点i 节点j 支路阻抗 节点j负荷(kW) 节点i 节点j 支路阻抗 节点j负荷(kW)
0 1 0.0922+j0.047 100+j60 16 17 0.732+j0.574 90+j40
1 2 0.493+j0.2511 90+j40 1 18 0.164+j0.1565 90+j40
2 3 0.366+j0.1864 120+j80 18 19 1.5042+j1.3554 90+j40
3 4 0.3811+j0.1941 60+j30 19 20 0.4095+j0.4784 90+j40
4 5 0.819+j0.707 60+j20 20 21 0.7089+j0.9373 90+j40
5 6 0.1872+j0.6188 200+j100 2 22 0.4512+j0.3083 90+j50
6 7 0.7114+j0.2351 200+j100 22 23 0.898+j0.7091 420+j200
7 8 1.03+j0.74 60+j20 23 24 0.896+j0.7011 420+j200
8 9 1.044+j0.74 60+j20 5 25 0.203+j0.1034 60+j25
9 10 0.1966+j0.065 45+j30 25 26 0.2842+j0.1447 60+j25
10 11 0.3744+j0.1238 60+j35 26 27 1.059+j0.9337 60+j20
11 12 1.468+j1.155 60+j35 27 28 0.8042+j0.7006 120+j70
12 13 0.5416+j0.7129 120+j80 28 29 0.5075+j0.2585 200+j600
13 14 0.591+j0.526 60+j10 29 30 0.9744+j0.963 150+j70
14 15 0.7463+j0.545 60+j20 30 31 0.3105+j0.3619 210+j100
15 16 1.289+j1.721 60+j20 31 32 0.341+j0.5302 60+j40
在本实施例中，共有两种情景，情景一：以配电网在t＝2s时发生负荷水平突然减少为例；情景二：在t＝2s时发生光伏出力突然减少为例；利用PSCAD软件进行仿真以实现对发明的技术方案进行完整的描述，其具体步骤如下：
步骤1：应用线性化的DistFlow支路潮流等式(1)，结合网架结构、线路参数以及各节点负荷水平，建立配电网潮流计算模型；
Pi+1＝Pi-pi+1  (1)
Qi+1＝Qi-qi+1
Vi+1＝Vi-(riPi+xiQi)/Vsub
式中Pi表示从节点i流向节点i+1的有功功率，Qi表示从节点i流向节点i+1的无功功率；Pi+1表示从节点i+1流向节点i+2的有功功率，Qi+1表示从节点i+1流向节点i+2的无功功率；pi+1表示节点i+1输出的有功功率，qi+1表示节点i+1输出的无功功率；Vi+1表示节点i+1的电压幅值；ri表示节点i和节点i+1之间线路的电阻，xi表示节点i和节点i+1之间线路的电抗，具体数值参照表1所示；Vsub表示配电网与上级电网相连的变压器二次侧额定电压幅值；在本实例中Vsub＝12.66kV；各节点电压水平如附图5所示，均不越限；
步骤2：情景一：t＝2s时各节点负荷水平突然减少为原来的一半，配电网各节点电压水平如附图6(a)所示；情景二：在t＝2s时并网点光伏出力突然减少至额定容量的40％，配电网各节点电压水平如附图7(a)所示；电压监测系统检测到部分节点出现电压越限问题，发出警报；
步骤3：采集各节点当前负荷的有功功率
Figure BDA0004115225760000051
和无功功率
Figure BDA0004115225760000052
以及当前分布式光伏并网点接入的有功功率
Figure BDA0004115225760000053
和无功功率
Figure BDA0004115225760000054
在本实例中，分布式光伏并网点共有3个，分别是节点5、节点21和节点24；情景一中，分布式光伏接入容量分别为
Figure BDA0004115225760000055
和
Figure BDA0004115225760000056
情景二中，分布式光伏接入容量为
Figure BDA0004115225760000057
计算各节点功率流动情况pi和qi，常规节点
Figure BDA0004115225760000058
分布式光伏并网点
Figure BDA0004115225760000059
步骤4：添加约束条件，包括节点电压安全约束、载流量约束、与上级电网的功率交换约束，确保配电网的运行安全；考虑负荷和分布式光伏的波动性，以允许接入的分布式光伏最大接入容量为目标函数，基于建立的配电网潮流计算模型对含分布式光伏的配电网进行潮流计算；
步骤4的实现包括：
步骤4.1、节点电压安全约束：
Figure BDA0004115225760000061
式中Vi,min和Vi,max分别是配电系统安全运行规定的节点i的电压幅值的上限和下限,在本实例中Vi,min＝0.95p.u.、Vi,max＝1.05p.u.；
步骤4.2、载流量约束：
Figure BDA0004115225760000062
Figure BDA0004115225760000063
流过变压器或节点的功率受到其最大视在功率的限制，式中psub和qsub分别是流过变压器的有功功率和无功功率，Ssub,max是变压器允许流过的最大视在功率；Pi和Qi分别是从节点i流向下一节点的有功功率和无功功率，Si,max是节点i允许流过的最大视在功率；在本实例中Ssub,max＝6MVA、Si,max＝6.6MVA；
步骤4.3、与上级电网的功率交换约束：
psub,min≤psub≤psub,max  (4)
qsub,min≤qsub≤qsub,max
高渗透率分布式光伏接入下的配电网通过配电变压器与上级电网相连，为了确保上级电网的安全稳定，接口处的有功功率和无功功率需要受到限制；式中psub,min和psub,max分别是上级电网允许交换的有功功率的上限和下限，qsub,min和qsub,max分别是上级电网允许交换的无功功率的上限和下限；在本实例中,psub,min＝-6MW和psub,max＝6MW，qsub,min＝-3MVar和qsub,max＝3MVar；
步骤4.4、负荷和分布式光伏的波动性：
Figure BDA0004115225760000064
Figure BDA0004115225760000065
在情景一中，分布式光伏输出的有功功率的波动区间可以表示为
Figure BDA0004115225760000066
负荷水平的波动区间为
Figure BDA0004115225760000067
在情景二中，分布式光伏输出的有功功率的波动区间可以表示为
Figure BDA0004115225760000068
负荷水平的波动区间为
Figure BDA0004115225760000069
步骤4.5、建立目标函数：
Figure BDA00041152257600000610
基于上述约束条件，在确保配电网运行安全的条件下，通过建立的配电网潮流计算模型对配电网进行潮流计算，得到允许接入的分布式光伏最大接入容量；
步骤5：通过鲁棒优化方法计算得出，情景一中，可接纳的光伏最大容量分别为
Figure BDA00041152257600000611
和
Figure BDA00041152257600000612
情景二中，分布式光伏参与无功调节，各节点保持有功输出不变，注入无功
Figure BDA00041152257600000613
和
Figure BDA00041152257600000614
二次控制层通过通信网络发出指令，并网点调整光伏出力；
步骤6：一次控制层接收到指令，t＝4s时由MPPT控制改为PQ控制，调整光伏出力，情景一各节点电压水平如附图6(b)所示,电压回归至允许值范围内，节点24电压变化情况如附图6(c)所示；情景二各节点电压水平如附图7(b)所示,电压回归至允许值范围内，节点17电压变化情况如附图7(c)所示。

Claims (3)

1.一种基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，其特征在于：适用于高渗透率分布式光伏接入下的配电网发生电压越限问题时，及时调整并网点光伏出力，保证电能质量，其具体步骤如下：
步骤1：应用线性化的DistFlow支路潮流等式(1)，结合网架结构、线路参数以及各节点负荷水平，建立配电网潮流计算模型；
Figure FDA0004115225750000011
式中Pi表示从节点i流向节点i+1的有功功率，Qi表示从节点i流向节点i+1的无功功率；Pi+1表示从节点i+1流向节点i+2的有功功率，Qi+1表示从节点i+1流向节点i+2的无功功率；pi+1表示节点i+1输出的有功功率，qi+1表示节点i+1输出的无功功率；Vi表示节点i的电压幅值，Vi+1表示节点i+1的电压幅值；ri表示节点i和节点i+1之间线路的电阻，xi表示节点i和节点i+1之间线路的电抗；Vsub表示配电网与上级电网相连的变压器二次侧额定电压幅值；
步骤2：配电网各节点监测系统检测到出现电压越限问题，发出警报；
步骤3：采集配电网各节点当前负荷的有功功率
Figure FDA0004115225750000012
和无功功率
Figure FDA0004115225750000013
以及分布式光伏并网点接入有功功率
Figure FDA0004115225750000014
计算各节点输出的有功功率pi和无功功率qi，常规节点
Figure FDA0004115225750000015
分布式光伏并网点
Figure FDA0004115225750000016
步骤4：添加约束条件，包括节点电压安全约束、载流量约束、与上级电网的功率交换约束，确保配电网的运行安全；考虑负荷和分布式光伏的波动性，以允许接入的分布式光伏最大接入容量为目标函数，基于步骤1建立的配电网潮流计算模型对含分布式光伏的配电网进行潮流计算；
步骤5：通过鲁棒优化方法计算得出分布式光伏的有功无功出力，计算出来的有功和无功功率作为参考值，二次控制层通过通信网络发出指令，并网点及时调整光伏有功和无功出力；
步骤6：一次控制层接收到指令，由MPPT控制改为PQ控制，从而调整光伏有功和无功出力，各节点电压回归至允许值范围内。
2.如权利要求1所述的基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，其特征在于：步骤4的实现包括如下步骤：
步骤4.1、节点电压安全约束：
Figure FDA0004115225750000021
式中Vi,min和Vi,max分别是配电系统安全运行规定的节点i的电压幅值的上限和下限；
步骤4.2、载流量约束：
Figure FDA0004115225750000022
流过变压器或节点的功率受到其最大视在功率的限制，式中psub和qsub分别是流过变压器的有功功率和无功功率；Ssub,max是变压器允许流过的最大视在功率；Pi和Qi分别是从节点i流向下一节点的有功功率和无功功率；Si,max是节点i允许流过的最大视在功率；
步骤4.3、与上级电网的功率交换约束：
Figure FDA0004115225750000023
高渗透率分布式光伏接入下的配电网通过配电变压器与上级电网相连，为了确保上级电网的安全稳定，接口处的有功功率和无功功率需要受到限制；式中psub,min和psub,max分别是上级电网允许交换的有功功率的上限和下限，qsub,min和qsub,max分别是上级电网允许交换的无功功率的上限和下限；
步骤4.4、负荷和分布式光伏的波动性：
Figure FDA0004115225750000024
式中
Figure FDA0004115225750000025
表示分布式光伏输出的有功功率，
Figure FDA0004115225750000026
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值，
Figure FDA0004115225750000027
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值
Figure FDA0004115225750000028
与区间边界值的差的绝对值；所以分布式光伏输出的有功功率的波动区间表示为
Figure FDA0004115225750000029
同理，
Figure FDA00041152257500000210
表示负荷水平，
Figure FDA00041152257500000211
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值，
Figure FDA00041152257500000212
表示分布式光伏输出的有功功率区间的中点值
Figure FDA00041152257500000213
与区间边界值的差的绝对值负荷水平的波动区间为
Figure FDA00041152257500000214
步骤4.5、建立目标函数：
Figure FDA00041152257500000215
基于上述约束条件，在确保配电网运行安全的条件下，通过步骤1建立的配电网潮流计算模型对配电网进行潮流计算，得到允许接入的分布式光伏最大接入容量。
3.如权利要求1所述的基于鲁棒优化的分布式光伏分层控制方法，其特征在于：所述步骤5中，以分布式光伏接入容量最大为目标，考虑负荷和分布式光伏的波动性，通过鲁棒优化方法计算二次控制指令，实现分布式光伏的有功功率和无功功率输出的实时优化。
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