CN116455002A

CN116455002A - 一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法及系统

Info

Publication number: CN116455002A
Application number: CN202310550335.XA
Authority: CN
Inventors: 王宏波; 张鹏; 张兴; 刘旭东; 肖赫; 范岳; 武浩; 赵阳; 宋美琪; 任凯奇; 刘旺; 赵洪山
Original assignee: State Grid Jibei Power Co ltd Smart Distribution Network Center; State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power University
Current assignee: State Grid Jibei Power Co ltd Smart Distribution Network Center; State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power University
Priority date: 2023-05-16
Filing date: 2023-05-16
Publication date: 2023-07-18

Abstract

本发明公开了一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法及系统，应用于交直流混合微电网，包括：根据交直流混合微电网的有功损耗和电压偏差，构建用于运行优化的目标函数；基于目标函数，通过构建交直流混合微电网的潮流模型，获取用于运行优化的约束条件，依据多目标优化算法，并根据变压器损耗，优化交直流混合微电网的功率分配，用于提高交直流混合微电网整体运行效率；本发明可以直接计算变压器损耗，得到的功率损耗更加精确，有功利用效率更高，并能够根据变压器损耗优化功率分配，提高交直流混合微电网整体运行效率。本发明具有较强的实用价值，能够有效减小微电网损耗，提高电压运行水平。

Description

一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法及系统

技术领域

本发明涉及交直流混合微电网优化技术领域，尤其涉及一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法。

背景技术

近年来，传统辐射状配电网已发展为分布式电源高渗透接入的有源配电网。分布式电源的广泛应用，同时带动了新型电力电子技术和装置的大量配置和使用。目前分布式电源多为直流发电或经简单整流后成为直流电源发电，因此有着分布式电源的高渗透率接入的交直流混合配电网成为趋势。

当前针对交直流混合微电网优化运行方法的缺失，造成基于多端口变流器运行交直流混合微电网资源调控能力差，无法高效调度新能源，同时传统配电台区变压器有着轻、重载问题，未考虑变压器运行效率的经济性，也存在着变压器快速老化的风险，为了解决变压器的经济运行问题，现有技术的解决方案是：将变压器经济运行区间作为约束，并以交流传输网损最小为目标设计目标函数，采用搜索算法对模型进行求解。同时采用能量快速平衡控制方法，对多端口变流器直流母线电压波动的问题进行抑制。

现有技术仅将变压器经济运行区间作为约束，以整体提升变压器运行效率，但并未以变压器效率最优即变压器损耗最低为目标，达成最大程度的变压器效率优化；同时，由于不同变压器经济运行区间不同，固定经济运行区间的变压器约束仅适用于单一变压器类型；其次现有技术中采用的能量快速平衡抑制方法，仅能在一定程度上消除有功指令变化对直流侧电压暂态冲击，抑制效果较差，影响交直流混合微电网中直流子网的稳定运行；最后现有技术未考虑直流配电微电网安全约束、直流配电微电网潮流模型等条件，同时搜索算法有着易陷入局部最优的缺点，难以达成全局最优。因此，急需设计一种计及变压器经济运行的多端口变流器交直流混联配电网多目标运行优化方法，在保障交直流混合微电网优化调度的同时提高变压器的运行效率。

发明内容

针对现有技术在交直流混合微电网多端SOP优化运行中的缺陷，本发明的目的是提出一种计及变压器经济运行的多端口变流器交直流混联配电网多目标运行优化方法，旨在优化交直流混合微电网运行的前提下，同时减弱传统配电台区功率不平衡与变压器轻、重载问题对微电网运行的影响。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，应用于交直流混合微电网，包括以下步骤：

根据交直流混合微电网的有功损耗和电压偏差，构建用于运行优化的目标函数，其中，有功损耗包括变压器网损和交直流混合微电网的支路网损；

基于目标函数，通过构建交直流混合微电网的潮流模型，获取用于运行优化的约束条件，依据多目标优化算法，并根据变压器损耗，优化交直流混合微电网的功率分配，用于提高交直流混合微电网整体运行效率。

优选地，在构建目标函数的过程中，变压器网损表示为：

其中，P_i ^T,L表示第i台变压器的损耗功率；P_i ^T表示第i台变压器的运行功率；P_0Z表示变压器空载损耗功率；P_KZ表示变压器额定负载功率损耗；β表示变压器负载率；S_N表示变压器额定容量；表示变压器功率因数取0.95。

优选地，在构建目标函数的过程中，支路网损表示为：

其中，f_L为线性加权求和后的有功损耗目标函数值；f_loss,ac为交流网络功率损耗；f_loss,dc为直流网络功率损耗；f_loss,SOP为SOP端口功率损耗；N_N,ac为微电网中交流网络的节点数；N_N,dc为微电网中直流网络的节点数；Ω(i)为节点i的相邻节点的集合；r_ij,ac为交流支路ij的电阻；r_ij,dc为直流支路ij的电阻；l_ij,ac为流过交流支路ij的电流值的平方形式；l_ij,dc为流过直流支路ij的电流值的平方形式。

优选地，在构建目标函数的过程中，电压偏差表示为：

其中，f_v为电压偏差目标函数值；N_N为配电微电网中节点总数；u_i为节点i的电压幅值的平方形式；为节点电压幅值的优化区间。

优选地，在构建潮流模型的过程中，潮流模型包括直流子网模型和交流子网模型，其中，直流子网模型表示为：

交流子网模型表示为：

式中，Ω_b,ac为交流子网的支路集合；x_ij,ac为交流支路ij的电抗；u_i,ac为每个交流节点i的电压值平方；P_ij,ac和Q_ij,ac分别交流子网第i节点流向第j节点的有功功率和无功功率；P_i,ac和Q_i,ac分别为交流子网第i节点汇入的总有功功率与总无功功率；和/>分别为交流子网第i节点上分布式电源输入和消耗的有功功率；/>和/>分别为交流子网第i节点上分布式电源注入和消耗的无功功率；Ω_b,dc为直流子网的支路集合；x_ij,dc为直流支路ij节点的电抗值；u_i,dc为直流第i节点的电压平方；P_ij,dc为直流第i节点流向直流第j节点的有功功率；P_i,dc为直流第i节点上注入的总有功功率；/>和/>分别为直流第i节点上分布式电源输入及负荷消耗的功率。

优选地，在生成约束条件的过程中，约束条件包括交流子网安全运行约束、直流微电网安全运行约束、分布式电源运行约束和多端口变流器运行约束，其中，交流子网安全运行约束表示为：

直流微电网安全运行约束表示为：

式中，和/>分别为交流微电网节点电压限值；/>为交流微电网支路电流最大限值；/>和/>分别为直流微电网最小、最大允许节点电压值；/>为直流微电网支路电流最大允许值；

分布式电源运行约束表示为：

P_i ^DG＝PiD_G ^，ref

式中，P_i ^DG,ref为第i节点处分布式电源的有功功率参考值；

多端口变流器运行约束表示为：

式中，和/>分别为SOP在交流第i节点上注入的有功和无功功率；/>为多端口变流器在直流第h节点上注入的有功功率；P_i ^SOP,L为第i节点处多端口变流器换流器的有功损耗；P_i ^SOP为多端口变流器在第i节点处换流器的容量；A_i ^SOP为第i节点处多端口变流器的损耗系数。

优选地，在通过多目标优化算法对交直流混合微电网进行优化的过程中，多目标优化算法为NSGA-II算法。

本发明提供了一种计及变压器经济运行的多目标运行优化系统，应用于交直流混合微电网，包括：

目标函数构建模块，用于根据交直流混合微电网的有功损耗和电压偏差，构建用于运行优化的目标函数，其中，有功损耗包括变压器网损和交直流混合微电网的支路网损；

优化模块，用于基于目标函数，通过构建交直流混合微电网的潮流模型，获取用于运行优化的约束条件，依据多目标优化算法，并根据变压器损耗，优化交直流混合微电网的功率分配，用于提高交直流混合微电网整体运行效率。

本发明公开了以下技术效果：

本发明可以通过初始化参数更改，优化适配所有型号变压器的功率损耗；针对交直流混合微电网模型，更加有效快速地稳定直流母线电压；

本发明可以直接计算变压器损耗，得到的功率损耗更加精确，有功利用效率更高，并能够根据变压器损耗优化功率分配，提高交直流混合微电网整体运行效率。

本发明具有较强的实用价值，能够有效减小微电网损耗，提高电压运行水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的方法流程示意图。

具体实施方式

下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，实施例1：本发明根据变压器综合损耗率计算公式，提出了一种计及变压器功率经济运行的互联台区间负荷均衡调控。首先将变压器功率的最优经济分配、减小电压偏差以及线路损耗设为目标函数，再设计改进的交直流混合微电网潮流模型，最后采用多目标求解算法确定最优运行策略，以提高交直流混联微电网运行经济性并改善电压运行水平，其中，交直流混合微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。其中根据分布式电源的不同，既包括直流母线，也包括交流母线。微电网通过微电网内分布式电源输出功率的协调控制可保证微电网稳定运行；微电网能量管理系统可以有效地维持能量在微电网内的优化分配与平衡，保证微电网经济运行。

本发明针对交直流混合微电网设计的技术方案的实现主要包括以下4部分：

1、目标函数设计；

2、潮流模型设计；

3、约束条件设计；

4、多目标优化算法设计。

以下详细介绍每一部分的具体内容：

1、目标函数设计：

本发明采用的优化目标为降低微电网损耗与改善电压水平，作为配电微电网运行常用的优化目标。其中微电网损耗包含变压器网损以及各支路网损。

(1)、降低有功损耗

式中：P_i ^T,L表示第i台变压器的损耗功率；P_i ^T表示第i台变压器的运行功率；P_0Z表示变压器空载损耗功率；P_KZ表示变压器额定负载功率损耗；β表示变压器负载率；S_N表示变压器额定容量；表示变压器功率因数取0.95。f_L为线性加权求和后的有功损耗目标函数值；f_loss,ac为交流网络功率损耗；f_loss,dc为直流网络功率损耗；f_loss,SOP为SOP端口功率损耗；N_N,ac为微电网中交流网络的节点数；N_N,dc为微电网中直流网络的节点数；Ω(i)为节点i的相邻节点的集合；r_ij,ac为交流支路ij的电阻；r_ij,dc为直流支路ij的电阻；l_ij,ac为流过交流支路ij的电流值的平方形式；l_ij,dc为流过直流支路ij的电流值的平方形式。

2)减小电压偏差：

式中：f_v为电压偏差目标函数值；N_N为配电微电网中节点总数；u_i为节点i的电压幅值的平方形式；为节点电压幅值的优化区间。本目标函数只在节点电压超出时进行计算，以改善节点电压质量。

2、潮流模型设计：

交直流混合微电网中的交流子网可设计为：

交直流混合微电网中的直流子网可设计为：

式中：Ω_b,ac为交流子网的支路集合；x_ij,ac为交流支路ij的电抗；u_i,ac为每个交流节点i的电压值平方；P_ij,ac和Q_ij,ac分别交流子网第i节点流向第j节点的有功功率和无功功率；P_i,ac和Q_i,ac分别为交流子网第i节点汇入的总有功功率与总无功功率；和/>分别为交流子网第i节点上分布式电源输入和消耗的有功功率；/>和/>分别为交流子网第i节点上分布式电源注入和消耗的无功功率；Ω_b,dc为直流子网的支路集合；x_ij,dc为直流支路ij节点的电抗值；u_i,dc为直流第i节点的电压平方；P_ij,dc为直流第i节点流向直流第j节点的有功功率；P_i,dc为直流第i节点上注入的总有功功率；/>和/>分别为直流第i节点上分布式电源输入及负荷消耗的功率。

3、约束条件设计：

1)微电网安全运行约束：

交流子网安全运行约束为：

直流微电网安全运行约束为：

式中：和/>分别为交流微电网节点电压限值；/>为交流微电网支路电流最大限值；/>和/>分别为直流微电网最小、最大允许节点电压值；/>为直流微电网支路电流最大允许值。

2)分布式电源运行约束：

P_i ^DG＝P_i ^DG，ref

式中，P_i ^DG,ref为第i节点处分布式电源的有功功率参考值。

3)多端口变流器运行约束：

根据本文的模型，多端口变流器的功率传输情况可表示为：

有功功率损耗用损耗系数表征，即：

多端口变流器交流输出侧变流器因被直流环节隔离，其无功输出互不影响，只需满足各自容量约束，即

直流输出端换流器的容量约束可表示为：

式中：和/>分别为SOP在交流第i节点上注入的有功和无功功率；/>为多端口变流器在直流第h节点上注入的有功功率；P_i ^SOP,L为第i节点处多端口变流器换流器的有功损耗；P_i ^SOP为多端口变流器在第i节点处换流器的容量；A_i ^SOP为第i节点处多端口变流器的损耗系数。控制变量为多端口变流器各端口的有功出力和无功出力。

多目标优化算法设计：

采用NSGA-II解决多目标优化问题，NSGA-II的基本程序通过基于现有技术来实现，在此不做叙述。

针对现有技术在交直流混合微电网多端SOP优化运行中的缺陷，本发明提出的优化方法以交流子网变压器以及线路网损最低和直流电压偏差最小为目标，交直流配电微电网为潮流模型，同时采用NSGA-II多目标优化求解方法。能够根据变压器损耗优化功率分配，提高交直流混合微电网整体运行效率。具有较强的实用价值，能够有效减小微电网损耗，提高电压运行水平。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于，应用于交直流混合微电网，包括以下步骤：

根据所述交直流混合微电网的有功损耗和电压偏差，构建用于运行优化的目标函数，其中，有功损耗包括变压器网损和所述交直流混合微电网的支路网损；

基于所述目标函数，通过构建所述交直流混合微电网的潮流模型，获取用于运行优化的约束条件，依据多目标优化算法，并根据变压器损耗，优化所述交直流混合微电网的功率分配，用于提高交直流混合微电网整体运行效率。

2.根据权利要求1所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在构建目标函数的过程中，所述变压器网损表示为：

3.根据权利要求2所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在构建目标函数的过程中，所述支路网损表示为：

4.根据权利要求3所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在构建目标函数的过程中，所述电压偏差表示为：

5.根据权利要求4所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在构建潮流模型的过程中，所述潮流模型包括直流子网模型和交流子网模型，其中，所述直流子网模型表示为：

所述交流子网模型表示为：

6.根据权利要求5所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在生成约束条件的过程中，所述约束条件包括交流子网安全运行约束、直流微电网安全运行约束、分布式电源运行约束和多端口变流器运行约束，其中，所述交流子网安全运行约束表示为：

所述直流微电网安全运行约束表示为：

分布式电源运行约束表示为：

P_i ^DG＝P_i ^DG，ref

式中，P_i ^DG,ref为第i节点处分布式电源的有功功率参考值；

所述多端口变流器运行约束表示为：

式中，和/>分别为SOP在交流第i节点上注入的有功和无功功率；/>为多端口变流器在直流第h节点上注入的有功功率；P_i ^SOP,L为第i节点处多端口变流器换流器的有功损耗；P_i ^SOP为多端口变流器在第i节点处换流器的容量；/>为第i节点处多端口变流器的损耗系数。

7.根据权利要求6所述一种计及变压器经济运行的多目标运行优化方法，其特征在于：

在通过多目标优化算法对交直流混合微电网进行优化的过程中，所述多目标优化算法为NSGA-II算法。

8.一种计及变压器经济运行的多目标运行优化系统，其特征在于，应用于交直流混合微电网，包括：

目标函数构建模块，用于根据所述交直流混合微电网的有功损耗和电压偏差，构建用于运行优化的目标函数，其中，有功损耗包括变压器网损和所述交直流混合微电网的支路网损；

优化模块，用于基于所述目标函数，通过构建所述交直流混合微电网的潮流模型，获取用于运行优化的约束条件，依据多目标优化算法，并根据变压器损耗，优化所述交直流混合微电网的功率分配，用于提高交直流混合微电网整体运行效率。