CN116826864B - 新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法及系统，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该方法首先根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，求解所述目标函数得到最优运行方式；若母线分区平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，重新求解得到最优运行方式；若母线系统平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，重新求解得到最优运行方式；本发明通过三级平衡体系减少了港口向大电网倒送电现象与港口内的弃风弃光的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网运行方式优化方法及系统，尤其是新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法及系统。
背景技术
港口作为一个传统的能源消耗用户，每年消耗大量的燃油、天然气等资源，产生大量的二氧化碳排放。伴随着不断增长的水运需求，2000-2015年世界海运的能源消耗年均增长1.6％，在带来巨大能源消费的同时，产生约占世界总量3％～5％的碳排放，15％左右的氮硫氧化物排放。在“双碳目标”与新型电力系统发展的背景下，拥有风、光自然资源禀赋的港口积极响应国家节能减排的号召，在港口引入风电与光伏发电，促等新型电源，并加入电制氢等可调节负荷，使港口配电网由传统的能源消耗网向含多能源微网的方向转变。
在此背景下，传统港口纯交流配电网结构已经不能满足新能源接入下的港口配电网需求，传统的港口配电网运行方式在港口引入大量风、光发电资源后会带来源端的不确定性，当港口日前的出力计划与实际情况存在较大偏差时，会产生大量的功率倒送问题，造成弃风弃光，影响大电网的安全稳定运行。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种分层实现自消纳、减少弃风弃光的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法及系统。
技术方案：本发明所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该方法包括如下步骤：
根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，进行母线分区平衡优化，求解所述目标函数得到最优运行方式；
若母线分区平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式；
若母线系统平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式。
进一步地，所述目标函数其中Pij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的有功功率，非倒送功率记为0；Qij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的无功功率，非倒送功率记为0；α为弃风罚函数因子，Liwd为港口第i个时间点弃风量；β为弃光罚函数因子，Lipv为港口第i个时间点弃光量。
进一步地，所述目标函数的约束条件包括有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束，还包括电流、电压、容量和功率的上下限约束。
进一步地，若母线分区平衡优化能实现新能源消纳，，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
进一步地，所述若母线分区平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式中，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
进一步地，所述若母线系统平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式中，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
其中，为节点j流出的有功功率，/>为风力发电向节点j提供的有功功率，/>为光伏发电向节点j提供的有功功率，/>为电化学储能与节点j交互的有功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能在节点j所需的有功功率，/>为节点j的负荷所需的有功功率；/>为母线I段与II段之间的交互有功功率，k为功率交换器状态选择系数，取值为{0,1}，其中k取0时表示此时母线I段与II段之间没有功率交互，k取1时表示此时母线I段与II段之间有功率交互；/>为配电网中压侧负荷的有功功率，/>为配电网中压侧负荷的无功功率；/>为节点j流出的无功功率，/>为风力发电向节点j提供的无功功率，/>为光伏发电向节点j提供的无功功率，/>为电化学储能与节点j交互的无功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能系统在节点j所需的无功功率，/>为节点j的负荷所需的无功功率；Uj,t为节点j的电压，Pij,t为支路ij始端的有功功率，Qij,t为支路ij始端的无功功率，rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗，Iij,t为流经支路ij的电流。
进一步地，将目标函数作为遗传算法的适应度函数，通过遗传算法求解所述目标函数。
本发明所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化系统，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该系统包括：
母线分区平衡优化模块，用于根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，进行母线分区平衡优化，求解所述目标函数得到最优运行方式；
母线系统平衡优化模块，用于当母线分区平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式；
站内平衡优化模块，用于当母线系统平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式。
本发明所述的电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
本发明所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：通过分区平衡-系统平衡-站内平衡的三级平衡体系，实现新能源接入港口后，港口能源分层自消纳的目标，并且减少了港口向大电网倒送电现象与港口内的弃风弃光的问题，提高港口含新能源微网的能源消纳率，保证港口微网的安全稳定高效运行。
附图说明
图1为本发明实施例的新能源接入港口配电网架构。
图2为本发明实施例的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法流程图。
图3为本发明实施例中的港口典型日风机、光伏发电以及负荷曲线图。
图4为本发明实施例中的遗传算法流程图
图5为本发明实施例中的港口三层优化运行结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例中将新能源接入港口配电网架构的高压侧、中压侧和低压侧设置为110kV、35kV、10kV三个电压等级，110kV和大电网相连，并通过三绕组变压器将电压降压为35kV与10kV。港口10kV母线一般单母线分段运行，且母联开关处于常开状态，10kV母线I段和II段接港口的负荷、风机与光伏发电设备，通常I、II段母线所接负荷其中一段较重，另一段作为备用，负荷较轻。同时，将在港口引入直流母线，将蓄电池储能并入直流母线，使得港口灵活性进一步增强。同时考虑到直流母线与交流母线之间的功率传输需要依靠AC-DC装置来满足，且此换流设备额定容量有限，因此，电制氢储能一般接在10kV母线I段和II段。
本发明通过母线分区平衡优化、母线系统平衡优化和站内平衡优化的三级平衡优化方法进行新能源接入港口配电网运行方式的多层优化，在本实施例的新能源接入港口配电网架构中为10kV分区平衡、10kV系统平衡和110kV站内平衡三级平衡优化，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤1，在本实施例的新能源接入港口配电网架构的基础上，从港口调度中心获取港口设备的日前出力计划，对港口配电网按电压等级进行划分，通过历史量测信息，进行风机、光伏发电以及港口负荷功率的预测，典型日的相关信息如图3所示。根据港口典型日的风机、光伏与负荷信息，判别日前港口设备出力计划是否合理，确定10kV分区平衡的模型，10kV分区平衡的目标函数表示如下：
其中，C1为港口10kV段分区平衡的目标函数，Pij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的有功功率，非倒送功率记为0；Qij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的无功功率，非倒送功率记为0；α为弃风罚函数因子，Liwd为港口第i个时间点弃风量；β为弃光罚函数因子，Lipv为港口第i个时间点弃光量。
约束条件包括系统运行的等式约束与不等式约束，所述等式约束包括：
其中，为节点j流出的有功功率，/>为风力发电向节点j提供的有功功率，/>为光伏发电向节点j提供的有功功率，/>为电化学储能与节点j交互的有功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能在节点j所需的有功功率，/>为节点j的负荷所需的有功功率。
其中，为节点j流出的无功功率，/>为风力发电向节点j提供的无功功率，/>为光伏发电向节点j提供的无功功率，/>为电化学储能与节点j交互的无功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能系统在节点j所需的无功功率，/>为节点j的负荷所需的无功功率。
其中，Uj,t为节点j的电压，Pij,t为支路ij始端的有功功率，Qij,t为支路ij始端的无功功率，rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗，Iij,t为流经支路ij的电流。
所述不等式约束包括：
Iij,min≤Iij,t≤Iij,max
Uj,min≤Uj,t≤Uj,max
0≤Pij,t≤Pij,max
0≤Qij,t≤Qij,max
其中，Iij,min为流经支路ij电流的下限，Iij,max为流经支路ij电流的上限，Uj,min为节点j的电压下限，Uj,max为节点j的电压上限，Pij,max为支路ij始端有功功率上限，Qij,max为支路ij始端无功功率上限，为电化学储能在每个节点的最大功率，/>为电制氢储能系统在每个节点的最大功率，/>为电化学储能系统在每个节点的最大容量，/>为电制氢储能系统在每个节点的最大容量。
步骤2，当10kV分区平衡不能实现分区的新能源消纳时，进行10kV系统平衡的。10kV系统平衡的目标函数与10kV分区平衡的目标函数保持一致，所示的等式约束新增了10kV线路I段与II段之间的交互功率。
其中，为10kV线路I段与II段之间的交互有功功率，k为功率交换器状态选择系数，取值为{0,1}，其中k取0时表示此时10kV线路I段与II段之间没有功率交互，k取1时表示此时10kV线路I段与II段之间有功率交互。
进一步地，10kV系统平衡的约束条件在10kV分区平衡的基础上，不等式约束新增新增了换流器的容量上下限约束：
为功率交换器的最大容量。
步骤3，当10kV系统平衡不能实现新能源消纳时，进行110kV站内平衡。110kV站内平衡的目标函数与10kV分区平衡的目标函数保持一致，所示的等式约束新增了10kV部分与35kV部分的功率交换要求。
其中，为港口35kV侧负荷的有功功率，/>为港口35kV侧负荷的无功功率。
进一步地，所述不等式约束在10kV分区平衡的基础上，新增变压器的容量约束：
为变压器的最大容量。
本发明利用遗传算法进行优化求解，如图4所示，将港口分区平衡的目标函数C1作为遗传算法的适应度函数，接着随机生成初始化种群、利用轮盘赌选择法进行选择，其中某个个体被选中的概率用Pi来表示，fi表示每个个体的适应度，个体被选中概率具体如下：
进一步地，对选择出来的种群进行多点交叉，在个体串中随机设定多个交叉点，实行交叉，该点前或后的两个个体的部分结构进行互换，生成两个新的个体。
进一步地，进行位点变异处理，对种群中的一个个码串，随机挑选一个或多个基因座，并对这些基因座的基因值以变异概率作变动。对于二进制编码的个体来说，若某位原为0，则通过变异操作就变为了1，反之亦然。对于整数编码，将被选择的基因变为以概率选择的其他基因，最终得到新的种群，计算新种群的适应度并不断重复上面的步骤，得到最优的运行方式。本实施利用遗传算法在Matlab中进行求解，得出110kV站内平衡目标下的系统优化运行方式，最终港口三层优化运行结果如图5所示。
本发明所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化系统，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该系统包括：
母线分区平衡优化模块，用于根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，进行母线分区平衡优化，求解所述目标函数得到最优运行方式；
母线系统平衡优化模块，用于当母线分区平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式；
站内平衡优化模块，用于当母线系统平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式。
本发明所述的电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
本发明所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
所述计算机可读存储媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置、快闪存储器或可用来存储指令或数据结构的形式的所要程序代码并且可由计算机存取的任何其它媒体。
处理器用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。
Claims (10)
1.一种新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该方法包括如下步骤：
根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，进行母线分区平衡优化，求解所述目标函数得到最优运行方式；
若母线分区平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式；
若母线系统平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式。
2.根据权利要求1所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，所述目标函数
其中Pij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的有功功率，非倒送功率记为0；Qij表示第j个节点在一日内第i个时间点向电网倒送的无功功率，非倒送功率记为0；α为弃风罚函数因子，Liwd为港口第i个时间点弃风量；β为弃光罚函数因子，Lipv为港口第i个时间点弃光量。
3.根据权利要求1所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，所述目标函数的约束条件包括有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束，还包括电流、电压、容量和功率的上下限约束。
4.根据权利要求3所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，若母线分区平衡优化能实现新能源消纳，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
其中，为节点j流出的有功功率，/>为风力发电向节点j提供的有功功率，/>为光伏发电向节点j提供的有功功率，/>为电化学储能与节点j交互的有功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能在节点j所需的有功功率，为节点j的负荷所需的有功功率；/>为节点j流出的无功功率，/>为风力发电向节点j提供的无功功率，/>为光伏发电向节点j提供的无功功率，/>为电化学储能与节点j交互的无功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能系统在节点j所需的无功功率，/>为节点j的负荷所需的无功功率；Uj,t为节点j的电压，Pij,t为支路ij始端的有功功率，Qij,t为支路ij始端的无功功率，rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗，Iij,t为流经支路ij的电流。
5.根据权利要求3所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，所述若母线分区平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式中，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
其中，为节点j流出的有功功率，/>为风力发电向节点j提供的有功功率，/>为光伏发电向节点j提供的有功功率，/>为电化学储能与节点j交互的有功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能在节点j所需的有功功率，为节点j的负荷所需的有功功率；/>为母线I段与II段之间的交互有功功率，k为功率交换器状态选择系数，取值为{0,1}，其中k取0时表示此时母线I段与II段之间没有功率交互，k取1时表示此时母线I段与II段之间有功率交互；/>为节点j流出的无功功率，/>为风力发电向节点j提供的无功功率，/>为光伏发电向节点j提供的无功功率，/>为电化学储能与节点j交互的无功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，为电制氢储能系统在节点j所需的无功功率，/>为节点j的负荷所需的无功功率；Uj,t为节点j的电压，Pij,t为支路ij始端的有功功率，Qij,t为支路ij始端的无功功率，rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗，Iij,t为流经支路ij的电流。
6.根据权利要求3所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，所述若母线系统平衡优化不能实现新能源消纳，则对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式中，所述有功功率约束、无功功率约束和电压电流约束为：
其中，为节点j流出的有功功率，/>为风力发电向节点j提供的有功功率，/>为光伏发电向节点j提供的有功功率，/>为电化学储能与节点j交互的有功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能在节点j所需的有功功率，为节点j的负荷所需的有功功率；/>为母线I段与II段之间的交互有功功率，k为功率交换器状态选择系数，取值为{0,1}，其中k取0时表示此时母线I段与II段之间没有功率交互，k取1时表示此时母线I段与II段之间有功率交互；/>为配电网中压侧负荷的有功功率，/>为配电网中压侧负荷的无功功率；/>为节点j流出的无功功率，/>为风力发电向节点j提供的无功功率，/>为光伏发电向节点j提供的无功功率，/>为电化学储能与节点j交互的无功功率，为正表示储能处于放电状态，为负表示储能处于充电状态，/>为电制氢储能系统在节点j所需的无功功率，/>为节点j的负荷所需的无功功率；Uj,t为节点j的电压，Pij,t为支路ij始端的有功功率，Qij,t为支路ij始端的无功功率，rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗，Iij,t为流经支路ij的电流。
7.根据权利要求1所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法，其特征在于，将目标函数作为遗传算法的适应度函数，通过遗传算法求解所述目标函数。
8.一种新能源接入港口配电网运行方式的多层优化系统，其特征在于，新能源接入港口配电网的架构为包含风电、光伏、电化学储能、电制氢储能以及氢燃料电池的含交直流混联的架构，该系统包括：
母线分区平衡优化模块，用于根据新能源接入港口配电网的倒送功率、弃风量及弃光量最小建立目标函数，进行母线分区平衡优化，求解所述目标函数得到最优运行方式；
母线系统平衡优化模块，用于当母线分区平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加母线I段和II段间交互功率的约束，进行母线系统平衡优化，重新求解得到最优运行方式；
站内平衡优化模块，用于当母线系统平衡优化不能实现新能源消纳时，对所述目标函数增加配电网高压侧与中压侧间交互功率的约束，进行站内平衡优化，重新求解得到最优运行方式。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-7任一项所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-7任一项所述的新能源接入港口配电网运行方式的多层优化方法。
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