徐永海(1966),男,博士,教授,研究方向为新能源电力系统、电能质量分析等(E-mail:
何志轩(1996),男,硕士在读,研究方向为交直流混合配电网优化运行
董旭(1997),男,硕士在读,研究方向为交直流混合配电网优化运行
分布式电源(DG)大规模并网不仅带来了消纳问题,还使交直流网络的经济安全运行面临巨大挑战。基于此,文中提出一种基于DG选址和多端电压源换流器(VSC)协调控制的交直流混合配电网优化运行方法。针对DG选址,基于灵敏度分析方法提出一种节点网损灵敏度指标,利用网络中不同位置的负荷节点对网损敏感度不同的规律进行交流网侧的DG选址。进而建立以网络有功总损耗、节点电压偏移量和DG盈余量最小为目标的多目标优化模型,对多端VSC不同控制策略下的端口功率电压变量和DG的有功出力进行协调控制。仿真结果表明,所提优化运行方法能够提高网络运行经济性和安全性,并兼顾配电网对DG的消纳水平,为实际工程中的决策人员提供重要的参考。
The large-scale grid connection of distributed generation (DG) not only brings the problem of consumption, but also poses great challenges to the economic and safe operation of the AC/DC network. Based on this, an optimal operation method for AC/DC hybrid distribution network based on DG location and coordinated control of multi-terminal voltage source converter (VSC) is proposed. For DG location, a node loss sensitivity index is proposed through the sensitivity analysis method. The DG location on the AC network side is carried out by using the law that load nodes at different locations have different sensitivities to network loss.Then, a multi-objective optimization model aiming at minimizing network active total loss, node voltage deviation and DG surplus is established to coordinate the active power output of DG and the port power and voltage variables under different control modes of multi-terminal VSC. The simulation results show that the proposed optimal operation method can improve the economy and security of network operation while taking into account the DG consumption level of distribution network, and provides an important reference for decision-makers in practical engineering.
大规模分布式电源(distributed generation, DG)的分散接入给电网带来了接入无序、电能质量差、供电可靠性低等问题[
目前,相关文献通过规划DG的接入位置和容量实现交直流混合配电网的优化运行。文献[
针对以上问题,文中提出一种基于DG和多端VSC协调控制的交直流混合配电网优化运行方法。首先,针对DG的选址,采用节点网损灵敏度分析的方法,得出交流网络不同位置的负荷节点对网络损耗影响的一般规律,进而定义了一种潮流计算时评估DG接入的指标;然后,建立考虑网络运行经济性、安全性和DG利用率的多目标优化模型,对多端VSC端口功率电压和DG有功出力进行协调控制。仿真计算结果分析证明了所提优化运行方法的有效性。
交直流混合配电网有多种构建方式,如文献[
交直流混合配电网结构
Structure of AC/DC hybrid distribution network
VSC等效模型的建立是交直流混合配电网潮流计算的基础[
VSC结构及等效模型
Structure and equivalent model of VSC
研究表明,DG并网对配电网的运行有很大影响,包括电压水平、网损等方面,且其影响程度与DG的安装位置密切相关[
交流网络中任一节点
以
配电网节点
Equivalent diagram of node
引入根节点
配电网的网损还可以近似表示为:
联立式(1)—式(3),由节点
以交流配电网的不同节点作为分析对象,从式(4)可以看出,网络的有功损耗可以看成是关于不同节点到根节点的等效电阻
由式(5)可知,若使节点
文中将
整理得:
由式(8)可知,等式两边的值越接近,节点
网络运行需要考量的不仅是网络损耗,文中在DG选址的基础上,进一步构建综合考虑网络运行经济性、电压质量和DG利用率的多目标优化模型,对多端VSC的端口功率电压变量和DG的有功出力进行协调控制。
VSC的交直流端口具有不同的控制模式,有功功率和无功功率可以实现独立控制。交流端口包含定功率控制和定电压控制2种控制模式;多端VSC的直流端口采取的控制策略包括下垂协调控制和主从协调控制。
以
下垂协调控制策略
Droop control strategy
对应的控制方程为:
式中:
主从协调控制的思想是将网络中的换流器分为主、从两部分。当多端VSC采用主从协调控制时,
主从协调控制策略的2种控制模式
Two control modes of master-slave control strategy
多目标优化问题定义为:
式中:
其中,VSC的内部有功损耗为:
式中:
式中:
式中:
文中采用交替迭代法求解交直流混合配电网潮流,求解的思想是将交、直流潮流方程分别进行迭代求解,以VSC为界限通过端口参数进行交互[
(1) 交流和直流部分支路功率约束。
式中:
(2) 节点电压约束。
(3) 文中模型的控制变量约束。
式中:
多目标优化求解通常采用约束法、权重系数等方法将多目标问题转化为单目标问题[
文中提出的基于DG和多端VSC协调控制的交直流混合配电网运行步骤如下。
步骤1:确定交直流混合配电网。输入系统基准功率、系统节点数、线路数、线路参数、种群数目、迭代次数等网络原始参数。
步骤2:将交流侧网络各个节点的已知参数代入式(9),求出各个节点网损灵敏度指标的数值
步骤3:确定控制变量和目标函数。文中协调控制的控制变量为多端VSC的运行功率电压和DG的有功出力。
步骤4:采用NSGA-Ⅱ多目标求解算法[
步骤5:根据DG的盈余量确定不同的解集方案,以便为决策人员提供参考。
结合上述步骤,基于DG和多端VSC协调控制的交直流混合配电网优化运行流程见
优化运行实现流程
Optimized operation implementation process
将IEEE 14节点配电系统修改为交直流混合配电网进行验证,如
基于修改IEEE 14节点系统的交直流混合配电网
AC/DC hybrid distribution network based on modified IEEE 14-bus system
潮流计算时选取的基准电压为10 kV,三相基准功率为100 MV ·A。交流线路的阻抗和负荷参数与IEEE 14节点配电网参数相同,直流电缆线路采用ACSR240电缆,电缆线路长度均为10 km。VSC等效变压器阻抗
VSC1的A1端口采用定电压控制方式,在系统优化运行时通过调节末端电压来影响交流潮流分布;VSC2的A2端口和VSC3的A3端口采用定功率控制方式,优化运行时作为可调负荷来影响交流潮流分布;多端VSC直流端口采用下垂协调控制时,下垂系数在实际运行时不能频繁调整,需要提前设定,因此不作为优化变量。
首先通过各节点的
各节点的
排序 | 节点 | 排序 | 节点 | |||
1 | 3 | 0.387 2 | 8 | 7 | 0.030 7 | |
2 | 8 | 0.268 7 | 9 | 4 | 0.024 2 | |
3 | 9 | 0.236 4 | 10 | 11 | 0.024 2 | |
4 | 14 | 0.107 1 | 11 | 12 | 0.013 1 | |
5 | 6 | 0.102 4 | 12 | 10 | 0.008 7 | |
6 | 5 | 0.049 3 | 13 | 13 | 0.008 2 | |
7 | 2 | 0.033 8 |
同一分支上安装DG的数目一般不超过2个[
当多端VSC采用下垂协调控制时,协调控制DG有功出力和多端VSC获得的Pareto最优解集如
采用下垂协调控制后的Pareto最优解集
Pareto optimal sets by droop control
根据DG的盈余量区段[0, 0.2] p.u.,[0.2, 0.4] p.u.和[0.4, 0.6] p.u.,对应DG利用率区段80%~100%, 60%~80%和40%~60%,将得到的Pareto最优解集划分成3个最优解集方案,如
下垂控制下3种最优解集方案
Three optimal solution set schemes under droop control
方案 | DG盈余/ p.u. | 网络损耗/MW | 电压偏差/p.u. | |||
最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | |||
方案1 | [0, 0.2] | 4.95 | 5.66 | 0.74 | 1.45 | |
方案2 | [0.2, 0.4] | 3.94 | 5.12 | 0.53 | 1.01 | |
方案3 | [0.4, 0.6] | 4.1 | 4.88 | 0.98 | 1.32 |
方案1能实现DG的充分消纳,但对比方案2、3,却增大了网络损耗和电压偏差。这是由于以分布式光伏为代表的DG会因高渗透带来功率倒送、节点电压越限等问题,从而增加网络损耗,造成电压偏差增大。方案3可以实现最小的网络损耗,但由于DG的利用率不高,就地补偿的有功功率不能很好地减少线路的功率流动,抑制了调节电压的效果。方案2能实现DG 60%~80%的消纳,对网损和电压偏差的抑制效果也较为明显,若不考虑各个目标的侧重程度,可以考虑将其作为Pareto解集的折衷解集。
当多端VSC采取主从协调控制策略时,获得的Pareto最优解集如
采用主从协调控制优化后的Pareto最优解集
Pareto optimal sets by master-slave control
与下垂协调控制策略结果分析相同,根据DG盈余将得到的Pareto最优解集划分成3个最优解集方案,如
主从控制下3种最优解集方案
Three optimal solution set schemesunder master-slave control
方案 | DG盈余/ p.u. | 网络损耗/MW | 电压偏差/p.u. | |||
最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | |||
方案1 | [0, 0.2] | 5.88 | 6.94 | 0.85 | 1.57 | |
方案2 | [0.2, 0.4] | 5.46 | 6.73 | 1.45 | 1.94 | |
方案3 | [0.4, 0.6] | 5.63 | 6.32 | 1.24 | 1.88 |
从
文中综合多端柔性互联装置整体潮流调控能力和DG局部调节的优势,提出一种基于DG和多端VSC协调控制的交直流混合配电网优化运行方法,通过对改进的IEEE 14节点交直流混合配电网进行分析、验证,得到相关结论如下:
(1) DG的优化接入问题实际上是离散非线性整数规划问题,对算法的精度和适用性要求较高。文中所提的DG选址指标能根据网络特征有效地确定DG接入位置,摆脱了算法选择的局限,简化了优化计算,但所提选址指标适用场景有限,仅适用于交直流混合配电网交流侧和传统交流配电网DG选址,而未考虑交直流混合配电网直流的DG接入情况。
(2) 随着配电网DG的渗透率不断提高,多端VSC作为一种高效的调节手段,通过与DG相配合,可提高可再生能源的消纳水平以及配电系统运行的经济性和安全性。
(3) 采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法求解多目标优化问题得到均匀分布的Pareto前沿,能为决策人员提供较为完整和准确的信息,实际工程中决策人员可根据不同目标的侧重程度得到具体方案。
本文得到新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)自主研究课题项目(LAPS202124)资助,谨此致谢!
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