CN107332277B - 一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法：根据选定的配电***，输入配电***结构及参数；依据配电***结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电***恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能***运行约束、孤岛主电源唯一性约束、***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；将数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能***的充放电功率值、储能***的荷电状态；输出求解结果。本发明能够提高配电***负荷恢复水平。

Description

一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法
技术领域
本发明涉及一种有源配电网孤岛运行方法。特别是涉及一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法。
背景技术
智能配电***自愈控制是智能电网体系的关键环节。有源配电网孤岛运行作为电网故障处理的一种应急运行方式，可明显提升***供电的可靠性和安全性。配电网直接与用户相连，其孤岛运行的目标是在配电网故障安全隔离后，失电区域中的重要负荷保障优先恢复，并尽可能恢复其他非重要负荷，从而实现恢复供电收益最大。
其中，采用分布式电源(distributed generator，DG)实现配电***孤岛运行是自愈控制的核心技术。随着配电***中分布式电源的渗透率越来越高，在配电***故障情况下，可以形成以可控分布式电源为主电源的电力孤岛，从而恢复部分重要负荷，将极大地提高配电***的供电可靠性。同时，储能***(energy storage system，ESS)通过其在时间上对能量的转移，可以有效地降低由于分布式电源出力间歇性和随机性所带来的影响，并参与配电***潮流调节和优化，提高配电***运行的经济性和可靠性。在配电***故障情况下，通过与分布式电源的协调配合，将全面改善配电***负荷恢复水平。
目前，已有的有源配电网孤岛运行策略并没有考虑储能***在孤岛划分问题中的影响，从而导致配电***负荷恢复水平较低。因此，急需一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行策略，用以解决有源配电网孤岛划分问题，全面提高配电***供电可靠性。其主要特点在于，同时考虑分布式电源出力、储能***和负荷的时序运行特性，最大限度地保证有源配电网内重要负荷的持续稳定运行。根据配电网发生故障的时刻不同，以及故障持续时间不同，得到不同的孤岛划分策略，以保证***恢复负荷最大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够综合考虑多种安全运行约束，保证***恢复负荷量最大的考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，包括如下步骤：
1)根据选定的配电***，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能***接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，***故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率等初值；
2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电***恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能***运行约束、孤岛主电源唯一性约束、***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；
3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能***的充放电功率值、储能***的荷电状态；
4)输出步骤3)的求解结果。
步骤2)所述的储能***运行约束表示为
Figure BDA0001388230980000021
Figure BDA0001388230980000022
Figure BDA0001388230980000023
Figure BDA0001388230980000024
Figure BDA0001388230980000025
式中，
Figure BDA0001388230980000026
分别为t时段接在节点i接入储能***的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；
Figure BDA0001388230980000027
为t时段接在节点i上储能***的无功功率；
Figure BDA0001388230980000028
为节点i上储能的容量；
Figure BDA0001388230980000029
为节点i上储能***的无功功率上限；
Figure BDA00013882309800000210
为t时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；
Figure BDA00013882309800000211
为t+Δt时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；Δt为仿真步长；
Figure BDA00013882309800000212
为t时段节点i上储能***的损耗；
Figure BDA00013882309800000213
为节点i上储能***的损耗系数；
Figure BDA00013882309800000214
分别为节点i上储能***荷电状态的上下限。
本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，立足于解决有源配电网中的孤岛划分问题，充分考虑分布式电源出力、储能***和负荷时序性，以及故障发生时刻和故障持续时间对有源配电网孤岛划分问题的影响，建立一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛划分模型，其数学本质是非线性规划问题，采用原对偶内点法进行求解，得到有源配电网孤岛划分策略。本发明能够提高配电***负荷恢复水平。
附图说明
图1是本发明一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法的流程图；
图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；
图3是在0时***发生故障，故障时间4小时的孤岛划分结果的示意图；
图4是在8时***发生故障，故障时间4小时的孤岛划分结果的示意图；
图5是负荷特性曲线；
图6是光伏出力曲线；
图7是0-4时储能***荷电状态时序图；
图8是8-12时储能***荷电状态时序图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，包括如下步骤：
1)根据选定的配电***，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能***接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，***故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率等初值；
2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电***恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能***运行约束、孤岛主电源唯一性约束、***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；其中，
(1)所述的配电***恢复有功负荷最大为目标函数可表示为
Figure BDA0001388230980000031
式中，NT为***孤岛运行的时间；tF为***发生故障的时刻；NN为示***中的节点数；
Figure BDA0001388230980000032
为t时段节点i上的有功负荷；λi为节点i上负荷的恢复系数，λi∈{0,1}为0-1变量，λi＝1表示节点i上负荷恢复，λi＝0表示节点i上负荷未恢复。
(2)所述的储能***运行约束表示为
Figure BDA0001388230980000033
Figure BDA0001388230980000034
Figure BDA0001388230980000035
Figure BDA0001388230980000036
Figure BDA0001388230980000037
式中，
Figure BDA0001388230980000038
分别为t时段接在节点i接入储能***的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；
Figure BDA0001388230980000039
为t时段接在节点i上储能***的无功功率；
Figure BDA00013882309800000310
为节点i上储能的容量；
Figure BDA00013882309800000311
为节点i上储能***的无功功率上限；
Figure BDA00013882309800000312
为t时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；
Figure BDA00013882309800000313
为t+Δt时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；Δt为仿真步长；
Figure BDA00013882309800000314
为t时段节点i上储能***的损耗；
Figure BDA00013882309800000315
为节点i上储能***的损耗系数；
Figure BDA00013882309800000316
分别为节点i上储能***荷电状态的上下限。
(3)所述的孤岛主电源唯一性约束表示为
αij＝βij+βji,ij∈Ωb (7)
Figure BDA00013882309800000317
Figure BDA00013882309800000318
αij∈{0,1} (10)
0≤βij≤1,0≤βji≤1 (11)
式中，Ωb表示所有装有分段开关的支路的集合；NS表示***的源节点；αij表示支路ij上开关的开断状态，αij＝1表示开关闭合，αij＝0表示开关断开；βij表示节点i和节点j的关系，βij＝1表示节点j是节点i的父节点，βij＝0表示节点j不是节点i的父节点。通过孤岛主电源唯一性约束可以对可控分布式电源的运行策略进行选择，当节点i上的可控分布式电源满足式
Figure BDA0001388230980000041
时，该分布式电源选取PQ控制方式；当节点i上的可控分布式电源满足式
Figure BDA0001388230980000042
时，该分布式电源选取V/f控制方式。
(4)所述的潮流约束表示为
Figure BDA0001388230980000043
Figure BDA0001388230980000044
Figure BDA0001388230980000045
Figure BDA0001388230980000046
Figure BDA0001388230980000047
Figure BDA0001388230980000048
Figure BDA0001388230980000049
-Mαij≤Pt,ij≤Mαij (19)
-Mαij≤Qt,ij≤Mαij (20)
Figure BDA00013882309800000410
式中，Iij,为t时段节点i流向节点j的电流幅值；Ui,t为t时段节点i的电压幅值；rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗；Pt,ij、Qt,ij分别为t时段支路ij上流过的有功功率和无功功率；Pt,i、Qt,i分别为t时段节点i上注入的有功功率和无功功率之和；
Figure BDA00013882309800000411
分别为t时段节点i上负荷的有功功率和无功功率；
Figure BDA00013882309800000412
分别为t时段节点i上可控与不可控分布式电源注入的有功功率和无功功率；参数M表示一个极大的常量，通常取9999。
(5)所述的运行电压约束表示为
Figure BDA00013882309800000413
式中，
Figure BDA00013882309800000414
和
Figure BDA00013882309800000415
分别为节点i的电压上下限。
(6)所述的支路电流约束表示为
Figure BDA00013882309800000416
式中，
Figure BDA00013882309800000417
为支路ij的电流上限。
(7)所述的不可控分布式电源运行约束表示为
Figure BDA00013882309800000418
Figure BDA00013882309800000419
Figure BDA00013882309800000420
式中，
Figure BDA00013882309800000421
为t时段节点i所接不可控分布式电源的有功出力的上限；
Figure BDA00013882309800000422
表示节点i所接不可控分布式电源的容量；
Figure BDA00013882309800000423
为节点i上分布式电源的运行的最大功率因数角。
(8)所述的可控分布式电源运行约束表示为
Figure BDA0001388230980000051
Figure BDA0001388230980000052
式中，
Figure BDA0001388230980000053
表示节点i所接可控分布式电源的容量。
3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能***的充放电功率值、储能***的荷电状态；
4)输出步骤3)的求解结果。
下面给出具体实例：
对于本发明的实例，首先输入IEEE 33节点***中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，负荷运行曲线，分布式电源参数，储能***参数，分布式电源运行曲线，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1-4、图5-6；设置支路1-2之间于0和8时分别发生永久性三相故障，故障时间持续4小时；设定***的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。
执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU，主频为3.20GHz，内存为4GB；软件环境为Windows 7操作***。
本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，采用内点法进行求解，得到孤岛运行策略。考虑了分布式电源出力、储能***和负荷的时序性，最大限度地保证***内重要负荷的持续稳定运行。根据配电网发生故障的时刻不同，以及故障持续时间不同，得到不同的孤岛划分策略，以保证***恢复负荷最大。以***发生故障时刻分别为0时和8时，***孤岛运行时间均为4小时，孤岛结果如图3-4所示，其中实心节点表示负荷恢复，空心节点表示负荷未恢复；负荷恢复情况和可控分布式电源运行策略如表5-6所示；储能***荷电状态如图7-8所示。
表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率
Figure BDA0001388230980000054
Figure BDA0001388230980000061
表2 IEEE33节点算例线路参数
Figure BDA0001388230980000062
表3分布式电源配置情况
Figure BDA0001388230980000063
表4储能***配置情况
Figure BDA0001388230980000064
表5负荷恢复情况
Figure BDA0001388230980000065
Figure BDA0001388230980000071
表6可控分布式电源的运行策略
节点 13 20 23 30
0时 V/f控制 V/f控制 V/f控制 PQ控制
8时 PQ控制 V/f控制 V/f控制 PQ控制

Claims (1)

1.一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据选定的配电***，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能***接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，***故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率等初值；
2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电***恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能***运行约束、孤岛主电源唯一性约束、***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；其中，所述的储能***运行约束表示为
Figure FDA0002232455130000011
Figure FDA0002232455130000012
Figure FDA0002232455130000013
Figure FDA0002232455130000014
Figure FDA0002232455130000015
式中，
Figure FDA0002232455130000016
分别为t时段接在节点i接入储能***的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；
Figure FDA0002232455130000017
为t时段接在节点i上储能***的无功功率；
Figure FDA0002232455130000018
为节点i上储能的容量；
Figure FDA0002232455130000019
为节点i上储能***的无功功率上限；
Figure FDA00022324551300000110
为t时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；
Figure FDA00022324551300000111
为t+Δt时段初始时刻节点i上储能***的荷电状态；Δt为仿真步长；
Figure FDA00022324551300000112
为t时段节点i上储能***的损耗；
Figure FDA00022324551300000113
为节点i上储能***的损耗系数；
Figure FDA00022324551300000114
分别为节点i上储能***荷电状态的上下限；
3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能***的充放电功率值、储能***的荷电状态；
4)输出步骤3)的求解结果。
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