CN116632918A - 一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，通过将电容器组、有载调压变压器优化运行实现电压和无功控制，电网重构为闭环的拓扑结构，来增加光伏承载力，优化配电网的运行。本发明使用了电容器组和负载的电压依赖性ZIP模型；实现了配电网的光伏承载容量最大化，解决了光伏设备接入对配电网的电压和电流约束的影响，改善了配电网的运行，增加了配电网上光伏接入容量，显著提高光伏渗透率。

Description

一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法
技术领域
本发明涉及电力***新能源并网领域，具体涉及一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法。
背景技术
近年来，一些研究评估了配电网的承载能力。光伏***的高渗透率可能会导致配电网的一些运行问题。网络重构是改善配电网运行最常用的方法之一。执行开关操作改变电网的拓扑结构，以缓解堵塞和改善电压轮廓，同时保持配电网的星型结构，以最小化星型配电网中增加光伏渗透率造成的电压越限。
闭环拓扑结构是星型配电网一种替代结构。配电网闭环运行可以减少电能损耗和提高正常运行状态下的可靠性。将主馈线从开环升级到正常的闭环可以保证可靠和高质量的供电，因为一些客户不能承受短时间的电压中断或长时间的电压下降。分布式配电网中从星型结构重构为闭环拓扑结构的要求和星型结构的缺点如下。这些要求包括对变电站的短路电流、容量和电压水平的评估；变压器的额定值、阻抗、负载和负载特性；馈线的尺寸、长度、负荷、负荷分布和负载特性。但是在应急场景中，将更多的负载重新连接到主馈线，故障后***的响应会增强。使用星型拓扑结构构建配电网需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。而且中央节点负担重，一旦发生故障，整个配电网的运行都会受到影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，包括如下步骤：
步骤一：建立目标函数，确定配电网运行的潮流约束函数；通过潮流约束函数获取目标函数的最大值；
步骤二：基于步骤一搭建有载调压变压器、稳压器和电容器组的优化运行模型，将电网结构重构为闭环拓扑结构，约束结构中的回路数量；
步骤三：基于步骤二搭建光伏承载容量模型，计算配电网的二氧化碳总排放量；再根据二氧化碳的总排放量和光伏发电总装机容量获取配电网最优运行方案。
进一步地，所述步骤一中，所述目标函数为公式(1)：
其中，为目标函数，i为节点序号，/>为节点i已安装的光伏容量，ΓPV为安装光伏装置的候选节点集合。
进一步地，所述步骤一中，所述潮流约束函数为公式(2)～公式(9)：
公式(2)中，ΓB表示支路的集合，在场景s下，Pij,s表示通过支路ij的有功潮流、变电站在节点i处注入的有功功率分布式电源在节点i处注入的有功功率/>光伏电源在节点i处注入的有功功率/>支路ij上电流幅值的平方/>支路ij上的电阻Rij、节点i处额定电压下的有功负荷/>分别为节点i处有功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Vi,s为节点i处的电压幅值，/>为节点i处的电压幅值的平方，VN为电网的额定电压；
公式(3)中，Qij,s表示通过支路ij的无功潮流、变电站在节点i处注入的无功功率分布式电源在节点i处注入的无功功率/>光伏电源在节点i处注入的无功功率额定电压下节点i处的无功负荷/>电容器组在节点i注入的总无功功率分别为节点i处无功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Xij为支路ij的电抗；
公式(4)中，和V分别为节点i上允许施加的最大和最小电压幅值，ΓS为场景的集合；
公式(5)中，为有载分接开关在支路ij上的电压差的辅助变量，ζij,s为松弛变量，Zij为支路ij的阻抗；
公式(6)中，θi,s为节点i的电压相位角，θj，s为节点j的电压相位角，为节点i的电压估计值，/>为节点j的电压估计值；
公式(7)是一个二阶锥约束；公式(8)和公式(9)中，MV用于计算电压降的松弛变量，MΘ用于计算电压相位角差的松弛变量，为支路ij的运行状态，/>表示开关打开，/>表示开关闭合。
进一步地，所述步骤二包括以下子步骤：
(2.1)有载调压变压器和稳压器的优化运行模型为公式(18)：
公式(18)中，为有载调压变压器的最大调节度，ΓTC为存在有载调压变压器的支路集合；
(2.2)电容器组的优化运行模型使用依赖于电压的ZIP模型建模，如公式(19)-公式(21)：
其中，通过公式(19)计算在节点i处的电容注入的总无功功率，通过公式(20)和公式(21)约束每个电容模块注入的无功功率；
(2.3)将电网结构重构为闭环拓扑结构，如公式(25)～公式(28)：
其中，ΓSS为变电站的节点集合，ΓN为总节点集合，fij为支路ij的虚拟流，gi为变电站的节点i的虚拟电源。
进一步地，所述步骤三中，所述光伏承载容量模型为公式(29)～公式(32)：：
其中，ΓPV为安装光伏电源的节点集，为光伏电源的发电系数，/>为光伏发电的损耗，/>为光伏装机容量，/>和/>为光伏装置的最大和最小功率因数；/>为场景的持续时间，ψi为光伏装置的能量损耗限制。
进一步地，所述步骤三中，计算配电网的总二氧化碳排放量的表达式为公式(33)：
其中，为电网的二氧化碳总排放量，/>和/>分别为变电站和分布式电源的二氧化碳排放强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过电网拓扑结构中回路的增加，可有效提高光伏发电的最大渗透率和配电网的光伏承载容量，减少二氧化碳的排放量，允许在主动配电网中实现闭环拓扑，电网结构更加灵活，可以提供更环保和更有效的操作方案，推迟了加强网络结构的投资的必要性。本发明存在少数回路的闭环拓扑结构与星型拓扑结构相比，光伏承载容量值的高度增加。
附图说明
图1是本发明中有载调压变压器的等效电路示意图；
图2是本发明中电容的接入情况示意图；
图3是本发明中可调度分布式电源的承载力曲线示意图；
图4是本发明中光伏机组的容量曲线示意图；
图5是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例和实施例中的附图对本发明进行说明。
本发明通过对电网进行重构、电压和无功控制，以增加可再生能源在配电网中的最大渗透率，为电网运行提供更大的灵活性。将电网拓扑结构重构为闭环拓扑结构，获得一个可处理、可扩展、可被商业求解器有效解决的松弛混合整数二阶锥规划模型。为了处理可再生能源的不确定性，采用了一种随机场景的公式，电容器组和负载使用依赖于电压的ZIP模型来表示，可以更真实地描述场景。目标函数最大化可再生能源在配电网中的渗透率，增加配电网的光伏承载容量，减轻二氧化碳的排放。
本发明提供了一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，参见图5，包括如下步骤：
步骤一：建立目标函数，确定配电网运行的潮流约束函数；通过潮流约束函数获取目标函数的最大值。
建立目标函数：
为了在所有候选节点上安装光伏装置时，最大化配电网中的光伏发电总装机容量；建立目标函数如公式(1)所示，其中i为节点序号，/>为节点i已安装的光伏容量，ΓPV为安装光伏装置的候选节点集合。
确定配电网的潮流约束和运行限制条件：
在潮流约束函数的范围内获取目标函数最大值。为了抑制配电网的功率波动对输电网造成的影响，需要将支路的潮流控制在一定的范围内。配电网的潮流约束函数表达式如公式(2)-公式(9)所示，其中ij和ji为支路的序号，s为随机的场景序号。
公式(2)和公式(3)使用电压依赖性ZIP模型表示负载，约束函数公式(2)为有功功率平衡，ΓB表示支路的集合，在场景s下，Pij,s表示通过支路ij的有功潮流、变电站在节点i处注入的有功功率分布式电源在节点i处注入的有功功率/>光伏电源在节点i处注入的有功功率/>支路ij上电流幅值的平方/>支路ij上的电阻Rij、节点i处额定电压下的有功负荷/> 分别为节点i处有功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Vi,s为节点i处的电压幅值，/>为节点i处的电压幅值的平方，VN为电网的额定电压。
约束函数公式(3)为无功功率平衡，在场景s下，Qij,s表示通过支路ij的无功潮流、变电站在节点i处注入的无功功率分布式电源在节点i处注入的无功功率/>光伏电源在节点i处注入的无功功率/>额定电压下节点i处的无功负荷/>电容器组在节点i注入的总无功功率/> 分别为节点i处无功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Xij为支路ij的电抗。
约束函数公式(4)在场景s中根据电压幅值的平方计算节点i的电压幅值，在允许的最大、最小电压幅值的中点/>使用/>的平方根的泰勒级数展开。/>和V分别为节点i上允许施加的最大和最小电压幅值，ΓS为场景的集合。
约束函数公式(5)计算场景s中支路ij的电压幅值平方和/>的差值，为有功和无功潮流、电流幅值的平方值和线路参数的约束函数。/>为跨稳压器/变电站的有载分接开关在支路ij上的电压差的辅助变量，与变电站的有载分接开关和稳压器的使用有关。当与支路ij相关的开关打开时，松弛变量ζij,s用于忽略支路ij两端电压降。Zij为支路ij的阻抗。
约束函数公式(6)计算场景s中支路ij的电压相位角之差，为支路上的有功和无功潮流和线路参数的约束函数。θi,s为节点i的电压相位角，θj，s为节点j的电压相位角，为节点i的电压估计值，/>为节点j的电压估计值。当与支路ij相关的开关是开的时，使用松弛变量ξij,s来忽略电压相位角差，即支路ij的开关开时，母线i和j的电压相位角与支路ij的潮流和参数没有直接关系。
约束函数公式(7)是一个二阶锥约束，使用支路电流和电压幅值平方的乘积来约束支路上的有功和无功潮流。
约束函数公式(8)和公式(9)根据开关的状态计算松弛变量ζij,s和ξij,s。MV用于计算电压降的松弛变量，MΘ用于计算电压相位角差的松弛变量，为支路ij的运行状态，表示开关打开，节点i和j的电压大小和电压相位角的计算将不依赖于支路ij的潮流。/>表示开关闭合，公式(5)和公式(6)将根据支路ij上的潮流和电流幅值计算节点i和j处的电压大小和电压相位角的值。
公式(11)-公式(14)为配电网正常运行时的限制条件，根据开关状态，函数公式(10)-公式(12)约束支路的载流量有功功率和无功功率，函数公式(13)约束节点的电压，函数公式(14)约束变电站的视在功率容量/>函数公式(11)和公式(12)包含在模型中可以提高优化求解器的收敛速度。
步骤二：基于步骤一搭建有载调压变压器、稳压器和电容器组的优化运行模型，将电网结构重构为闭环拓扑结构，约束结构中的回路数量。
搭建有载调压变压器、稳压器和电容器组的模型：
将有载调压变压器和稳压器等效为电路，如图1所示；分接电压比为的理想变压器与阻抗Rij+jXij串联，/>为有载调压变压器的调节度。
公式(15)计算节点k处电压Vk的大小，公式(16)计算节点k处电压Vk和i处电压Vi大小的平方之差
公式(17)根据和Vi 2计算分接电压比：
有载调压变压器和稳压器在电网中的运行使用公式(18)建模，为有载调压变压器的最大调节度，ΓTC为存在有载调压变压器的支路集合。
稳压器连续分接的误差将取决于分接位置的数量。典型的稳压器有33个分接位置(±16个位置和一个位置0)，最大调节度连续分接恰好保持在两个离散位置之间误差最大，最大误差值为0.1/(2×33)＝0.15％。
电容器组的运行使用依赖于电压的ZIP模型来建模，受到生产制造技术和设备使用寿命的限制，在一个调度周期内电容器的操作次数有严格的限制，且每一次切换都需要成组操作，其限制条件如公式(19)-公式(21)所示。参见图2，图中显示了安装在节点i上的电容的运行情况，将所有电容器的一端并联接入节点i，另一端接地，并通过开关控制电容的接入状态。/>为支路ij上安装的电容数量，ΓCB为电容的集合，Bi CB为节点i处电容的电纳，/>节点i处电容的开关状态。
公式(19)计算在节点i处的电容注入的总无功功率，为每个电容模块k注入的无功功率的和。公式(20)和公式(21)约束每个电容模块k注入的无功功率。
考虑到可调度分布式电源出力的波动与负荷的变化不完全匹配，在配电网中的节点电压、支路电流等受限的情况下，需要函数公式(22)-公式(24)约束可调度分布式电源的容量。参见图3，图中显示了可调度分布式电源的承载力曲线，为节点i处分布式电源的视在功率容量，ΓDG为分布式电源的集合，/>分别为光伏装置的最小和最大功率因数。
公式(22)约束分布式电源的视在发电能力，公式(23)要求分布式电源只能将有功功率注入配电网，公式(24)是分布式电源的功率因数约束。
电网重构：
将配电网重构为闭环运行的拓扑结构，可以在保证辐射性和连通性的基础上达到节能降损的目的。电网连通性和基本回路的最大数量由公式(25)-公式(28)进行约束。根据公式(25)-公式(28)将电网的结构重构为闭环拓扑结构，ΓSS为变电站的节点集合，ΓN为总节点集合，fij为支路ij的虚拟流，gi为变电站的节点i的虚拟电源，
公式(25)约束电网中回路的最大数量，公式(26)-公式(28)确保电网的连通性，也就是说每个节点必须存在一条路径到变电站。模型定义了一个足以在所有场景中操作的单一拓扑结构。
等于带有闭合开关的支路数量。公式(25)左边|ΓN|-ΓSS|为节点总数减去变电站的节点，等于负载节点的数量。根据公式(27)，|ΓN|-ΓSS|是必须闭合的开关数量，以便形成星型拓扑结构。NLP是在配电网中允许形成的回路的数量。NLP＝0时配电网是星型拓扑结构，增大NLP最大可以获得具有NLP个回路的拓扑结构。公式(25)-公式(28)用来约束配电网的拓扑结构，避免拓扑结构中分布式电源连接孤立节点。
公式(26)是一个虚拟流的平衡方程，它要求进入一个节点的虚拟流的总量等于离开一个节点的虚拟流的总量。
公式(27)根据支路状态限制支路ij上的虚拟流。由于每个节点都有一个统一的虚拟需求，通过一个支路的最大虚拟流等于负载节点的数量。
公式(28)表示变电站节点上的虚拟电源gi小于配电网中的节点数量。由于每个节点都有一个统一的虚拟需求，因此变电站必须能够满足这个需求。配电网中的虚拟需求总量等于节点集ΓN的数量，负载节点的gi等于0。
步骤三：基于步骤二搭建光伏承载容量模型，计算配电网的二氧化碳总排放量；再根据二氧化碳的总排放量和光伏发电总装机容量获取配电网最优运行方案。
搭建光伏承载容量模型：
根据公式(29)-公式(32)建立光伏承载容量模型，公式(33)计算配电网的总排放量，参见图4的光伏装置的容量曲线图。
约束公式(29)根据场景s中可再生资源的可用性，由光伏装机容量/>和有功功率损耗量/>计算节点i处的光伏装置注入的有功功率。公式(30)限制有功功率损耗范围。公式(31)限制光伏装置注入的无功功率。
ΓPV为安装光伏电源的节点集，为光伏电源的发电系数，/>为光伏发电的损耗，/>为光伏装机容量，/>和/>为光伏装置的最大和最小功率因数，
公式(32)限制总能量损耗范围，公式的左侧为一段时间内的总能量损耗，右侧为能量损耗限制ψi乘以可用能量的总值，0≤ψi≤1。当ψi＝0时，不允许缩减光伏发电，当ψi＝1时，该模型允许损耗达到最大容量。为场景的持续时间，ψi为光伏装置的能量损耗限制。
最后通过公式(33)计算配电网的总二氧化碳排放量，在保证配电网光伏承载容量尽可能大的同时，尽量减小配电网的二氧化碳总排放量。为电网的二氧化碳总排放量，和/>分别为变电站和分布式电源的二氧化碳排放强度。
通过配电网的闭环重构和电压无功控制可以保证配电网中的设备有能力应对分布式电源出力的大幅随机波动，保证配电网安全运行的同时，可以更好的降低运行网损，达到增加配电网的光伏承载容量和缓解二氧化碳的排放强度的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立目标函数，确定配电网运行的潮流约束函数；通过潮流约束函数获取目标函数的最大值；
步骤二：基于步骤一搭建有载调压变压器、稳压器和电容器组的优化运行模型，将电网结构重构为闭环拓扑结构，约束结构中的回路数量；
步骤三：基于步骤二搭建光伏承载容量模型，计算配电网的二氧化碳总排放量；再根据二氧化碳的总排放量和光伏发电总装机容量获取配电网最优运行方案。
2.根据权利要求1所述的通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，所述步骤一中，所述目标函数为公式(1)：
其中，为目标函数，i为节点序号，/>为节点i已安装的光伏容量，ΓPV为安装光伏装置的候选节点集合。
3.根据权利要求2所述的通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，所述步骤一中，所述潮流约束函数为公式(2)～公式(9)：
公式(2)中，ΓB表示支路的集合，在场景s下，Pij,s表示通过支路ij的有功潮流、变电站在节点i处注入的有功功率分布式电源在节点i处注入的有功功率/>光伏电源在节点i处注入的有功功率/>支路ij上电流幅值的平方/>支路ij上的电阻Rij、节点i处额定电压下的有功负荷/>分别为节点i处有功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Vi,s为节点i处的电压幅值，/>为节点i处的电压幅值的平方，VN为电网的额定电压；
公式(3)中，Qij,s表示通过支路ij的无功潮流、变电站在节点i处注入的无功功率分布式电源在节点i处注入的无功功率/>光伏电源在节点i处注入的无功功率/>额定电压下节点i处的无功负荷/>电容器组在节点i注入的总无功功率/>分别为节点i处无功需求的恒定阻抗、电流、功率的参数因子，Xij为支路ij的电抗；
公式(4)中，和V分别为节点i上允许施加的最大和最小电压幅值，ΓS为场景的集合；
公式(5)中，为有载分接开关在支路ij上的电压差的辅助变量，ζij,s为松弛变量，Zij为支路ij的阻抗；
公式(6)中，θi,s为节点i的电压相位角，θj，s为节点j的电压相位角，为节点i的电压估计值，/>为节点j的电压估计值；
公式(7)是一个二阶锥约束；公式(8)和公式(9)中，MV用于计算电压降的松弛变量，MΘ用于计算电压相位角差的松弛变量，为支路ij的运行状态，/>表示开关打开，表示开关闭合。
4.根据权利要求3所述的通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，所述步骤二包括以下子步骤：
(2.1)有载调压变压器和稳压器的优化运行模型为公式(18)：
公式(18)中，为有载调压变压器的最大调节度，ΓTC为存在有载调压变压器的支路集合；
(2.2)电容器组的优化运行模型使用依赖于电压的ZIP模型建模，如公式(19)-公式(21)：
其中，通过公式(19)计算在节点i处的电容注入的总无功功率，通过公式(20)和公式(21)约束每个电容模块注入的无功功率；
(2.3)将电网结构重构为闭环拓扑结构，如公式(25)～公式(28)：
其中，ΓSS为变电站的节点集合，ΓN为总节点集合，fij为支路ij的虚拟流，gi为变电站的节点i的虚拟电源。
5.根据权利要求4所述的通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述光伏承载容量模型为公式(29)～公式(32)：
其中，ΓPV为安装光伏电源的节点集，为光伏电源的发电系数，/> 为光伏发电的损耗，/>为光伏装机容量，/>和/>为光伏装置的最大和最小功率因数；/>为场景的持续时间，ψi为光伏装置的能量损耗限制。
6.根据权利要求5所述的通过闭环重构和电压无功控制增加光伏承载力的方法，其特征在于，所述步骤三中，计算配电网的总二氧化碳排放量的表达式为公式(33)：
其中，为电网的二氧化碳总排放量，/>和/>分别为变电站和分布式电源的二氧化碳排放强度。
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CN117154735A (zh) * 2023-08-30 2023-12-01 国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司 一种适用于新能源发电台区的潮流计算方法、设备及介质

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