張 博， 唐 巍， 叢鵬偉， 張?bào)慊郏?婁鋮偉

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083)

基于SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制

張 博， 唐 巍， 叢鵬偉， 張?bào)慊郏?婁鋮偉

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083)

智能軟開關(guān)(SOP)、電壓源換流器(VSC)等電力電子設(shè)備具備快速靈活的功率調(diào)節(jié)能力，能夠有效應(yīng)對(duì)分布式電源帶來的隨機(jī)性和波動(dòng)性。本文分析了含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，針對(duì)高滲透率分布式電源接入帶來的高損耗和電壓越限問題，提出了一種多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制方法。在日前時(shí)間尺度上，針對(duì)離散的開關(guān)變量與連續(xù)的SOP、VSC功率，以降低損耗為優(yōu)化目標(biāo)建立分層協(xié)調(diào)調(diào)度模型；在日內(nèi)短時(shí)時(shí)間尺度上，針對(duì)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)情況，以控制電壓為優(yōu)化目標(biāo)快速調(diào)整SOP、VSC功率。采用基于蟻群算法和原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法的混合優(yōu)化算法對(duì)所提出的模型進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)開關(guān)與SOP、VSC功率的聯(lián)立優(yōu)化。通過算例仿真驗(yàn)證了所提模型和算法的有效性。

交直流混合配電網(wǎng)； 智能軟開關(guān)； 電壓源換流器； 多時(shí)間尺度

1 引言

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及風(fēng)力、光伏等大量可再生能源的接入，未來配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式將更加復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)可再生能源間歇性、隨機(jī)性出力的特點(diǎn)給網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)安全帶來的沖擊，配電網(wǎng)需要通過快速、靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整來管理潮流[1]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)通過改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2]。然而傳統(tǒng)開關(guān)由于開關(guān)損耗、合環(huán)電流等問題無法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行頻繁操作，并不適應(yīng)未來智能配電網(wǎng)對(duì)于潮流柔性控制的要求[3]。

隨著電力電子技術(shù)不斷成熟，電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)、智能軟開關(guān)(Soft Open Point，SOP)等電力電子設(shè)備的造價(jià)和損耗不斷降低，已經(jīng)日益廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)。SOP能夠替換傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)或分段開關(guān)，準(zhǔn)確調(diào)控其所連兩端的饋線有功功率與無功功率[4]；VSC的應(yīng)用給直流配網(wǎng)的發(fā)展帶來更大的可能性，直流電網(wǎng)易于清潔能源接入、柔性控制等特點(diǎn)，能減輕傳統(tǒng)交流電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象[5]。為了解決傳統(tǒng)開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確潮流控制的問題，同時(shí)提升配電網(wǎng)消納分布式電源的能力，將部分傳統(tǒng)開關(guān)替換為SOP，同時(shí)將部分現(xiàn)有交流線路通過VSC改造成為直流線路[6]，形成含SOP和VSC的交直流混合中壓配電網(wǎng)，這樣能同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，是一種可行的智能配電網(wǎng)過渡模式。

目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于SOP以及交直流配電網(wǎng)已有一些研究成果。文獻(xiàn)[7]研究了SOP的運(yùn)行控制策略，提出了含SOP的配電網(wǎng)靜態(tài)運(yùn)行優(yōu)化模型，并與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了SOP在降損、改善電壓等方面的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[8]在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，考慮時(shí)序性提出了聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP并存時(shí)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，并采用混合二層算法對(duì)問題進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9]針對(duì)含有SOP的配電網(wǎng)，在正常和故障模式下分別提出不同的SOP控制策略，從穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩方面驗(yàn)證了SOP在運(yùn)行優(yōu)化以及故障恢復(fù)方面的作用。

交直流配電網(wǎng)方面，文獻(xiàn)[10]分析了直流配網(wǎng)改造的經(jīng)濟(jì)性和可行性。文獻(xiàn)[11]對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)建模和潮流計(jì)算方法進(jìn)行了研究，采用交替迭代法實(shí)現(xiàn)交直流混合結(jié)構(gòu)有源配電網(wǎng)的潮流計(jì)算，為交直流混合配電網(wǎng)的仿真分析奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[12]對(duì)交直流混合中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其功率控制策略進(jìn)行了研究，基于VSC的調(diào)節(jié)方式提出了一種功率-電壓協(xié)調(diào)控制方法用以消納高滲透率分布式電源。

綜上所述，目前的研究均將SOP和交直流配電網(wǎng)分開進(jìn)行優(yōu)化控制，且多集中在長(zhǎng)時(shí)間尺度上制訂調(diào)度計(jì)劃，無法體現(xiàn)SOP與VSC等電力電子設(shè)備快速靈活的特點(diǎn)。本文分析了含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，針對(duì)高滲透率分布式電源接入帶來的高損耗和電壓越限問題，提出了一種多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制方法。在日前時(shí)間尺度上，針對(duì)離散的開關(guān)變量與連續(xù)的SOP、VSC功率，以網(wǎng)絡(luò)損耗為優(yōu)化目標(biāo)建立分層協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型；在日內(nèi)短時(shí)時(shí)間尺度上，針對(duì)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)情況，以控制電壓為優(yōu)化目標(biāo)快速調(diào)整SOP、VSC功率。通過算例分析驗(yàn)證了上述策略實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的有效性和可行性。

2 含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)

2.1含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于目前VSC、SOP等設(shè)備造價(jià)依舊不低，實(shí)現(xiàn)全面的直流網(wǎng)絡(luò)改造或聯(lián)絡(luò)開關(guān)全部改換為SOP還不太現(xiàn)實(shí)，將含有光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車等直流源較多的線路改造成直流饋線，同時(shí)在交流配電網(wǎng)中將部分聯(lián)絡(luò)開關(guān)更換為SOP，是目前可行的兼顧改造成本與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行優(yōu)化效果的折中方案，有利于消納分布式電源，提高配電網(wǎng)資產(chǎn)利用率。

典型的中壓配電網(wǎng)接線圖如圖1所示，兩條10kV饋線由常開的聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接。在線路1內(nèi)部各條支路也分別由5個(gè)常開的聯(lián)絡(luò)開關(guān)相連。通過改變這些聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行方式的優(yōu)化。在圖1的基礎(chǔ)上，將線路2整體改造為直流線路，添置兩個(gè)VSC分別位于線路首端和兩條線路相連處；在線路1內(nèi)部將22-12和25-29兩個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)改造成SOP，從而形成含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)中，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)、VSC以及SOP三者之間的協(xié)調(diào)配合進(jìn)行潮流控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行優(yōu)化。

圖1 典型中壓配電網(wǎng)絡(luò)接線圖Fig.1 Typical scheme of medium voltage distribution grid

圖2 含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)接線圖Fig.2 Scheme of AC/DC hybrid distribution grid with SOP and VSC

2.2SOP的選擇與控制方式

SOP的功能是基于對(duì)全控型電力電子器件的控制來實(shí)現(xiàn)的，主要包括3種裝置：背靠背電壓源型變流器(Back to Back Voltage Source Converter, B2B VSC)、統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(Static Synchronous Series Compensator, SSSC)[13]。目前以B2B VSC為基礎(chǔ)的SOP應(yīng)用比較廣泛，研究較多，因此本文選擇B2B VSC作為研究對(duì)象。

(1)

2.3直流改造中VSC的選擇與控制方式

在交直流混合配電網(wǎng)中，VSC是實(shí)現(xiàn)交直變換、功率控制的關(guān)鍵元件，其結(jié)構(gòu)決定了交直流接線方式、控制方式等因素。VSC包括單極對(duì)稱，單極非對(duì)稱和雙極三種結(jié)構(gòu)。一般來說，考慮投資成本和安全性，單級(jí)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的VSC更加適應(yīng)10kV交流配電線路三相三線制的供電方式[12]，因此本文選擇單級(jí)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的VSC進(jìn)行優(yōu)化控制研究。

對(duì)于圖2所示含SOP和VSC的交直流混合配電網(wǎng)，線路2首端的VSC1用于控制直流電壓，因此選擇VdcQ控制方式；連接兩條線路的VSC2能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供潮流控制，同時(shí)可以優(yōu)化交流側(cè)的無功功率來調(diào)節(jié)電壓，因此采用PQ控制方式。對(duì)于單極對(duì)稱結(jié)構(gòu)的VSC，其運(yùn)行控制需要滿足以下約束條件：

(2)

式中，PVSC(t)、QVSC(t)分別為VSC在t時(shí)刻的有功功率和無功功率；SVSC為VSC的接入容量；UDC為直流側(cè)電壓，采用交流電壓的峰值[12]；IDC為直流線路電流載流量；IAC為交流線路電流載流量。

3 多時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型

3.1多時(shí)間尺度優(yōu)化控制架構(gòu)

風(fēng)力、光伏等可再生能源給電網(wǎng)帶來清潔高效能源的同時(shí)，其出力也具有較大的預(yù)測(cè)誤差，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，長(zhǎng)時(shí)、短時(shí)多個(gè)時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化控制有助于消除預(yù)測(cè)誤差的影響?？紤]到傳統(tǒng)開關(guān)頻繁投切帶來的影響，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可作為長(zhǎng)時(shí)間尺度的優(yōu)化手段，而VSC、SOP快速靈活的功率調(diào)節(jié)能力能夠滿足短時(shí)控制的要求。因此本文在日前、日內(nèi)兩個(gè)時(shí)間尺度對(duì)含有SOP的交直流混合配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化控制。

在日前長(zhǎng)時(shí)間尺度，基于未來24h的分布式電源出力預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，以全網(wǎng)損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)建立全局優(yōu)化調(diào)度模型，制定未來一天各小時(shí)VSC、SOP的出力計(jì)劃、優(yōu)化聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)。在日內(nèi)短時(shí)時(shí)間尺度，考慮到風(fēng)、光等分布式電源功率變化以及VSC、SOP調(diào)節(jié)的快速性，基于未來5min分布式電源出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，采用日前調(diào)度指令對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，若發(fā)生電壓越限風(fēng)險(xiǎn)情況，則對(duì)VSC、SOP的功率進(jìn)行短時(shí)優(yōu)化控制，而日前的聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)保持不變，確保配電網(wǎng)安全運(yùn)行。本文多時(shí)間尺度優(yōu)化控制總體架構(gòu)是在日前降低網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；在日內(nèi)短時(shí)消除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)控節(jié)點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 多時(shí)間尺度優(yōu)化控制架構(gòu)Fig.3 Multi-time scale optimal control structure

3.2日前優(yōu)化調(diào)度模型

(1)初優(yōu)化

以各個(gè)小時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立初優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化各個(gè)小時(shí)內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)、SOP功率和VSC功率。在t時(shí)段，目標(biāo)函數(shù)為：

(3)

約束條件為：

1)SOP運(yùn)行約束。見式(1)。

2)VSC運(yùn)行約束。見式(2)。

3)節(jié)點(diǎn)電壓約束：

Vmin≤Vi≤Vmax

(4)

式中，Vmin和Vmax分別為電網(wǎng)正常狀態(tài)節(jié)點(diǎn)電壓的允許下限和上限；Vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓。

4)功率平衡約束：

(5)

式中，Pi、Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的注入有功與無功功率；Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值；Gij、Bij分別為系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的實(shí)部和虛部；θij為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓相角差；N為線路中節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

5)直流側(cè)支路功率雙向約束：

(6)

6)交流側(cè)支路功率雙向約束：

(7)

7)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束。重構(gòu)后網(wǎng)絡(luò)依然為輻射狀的連通網(wǎng)絡(luò)，無孤島環(huán)網(wǎng)存在。

(2)重構(gòu)優(yōu)化

考慮一天內(nèi)開關(guān)動(dòng)作次數(shù)限制約束，以一天總的網(wǎng)絡(luò)損耗為優(yōu)化目標(biāo)，建立動(dòng)態(tài)重構(gòu)模型，優(yōu)化各時(shí)段開關(guān)狀態(tài)。目標(biāo)函數(shù)為：

(8)

式中，T為運(yùn)行優(yōu)化周期，本文取24h；Δt為時(shí)間長(zhǎng)度，本文取1h。

約束條件為：

開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的限制：

(9)

式中，K、L分別為支路總數(shù)和時(shí)段合并后的時(shí)段數(shù)；skl、sk(l-1)分別為l時(shí)段和l-1時(shí)段開關(guān)k的狀態(tài)，skl=0表示斷開，skl=1表示閉合；Skmax為單個(gè)開關(guān)的最大動(dòng)作次數(shù)；Smax為所有開關(guān)的最大動(dòng)作次數(shù)。

另外節(jié)點(diǎn)電壓、功率平衡、交直流支路功率約束、拓?fù)浼s束與初優(yōu)化中的約束條件相同。

(3)SOP、VSC重新優(yōu)化

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的調(diào)整將會(huì)改變系統(tǒng)中的潮流分布與流向，從而影響SOP、VSC的優(yōu)化功率，因此需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果重新優(yōu)化SOP、VSC的功率，以各個(gè)小時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗最低為優(yōu)化目標(biāo)建立模型，最終獲得SOP、VSC在各個(gè)時(shí)段內(nèi)的日前優(yōu)化調(diào)度值。第三層優(yōu)化的模型與約束條件與第一層類似，在此不再贅述。

3.3日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化控制模型

在日內(nèi)短時(shí)階段，根據(jù)未來5min分布式電源出力預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)以及日前調(diào)度計(jì)劃各調(diào)度單元的指令值，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行潮流分析，提出電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)來判斷網(wǎng)絡(luò)是否處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。設(shè)在t時(shí)刻線路中節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值在0.95～1.05之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)為nv(t)，線路中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，則定義在t時(shí)刻電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為：

Rv(t)=[N-nv(t)]/N

(10)

若Rv(t)>Rmax(t)，則系統(tǒng)處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)需要對(duì)SOP和VSC的功率進(jìn)行優(yōu)化控制；反之系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，繼續(xù)滾動(dòng)對(duì)下一時(shí)刻狀態(tài)進(jìn)行判定。同時(shí)考慮到短時(shí)調(diào)度是一種短時(shí)間尺度下的偏差調(diào)整，調(diào)整量應(yīng)盡量貼近日前調(diào)度計(jì)劃較小。因此以電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)最小和控制量與日前調(diào)度計(jì)劃偏差和最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化VSC、SOP的功率。多目標(biāo)優(yōu)化問題采用判斷矩陣法[14]進(jìn)行處理。目標(biāo)函數(shù)為：

(11)

式中，M為所有需要調(diào)整的優(yōu)化變量個(gè)數(shù)；ΔSi為各優(yōu)化變量調(diào)整量的絕對(duì)值。

約束條件包括SOP運(yùn)行約束、VSC運(yùn)行約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、功率平衡約束和交直流支路功率約束，同式(1)、式(2)、式(4)～式(7)。

4 求解算法

針對(duì)第3節(jié)在日前和日內(nèi)提出的優(yōu)化模型，本文提出一種基于蟻群算法和原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法的混合算法。對(duì)于不同模型的不同優(yōu)化對(duì)象，采用相適應(yīng)的算法進(jìn)行求解。

4.1算法總體流程

(1)日前求解算法

在日前分層協(xié)調(diào)優(yōu)化模型中，第一層優(yōu)化每個(gè)小時(shí)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)以及SOP、VSC功率，優(yōu)化變量包含連續(xù)和離散變量，為了充分實(shí)現(xiàn)兩種變量間的協(xié)調(diào)最優(yōu)，本文采用二層優(yōu)化方法[15]進(jìn)行求解。其中，上層采用蟻群算法優(yōu)化開關(guān)狀態(tài)離散變量；下層采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法優(yōu)化SOP、VSC功率連續(xù)變量。

第二層采用蟻群算法優(yōu)化聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)計(jì)算。

第三層根據(jù)動(dòng)態(tài)重構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化SOP、VSC的功率，采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

(2)日內(nèi)求解算法

在日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化模型中，針對(duì)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)情況，優(yōu)化SOP和VSC的功率以保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，選擇原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

本文所提算法的具體流程如圖4所示。

圖4 混合優(yōu)化算法流程圖Fig.4 Flow chart of hybrid optimization algorithm

4.2蟻群算法

蟻群算法[2](Ant Colony Optimization，ACO)是一種用來在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型算法。采用蟻群算法求解配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題時(shí)，每一只螞蟻經(jīng)歷的路徑便是所獲得的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。本文采用基于生成樹原理的蟻群算法，保證每一次搜索后所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠际禽椛錉畹?。生成樹策略可以有效避免?duì)網(wǎng)絡(luò)的輻射狀檢驗(yàn)和修復(fù)過程，保證每代產(chǎn)生的路徑均為可行解，提高算法的搜索效率，加快收斂速度。

在日前第一層優(yōu)化中，以網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)，采用生成樹策略的蟻群算法，以每小時(shí)的開關(guān)狀態(tài)為優(yōu)化變量進(jìn)行靜態(tài)重構(gòu)。在日前第二層優(yōu)化中，需要考慮多個(gè)時(shí)段進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，因此采用文獻(xiàn)[14]的方法首先對(duì)等值負(fù)荷曲線進(jìn)行時(shí)段劃分處理，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)，采用蟻群算法進(jìn)行靜態(tài)重構(gòu)計(jì)算，從而解決動(dòng)態(tài)重構(gòu)求解困難的問題。

4.3原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法

原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法收斂迅速，魯棒性強(qiáng)，對(duì)初值不敏感，是目前廣泛使用的一種內(nèi)點(diǎn)算法。本文在日前優(yōu)化和日內(nèi)優(yōu)化中采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法對(duì)SOP和VSC的功率進(jìn)行求解。

本文所提含SOP和VSC的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型可以簡(jiǎn)寫為如下約束最優(yōu)化問題模型：

(12)

式中，x為控制變量，包括優(yōu)化變量和狀態(tài)變量，優(yōu)化變量為SOP和VSC的有功功率和無功功率；f(x)為優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，日前優(yōu)化以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)，即式(3)，日內(nèi)優(yōu)化電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)最小和控制量與日前調(diào)度計(jì)劃偏差和最小為優(yōu)化目標(biāo)，即式(11)；h(x)為等式約束條件；g(x)為不等式約束條件，約束條件包括式(1)、式(2)、式(4)～式(7)。

對(duì)于式(12)，通過引入非負(fù)松弛變量l,u，非負(fù)障礙參數(shù)μ和拉格朗日乘子y,z,w，可將原目標(biāo)函數(shù)改為拉格朗日函數(shù)：

(13)

式中，x,l,u為原變量；y,z,w為對(duì)偶變量；r為不等式約束個(gè)數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)(13)的詳細(xì)求解過程及原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法的障礙參數(shù)和迭代步長(zhǎng)選取的詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[16]。根據(jù)所求得的最優(yōu)搜索方向和迭代步長(zhǎng)，更新原變量和對(duì)偶變量，確定下一次迭代的出發(fā)點(diǎn)：

(14)

5 算例

本文以圖2所示的含SOP和VSC的交直流混合配電系統(tǒng)為例，對(duì)所提出的多時(shí)間尺度優(yōu)化問題進(jìn)行分析驗(yàn)證。其中交流線路為IEEE33節(jié)點(diǎn)算例，選擇兩組SOP接入配電網(wǎng)，取代相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。直流線路由交流線路改造而來，交流線路和直流線路通過VSC連接。為充分考慮分布式電源接入帶來的影響，在算例中加入3臺(tái)容量為250kW的風(fēng)電機(jī)組和5臺(tái)容量為400kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，功率因數(shù)均為0.9。本文所提優(yōu)化方法在Matlab R2014a下通過編程實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行環(huán)境為Intel i5-5200 2.2GHz處理器，8GB RAM。

5.1日前優(yōu)化結(jié)果分析

24h負(fù)荷和分布式電源出力大小如圖5所示，根據(jù)日前優(yōu)化模型對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)、SOP和VSC進(jìn)行優(yōu)化，這里選取4種方案進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到開關(guān)操作次數(shù)的限制，一天內(nèi)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以進(jìn)行兩次，SOP和VSC運(yùn)行優(yōu)化每小時(shí)一次。

(1)方案一：線路1不采用SOP，線路2未進(jìn)行改造，基于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)進(jìn)行配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化。

(2)方案二：線路1接入兩組SOP，線路2未進(jìn)行改造，聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)方案三：線路1不采用SOP，線路2改造為直流線路，并通過VSC進(jìn)行連接，聯(lián)絡(luò)開關(guān)和VSC同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

(4)方案四：線路1接入兩組SOP，線路2改造為直流線路，并通過VSC進(jìn)行連接，聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP、VSC同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

整個(gè)系統(tǒng)改造前不進(jìn)行優(yōu)化時(shí)一天的網(wǎng)損為1751.74kW·h，4種方案下全天的網(wǎng)損情況見表1，從表1中可以看出，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、SOP和VSC代替聯(lián)絡(luò)開關(guān)以及將交流線路改造為直流線路均能達(dá)到節(jié)能降損的目的。方案四比其他方案降損效果更好，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)重構(gòu)通過改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來降低損耗，降損能力有限，而SOP和VSC可以實(shí)現(xiàn)線路之間傳輸有功功率的精確控制，并提供一定的電壓無功支撐，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

表1 四種方案優(yōu)化結(jié)果比較Tab.1 Comparison of 4 optimizing results

方案四中，通過對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類得到開關(guān)動(dòng)作時(shí)間分別為7∶00和18∶00，每個(gè)時(shí)段的開關(guān)狀態(tài)見表2。SOP和VSC傳輸?shù)挠泄β屎桶l(fā)出的無功功率如圖6所示，其中SOP有功功率和無功功率的正方向均為注入相應(yīng)交流節(jié)點(diǎn)的方向。

圖6中，SOP1-25、SOP1-29分別表示SOP1注入節(jié)點(diǎn)25和節(jié)點(diǎn)29的功率，SOP2-22、SOP2-12分別表示SOP2注入節(jié)點(diǎn)22和節(jié)點(diǎn)12的功率。從圖6中可以看出，18∶00之前，線路1和線路2中負(fù)荷相當(dāng)，但線路1中分布式電源接入量更大，所以VSC的有功功率從線路1流入線路2；隨著線路1負(fù)荷的增大，VSC注入線路2的有功功率逐漸減小。當(dāng)線路1中的負(fù)荷較小時(shí)，SOP傳輸?shù)挠泄β屎桶l(fā)出的無功功率都較??；18∶00之后，隨著線路1負(fù)荷的快速增長(zhǎng)、分布式電源出力的減小，SOP1和SOP2傳輸?shù)挠泄β士焖僭黾?，以滿足線路1中負(fù)載平衡，同時(shí)SOP向系統(tǒng)提供無功功率，改善電壓水平。綜上所述，SOP和VSC的傳輸功率能夠隨著負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，證明了本文方法的有效性。

表2 方案四開關(guān)位置Tab.2 Switch position of schematic 4

圖6 方案四SOP和VSC優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization result of schematic 4 SOP and VSC

5.2短時(shí)優(yōu)化結(jié)果分析

由于分布式電源的出力具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，其日前出力預(yù)測(cè)精度較低，需要根據(jù)超短時(shí)預(yù)測(cè)信息在短時(shí)對(duì)日前調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行修正，從而保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行。依據(jù)日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化模型，本節(jié)算例從12∶00開始，以5min為控制尺度進(jìn)行優(yōu)化控制，經(jīng)過50min的仿真優(yōu)化結(jié)果如圖7、表3所示。

圖7 日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化電壓改善情況Fig.7 Daily voltage improvement of short period

時(shí)刻/min采用日前指令短時(shí)優(yōu)化后12∶000012∶050012∶10013012∶15011012∶20009012∶25013012∶300012∶350012∶40015012∶45007012∶500090

從圖7中可以看出，當(dāng)超短期負(fù)荷和分布式電源出力預(yù)測(cè)與日前預(yù)測(cè)相差較大時(shí)，采用日前長(zhǎng)時(shí)間尺度的優(yōu)化結(jié)果會(huì)造成系統(tǒng)處于電壓越限風(fēng)險(xiǎn)情況，通過本文短時(shí)控制策略對(duì)VSC、SOP短時(shí)間尺度的優(yōu)化控制可以消除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，使得電壓保持平穩(wěn)。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)，沒有SOP、VSC等設(shè)備進(jìn)行電壓控制的情況下，如果日內(nèi)分布式電源出力增大，發(fā)生電壓越上限情況，只能通過棄風(fēng)棄光來控制電壓。在采用棄風(fēng)棄光策略優(yōu)化和本文的日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化這兩種情況下，對(duì)比一天內(nèi)分布式電源最大滲透率和每小時(shí)平均滲透率的結(jié)果，見表4。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)SOP和VSC的控制，能夠提高配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的消納能力。

表4 兩種方案下分布式電源滲透率比較Tab.4 Comparison of DG penetration under two schemes

6 結(jié)論

本文針對(duì)含SOP和VSC的交直流混合中壓配電網(wǎng)，分別建立了日前多設(shè)備協(xié)調(diào)分層優(yōu)化調(diào)度模型和日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化控制模型：其中日前優(yōu)化降低網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；日內(nèi)短時(shí)優(yōu)化消除電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。針對(duì)所提出的模型采用基于蟻群算法和原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法的混合優(yōu)化算法，快速、準(zhǔn)確地對(duì)這一多時(shí)段大規(guī)模混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)開關(guān)與SOP、VSC功率的聯(lián)立優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：本文所提出的多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法能夠有效減小交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，消除網(wǎng)絡(luò)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過對(duì)SOP和VSC的控制能夠增加對(duì)可再生能源的消納能力，滿足了智能配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行、綠色清潔發(fā)展的要求。

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Multi-timescaleoptimalcontrolinhybridAC/DCdistributionnetworksbasedonSOPandVSC

ZHANG Bo, TANG Wei, CONG Peng-wei, ZHANG Xiao-hui, LOU Cheng-wei

(College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Power electronic equipment such as soft open point (SOP) and voltage source converter (VSC) can effectively cope with the randomness and fluctuation of distributed generation (DG) with fast and flexible ability of power regulation. Structure of hybrid AC/DC distribution networks with SOP and VSC is analyzed. A multi-time scale coordinated control method is proposed, which aims at high power losses and out-of-limit voltage caused by integration of large number of DG. Taking switch states and power of VSC and SOP as optimization variables, a hierarchical coordination model with the objective of minimized network loss is established at day-ahead time scales. In the short time scale, voltage deviations are minimized in the risk state by regulating power of SOP and VSC. A hybrid optimization algorithm based on ant colony algorithm and primal-dual interior point method is proposed to solve the problem and realize coordinated optimization of switch states and power of VSC and SOP. The efficiency of the proposed model and method are verified in a case study.

hybrid AC/DC distribution network; soft open point; voltage source converter; multi time scale

2017-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377162)

張 博(1994-)， 女， 甘肅籍， 博士研究生， 研究方向?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行； 唐 巍(1971-)， 女， 黑龍江籍， 教授， 博導(dǎo)， 博士， 研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃與評(píng)估、 主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制， 分布式發(fā)電與微電網(wǎng)等。

10.12067/ATEEE1704053

： 1003-3076(2017)09-0011-09

： TM73