配电网多时间尺度有功无功协调电压控制方法

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在“碳达峰,碳中和”战略目标的指引下,我国正在加速构建以新能源为主体的新型电力系统。随着可再生能源发电技术的快速进步以及大规模推广应用,光伏(Photovoltaic,PV)、风电等分布式电源(Distributed Generation,DG)在配电网中的装机容量正持续增加。然而,DG和负荷的功率波动会导致配电网节点电压频繁波动,甚至使配电网节点电压超出安全运行范围,这样既会严重影响配电网的电能质量和供电可靠性,又不利于可再生能源的消纳。因此,研究含高渗透率DG配电网的电压控制方法具有重要的理论价值和实际意义。针对含高渗透率DG配电网的多时间尺度有功无功协调电压控制问题,本文具体的研究内容如下:(1)首先建立了配电网的馈线电压分布模型,对DG和负荷功率波动对配电网节点电压的影响进行了理论分析,讨论了配电网有功无功功率协调优化对降低配电网节点电压波动性的重要性。然后,给出了基于二阶锥规划理论的配电网电压控制模型求解方法,该方法通过对配电网电压控制基础模型进行线性化和锥松弛处理,能够将其转换为二阶锥规划模型进行快速求解,并通过仿真验证了该方法在求解配电网电压控制基础模型时的有效性和正确性,为后续的研究奠定了理论基础。(2)针对智能软开关(Soft Open Point,SOP)参与配电网电压控制时,采用定参数电压-无功下垂控制存在SOP无功可用容量利用率较低、调节能力受限等问题以及SOP两端有功功率无法解耦控制的问题,提出了一种计及SOP电压-无功下垂参数动态优化的配电网电压控制方法,该方法包含长时间尺度、短时间尺度和实时控制三个阶段。在长时间尺度优化阶段,以最小化有载调压变压器(On-load Tap Changer,OLTC)和电容器组的动作次数以及配电网的节点电压偏差为目标,建立了基于滚动优化的OLTC和电容器组的协调优化模型;在短时间尺度优化阶段,以降低配电网的运行损耗和节点电压偏差为优化目标,提出了多个SOP的有功无功协调优化策略以及各个SOP的电压-无功下垂曲线参数动态优化策略,并采用二阶锥规划方法对上述模型进行求解;在实时控制阶段,给出了一种基于电压-无功下垂控制的SOP两侧无功功率的实时调节策略。仿真结果表明:所提方法不仅能有效解决配电网的节点电压越限问题,还能显著降低配电网的运行损耗以及OLTC和电容器组的动作次数。(3)针对OLTC、电容器组等传统电压调节设备和DG、SOP、电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)等具有快速功率调节能力的设备共同参与配电网电压控制时,如果不同电压调节设备间的运行协调性不足可能会导致配电网的运行损耗高、DG的有功功率削减率高等问题,提出了一种配电网集中-分布式有功无功协调电压控制方法。在集中优化阶段,兼顾最小化配电网的节点电压偏差和运行损耗、OLTC和电容器组的动作次数以及DG的发电量损失,建立了OLTC、电容器组、SOP和DG的多目标协调优化模型,并提出了一种从帕累托最优解集中快速选取最可行解的决策策略。在分布式优化阶段,建立了基于“领导者-追随者”一致性算法的DG和BESS的有功无功协调控制模型,并给出了一种BESS的荷电状态(State of Charge,SOC)自适应调节方法。仿真结果表明:所提方法能够兼顾多个优化目标,根据所有馈线的电压分布情况合理调节OLTC、电容器组、SOP、BESS和DG的运行状态,最终实现配电网节点电压的实时控制。(4)针对利用含储能的智能软开关(Energy Storage Integrated Soft Open Point,E-SOP)参与配电网电压控制时,多个E-SOP间以及各个E-SOP内部SOP和BESS的有功无功协调优化问题、各个E-SOP内BESS的SOC控制问题,提出了一种基于区间优化的配电网两阶段电压协调控制方法。在日前优化阶段,充分考虑了DG和负荷功率的不确定性,以最小化配电网的综合运行成本、节点电压偏差和馈线负载均衡指标为目标,建立了计及SOC日前主动规划的OLTC、电容器组和E-SOP的区间优化模型,该混合整数非线性规划模型可对OLTC的分接头位置、电容器组的投切组数、各个E-SOP的有功和无功功率以及其内部BESS的SOC波动范围进行协调优化,并采用二阶锥规划与列和约束生成算法进行求解;在日内优化阶段,建立了基于滚动优化的E-SOP两端有功和无功功率以及BESS充放电功率的协调优化模型,旨在降低配电网的综合运行成本。仿真结果表明:所提方法能够有效应对DG和负荷功率的不确定性,既能将配电网的节点电压始终控制在理想电压范围内,又能合理规划各个E-SOP中BESS的SOC允许波动范围。
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