一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法与流程

1.本发明属于配电电压控制技术领域，尤其涉及一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法。


背景技术：

2.在负载需求和环境压力的推动下，可再生能源正在向电力系统渗透，尤其是由光伏电池板产生的直流电。通常，光伏电池板等直流可再生能源通过逆变器连接到传统的交流配电网。近年来，直流配电网迅速发展，可以减少交流-直流之间的能量转换损耗。但是交流配电网因其优势仍是未来配电网的主要类型，直流配电网将成为交流配电网的补充。考虑到交流和直流配电网的优势，有必要开发交流-直流混合配电系统。同时，在交流-直流混合配电系统中，由于可再生能源的不确定性引起的预测误差，可能会导致配电网节点电压的偏移。因此，为了交流-直流混合配电系统的电压稳定性而对可再生能源的输出进行有效的管理是一个迫切的问题。
3.对于交流-直流混合配电系统的电压控制，有很多机电设备需要采用多时间尺度的方法进行调度。然而，现有的研究主要集中在交流配电系统的电压控制上，对于交流-直流混合配电系统的多时间尺度电压控制方法较少。此外，一些开环的多时间尺度调度方法难以纠正由于预测误差引起的调度偏差。因此，需要提出一种闭环的、用于较短时间尺度的模型预测控制方法来管理可再生能源的在较长时间尺度下产生的较大的预测误差，在日前、日内两个时间尺度的框架下进行交流-直流混合配电系统的电压控制。此外，相较单纯的交流配电系统，交流-直流混合配电系统还需要增加考虑电压源换流器的调度。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的是提供一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，该交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法能够实现对交流-直流混合配电网节点电压的优化控制。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，包括以下步骤：
6.步骤1：在日前阶段，在较长时间尺度内，以最小化网络有功损耗与电压偏移的优化目标优化调度机械设备，确定有载调压变压器的抽头位置与电容器组的投切状态，并初步确定光伏并网逆变器的无功出力与配电网络交流-直流部分之间的电压源换流器的有功、无功出力；
7.步骤2：在日内阶段，在较短时间尺度内，采用闭环模型预测控制方法，根据日前阶段的调度结果与当前的光伏出力、负荷功率预测数据，以最小化网络有功损耗、最小化电压偏移与最小化调整代价为优化目标，对光伏并网逆变器与电压源换流器等电气设备的功率输出进行校正，实现对配电网节点电压的优化控制。
8.本发明所述步骤1中，日前时间尺度下的交流-直流混合配电系统的优化控制方法
包括以下具体步骤：
9.s1:获取交流-直流混合配电系统的基本信息，如：
10.a.网络拓扑；
11.b.线路电阻、电抗、电流限值、功率限值；
12.c.电压源换流器的安装位置、容量、效率；
13.d.光伏电池的安装位置、容量、所属子系统(交流或直流)；
14.e.日前阶段、小时级时间尺度下的光伏出力与负荷功率的预测曲线以及预测误差参数；
15.f.节点电压的控制要求；
16.s2:确定日前时间尺度下优化控制问题的目标函数，其为使用权重因子同时考虑最小化电压偏移与最小化系统有功损耗的单一优化目标，表达式如下：
[0017][0018][0019]
上式中，t为日前计划的时段数，t为时段数的索引；g
loss
(t)为系统有功损耗函数，w
α
为其对应的权重系数；g
voltage
(t)为定义的电压偏移函数，w
β
为其对应的权重系数；n
conv
为含有电压源换流器的节点集合；i、j为节点的索引；b
ac
、b
dc
分别为交流线路与直流线路的集合；r
ij
为线路ij的电阻；为电压源换流器的有功损耗；分别为交流线路与直流线路电流模值的平方；n为系统的节点集合；vi(t)为节点电压的模值；分别为期望的节点电压模值的最大值与最小值；在模型求解之前，权重系数w
α
、w
β
需要预先确定；
[0020]
s3:确定日前时间尺度下优化控制问题的约束条件，包含：
[0021]
a.交流配电网的潮流约束；
[0022]
b.直流配电网的潮流约束；
[0023]
c.光伏发电并网逆变器的功率约束；
[0024]
d.电容器组的约束；
[0025]
e.有载调压变压器的约束；
[0026]
f.电压源换流器的约束；
[0027]
s4:s2与s3形成了完整的日前时间尺度下的优化控制问题，求解优化模型，得出日前阶段的电容器组投切计划、有载调压变压器抽头的调整计划、光伏发电并网逆变器的出力计划、电压源换流器交流侧与直流侧的出力计划；
[0028]
s5:将优化所得的计划下发给对应的设备，作为配电网下一日内的初步运行计划。
[0029]
本发明所述步骤2)中，日内时间尺度下交流-直流混合配电系统的闭环模型预测控制方法随着系统的运行在每个时间段都实施，包括以下具体步骤：
[0030]
s1:获取同步骤1)的交流-直流配电网的基本信息，并获取当前时间段(本步骤的时间段是在较长时间尺度的基础上进一步划分所得，视较长时间尺度的一个时间段为一个时间窗口，其被均等划分为n
x
个较短时间尺度的时间段)起始时系统的量测值，包括光伏发
电并网逆变器无功出力、电压源换流器交流侧与直流侧出力；
[0031]
s2:获取对当前时间段光伏出力与负荷功率的短时预测数据以及预测误差参数；
[0032]
s3:确定日内时间尺度下优化控制问题的目标函数，其为使用权重因子同时考虑最小化电压偏移、最小化系统有功损耗、最小化设备功率调整代价的单一优化目标，表达式如下：
[0033][0034]gpen
(t)＝g
pen_inv
(t)+g
pen_con
(t)
[0035][0036][0037]
上式中，n
x
为时间窗口(设置为日前计划的一个时段)包含的时间段数，k为其索引；λ1、λ2均为权重系数，需要预先设定；g
pen
(t)为设备功率调整代价函数；g
pen_inv
(t)为光伏并网逆变器的调整代价；g
pen_con
(t)为电压源换流器的调整代价；分别为电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的当前量测值(亦是日前阶段的计划值)；分别为电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的校正目标值；
[0038]
s4:确定日内时间尺度下优化控制问题的约束条件，包含：
[0039]
a.交流配电网的潮流约束；
[0040]
b.直流配电网的潮流约束；
[0041]
c.光伏发电并网逆变器的功率约束；
[0042]
d.电压源换流器的约束；
[0043]
s5:s3与s4形成了日内时间尺度下的优化控制问题，求解优化模型，得出当前时段电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的校正目标值，同时可以计算出当前时段节点电压模值与系统有功损耗，作为衡量系统电压控制效果的参考；
[0044]
s6:将优化所得的当前时段的功率校正目标值与节点电压模值作为电压源换流器及光伏并网逆变器的输入参考值，通过设备的控制环节实现配电网功率与电压的校正与控制。
[0045]
采用上述技术方案后，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0046]
1、本发明考虑了高渗透率光伏发电下、针对交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制框架，在短时间尺度的日内阶段，根据短时间的可再生能源与负荷预测值，对长时间尺度的日前阶段优化得出的决策变量进行校正，形成了不同时间尺度下决策变量的闭环，实现了对长时间尺度预测误差的反馈。
[0047]
2、本发明考虑了联系交流配电网与直流配电网的电压源换流器的调度，实现了交流-直流混合配电系统背景下各类设备的协调、灵活调度。
[0048]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0049]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
[0050]
图1为本发明的整体框架图；
[0051]
图2为本发明日内阶段实现与日前阶段闭环的模型预测控制方法流程图。
具体实施方式
[0052]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0053]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0054]
实施例一
[0055]
参照图1所示，本发明提供了一种考虑高渗透率光伏发电的交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，所述方法包括以下主要步骤：1)在日前阶段，在小时级时间尺度内，以最小化网络有功损耗与电压偏移的优化目标优化调度机械设备，确定有载调压变压器的抽头位置与电容器组的投切状态，并初步确定光伏并网逆变器的无功出力与配电网络交流-直流部分之间的电压源换流器的有功、无功出力；2)在日内阶段，在15分钟级时间尺度内，采用闭环模型预测控制方法，根据日前阶段的调度结果与当前的光伏出力、负荷功率预测数据，以最小化网络有功损耗、最小化电压偏移与最小化设备出力调整量为优化目标，对光伏并网逆变器与电压源换流器等电气设备的功率输出进行校正，实现对配电网节点电压的优化控制。图1中，δt
long
为日前阶段优化的时间尺度；δt
intra
为日内阶段优化的时间尺度；t1、t2、t3、t4为进行日内阶段优化控制的时间断面，其中，t1同时也是进行日前阶段优化控制的时间断面。
[0056]
参照图2所示，日内时间尺度下交流-直流混合配电系统的闭环模型预测控制方法随着系统的运行在每个时间段都实施，包括以下具体步骤：首先，需要获取交流-直流配电网的基本信息，并获取长时间尺度下当前时段系统的量测值xm(t)，包括光伏发电并网逆变器无功出力、电压源换流器交流侧与直流侧出力，其中，t为长时间尺度下的时段编号；然后，需要获取日内时间尺度下当前时段后一时段的光伏出力与负荷功率预测数据以及预测误差参数；接着,确定日内时间尺度下优化控制问题的目标函数与约束条件，求解优化控制模型，得出日内时间尺度下后一时段电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的校正量δx(k|t)，其中，k表示长时间尺度下一个时段在短时间尺度下再划分的时段编号；之后，即可对日内时间尺度下后一时段使用最终的输出计划x
intra
(t+k|t)＝xm(t)+δx(k|t)；同时，可以计算出当前时段的节点电压模值与系统有功损耗，作为衡量系统电压控制效果的参考。
[0057]
综上所述，本发明考虑了高渗透率光伏发电下、针对交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制框架，在短时间尺度的日内阶段，根据短时间的可再生能源与负荷预测值，对长时间尺度的日前阶段优化得出的决策变量进行校正，形成了不同时间尺度下决策变量的闭环，实现了对长时间尺度预测误差的反馈；此外，本发明还考虑了联系交流配电网
与直流配电网的电压源换流器的调度，实现了交流-直流混合配电系统背景下各类设备的协调、灵活调度。
[0058]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0059]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在日前阶段，在较长时间尺度内，以最小化网络有功损耗与电压偏移的优化目标优化调度机械设备，确定有载调压变压器的抽头位置与电容器组的投切状态，并初步确定光伏并网逆变器的无功出力与配电网络交流-直流部分之间的电压源换流器的有功、无功出力；步骤2：在日内阶段，在较短时间尺度内，采用闭环模型预测控制方法，根据日前阶段的调度结果与当前的光伏出力、负荷功率预测数据，以最小化网络有功损耗、最小化电压偏移与最小化设备出力调整量为优化目标，对光伏并网逆变器与电压源换流器等电气设备的功率输出进行校正，实现对配电网节点电压的优化控制。2.根据权利要求1所述的交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，其特征在于，所述步骤1中有载调压变压器抽头位置与电容器组投切状态的确定，以及光伏并网逆变器的无功出力与配电网络交流-直流部分之间的电压源换流器的有功、无功出力的初步确定，是基于日前阶段、较长时间尺度内的可再生能源与负荷预测数据优化所得，其求解包括以下具体步骤：s1:获取交流-直流混合配电系统的基本信息，包括：网络拓扑、线路电阻、电抗、电流限值、功率限值、电压源换流器的安装位置、容量、效率、光伏电源的安装位置、容量、所属子系统、日前阶段、小时级时间尺度下的光伏出力与负荷功率的预测曲线以及预测误差参数、节点电压的控制要求；s2:确定日前时间尺度下优化控制问题的目标函数，其为使用权重因子同时考虑最小化电压偏移与最小化系统有功损耗的单一优化目标，表达式为：化电压偏移与最小化系统有功损耗的单一优化目标，表达式为：上式中，t为日前计划的时段数，t为时段数的索引；g
loss
(t)为系统有功损耗函数，w
α
为其对应的权重系数；g
voltage
(t)为定义的电压偏移函数，w
β
为其对应的权重系数；n
conv
为含有电压源换流器的节点集合；i、j为节点的索引；b
ac
、b
dc
分别为交流线路与直流线路的集合；r
ij
为线路ij的电阻；为电压源换流器的有功损耗；分别为交流线路与直流线路电流模值的平方；n为系统的节点集合；v
i
(t)为节点电压的模值；分别为期望的节点电压模值的最大值与最小值；在模型求解之前，权重系数w
α
、w
β
需要预先确定；s3:确定日前时间尺度下优化控制问题的约束条件，包括：交流配电网的潮流约束、直流配电网的潮流约束、光伏发电并网逆变器的功率约束、电容器组的约束、有载调压变压器的约束、电压源换流器的约束；s4:s2与s3形成了完整的日前时间尺度下的优化控制问题，求解优化模型，得出日前阶段的电容器组投切计划、有载调压变压器抽头的调整计划、光伏发电并网逆变器的出力计划、电压源换流器交流侧与直流侧的出力计划；
s5:将优化所得的计划下发给对应的设备，作为配电网下一日内的初步运行计划。3.根据权利要求1所述的交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，其特征在于，所述步骤2中对光伏并网逆变器与电压源换流器等电气设备的功率输出进行校正，以及对配电网节点电压的优化控制，是基于日内阶段、较短时间尺度内，预测误差更小的可再生能源与负荷预测数据优化所得；并且，通过将较短时间尺度的优化结果用于校正步骤1中较长时间尺度内确定的决策变量，实现了模型预测控制的闭环；步骤2的求解过程包括以下具体步骤：s1:获取同步骤1的交流-直流配电网的基本信息，并获取当前时间段起始时系统的量测值，包括光伏发电并网逆变器无功出力、电压源换流器交流侧与直流侧出力；s2:获取对当前时间段光伏出力与负荷功率的短时预测数据以及预测误差参数；s3:确定日内时间尺度下优化控制问题的目标函数，其为使用权重因子同时考虑最小化电压偏移、最小化系统有功损耗、最小化设备功率调整代价的单一优化目标，表达式为：g
pen
(t)＝g
pen_inv
(t)+g
pen_con
(t)(t)上式中，n
x
为时间窗口包含的时间段数，k为其索引；λ1、λ2均为权重系数，需要预先设定；g
pen
(t)为设备功率调整代价函数；g
pen_inv
(t)为光伏并网逆变器的调整代价；g
pen_c
on(t)为电压源换流器的调整代价；为电压源换流器的调整代价；分别为电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的当前量测值；值；分别为电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的校正目标值；s4:确定日内时间尺度下优化控制问题的约束条件，包含：交流配电网的潮流约束、直流配电网的潮流约束、光伏发电并网逆变器的功率约束、电压源换流器的约束；s5:s3与s4形成了日内时间尺度下的优化控制问题，求解优化模型，得出当前时段电压源换流器交流侧有功功率、交流侧无功功率、直流侧有功功率以及光伏并网逆变器无功功率的校正目标值，同时可以计算出当前时段节点电压模值与系统有功损耗，作为衡量系统电压控制效果的参考；s6:将优化所得的当前时段的功率校正目标值与节点电压模值作为电压源换流器及光伏并网逆变器的输入参考值，通过设备的控制环节实现配电网功率与电压的校正与控制。

技术总结
本发明公开一种交流-直流混合配电系统的两时间尺度电压控制方法，包括以下步骤：步骤1:在日前阶段，在较长时间尺度内，以最小化网络有功损耗与电压偏移的优化目标优化调度机械设备，确定有载调压变压器的抽头位置与电容器组的投切状态，并初步确定光伏并网逆变器的无功出力与配电网络交流-直流部分之间的电压源换流器的有功、无功出力；步骤2:在日内阶段，在较短时间尺度内，采用闭环模型预测控制方法，根据日前阶段的调度结果与当前的光伏出力、负荷功率预测数据，以最小化网络有功损耗、最小化电压偏移与最小化设备出力调整量为优化目标，对光伏并网逆变器与电压源换流器等电气设备的功率输出进行校正，实现对配电网节点电压的优化控制。电压的优化控制。电压的优化控制。


技术研发人员：潘睿
受保护的技术使用者：南方电网数字平台科技（广东）有限公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/7/22