长、短及多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法

摘要

本发明公开了一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，包括：在长时间尺度下，基于Petri网建立基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，以实现全局电压的有效调控；建立了考虑源、荷、储成本以及网络传输损耗的多目标优化，以实现每个运行模态下源荷储各端可控资源的协同动态控制；在短时间尺度下，建立基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型，同时考虑了电压幅值越限和跃变问题，并在滚动时域内在线求解所述源储荷各端的最优控制序列。本发明在不同时间尺度下协调源网荷储多端可控资源实现有源配电网电压问题的综合治理，调节响应速度快，电压控制效果好。

说明书

技术领域

本发明属于配电网运行控制技术领域，尤其涉及一种长时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，还涉及一种短时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，还涉及一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法。

背景技术

有源配电网（简称配电网）作为能源领域服务国家实现“碳达峰”和“碳中和”目标的主要基础平台，需支持分布式可再生能源规模化并网消纳与柔性负荷“即插即用”式接入退出，这导致系统呈现强不确定性和“双高”特性，使得有源配电网电能质量污染源种类多、密度大、污染扰动耦合紧密，其中，电压问题是有源配电网电能质量问题中最为重要的一类问题。

目前国内外的电压调控技术主要是采用就地分散式的控制方式，源网荷储各端根据各自局部污染状况分别配置治理装置，因其电压调控技术缺乏协同性和全局性，对应的分散式配置治理设备不仅耗费大量的投入成本，同时难以达到预期效果，使得控制目标相互矛盾、相互排斥，最终导致顾此失彼、难以兼顾。为此，亟需探索多端协同的系统性电压调控方法与技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种长、短及多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，解决现有技术方法存在的各端分别治理的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案。

第一方面，本发明提供了一种长时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，包括以下过程：

获取有源配电网馈线的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型；

根据所述的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，在每个运行模态下对考虑源、荷、储成本以及网络传输损耗的多目标进行优化，得到在长时间尺度下源荷储各端的功率优化值。

可选地，所述基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型的构建过程包括：

基于Petri网建立有源配电网馈线的多模态切换控制模型由一个七元组

式（1）中，

离散变迁

如果

如果

式（2）表示当

式（4）中，

式（5）中，

可选地，所述考虑源、荷、储调控成本以及网络传输损耗的多目标，包括：

调控成本目标函数具体表示为：

式（6）中，

式（7）中，

网络传输损耗目标函数具体表示为：

式（8）中，

所述的多目标优化由式（6）和式（8）构成，具体表示为：

式（9）中，

式（10）和式（11）分别代表分布式新能源和储能有功功率上下限约束，

式（12）和式（13）分别表示SVC和分布式新能源的无功功率上下限约束，

式（14）和（15）分别代表分布式新能源和储能有功功率爬坡约束，

式（16）和（17）分别表示分布式新能源和SVC的无功功率爬坡约束，

式（18）和（19）分别表示相邻节点之间的有功功率和无功功率平衡约束，

式（20）为储能的SOC约束，

式（21）为系统有功功率平衡约束。

第二方面，本发明提供了一种短时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，包括以下过程：

获取源储荷储多端协同的功率协调控制模型；

根据所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型，获得基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型；

在滚动时域内求解所述基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型，得到在短时间尺度下源荷储各端的优化功率控制序列。

可选地，所述源储荷储多端协同的功率协调控制模型，包括：

分布式新能源逆变器的有功功率模型通过下式建立：

式（22）中，

同理，分布式新能源逆变器的无功功率模型与式（22）相似的方式得到：

式（23）中，

储能逆变器的有功功率模型通过下式建立：

式（24）中，

SVC逆变器的无功功率模型通过下式建立：

式（25）中，

所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型基于式（22）、（23）、（24）和（25）建立，具体表达如下：

其中，

其中，

对式（26）进行离散化，得到离散时间下逆变器输出有功功率的数学模型：

式（27）中，

可选地，所述基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型，包括：

所述的源储荷多端协同的分布式电压控制通过如下设计的电压安全事件触发：

式（28）中，ETF表示若

基于公式（27），所述的源储荷多端协同的分布式电压控制的控制目标函数设计如下：

式（29）中，

控制目标函数（29）应满足如下约束：

式（30）和（31）分别代表分布式新能源的有功功率调整量和无功功率调整量约束，

式（32）和（33）分别代表储能的有功功率调整量和SVC的无功功率调整量约束，

式（34）表示有源配电网节点电压和节点注入功率的关系，

所述的源储荷多端协同的分布式电压控制基于各节点的目标函数（29）及其约束条件（30）-（34）建立，具体表示如下：

式（35）中，

可选地，所述在滚动时域内求解所述基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型得到源荷储各端的优化功率控制序列，包括：

步骤1：在

步骤2：初始化收敛阈值

步骤3：判断两次迭代过程中的控制变量的2范数

步骤4：求解源储荷多端协同的分布式电压控制目标函数（35），得到优化控制序列

其中，

步骤5：下发位于

第三方面，本发明还提供了一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，包括以下过程：

获取有源配电网馈线的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型；

根据所述的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，在每个运行模态下对考虑源、荷、储成本以及网络传输损耗的多目标进行优化，得到在长时间尺度下源荷储各端的功率优化值。

获取源储荷储多端协同的功率协调控制模型；

根据所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型，获得基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型；

在滚动时域内求解所述基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型，得到在短时间尺度下源荷储各端的优化功率控制序列。

可知，本发明提供了一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，

首先在长时间尺度下，基于Petri网建立有源配电网馈线的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型；

根据所述的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，在每个运行模态下建立考虑源、荷、储调控成本以及网络传输损耗的多目标优化，求解多目标得到源荷储各端的功率最优值；

然后在短时间尺度下，基于源、荷、储的运行特性，建立源储荷储多端协同的功率协调控制模型；根据所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型，建立了基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型；

在滚动时域内求解所述分布式电压控制模型得到源荷储各端的最优功率控制序列。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：在长时间尺度下，通过设计的多模态切换控制进行有源配电网运行模态的切换，并在每个运行模态下通过设计的多目标优化实现全局网损和运行成本最优，在保证有源配电网安全性的同时保障了系统整体的经济性；在短时间尺度下，利用源荷储多端逆变器的协同，实现了完全分布式的协同调压控制，解决了有源配电网中存在的多种电压问题，调节响应速度快，电压控制效果好，在满足即插即用特性的同时也保证了信息的隐私性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法的实施流程图；

图2是本发明实施例提供的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型；

图3是本发明实施例提供的分布式新能源逆变器PQ模式下的工作原理示意图；

图4是本发明实施例提供的分布式新能源逆变器PQ模式下的控制环路等效传递函数；

图5是本发明实施例提供的储能逆变器的工作原理示意图；

图6是本发明实施例提供的储能逆变器的控制环路等效传递函数；

图7是本发明实施例提供的SVC逆变器无功控制模式下的控制环路等效传递函数；

图8是本发明实施例提供的IEEE 33 Bus仿真系统架构图；

图9A是本发明实施例提供的不加控制方法的电压幅值仿真结果；

图9B是本发明实施例提供的不加控制方法的电压幅值增量仿真结果；

图10A是本发明实施例提供的仅采用调压器进行控制的电压幅值仿真结果；

图10B是本发明实施例提供的仅采用调压器进行控制的电压幅值增量仿真结果；

图10C是本发明实施例提供的仅采用调压器进行控制的运行模态仿真结果；

图11A是本发明实施例提供方法的电压幅值仿真结果；

图11B是本发明实施例提供方法的电压幅值增量仿真结果；

图11C是本发明实施例提供方法的运行模态仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种多时间尺度下配电网源网荷储多端协同调压方法，源端指分布式新能源，网端指的是以调压器为代表的协调整个网架基础电压的设备，储端指的是储能，荷端指的是SVC；如图1所示，该优化方法包括以下步骤：

步骤一：在长时间尺度下，基于Petri网建立了有源配电网馈线的多模态切换控制模型，并根据网端调压器的工作特性，设计了基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，以实现全局电压的有效调控。

有源配电网每条馈线上包含源网荷储等设备，网端的调节指的就是调压器的多模态切换。如图2所示，所述的长时间尺度下，基于Petri网建立有源配电网馈线的多模态切换控制模型由一个七元组

式（1）中，

离散变迁

如果

如果

式（2）表示当

式（4）中，

式（5）中，

步骤二：根据所述的基于电压安全事件触发的多模态切换控制模型，在每个运行模态下建立了考虑分布式新能源、储能和静止无功补偿器（SVC）调控成本以及网络传输损耗的多目标优化，得到分布式电源、储能和SVC的有功、无功功率最优值，以实现每个运行模态下全局可控资源（源荷储）的协同动态控制。

所述的每个运行模态下的多目标优化包括分布式新能源、储能和SVC调控成本目标函数以及网络传输损耗目标函数，所述的调控成本目标函数具体可表示为：

式（6）中，

式（7）中，

网络传输损耗目标函数具体表示为：

式（8）中，

所述的多目标优化由式（6）和式（8）构成，具体表示为：

式（9）中，

式（10）和式（11）分别代表分布式新能源和储能有功功率上下限约束，

式（12）和式（13）分别表示SVC和分布式新能源的无功功率上下限约束，

式（14）和（15）分别代表分布式新能源和储能有功功率爬坡约束，

式（16）和（17）分别表示分布式新能源和SVC的无功功率爬坡约束，

式（18）和（19）分别表示相邻节点之间的有功功率和无功功率平衡约束，

式（20）为储能的SOC约束，

式（21）为系统有功功率平衡约束。

步骤三：在短时间尺度下，基于源、荷、储（即分布式新能源、SVC和储能）的运行特性，建立了其逆变器输出功率模型，从而得到源储荷储多端协同的功率协调控制模型。

如图3和图4所示，在短时间尺度下，所述的分布式新能源逆变器的有功功率模型通过下式建立：

式（22）中，

类似地，所述的分布式新能源逆变器的无功功率模型与式（22）相似的方式得到：

式（23）中，

如图5和图6所示，在短时间尺度下，所述的储能逆变器的有功功率模型通过下式建立：

式（24）中，

如图7所示，在短时间尺度下，所述的SVC逆变器的无功功率模型通过下式建立：

式（25）中，

进一步地，所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型基于式（22）、（23）、（24）和（25）建立，具体表达如下：

其中，

其中，

对式（26）进行离散化，得到离散时间下逆变器输出有功功率的数学模型：

式（27）中，

步骤四：根据所述的源储荷多端协同的功率协调控制模型，建立了基于电压安全事件触发的源储荷多端协同的分布式电压控制模型；

所述的源储荷多端协同的分布式电压控制通过如下设计的电压安全事件触发：

式（28）中，ETF表示若

进一步地，基于公式（27），所述的源储荷多端协同的分布式电压控制的控制目标函数设计如下：

式（29）中，

式（29）中，控制变量为u

进一步地，控制目标函数（29）应满足如下约束：

式（30）和（31）分别代表分布式新能源的有功功率调整量和无功功率调整量约束，

式（32）和（33）分别代表储能的有功功率调整量和SVC的无功功率调整量约束，

式（34）表示有源配电网节点电压和节点注入功率的关系，

进一步地，所述的源储荷多端协同的分布式电压控制基于各节点的目标函数（29）及其约束条件（30）-（34）建立，具体表示如下：

式（35）中，

步骤五：所述的源储荷多端协同的分布式电压控制同时考虑了电压幅值越限和跃变问题，并在滚动时域内在线求解所述源储荷各端的最优控制序列，依据最优控制序列下发其功率执行量。

所述源储荷各端的最优控制序列通过如下步骤的在线求解得到：

步骤1：在

步骤2：初始化收敛阈值

步骤3：判断两次迭代过程中的控制变量的2范数

步骤4：求解源储荷多端协同的分布式电压控制目标函数（35），得到优化控制序列

其中，

步骤5：下发位于

应当说明的是，本发明提出的长时间尺度下的控制方法与短时间尺度下的控制方法可单独或一起使用。当长时间尺度与短时间尺度共同调节时，电压调节能力更强。

本发明基于如图8所示的IEEE 33 Bus仿真系统进行了相应的仿真实验，其中，调压器位于Bus 1，风机位于Bus 10，光伏位于Bus 18和Bus 33，储能位于Bus 22，SVC位于Bus25，系统的额定电压为10kV，电压幅值的安全范围为

表1 运行模态

如图9A和图9B所示，为不加任何控制方法的Bus电压幅值和电压幅值增量变化的仿真结果，可以得知，存在Bus电压幅值越限和电压跃变的情况（如图9A和图9B中选中区域所示）。

如图10A-图10C所示，为仅利用调压器进行电压调节的仿真结果，可以得知，相较于图9A和图9B中的仿真结果，电压幅值越限和电压跃变的情况均有所改善，但在图10A和图10B中的选中区域仍存在越限现象；基于电压安全事件触发的模态切换如图10C所示，可以得知，本发明所设计的电压安全事件触发机制能够精准地触发系统模态的切换。

如图11A、图11B、图11C所示，为本发明提供方法的仿真结果，可以得知该方法可以有效地解决电压幅值越限和电压跃变的问题，在整个仿真周期内能够很好地平滑Bus电压，从而保证系统运行的安全性和经济性，如图11C所示，所设计的电压安全事件触发机制的切换结果与图10C中的结果一致，能够精准地触发系统模态的切换。

因此，本发明提供的方法能够在保证有源配电网安全性的同时保障了系统整体的经济性解决了有源配电网中存在的多种电压问题，调节响应速度快，电压控制效果好，具有一定的工程实际意义。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。