一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法

技术领域

本发明涉及一种有源配电网孤岛运行方法。特别是涉及一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法。

背景技术

智能配电系统自愈控制是智能电网体系的关键环节。有源配电网孤岛运行作为电网故障处理的一种应急运行方式，可明显提升系统供电的可靠性和安全性。配电网直接与用户相连，其孤岛运行的目标是在配电网故障安全隔离后，失电区域中的重要负荷保障优先恢复，并尽可能恢复其他非重要负荷，从而实现恢复供电收益最大。

其中，采用分布式电源(distributed generator，DG)实现配电系统孤岛运行是自愈控制的核心技术。随着配电系统中分布式电源的渗透率越来越高，在配电系统故障情况下，可以形成以可控分布式电源为主电源的电力孤岛，从而恢复部分重要负荷，将极大地提高配电系统的供电可靠性。同时，储能系统(energy storage system，ESS)通过其在时间上对能量的转移，可以有效地降低由于分布式电源出力间歇性和随机性所带来的影响，并参与配电系统潮流调节和优化，提高配电系统运行的经济性和可靠性。在配电系统故障情况下，通过与分布式电源的协调配合，将全面改善配电系统负荷恢复水平。

目前，已有的有源配电网孤岛运行策略并没有考虑储能系统在孤岛划分问题中的影响，从而导致配电系统负荷恢复水平较低。因此，急需一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行策略，用以解决有源配电网孤岛划分问题，全面提高配电系统供电可靠性。其主要特点在于，同时考虑分布式电源出力、储能系统和负荷的时序运行特性，最大限度地保证有源配电网内重要负荷的持续稳定运行。根据配电网发生故障的时刻不同，以及故障持续时间不同，得到不同的孤岛划分策略，以保证系统恢复负荷最大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够综合考虑多种安全运行约束，保证系统恢复负荷量最大的考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能系统接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，系统故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率等初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能系统运行约束、孤岛主电源唯一性约束、系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；

3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能系统的充放电功率值、储能系统的荷电状态；

4)输出步骤3)的求解结果。

步骤2)所述的储能系统运行约束表示为

式中，分别为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率；为节点i上储能的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；为t+Δt时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；Δt为仿真步长；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；分别为节点i上储能系统荷电状态的上下限。

本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，立足于解决有源配电网中的孤岛划分问题，充分考虑分布式电源出力、储能系统和负荷时序性，以及故障发生时刻和故障持续时间对有源配电网孤岛划分问题的影响，建立一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛划分模型，其数学本质是非线性规划问题，采用原对偶内点法进行求解，得到有源配电网孤岛划分策略。本发明能够提高配电系统负荷恢复水平。

附图说明

图1是本发明一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法的流程图；

图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；

图3是在0时系统发生故障，故障时间4小时的孤岛划分结果的示意图；

图4是在8时系统发生故障，故障时间4小时的孤岛划分结果的示意图；

图5是负荷特性曲线；

图6是光伏出力曲线；

图7是0-4时储能系统荷电状态时序图；

图8是8-12时储能系统荷电状态时序图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能系统接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，系统故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率等初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数，建立考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行问题的数学模型，包括：设定一段时间内配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑储能系统运行约束、孤岛主电源唯一性约束、系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束；其中，

(1)所述的配电系统恢复有功负荷最大为目标函数可表示为

式中，N_T为系统孤岛运行的时间；t^F为系统发生故障的时刻；N_N为示系统中的节点数；为t时段节点i上的有功负荷；λ_i为节点i上负荷的恢复系数，λ_i∈{0,1}为0-1变量，λ_i＝1表示节点i上负荷恢复，λ_i＝0表示节点i上负荷未恢复。

(2)所述的储能系统运行约束表示为

式中，分别为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率；为节点i上储能的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；为t+Δt时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；Δt为仿真步长；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；分别为节点i上储能系统荷电状态的上下限。

(3)所述的孤岛主电源唯一性约束表示为

α_ij＝β_ij+β_ji,ij∈Ω_b>

α_ij∈{0,1}>

0≤_ij≤1,0≤β_ji≤1(11)

式中，Ω_b表示所有装有分段开关的支路的集合；N_S表示系统的源节点；α_ij表示支路ij上开关的开断状态，α_ij＝1表示开关闭合，α_ij＝0表示开关断开；β_ij表示节点i和节点j的关系，β_ij＝1表示节点j是节点i的父节点，β_ij＝0表示节点j不是节点i的父节点。通过孤岛主电源唯一性约束可以对可控分布式电源的运行策略进行选择，当节点i上的可控分布式电源满足式时，该分布式电源选取PQ控制方式；当节点i上的可控分布式电源满足式时，该分布式电源选取V/f控制方式。

(4)所述的潮流约束表示为

-Mα_ij≤P_t,ij≤Mα_ij(19)

-Mα_ij≤Q_t,ij≤Mα_ij>

式中，I_ij,为t时段节点i流向节点j的电流幅值；U_i,t为t时段节点i的电压幅值；r_ij为支路ij的电阻，x_ij为支路ij的电抗；P_t,ij、Q_t,ij分别为t时段支路ij上流过的有功功率和无功功率；P_t,i、Q_t,i分别为t时段节点i上注入的有功功率和无功功率之和；分别为t时段节点i上负荷的有功功率和无功功率；分别为t时段节点i上可控与不可控分布式电源注入的有功功率和无功功率；参数M表示一个极大的常量，通常取9999。

(5)所述的运行电压约束表示为

式中，和分别为节点i的电压上下限。

(6)所述的支路电流约束表示为

式中，为支路ij的电流上限。

(7)所述的不可控分布式电源运行约束表示为

式中，为t时段节点i所接不可控分布式电源的有功出力的上限；表示节点i所接不可控分布式电源的容量；为节点i上分布式电源的运行的最大功率因数角。

(8)所述的可控分布式电源运行约束表示为

式中，表示节点i所接可控分布式电源的容量。

3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解，得到目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、分段开关开断状态、储能系统的充放电功率值、储能系统的荷电状态；

4)输出步骤3)的求解结果。

下面给出具体实例：

对于本发明的实例，首先输入IEEE 33节点系统中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，负荷运行曲线，分布式电源参数，储能系统参数，分布式电源运行曲线，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1-4、图5-6；设置支路1-2之间于0和8时分别发生永久性三相故障，故障时间持续4小时；设定系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU，主频为3.20GHz，内存为4GB；软件环境为Windows 7操作系统。

本发明的一种考虑源储荷运行特性的有源配电网孤岛运行方法，采用内点法进行求解，得到孤岛运行策略。考虑了分布式电源出力、储能系统和负荷的时序性，最大限度地保证系统内重要负荷的持续稳定运行。根据配电网发生故障的时刻不同，以及故障持续时间不同，得到不同的孤岛划分策略，以保证系统恢复负荷最大。以系统发生故障时刻分别为0时和8时，系统孤岛运行时间均为4小时，孤岛结果如图3-4所示，其中实心节点表示负荷恢复，空心节点表示负荷未恢复；负荷恢复情况和可控分布式电源运行策略如表5-6所示；储能系统荷电状态如图7-8所示。

表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率

表2 IEEE33节点算例线路参数

表3分布式电源配置情况

表4储能系统配置情况

表5负荷恢复情况

表6可控分布式电源的运行策略