一种基于模型预测控制的配电网有功无功协调调控方法与流程

本发明属于配电网运行优化领域，涉及一种基于模型预测控制的配电网有功无功协调调控方法。

背景技术：

随着大量分布式电源、柔性负荷、储能装置、无功补偿装置等设备接入配电网，传统配电网正在逐步演变为具有众多可调可控资源的主动配电网。分布式电源，尤其是可再生能源，其发电出力具有随机性，间歇性和波动性，且其预测精度较低，预测误差随时间增大而增大，给电网的调控带来极大挑战。主动配电网迫切需要寻求能更好应对可再生能源出力不确定性的调控方法，而模型预测控制(model predictive control，MPC)是解决这一问题的有效途径。

现有的研究虽然通过模型预测控制有效提升了配电网在应对可再生能源不确定性方面的能力，但皆只考虑了主动配电网的有功调度。配电网中有功功率和无功功率耦合性较强，基于传统有功无功解耦理论来分别对配电网进行有功优化和无功优化分析，是不够完整和全面的。从配电网运行经济性考虑，调节无功能降低网络损耗，间接提高经济效益；从配电网运行安全性考虑，通过调整配电网中的有功资源，也可起到调整系统电压，保证系统安全运行的作用。因此，无论从主动配电网运行的安全性还是经济性角度考虑，都有必要研究主动配电网的有功无功协调调度，在保证安全稳定的情况下实现主动配电网运行效益的最大化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有基于模型预测控制的主动配电网优化调度方法均只针对有功调度，并未考虑配电网中无功功率变化的影响，对于有功无功耦合性较强的配电网来说，不够完整和全面。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模型预测控制的配电网有功无功协调调控方法，包括以下步骤：

步骤10)，日前阶段，建立配电网日前优化调控模型，该模型以配电网运行成本最小为优化目标，以潮流约束、配电网运行安全约束、分布式电源有功无功协调出力约束、柔性负荷约束以及无功补偿设备约束为约束条件；

步骤20)，对配电网日前优化调度模型进行求解，得到日前配电网有功无功调控计划，并将该计划提前下达；

步骤30)，日内阶段，每隔固定时间间隔，利用步骤20)求解得到的日前配电网有功无功调控计划，基于当前时刻配电网运行状态量测值，考虑当前和未来的运行约束条件，建立日内滚动校正阶段有限时段的预测模型和有功无功协调优化调控模型，对日前预测误差造成的日内实际计划偏离现象进行修正，求解未来有限时段的日内有功无功控制指令序列；

步骤40)，执行第一个时刻的日内有功无功控制指令，时间窗口后移一个时间间隔，重复日内滚动校正优化过程。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，配电网日前优化调控阶段模型为：

minF^DA(U^DA)

s.t.G^DA(U^DA)≤0

式中，F^DA为日前阶段模型的配电网运行成本最小目标函数，G^DA为模型中的约束条件，包括潮流约束、配电网运行安全约束、分布式电源有功无功协调出力约束、柔性负荷约束以及无功补偿设备约束，U^DA为日前阶段模型中的控制变量，为日前t时刻主网联络线交换功率，和为日前t时刻节点i处可再生能源有功功率和可控分布式电源有功功率，为t时刻在节点i处负荷的受控有功功率；和分别为日前t时刻节点i处储能装置的充电功率和放电功率，以及分别为日前t时刻节点i处静止无功补偿装置SVC的无功功率、储能无功出力、补偿电容器无功功率、可再生能源无功出力以及可控分布式电源无功功率，为日前t时刻支路ij处有载调压器OLTC的可调变比。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，配电网运行成本最小的目标函数为：

式中，ΔT为日前优化调控阶段的单位时间间隔，ρ_G,t为t时刻区域配电网与主网联络线交换功率的单位成本，ρ_RE,i、ρ_CDG,i以及ρ_ESS,i分别为节点i处可再生能源、可控分布式电源以及储能的单位有功功率上网电价，为日前t时刻节点i处负荷的受控状态，1表示受控，0表示不受控，为节点i处负荷的补偿费用，ρ_T为OLTC的单位档位调节成本，ΔU_T为OLTC档位的全天总调节量，ρ_C为补偿电容器的单位档位调节成本，ΔU_C为补偿电容器档位的全天总调节量。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，潮流约束为：

式中，和分别为日前t时刻支路ij的首端有功功率和无功功率，和分别为日前t时刻节点j的有功功率和无功功率净注入值，和分别为日前t时刻节点j的负荷有功功率和负荷无功功率，为日前t时刻节点j处电压幅值，r_ij和x_ij分别为线路ij的电阻和电抗，为日前t时刻支路ij上的电流；

配电网运行安全约束为：

式中，和分别为节点i电压幅值上下限，为支路ij电流幅值上限。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，分布式电源有功无功协调出力约束包括储能有功无功出力约束、可再生能源有功无功出力约束以及可控分布式电源有功无功出力约束；其中，

储能有功无功出力约束为：

式中，为节点i处储能逆变器能提供的最大视在功率；

储能有功充放电和存储电量需遵从如下约束：

式中，和分别为t时刻节点i上储能的充放电功率上限，和分别为t时刻节点i上储能的充放电状态，为0-1变量，为t时段节点i处储能的总能量，η_ch、η_dis分别为储能的充放电效率，为储能容量限值；

可再生能源有功无功出力约束包括光伏有功无功出力约束和风电有功无功出力约束；其中，光伏有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处光伏的有功出力和无功出力，为节点i处光伏逆变器最大视在功率；

风电有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处风电的有功出力和无功出力，为双馈感应风电机组的定子绕组最大电流，s为双馈感应风电机组的转差率，X_s,i和X_m,i分别为节点i处双馈感应风电机组的定子电抗和励磁电抗，为双馈感应风电机组的转子侧变换器最大电流；

可控分布式电源有功无功出力约束为微型燃气轮机有功无功出力约束；微型燃气轮机有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处微型燃气轮机的有功出力和无功出力，S_MT,i为节点i处微型燃气轮机的装机容量；

对于有功出力，微型燃气轮机存在爬坡速率约束为：

式中：和分别为节点i处微型燃气轮机的向上爬坡速率限制和向下爬坡速率限制。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，柔性负荷约束为可中断负荷的运行约束，则柔性负荷运行约束为：

式中，为节点j处可中断负荷的上限值，S_CL,i为节点i处可中断负荷允许中断时段。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤10)中，无功补偿设备约束包括OLTC运行约束、SVC运行约束以及补偿电容器运行约束；其中，OLTC运行约束为：

式中，和Δk_ij分别为支路ij中OLTC的标准变比和调节步长，和分别为支路ij中OLTC的t时刻档位及其可调下限和上限；

SVC运行约束为：

式中，和分别为SVC可调功率的上限值和下限值；

补偿电容器运行约束为：

式中，和ΔQ_C,i分别为节点i上连接补偿电容器的最小出力和可调容量步长，以及分别为节点i处连接的补偿电容器的t时刻档位及其可调上下限。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤30)中，日内滚动校正阶段有限时段的预测模型为：

u＝[P_G,P_RE,i,Q_RE,i,P_CDG,i,Q_CDG,i,P_ch,i,P_dis,i,Q_ESS,i,Q_SVC,i]

式中，t₀时刻为当前时刻，Δt为日内滚动校正阶段的单位时间间隔，M为日内滚动校正阶段模型求解的总时段，u表示反馈校正阶段主动配电网内的可控手段，包括主网联络线交换功率P_G、可再生能源有功出力P_RE,i、可再生能源无功出力Q_RE,i、可控分布式电源有功出力P_CDG,i、可控分布式电源无功出力Q_CDG,i、储能有功出力P_ch,i和P_dsi,i、储能无功出力Q_ESS,i以及SVC无功出力Q_SVC,I，为t₀时刻预测得到的t₀+kΔt时刻各可控手段的出力值，为t₀时刻各可控手段的实际量测反馈值，为t₀时刻预测得到各可控手段的增量，为优化模型求解变量。

作为本发明的进一步向限定方案，步骤30)中，日内滚动校正阶段有限时段的有功无功协调优化调控模型为：

minF^DR(U^DR)

式中，U^DR为t₀～t₀+MΔt时段内各可控手段出力值的集合，F^DR为日内滚动校正阶段模型的目标函数，G^DR为日内滚动校正阶段模型的约束条件；

日内滚动校正阶段有限时段有功无功协调优化模型的目标函数为：

minF^DR＝||(U^DR-U^DA)·U^max||¹

式中，U^DA为日前t₀～t₀+MΔt时段内各可控手段出力值的集合，U^max为各可控手段出力的最大值的倒数，日内滚动校正阶段有限时段有功无功协调优化模型的约束条件除了不包含柔性负荷运行约束、OLTC运行约束以及补偿电容器运行约束外，其他约束条件与日前阶段约束条件相同。

本发明的有益效果在于：本发明针对主动配电网内分布式电源、柔性负荷、无功调节设备等多种可调资源在时间尺度、控制功能等方面的调节特性，分析其有功无功出力的协调机理，结合配电网在运行经济性、安全性等方面的要求，并考虑大规模可再生能源出力波动性所引起的预测误差，提出了基于模型预测控制的配电网多时间尺度有功无功协调调度方法，统筹协调配电网内多种有功无功可调资源，在保证系统运行安全性的前提下进一步降低系统运行成本，减少系统网络损耗，更全面地实现主动配电网运行效益的最大化。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行深入地详细说明。

如图1所示，本发明公开的一种基于模型预测控制的配电网有功无功协调调控的方法，其方法步骤为：

1)首先建立配电网日前优化调控模型，该模型以配电网运行成本最小为优化目标，以潮流约束、配电网运行安全约束、分布式电源有功无功协调出力约束、柔性负荷约束以及无功补偿设备约束为约束条件；

日前调控计划根据日前负荷、可再生能源的预测信息，考虑主动配电网运行经济性和安全性，进行有功无功协调优化调控，日前优化调控阶段的单位时间间隔为ΔT，优化控制变量包括：分布式电源有功无功出力、配电网与主网联络线交换有功功率、柔性负荷调节量、补偿电容器无功出力、SVC出力以及OLTC变比，日前优化阶段以配电网运行成本最小为优化目标，制定下一日的基本调控计划，并将该计划提前下达；

日前优化调控阶段模型可总体概括如下：

minF^DA(U^DA)

s.t.G^DA(U^DA)≤0

式中，F^DA为日前阶段模型的配电网运行成本最小目标函数，G^DA为模型中的约束条件，包括潮流约束、配电网运行安全约束、分布式电源有功无功协调出力约束、柔性负荷约束以及无功补偿设备约束，U^DA为日前阶段模型中的控制变量，为日前t时刻主网联络线交换功率，和为日前t时刻节点i处可再生能源有功功率和可控分布式电源有功功率，为t时刻在节点i处负荷的受控有功功率；和分别为日前t时刻节点i处储能装置的充电功率和放电功率，以及分别为日前t时刻节点i处静止无功补偿装置SVC(静态无功补偿器)的无功功率、储能无功出力(输出无功为正)、补偿电容器无功功率、可再生能源无功出力(输出为正)以及可控分布式电源无功功率，为日前t时刻支路ij处有载调压器OLTC的可调变比；

配电网运行成本最小的目标函数F^DA如下所示：

式中，ΔT为日前优化调控阶段的单位时间间隔，ρ^G,t为t时刻区域配电网与主网联络线交换功率的单位成本，ρ^RE,i、ρ^CDG,i以及ρ^ESS,i分别为节点i处可再生能源、可控分布式电源以及储能的单位有功功率上网电价，为日前t时刻节点i处负荷的受控状态，1表示受控，0表示不受控，为节点i处负荷的补偿费用，ρ_T为OLTC的单位档位调节成本，ΔU_T为OLTC档位的全天总调节量，ρ_C为补偿电容器的单位档位调节成本，ΔU_C为补偿电容器档位的全天总调节量；

配电网日前优化调控模型的约束条件G^DA包括潮流约束、配电网运行安全约束、分布式电源有功无功协调出力约束、柔性负荷约束以及无功补偿设备约束。

潮流约束为：

式中，和分别为日前t时刻支路ij的首端有功功率和无功功率，和分别为日前t时刻节点j的有功功率和无功功率净注入值，和分别为日前t时刻节点j的负荷有功功率和负荷无功功率，为日前t时刻节点j处电压幅值，r_ij和x_ij分别为线路ij的电阻和电抗，为日前t时刻支路ij上的电流；

配电网运行安全约束为：

式中，和分别为节点i电压幅值上下限，为支路ij电流幅值上限；

分布式电源有功无功协调出力约束包括储能有功无功出力约束、可再生能源有功无功出力约束以及可控分布式电源有功无功出力约束；其中，

储能有功无功出力约束为：

式中，为节点i处储能逆变器能提供的最大视在功率；

储能有功充放电和存储电量需遵从如下约束：

式中，和分别为t时刻节点i上储能的充放电功率上限，和分别为t时刻节点i上储能的充放电状态，为0-1变量，为t时段节点i处储能的总能量，η_ch、η_dis分别为储能的充放电效率，为储能容量限值；

可再生能源有功无功出力约束包括光伏有功无功出力约束和风电有功无功出力约束；其中，光伏有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处光伏的有功出力和无功出力，为节点i处光伏逆变器最大视在功率；

风电有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处风电的有功出力和无功出力，为双馈感应风电机组的定子绕组最大电流，s为双馈感应风电机组的转差率，X_s,i和X_m,i分别为节点i处双馈感应风电机组的定子电抗和励磁电抗，为双馈感应风电机组的转子侧变换器最大电流；

可控分布式电源有功无功出力约束为微型燃气轮机有功无功出力约束；微型燃气轮机有功无功出力约束为：

式中，和分别为日前t时刻节点i处微型燃气轮机的有功出力和无功出力，S_MT,i为节点i处微型燃气轮机的装机容量；

对于有功出力，微型燃气轮机存在爬坡速率约束为：

式中：和分别为节点i处微型燃气轮机的向上爬坡速率限制和向下爬坡速率限制；

柔性负荷约束主要考虑可中断负荷的运行约束，柔性负荷运行约束为：

式中，为节点j处可中断负荷的上限值，S_CL,i为节点i处可中断负荷允许中断时段；

无功补偿设备约束主要包括OLTC运行约束，SVC运行约束以及补偿电容器运行约束；其中，OLTC运行约束为：

式中，和Δk_ij分别为支路ij中OLTC的标准变比和调节步长，和分别为支路ij中OLTC的t时刻档位及其可调下限和上限；

SVC运行约束为：

式中，和分别为SVC可调功率的上限值和下限值；

补偿电容器运行约束为：

式中，和ΔQ_C,i分别为节点i上连接补偿电容器的最小出力和可调容量步长，以及分别为节点i处连接的补偿电容器的t时刻档位及其可调上下限；

2)利用成熟商业软件对日前优化调控模型进行求解，制定日前配电网有功无功调控计划，并将该计划提前下达，其中，OLTC、补偿电容器、可中断负荷等慢动态设备由于调节速度受限，在日前调控阶段确定出力计划后，在日内阶段不作改变；

3)利用步骤2)得到的调控计划，考虑当前和未来的运行约束条件，建立日内滚动校正阶段的预测模型和优化调控模型，对日前预测误差造成的日内实际计划偏离现象进行修正；

为消除日前预测误差造成的日内实际计划偏离现象，日内以Δt(Δt<ΔT)为周期进行滚动修正，在每个周期内，考虑当前时刻及其未来一段MΔt时间内负荷以及可再生能源的预测信息为输入变量，以当前时刻配电网内各可控手段出力的实际量测值作为初始值，以未来有限时域MΔt内各可控手段出力的增量为控制变量，基于一定的预测模型，预测配电网未来MΔt时间的状态，同时考虑当前和未来的运行约束条件，建立日内滚动校正阶段有限时段有功无功协调优化模型，优化求解未来MΔt时段的控制指令序列，

日内滚动校正阶段有限时段的预测模型为：

u＝[P_G,P_RE,i,Q_RE,i,P_CDG,i,Q_CDG,i,P_ch,i,P_dis,i,Q_ESS,i,Q_SVC,i]

式中，t₀时刻为当前时刻，Δt为日内滚动校正阶段的单位时间间隔，M为日内滚动校正阶段模型求解的总时段，u表示反馈校正阶段主动配电网内的可控手段，包括主网联络线交换功率P_G、可再生能源有功出力P_RE,i、可再生能源无功出力Q_RE,i、可控分布式电源有功出力P_CDG,i、可控分布式电源无功出力Q_CDG,i、储能有功出力P_ch,i和P_dsi,i、储能无功出力Q_ESS,i以及SVC无功出力Q_SVC,I，为t₀时刻预测得到的t₀+kΔt时刻各可控手段的出力值，为t₀时刻各可控手段的实际量测反馈值，为t₀时刻预测得到各可控手段的增量，为优化模型求解变量；

日内滚动校正阶段有限时段的有功无功协调优化调控模型为：

minF^DR(U^DR)

式中：U^DR为t₀～t₀+MΔt时段内各可控手段出力值的集合，F^DR为日内滚动校正阶段模型的目标函数，G^DR为日内滚动校正阶段模型的约束条件。

日内滚动校正阶段有限时段的优化模型的目标函数如下所示：

minF^DR＝||(U^DR-U^DA)·U^max||¹

式中：U^DA为日前t₀～t₀+MΔt时段内各可控手段出力值的集合，U^max为各可控手段出力的最大值的倒数，日内滚动校正阶段有限时段有功无功协调优化模型的约束条件G^DR与日前优化调控阶段的约束条件G^DA相似，不同的地方在于：由于可中断负荷、OLTC以及补偿电容器等满动态设备的调控计划已在日前确定，在日内阶段不作改变，因此日内滚动校正阶段的约束条件不包括柔性负荷运行约束，OLTC运行约束以及补偿电容器运行约束。

4)根据日内滚动校正阶段有功无功优化调控模型求解得到未来有限时段的日内有功无功控制指令序列，执行第一个时刻的日内有功无功控制指令，时间窗口后移一个时间间隔，重复日内滚动校正优化过程。