一种计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法与流程

本发明属于电力系统运行与调度
技术领域：
，尤其涉及一种计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法。
背景技术：
：当前我国的能源分布极不均匀，大型能源基地主要分布在偏远的西北地区，当地电网负荷水平低，电力富余较多；东部地区虽然经济发达，负荷水平高，能源供用却相对不足。因此推动大型能源基地开发和电网跨区直流互联，实现清洁能源大范围、高效率优化配置，是电网发展的重要方向。传统的直流日前计划大多根据受端的电网负荷峰谷变化编制，运行方式多采用两段式的定功率运行，既缺乏应对送端电网风电出力波动的能力，又难与受端电网的功率协调，加之无法避免高压直流无功设备的频繁调节。因此如何建立合理有效的直流联络线功率优化模型，充分发挥直流输电的灵活调节能力是当前调度计划亟需解决的问题。针对上述问题，文献1《以直流联络线运行方式优化提升新能源消纳能力的新模式》将直流联络线功率分为n挡，借鉴机组组合的思想模拟直流联络线的阶梯化运行特性，但其离散控制直流传输功率，难以充分发挥直流系统的调节能力。文献2《促进跨区新能源消纳的直流联络线功率优化模型及分析》将直流联络线的各个阶梯化功率视为直流联络线的一个可行状态，建立直流联络线功率阶梯化运行模型，但也为功率点的离散控制。文献3《直流跨区互联电网发输电计划模型与方法》提出了直流联络线功率的多单元协调建模方法，将直流联络线功率分为多个输电单元功率之和，精细化地考虑直流运行特性约束。由于直流联络线灵活的有功调节会带来直流无功调节设备的频繁动作，影响设备的使用寿命，上述方法虽然考虑直流联络线的灵活运行特性，并在直流联络线功率优化模型方面不断精进，但均未考虑直流联络线两侧的无功设备特性。因此，有必要根据直流无功调节特性，规定直流功率的可行区间与不可行区间，制定一种计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法，充分挖掘直流联络线的灵活调节能力与直流无功调节特性之间的协调优化效益。技术实现要素：针对上述问题，本发明提出了一种计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据传统直流输电的无功调节特性，划分直流联络线传输功率的可行区间与不可行区间，并依据划分的可行区间建立直流联络线功率模型；步骤2：依据步骤1确定的可行区间和不可行区间，建立无功设备调节成本模型；步骤3：利用负荷与风电短期预测数据，考虑直流运行约束条件和交流系统安全运行约束条件，以电网总发电成本最小为目标函数，建立计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化模型；所述电网总发电成本包括送受端电网火电机组的发电成本、弃风惩罚成本以及无功设备调节成本；步骤4：采用gams求解模型，得到直流联络线的优化结果和送端电网火电机组出力计划。所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1-1：根据直流无功调节特性以及无功设备动作特性，确定直流联络线两侧无功设备动作所对应的直流有功变化大小；步骤1-2：根据无功设备动作时对应的直流功率运行点，确定直流联络线传输功率的可行区间与不可行区间；可行区间：式中，n为直流联络线传输功率的可行区间序号；n为直流联络线功率总的可行区间数；分别为第n个可行区间的上限值和下限值；id,n,t为0-1离散变量，表示t时段直流联络线功率是否处于可行区间n中；不可行区间：式中，yn为不可行区间n；为第n个可行区间的上限值，为第n+1个可行区间的下限值；步骤1-3：建立直流联络线功率模型，以确保直流联络线功率在同一时段有且仅运行在一个可行区间中，即满足所述直流联络线功率模型为：式中，pd,t为t时段直流联络线功率；pd,n,t为t时段的第n可行区间直流联络线功率。所述步骤2建立无功设备调节成本模型的具体方法为：步骤2-1：确定各时段直流联络线功率所在的可行区间序号，其计算公式为：步骤2-2：根据相邻时段的功率可行区间序号差值确定在该时段的直流无功设备动作次数，其计算公式为：式中，为t-1时段到t时段的无功设备动作次数；为t时段的直流联络线功率所在的可行区间序号，为t-1时段的直流联络线功率所在的可行区间序号；步骤2-3：计算无功设备调节成本，其计算公式为：式中，k为综合交流滤波器和换流变调整的成本因子，为t时段的无功设备调节成本；步骤2-4：将无功设备调节成本线性化：式中，为线性化引入的两个非负变量；经线性化后，得到无功设备调节成本模型为：式中，λt为线性化后的t时段无功设备调节成本。所述步骤3建立的计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化模型为：目标函数：式中，f为直流跨区互联电网的全天运行的总成本；为火电机组i在t时段的四分段线性化发电成本；kw为弃风惩罚因子，为风电的弃风量；约束条件：a)直流运行约束条件：ⅰ)直流联络线出力约束式中，pd,t为直流联络线d在t时段的运行功率；分别为直流联络线t时段的出力上限和下限；ⅱ)直流相邻时段出力调整方向约束式中，均为0-1离散变量，分别表示直流联络线在t时段内是否爬坡以及是否滑坡；若是，则取值为1，否则取值为0；ⅲ)直流出力调整速率约束式中，δdc为直流联络线的最小调整幅值，为直流联络线的最大调整幅值；ⅳ)直流出力调整连续性约束ⅴ)直流调整间隔约束式中，均为0-1离散变量，分别表示直流联络线的出力在t时刻开始调整和结束调整；ⅵ)直流出力调整次数约束式中，nmax为直流联络功率日调节的最大次数；ⅶ)直流日交易量约束式中，e为直流联络线日计划交易电量，ρ为允许的传输偏差比例；b)交流系统安全运行约束条件ⅰ)火电机组出力约束式中，pigmax、pigmin分别为火电机组i的出力上限和下限，为火电机组i在t时段的出力；ⅱ)火电机组爬坡约束式中，rui、rdi分别为机组i的爬坡、滑坡速率；ⅲ)功率平衡约束式中，分别为送端电网a的火电机组和风电场的集合；为送端电网a的负荷节点的集合；为风电场w在t时段的出力；为送端电网a的负荷节点k在t时段的预测值；ⅳ)正负旋转备用约束正旋转备用：式中，为风电场w在t时段的预测出力值，为送端电网a在时刻t所需的正备用容量；wu、wd分别为风电正备用系数、负荷备用系数；负旋转备用：式中，为送端电网a在时刻t所需的负备用容量；wd为风电负备用系数；ⅴ)潮流安全约束式中，分别为火电机组i、风电场w、负荷k和直流联络线的功率转移分布因子；fl分别为交流线路l的传输上限和下限；ⅵ)风功率约束本发明的有益效果在于：(1)本发明提出的一种直流联络线传输功率可行区间与不可行区间，可避免因直流功率在无功设备动作点附近波动，造成直流无功设备往复动作，提高了直流系统的调节精度。(2)本发明建立的无功设备调节成本模型。在直流功率规定可行区间与不可行区间的基础上，将无功设备动作次数转换为无功调节成本进行优化，可以避免直流两侧无功设备的频繁动作，减小无功设备寿命的损耗。(3)本发明建立的无功设备调节成本的直流联络线功率优化模型，使送端电网火电机组的出力较平缓，避免了火电机组出力的大幅波动，在提高风电消纳比例的同时，并未给送端火电机组带来较重的调节负担，提高了送受端电网的综合效益。(4)本发明充分挖掘直流联络线的灵活调节能力与直流无功调节特性之间的协调优化效益，在更大的空间范围内对风电消纳，提高风电资源的消纳水平，实现直流跨区互联电网的运行经济性。附图说明附图1为计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法示意图；附图2为整流侧无功设备动作对应有功功率区间示意图；附图3为逆变侧无功设备动作对应有功功率区间示意图；附图4为直流两侧无功设备动作对应有功功率区间示意图；附图5为直流可行区间与不可行区间划分的示意图；附图6为优化前后直流输电计划对比的示意图；附图7为优化前后送端电网火电机组实际出力对比的示意图；附图8为优化前后弃风量对比的示意图；具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。附图1为计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化方法示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据传统直流输电的无功调节特性，划分直流联络线传输功率的可行区间与不可行区间，并依据划分的可行区间建立直流联络线功率模型，以确保直流联络线长期运行在可行区间中；步骤2：依据步骤1确定的可行区间和不可行区间，建立无功设备调节成本模型；步骤3：利用负荷与风电短期预测数据，考虑直流运行约束条件和交流系统安全运行约束条件，以电网总发电成本最小为目标函数，建立计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化模型；其中电网总发电成本包括送受端电网火电机组的发电成本、弃风惩罚成本以及无功设备调节成本；步骤4：采用gams求解模型，得到直流联络线的优化结果和送端电网火电机组出力计划。具体的，在所述步骤1中，由于直流联络线的有功调节会带来直流无功调节设备的频繁动作，影响设备的使用寿命，因此本发明提出一种直流联络线传输功率的可行区间与不可行区间，以实现无功设备动作次数的降低以及提高直流系统的调节精度。所述可行区间与不可行区间的设计原理是根据传统直流系统对无功调节需求与有功传输功率之间存在着近乎线性的关系，即直流无功控制设备的投切与直流有功功率变化范围的大小之间存在着近似的线性关系。因此可近似线性地确定直流联络线整流侧与逆变侧无功设备动作所对应的直流有功变化大小。为避免因直流功率在无功设备动作点附近波动，造成直流无功设备往复动作，本发明规定以无功设备动作点为区间中心，一定裕度为区间半径的区间为直流不可行区间，在此区间之外的区间为可行区间。具体划分方法如下所述：步骤1-1：根据直流无功调节特性以及无功设备动作特性，近似线性地确定直流联络线两侧无功设备动作所对应的直流有功变化大小；步骤1-2：根据无功设备动作时对应的直流功率运行点，确定直流联络线传输功率的可行区间与不可行区间；可行区间：式中，n为直流联络线传输功率的可行区间序号，包含计及无功设备动作点重叠的情况；n为直流联络线功率总的可行区间数；分别为第n个可行区间的上限值和下限值；id,n,t为0-1离散变量，表示t时段直流联络线功率是否处于可行区间n中；不可行区间：式中，yn为不可行区间n；为第n个可行区间的上限值，为第n+1个可行区间的下限值；为了避免直流联络线运行在不可行区间中，本发明还建立了直流联络线功率模型，以确保直流联络线功率在同一时段有且仅运行在一个可行区间中，即满足：所述直流联络线功率模型为：式中，pd,t为t时段直流联络线功率；pd,n,t为t时段的第n可行区间直流联络线功率。下面以附图2-5为例进行详细说明，附图2是整流侧无功设备动作对应有功功率区间示意图，附图3为逆变侧无功设备动作对应有功功率区间示意图，附图4为直流两侧无功设备动作对应有功功率区间示意图，附图5为直流可行区间与不可行区间划分的示意图，在图2中ai(i＝1,2,…)为整流侧的交流滤波器的投切点。图下方的“*”对应于ci(i＝1,2,…)，表示整流侧换流变压器分接头在该处调整。考虑到逆变侧换流站配置的滤波器容量稍大，所以逆变侧无功设备动作对应的有功功率区间更大一些，如图3所示。综合直流两侧无功设备动作对应有功功率区间得到图4所示的直流两侧无功设备动作对应有功功率区间。在图4的基础上，以图中的无功设备动作点为区间中心，一定的裕度为区间半径划定直流不可行区间，裕度的大小可根据直流运行特性合理设置，从而将直流联络线功率划分为图5所示的可行区间与不可行区间交替的情形。若有多个无功设备动作点重叠的情况，可将其转换为区间宽度为0的可行区间，并依次计入可行区间序列中，以便后续无功设备调节成本模型的建立。具体的，所述步骤2在步骤1划分的直流功率可行区间与不可行区间的基础上，建立由计算直流联络线功率调整造成无功设备动作的调节成本模型。该模型考虑经济因素将对无功设备动作次数的限制转换为调节成本作为目标函数的一部分进行优化。由于直流功率从一个可行区间调整到另一个可行区间，势必会造成无功设备的动作。因此，可以根据相邻时段的联络线功率所在可行区间的序号差值确定在该时段的无功设备动作次数。综合考虑交流滤波器和换流变调整的成本因子，可将无功设备动作次数转换为无功调节成本模型，并对含绝对值的调节成本线性化。建立无功设备调节成本模型的具体方法如下所述：步骤2-1：确定各时段直流联络线功率所在的可行区间序号，其计算公式为：步骤2-2：根据相邻时段的功率可行区间序号差值确定在该时段的直流无功设备动作次数，其计算公式为：式中，为t-1时段到t时段的无功设备动作次数；为t时段的直流联络线功率所在的可行区间序号，为t-1时段的直流联络线功率所在的可行区间序号；步骤2-3：计算无功设备调节成本，其计算公式为：式中，k为综合交流滤波器和换流变调整的成本因子，为t时段的无功设备调节成本；步骤2-4：将无功设备调节成本线性化：式中，为线性化引入的两个非负变量；经线性化后，得到无功设备调节成本模型为：式中，λt为线性化后的t时段无功设备调节成本。具体的，所述步骤3建立的计及无功设备调节成本的直流联络线功率优化模型为：目标函数：式中，f为直流跨区互联电网的全天运行的总成本；为火电机组i在t时段的四分段线性化发电成本；kw为弃风惩罚因子，为风电的弃风量；约束条件：a)直流运行约束条件：ⅰ)直流联络线出力约束式中，pd,t为直流联络线d在t时段的运行功率；分别为直流联络线t时段的出力上限和下限；ⅱ)直流相邻时段出力调整方向约束式中，均为0-1离散变量，分别表示直流联络线在t时段内是否爬坡以及是否滑坡；若是，则取值为1，否则取值为0；ⅲ)直流出力调整速率约束式中，δdc为直流联络线的最小调整幅值，为直流联络线的最大调整幅值；ⅳ)直流出力调整连续性约束ⅴ)直流调整间隔约束式中，均为0-1离散变量，分别表示直流联络线的出力在t时刻开始调整和结束调整；ⅵ)直流出力调整次数约束式中，nmax为直流联络功率日调节的最大次数；ⅶ)直流日交易量约束式中，e为直流联络线日计划交易电量，ρ为允许的传输偏差比例；b)交流系统安全运行约束条件ⅰ)火电机组出力约束式中，pigmax、pigmin分别为火电机组i的出力上限和下限，为火电机组i在t时段的出力；ⅱ)火电机组爬坡约束式中，rui、rdi分别为机组i的爬坡、滑坡速率；ⅲ)功率平衡约束式中，分别为送端电网a的火电机组和风电场的集合；为送端电网a的负荷节点的集合；为风电场w在t时段的出力；为送端电网a的负荷节点k在t时段的预测值；ⅳ)正负旋转备用约束正旋转备用：式中，为风电场w在t时段的预测出力值，为送端电网a在时刻t所需的正备用容量；wu、wd分别为风电正备用系数、负荷备用系数；负旋转备用：式中，为送端电网a在时刻t所需的负备用容量；wd为风电负备用系数；ⅴ)潮流安全约束式中，分别为火电机组i、风电场w、负荷k和直流联络线的功率转移分布因子；fl分别为交流线路l的传输上限和下限；ⅵ)风功率约束实施例1本实施例以修改的ieee-24节点系统为例分别模拟送端和受端两个区域电网，网间采用直流联络线互联。该系统包含48个节点，21台火电机组，2个风电场，调度周期为24小时，使用四分段线性函数近似火电机组的发电成本，使用绝对值函数线性化方法处理无功设备调节成本。相关计算均在英特尔酷睿i5-7400处理器3.00ghz，8gb内存计算机上完成，采用gams25.0.3对算例进行编程求解。为了对比分析本发明所建优化模型的有效性与正确性，确立以下三种运行模式：模式1：直流联络线功率为两段式的定功率运行模式；模式2：直流联络线功率未计及无功调节成本的受限优化；模式3：直流联络线功率为计及无功调节成本的受限优化。基于本发明的方法得出的优化计划的弃风率与无功设备动作次数对比如表1所示：表1优化前后弃风率与无功设备动作次数对比类型弃风率/％无功设备动作次数模式18.714模式2012模式306由表1可知，优化后的模式2与模式3和模式1相比均可以完全地消纳风电，而模式3在促进风电消纳的同时，无功设备的动作次数较少。如图6-8显示了优化前后直流联络线功率计划对比结果，其中附图6为优化前后直流输电计划对比示意图，附图7为优化前后送端电网火电机组实际出力对比示意图，附图8为优化前后弃风量对比示意图；图中，虚线代表是模式1，即直流联络线功率为两段式的定功率运行模式；点虚线代表的是模式2，即直流联络线功率未计及无功调节成本的受限优化；实线代表模式3，即直流联络线功率为计及无功调节成本的受限优化。由图6可以看出，相比于模式1，在负荷低谷时期，优化后的模式2和模式3直流联络线功率有一定的提升，这有利于提高风电的跨区域消纳水平的提高，而在负荷高峰时期，受日交易电量的约束，优化后的直流联络线功率有所下降。同时相比于模式1的两段式直流计划，模式2和模式3的多阶梯化的直流计划提高了直流系统的调节精度，但模式3由于直流不可行区间的存在，可有效避免联络线运行在无功设备投切点附近，且无功设备的动作次数较少。由图7可以看出优化后，模式3送端火电机组出力变得更平缓，避免了火电机组大幅度的波动，降低了送端火电机组的调节负担。由图8可以看出优化后，模式3的送端的弃风量为0，送端电网的风电消纳水平得到了有效地提高。此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。当前第1页12