一种计及风电不确定性的配电网互联运行优化调度方法

1.本发明属于新能源并网领域，涉及一种计及风电不确定性的配电网 互联运行优化调度方法。


背景技术：

2.中国是目前世界上增长最快的风电市场，到2018年占全球风电 装机容量的37％。风能的大规模开发有助于解决目前面临的能源枯 竭和环境污染等问题。受风力资源随机变化的影响，风电存在不确定 性。对于电力系统，风电始终是一种不可控电源，其并网运行问题已 成为制约其发展的最重要因素。风电接入带来的不确定性，对电力系 统的安全性与充裕性都构成挑战。风电的不确定性，导致配电网的优 化运行调度的复杂化，传统配电网的优化调度策略和模型已经不再适 用。


技术实现要素：

3.本发明为了克服现有技术的不足，提供一种计及风电不确定性的 配电网互联运行优化调度方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种计及风电不 确定性的配电网互联运行优化调度方法,包括以下步骤：
5.(1)提出并计算适用于配电网的运行灵活性指标；
6.配电网源网荷侧的各类灵活性资源、约束条件以及计算方法 包括：时间尺度、变压器灵活性、可调度dg、储能系统、柔性负荷 和vsc换流站；
7.(2)构建风电风电功率的不确定性分布模型，包括
8.(2.1)ifo利用隶属度函数表征模糊集，并利用模糊集描述 风电功率的不确定性；
9.(2.2)计及风电置信风险的多目标优化调度分析；
10.(2.3)系统构成；
11.(2.4)dro；
12.(3)建立计及风电不确定性的配电网多目标调度模型；
13.(4)采用线性加权求和法将多目标模型转化为单目标模型，并进 行模型求解。
14.进一步的，所述配电网的灵活性资源具备快速性、平移性、及时 性和经济性特征。高渗透率res接入下的配电网的可调度的灵活 性资源以各种形式存在于电源侧、电网侧和负荷侧。
15.进一步的，所述电源侧的灵活性资源包括与上级主网连接的变电 站、各种形式的分布式发电装置、不同类型储能装置甚至于风机 和光伏等，其中，dg是保障配电网电源侧灵活性供给的主要来源， 储能则是进一步提高系统电能质量和平抑负荷波动的有效手段； 荷侧的灵活性资源包括各种系统需求侧的响应资源，当前负荷侧 的需求响应资源种类多、分布广，可以实现从负荷侧调节灵活性 的需求来提高系统灵活性。
16.进一步的，所述配电网的灵活性如下式所示：
17.xa(t,δt)-ya(t,δt)≥εa
18.其中，xa(t,δt)为系统在t时刻，δt时间尺度下的灵 活性供给，ya(t,δt)为系统在t时刻，δt时间尺度下的灵活性 需求，εa表示一定的灵活性裕度，a∈{+，-}，表示灵活性方向。 进一步的，所述系统内灵活性资源的运行响应特性与时间尺度密 切相关，确定系统运行对应的时间尺度是进行有功灵活性指标计 算的前提。考虑到配电网运行过程中各种不确定因素通常持续时 间较短这一特征，不应选取过大的时间尺度，计算方法如下：
19.δt＝{1min,5mins,15mins,30mins}。
20.进一步的，所述变压器灵活性指的是其容量充裕度，可被分为向 上容量灵活裕度和向下容量灵活裕度，对应于变压器在系统功率波动 时的向上与向下灵活性，为系统在净负荷功率出现波动时候提供向上 或者向下的功率支撑。其运行灵活性计算方法如下：
[0021][0022]
其中，分别为第t时刻上级变电站的第i 台变压器的向上、向下灵活性裕度，ptrmax,i、ptrmin,i分别为第t 时刻第i台变压器最大与最小允许传输容量，为第i台变压器 在t时刻的传输功率。
[0023]
进一步的，所述时间尺度的选取将直接影响配电网内可调度dg 的有功出力范围，考虑时间尺度，基于dg的上下爬坡速率、上下限 出力约束等，dg的运行灵活性计算方法如下：
[0024][0025]
其中，为第t时刻第i个dg的有功出力，pdgmax,i 和pdgmin,i分别为第i个dg有功出力上、下限，ru,i、rd,i分 别表示第i个dg的最大向上和向下爬坡速率。
[0026]
进一步的，所述储能装置的出力大小主要受最大、最小存储能量 和最大出力的限制，其运行灵活性计算方法如下：
[0027][0028]
其中，和为第t时刻第i个储能装置的 向上、向下灵活性和当前有功出力，正值表示放电，负值表示充 电，eessmax,i、eessmin,i和分别表示第i个储能装置
的最 大、最小存储能量和当前储能装置能量，ηch,i、ηdisch,i分 别为第i个储能装置的充放电效率。第5个式子保证在每一个周 期内储能装置的初始和结束时刻荷电状态一致，防止调度周期之 间相互干扰，以便循环利用。
[0029]
进一步的，所述柔性负荷运行灵活性计算方法如下：
[0030][0031]
其中，和分别为第t时刻第i个柔性负荷 向上、向下灵活性和柔性负荷削减量，pflmax、pflmin分别为第 i个柔性负荷可削减量最大值、最小值。在进行配电网经济调度 时需要计及负荷削减补偿成本。
[0032]
进一步的，将换流站对配电网运行灵活性的提高作用归因于其有 功、无功解耦调节能力，其约束条件为：
[0033][0034]
其中，ucmax,i为换流器生成的交流端口电压最大值，ucmin,i 为换流器交流端口电压最小值，icmax,i为第i个换流站的换流元件 可承载电流的最大值，和分别为第i个换流站在第t时刻的交 流端口电压值和换流器电流值，与分别为第i个换流站 在第t时刻向pcc节点交流侧传输的有功功率和无功功率，svsc,imax 为第i个换流站的容量上限。
[0035]
综上所述，本发明的有益之处在于：
[0036]
本发明所提出的适用于配电网互联的运行灵活性指标表征形式 及计算方法，考虑了灵活性的方向性、多时空特性以及配电网互联内 灵活性资源的运行约束和供需平衡机制，本发明所建立的计及风电不 确定性的配电网内灵活性约束转换方法，能够较好地拟合风电预测误 差，转化后的配电网内的灵活性需求区间也符合实际的误差分布特 征，将该方法应用于配电网互联经济调度中不确定因素的确定化过程 具备合理性和有效性，有助于使得配电网优化运行方案更加符合实际 的灵活性运行要求。
附图说明
[0037]
图1为本发明配电网互联调度方法流程图。
[0038]
图2为本发明配电网互联运行灵活性需求示意图。
[0039]
图3为本发明配电网互联分层分区优化调度示意图。
[0040]
图4为本发明运行流程。
具体实施方式
[0041]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人 员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具
体实施方式加以实施或应用，本说明 书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实 施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实 际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复 杂。
[0043]
本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、 横向、纵向
……
)仅用于解释在某一特定姿态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。
[0044]
因安装误差等原因，本发明实施例中所指的平行关系可能实际为 近似平行关系，垂直关系可能实际为近似垂直关系。
[0045]
实施例一：
[0046]
如图1-4所示，一种计及风电不确定性的配电网互联运行优化调 度方法，包括以下步骤：
[0047]
(1)提出并计算适用于配电网的运行灵活性指标；
[0048]
配电网的灵活性资源具备快速性、平移性、及时性和经济性特征。 高渗透率res接入下的配电网的可调度的灵活性资源以各种形式存 在于电源侧、电网侧和负荷侧。
[0049]
电源侧的灵活性资源包括：与上级主网连接的变电站、各种形式的 分布式发电装置、不同类型储能装置甚至于风机和光伏等，其中，dg 是保障配电网电源侧灵活性供给的主要来源，储能则是进一步提高系 统电能质量和平抑负荷波动的有效手段。
[0050]
荷侧的灵活性资源包括：各种系统需求侧的响应资源，当前负荷侧 的需求响应资源种类多、分布广，可以实现从负荷侧调节灵活性的需 求来提高系统灵活性。
[0051]
配电网运行灵活性供需平衡约束可以理解为在某一时刻、特定时间 尺度下以及特定方向上，系统内各类灵活性资源供给的充裕度满足系 统灵活性需求的要求和能力，如下式所示：
[0052]
xa(t,δt)-ya(t,δt)≥εa
[0053]
其中，xa(t,δt)为系统在t时刻，δt时间尺度下的灵活性供给， ya(t,δt)为系统在t时刻，δt时间尺度下的灵活性需求，εa表 示一定的灵活性裕度，a∈{+，-}，表示灵活性方向。
[0054]
配电网灵活性资源调度是基于源网荷灵活性资源的相互作用与协调 互动，从而提升系统整体灵活性的。以下将详细介绍配电网源网荷侧 的各类灵活性资源、约束条件以及计算方法：
[0055]
(1.1)时间尺度
[0056]
系统内灵活性资源的运行响应特性与时间尺度密切相关，确定系统 运行对应的时间尺度是进行有功灵活性指标计算的前提。考虑到配电 网运行过程中各种不确定因素通常持续时间较短这一特征，不应选取 过大的时间尺度，一般为：
[0057]
δt＝{1min,5mins,15mins,30mins}
[0058]
(1.2)变压器灵活性
[0059]
变压器灵活性指的是其容量充裕度，可被分为向上容量灵活裕度和 向下容量灵活裕度，对应于变压器在系统功率波动时的向上与向下灵 活性，为系统在净负荷功率出现波动时候提供向上或者向下的功率支 撑。其运行灵活性计算方法如下：
[0060][0061]
其中，分别为第t时刻上级变电站的第i台变压器 的向上、向下灵活性裕度，ptrmax,i、ptrmin,i分别为第t时刻第i 台变压器最大与最小允许传输容量，为第i台变压器在t时刻 的传输功率。
[0062]
(1.3)可调度dg
[0063]
时间尺度的选取将直接影响配电网内可调度dg的有功出力范围， 考虑时间尺度，基于dg的上下爬坡速率、上下限出力约束等，dg的 运行灵活性计算方法如下：
[0064][0065]
其中，为第t时刻第i个dg的有功出力，pdgmax,i和pdgmin,i 分别为第i个dg有功出力上、下限，ru,i、rd,i分别表示第i个dg 的最大向上和向下爬坡速率。
[0066]
(1.4)储能系统
[0067]
储能系统有效接入配电网后，可以平滑res的功率波动，实现系统 调峰，改善电能质量以及提高系统功率调节能力。
[0068]
储能装置的出力大小主要受最大、最小存储能量和最大出力的限 制，其运行灵活性计算方法如下：
[0069][0070]
其中，和为第t时刻第i个储能装置的向上、 向下灵活性和当前有功出力，正值表示放电，负值表示充电， eessmax,i、eessmin,i和分别表示第i个储能装置的最大、最 小存储能量和当前储能装置能量，ηch,i、ηdisch,i分别为第i个 储能装置的充放电效率。第5个式子保证在每一个周期内储能装置的 初始和结束时刻荷电状态一致，防止调度周期之间相互干扰，以便循 环利用。
[0071]
(1.5)柔性负荷
[0072]
柔性负荷主要采用如下几种方式来增加系统的灵活性：1、降低峰 荷时段负荷增长速度和下降速度；2、降低峰荷与增加谷荷；3、通过 平移负荷使峰荷用电需求向谷荷时段转移。本发明采用可削减负荷模 型，其运行灵活性计算方法如下：
[0073][0074]
其中，和分别为第t时刻第i个柔性负荷向上、 向下灵活性和柔性负荷削减量，pflmax、pflmin分别为第i个柔性 负荷可削减量最大值、最小值。在进行配电网经济调度时需要计及负荷削减补偿成本。
[0075]
(1.6)vsc换流站
[0076]
基于vsc的柔性直流互联交流电网，可以进行有功功率与无功功率 的解耦控制，通过调节直流电网和交流电网之间的交换功率，提升交 直流混合电网的运行灵活性，可以在较大时空范围内充分利用风电、 光伏等可再生能源的互补特性，实现更广泛的分散接入和波动平抑， 同时改善系统运行的电压越限和电压波动问题，从而进一步提高可再 生能源消纳。
[0077]
将换流站对配电网运行灵活性的提高作用归因于其有功、无功解耦 调节能力，其约束条件为：
[0078][0079]
其中，ucmax,i为换流器生成的交流端口电压最大值，ucmin,i为 换流器交流端口电压最小值，icmax,i为第i个换流站的换流元件可 承载电流的最大值，和分别为第i个换流站在第t时刻的交流 端口电压值和换流器电流值，与分别为第i个换流站在 第t时刻向pcc节点交流侧传输的有功功率和无功功率，svsc,imax 为第i个换流站的容量上限。
[0080]
综上，本发明将配电网运行灵活性(operational flexibility，of) 指标定义为某一运行状态下系统在δt时间内所能提供的有功灵活性 包括向上运行灵活性和向下运行灵活性计算 公式如下：
[0081][0082]
其中，n1为具备爬坡率的灵活性电源集合总数，n2为瞬时灵活性 电源集合总数，ri+、ri-分别为第i个灵活性电源的向上和向下爬 坡率，δt为设定的时间尺度，pimax、pimin和pit分别为第i个灵 活性电源的最大、最小和当前有功功率。
[0083]
(2)构建风电预测误差概率分布模型，实现计及风电不确定性的运 行灵活性约束
转换；
[0084]
(2.1)ifo利用隶属度函数表征模糊集，并利用模糊集描述风电功 率的不确定性.
[0085]
为解决含有风电的系统优化调度过程中爬坡能力不足的问题， 采用高斯型隶属度函数描述风电功率不确定性。利用升半梯形隶属 度函数描述风电功率的不确定性。使用降半梯形隶属度函数描述风 电功率的不确定性。
[0086]
(2.2)计及风电置信风险的多目标优化调度分析；
[0087]
(2.3)系统构成：
[0088]
ies一般是在某区域内由分布式电源(光伏阵列、风电机组等)、 储能电站和综合能源负荷(供热负荷、空调负荷等)通过电力传输线 连接组成。
[0089]
(2.4)dro
[0090]
dro是一种so与ro相结合的模型，基于概率分布函数中参数的不 确定性，寻求最恶劣条件或场景下的风电功率概率分布，以刻画风 电不确定性，dro同时具备so与ro的优点，与so和ro相比，采 用dro处理风电不确定性的优化调度模型求解可以同时兼顾求解 时间、经济性及鲁棒性，计及风电不确定性优化调度的dro模型可 以分为分布鲁棒期望值模型、分布鲁棒机会约束模型。
[0091]
(3)建立计及风电不确定性的配电网多目标调度模型，以配电网运 行经济性和电能质量为目标函数，以配电网可控运行参数为决策变 量。
[0092]
配电网灵活经济调度模型采用分层分区调度策略，同时考虑配电 网运行灵活性需求，通过量化后的运行灵活性指标约束纳入到经济调 度模型中，以保证经济调度方案在能够实现经济效益最大化的同时也 满足高渗透率res接入后配电网的灵活调节需求。
[0093]
本发明针对配电网采用分层分区调度策略，将配电网依次分为局部 调度层、潮流控制层以及区域调度层，如图3所示。
[0094]
局部调度层中的res出力具有随机性、波动性和不确定性，将其与 储能装置打捆作为一个优化主体。针对每个风储联合出力主体，其决 策变量为储能装置的出力在完成局部调度层的优化目标之后， 会将结果上报给区域调度层，将其优化目标分别定义为obj1：调节 风储联合出力峰谷差，obj2：降低风电出力前后时刻波动，obj3：风 储联合出力拟合附近负荷节点的变化趋势，如下式所示：
[0095][0096]
其中，分别为第t时刻风电机组、储能装置的出力， 分别为第t时刻风储联合出力值、风储联合出力均值， 分别为第t时刻风电机组附近主要负荷节点总负荷、风电机 组附近主要负荷节点总负荷均值。
[0097]
区域调度层根据局部调度层的优化结果修改网络内相应运行参数， 接着对配电网区域内其他控制参数进行调度，包括上级电网购电量、 可调度型res出力、可控燃机出力、柔性负荷削减量、电动汽车及无 功补偿装置调节量。
[0098]
潮流控制层根据具体调度结果调整vsc控制参数进一步实现配电 网内潮流最优控制，使配电网满足灵活性指标约束的同时实现配电网 经济运行。
[0099]
将配电网运行经济最优和交直流网络节点电压质量统一纳入灵活 经济调度模型中，建立含高渗透率res接入的配电网灵活经济调度模 型，该模型为多目标优化问题，目标函数如下：
[0100][0101]
(4)采用线性加权求和法将多目标模型转化为单目标模型，并进行模 型求解。
[0102]
针对上述多目标优化问题，本发明采用线性加权求和法进行简化处 理，采用权重系数及归一化方法将多目标问题转化为单目标模型，如 [0103]
其中，ω1、ω2为权重系数，本发明根据专家经验并结合实际情 况取ω1＝0.75、ω2＝0.25，pu(r)为惩罚函数，引入节点电压约束 项及灵活性约束项，r≥0表示满足约束，r＜0表示不满足约束，|r| 表示约束越限量。
[0104]
(4.1)获取配电网的网络参数、各类可控装置的相关运行参数及 约束条件以及风机、光伏及电动汽车日前预测出力；
[0105]
(4.2)针对局部调度层：根据优化目标，采用yalmip+cplex工具 对风储联合出力进行优化，在满足储能装置的出力约束及容量约束的 情况下，确定储能的全时刻充放电功率；
[0106]
(4.3)针对区域调度层：在获取局部调度层的运行方式后，基于双 重粒子群算法及交直流交替迭代潮流算法，对配电网内可控装置及 vsc换流站控制参数进行优化，在满足配电网运行约束及灵活性约束 的条件下，以经济性和电压质量最优为目标，确定配电网日前灵活经 济调度方案。
[0107]
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明 保护的范围。