一种适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法与流程

1.本发明涉及电力系统配电网规划技术领域，具体而言，涉及一种适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法。


背景技术：

2.分布式能源接入具有提高电力系统弹性、降低输电网络损耗、调节配电网电压等显著技术优势。此外，分布式能源还为投资者带来了可观的经济效益。近年来，配电网中分布式能源激增，因此，分布式能源的投资者迫切需要一个经济可靠的规划方法。
3.而现有的规划方法没有考虑配电网三相潮流约束，进而导致规划结果不准确或规划问题求解效率低，基于此，亟需一种在现有配电网中考虑其三相不平衡潮流约束且适应分布式光伏和储能联合规划的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种在现有配电网中考虑其三相不平衡潮流约束且适应分布式光伏和储能联合规划的方法，通过最小化系统在一年中每个季节的规划和运行成本，能够保证光伏和储能等分布式能源经济的安全接入，并确保配电网的安全可靠运行。
5.本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法，包括如下步骤：步骤一、以系统总成本最小化为目标函数，在三相潮流方程的基础上建立考虑三相不平衡潮流约束的分布式能源规划模型；步骤二、通过正则化优化策略对各约束条件进行互补性重构，构建非线性规划问题，通过求解非线性规划问题的最优化方法对所述分布式能源规划模型进行求解，获得配电网最优规划方案。
6.根据一种优选实施方式，所述目标函数为：上式中，der表示所有发电项目的集合，表示发电项目g总投资成本，表示s季度发电项目g运行成本，表示s季度从电网购电的成本，cis表示s季度发电收益，s表示一年中的四季。
7.根据一种优选实施方式，所述三相潮流方程为：根据一种优选实施方式，所述三相潮流方程为：
上式中，表示n节点t时刻相的有功功率，表示n节点t时刻相的电压幅值，表示m节点t时刻相的电压幅值，表示mn节点相间的电导，表示n节点t时刻相的电压向角，表示m节点t时刻相的电压向角，表示mn节点相间的电纳，t表示一天内的时刻集合，n表示节点集合，表示相的集合，表示n节点t时刻相的无功功率，表示m节点t时刻相的电压幅值。
8.根据一种优选实施方式，通过计算节点导纳矩阵y，得到所述电导以及电纳。
9.根据一种优选实施方式，所述三相不平衡潮流约束为：根据一种优选实施方式，所述三相不平衡潮流约束为：上式中，表示用户的连接相，，表示n节点t时刻注入的有功功率，表示n节点t时刻的有功负荷，表示存在有功和无功注入功率的节点，表示n节点t时刻注入的无功功率，表示n节点t时刻的无功负荷。
10.根据一种优选实施方式，各约束条件包括电力负荷平衡约束、电网购买电能约束、运行约束以及所述三相不平衡潮流约束。
11.根据一种优选实施方式，所述电力负荷平衡约束为：上式中，表示i用户t时刻的电力需求，表示i用户t时刻需求的外部电网的电力，表示i用户t时刻需求的太阳能光伏发电功率，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的放电功率，c表示电池类型集合，i表示用户集合；所述电网购买电能约束为：所述电网购买电能约束为：上式中，表示用于线性化互补问题的二进制变量，表示i用户t时刻卖给电网的过剩功率，m表示一个预设的大数值；所述运行约束为：所述运行约束为：所述运行约束为：所述运行约束为：所述运行约束为：所述运行约束为：
上式中，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c储存的能量，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的充电功率，表示充电效率，表示时间间隔，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的放电功率，表示放电效率，表示i用户t-1时刻需求的锂离子电池c储存的能量，表示锂离子电池c的最大荷电状态，表示锂离子电池c的最大放电深度，表示锂离子电池c的最大容量，表示一个二进制变量。
12.根据一种优选实施方式，所述步骤二具体为：引入一个正参数，循环过程中驱动该参数趋于零的方式求解，直至参数满足预设误差值，获得局部最优解。
13.根据一种优选实施方式，步骤二还包括：当没有获得局部最优解时，引入一个参数，将参数增大倍，进行迭代循环，直至获得局部最优解，将所述局部最优解作为配电网最优规划方案。
14.根据一种优选实施方式，求解采用的求解器包括cplex求解器或ipopt求解器其中之一。
15.本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提出的一种在现有配电网中考虑其三相不平衡潮流约束且适应分布式光伏和储能联合规划的方法，通过最小化系统在一年中每个季节的规划和运行成本，能够保证光伏和储能等分布式能源经济的安全接入，并确保配电网的安全可靠运行。
附图说明
16.图1为本发明实施例1提供的适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法的流程示意图；图2为本发明实施例1和实施例2提供的规划模型的计算流程图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
18.实施例1参见图1所示，图1为本发明实施例所提供的适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法的流程示意图。
19.本发明实施例所提供的一种适应分布式光伏和储能的配电网联合规划方法包括如下步骤：以系统总成本最小化为目标函数，在三相潮流方程的基础上建立考虑三相不平衡潮流约束的分布式能源规划模型。
20.在本发明实施例的一种实施方式中，所述目标函数为：
上式中，der表示所有发电项目的集合，表示发电项目g总投资成本，表示s季度发电项目g运行成本，表示s季度从电网购电的成本，cis表示s季度发电收益，s表示一年中的四季。
21.考虑到潮流计算方法是与分布式能源规划方法最兼容的三相潮流计算方法，因此在本发明实施例的一种实施方案中，采用相间解耦潮流模型，将所有节点建模为pq节点，从而可以对相关的负荷/发电机节点处的功率注入进行建模，以此和分布式能源规划设计建立联系，此外，计算过程中使用标幺值以此提高计算的效率。
22.具体地，所述三相潮流方程为：具体地，所述三相潮流方程为：上式中，表示n节点t时刻相的有功功率，表示n节点t时刻相的电压幅值，表示m节点t时刻相的电压幅值，表示mn节点相间的电导，表示n节点t时刻相的电压向角，表示m节点t时刻相的电压向角，表示mn节点相间的电纳，t表示一天内的时刻集合，n表示节点集合，表示相的集合，表示n节点t时刻相的无功功率，表示m节点t时刻相的电压幅值，对于一个三相系统，。
23.需要说明的是，所述电导以及电纳通过计算节点导纳矩阵y获得。具体地，节点导纳矩阵y的计算公式为：需要说明的是，对于节点导纳矩阵y中的每个元素都是一个的矩阵，矩阵y通常是给定的。
24.对于三相网络，矩阵y的对角线和非对角线元素可以通过以下等式获得：对于三相网络，矩阵y的对角线和非对角线元素可以通过以下等式获得：需要注意的是，因为短的架空和地下配电线缆，通常可以被忽略，因此上式并未考虑线路的接地导纳。
25.在潮流计算中，考虑变压器一次侧p和二次侧s，三相变压器的导纳矩阵可表示为：需要说明的是，导纳矩阵中的每个元素同样也是一个的矩阵。
26.进一步地，在并网型的微电网中，通常将电网连接到外部网络的节点视为系统的参考接节点，本发明实施例用下标ref表示参考节点。参考节点注入的有功和无功功率代表来自外部电网的注入功率，参考节点上的电压幅值固定不变，通常为电源的额定电压，可表示为：平衡节点上在各时刻的电压相交也是固定的，可表示为平衡节点上在各时刻的电压相交也是固定的，可表示为平衡节点上在各时刻的电压相交也是固定的，可表示为各个节点在各时刻的电压幅值必须保持在预先设定的电压幅值范围内，可表示为：上式中，表示电压上限，表示电压下限，表示电压基准值。
27.起连接作用的节点没有任何有功或无功功率的注入，本实施例将这些节点定义为，并由以下约束限制：，并由以下约束限制：进一步地，节点的净有功和无功注入功率式联系分布式能源规划模型和潮流模型的关键节点，此外，三相不平衡网络的负载在各相分布式不均的，因此关联分布式能源规划模型和潮流模型的约束需要考虑负载所在相。考虑到通常居民负荷是连接到三相中特定的某一项，尤其是在辐射状的配电网中，因此，本发明实施例采用了一个二进制的指数，来指明每个用户的连接相。
28.综合考虑分布式能源规划模型和潮流模型，所述三相不平衡潮流约束可表示为：综合考虑分布式能源规划模型和潮流模型，所述三相不平衡潮流约束可表示为：上式中，表示用户的连接相，，表示n节点t时刻注入的有功功率，表示n节点t时刻的有功负荷，表示存在有功和无功注入功率的节点，表示n节点t时刻注入的无功功率，表示n节点t时刻的无功负荷。
29.在本发明实施例中，约束条件还包括电力负荷平衡约束、电网购买电能约束、运行约束以及所述三相不平衡潮流约束。
30.所述电力负荷平衡约束为：上式中，表示i用户t时刻的电力需求，表示i用户t时刻需求的外部电网
的电力，表示i用户t时刻需求的太阳能光伏发电功率，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的放电功率，c表示电池类型集合，i表示用户集合；所述电网购买电能约束为：所述电网购买电能约束为：上式中，表示用于线性化互补问题的二进制变量，表示i用户t时刻卖给电网的过剩功率，m表示一个预设的大数值；需要说明的是，光伏发电产生的电量可以供家庭使用或电池储能，多余的电量可以卖给电网。电池的充放电约束可表示为：以卖给电网。电池的充放电约束可表示为：上式中，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c储存的能量，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的充电功率，表示充电效率，表示时间间隔，表示i用户t时刻需求的锂离子电池c的放电功率，表示放电效率，表示i用户t-1时刻需求的锂离子电池c储存的能量。
31.需要说明的是，此处假设在初始时刻电池中存储的能量为0，其他时刻的存储能量将与上一时刻的存储能量状态建立联系。
32.进一步地，存储在电池中的能量进一步受到最大荷电状态和最大放电深度的限制，表示为：为：上式中，表示锂离子电池c的最大荷电状态，表示锂离子电池c的最大放电深度，表示锂离子电池c的最大容量。
33.此外，电池也可以通过电网提供的电能进行充电，但是不允许电池同时充电和放电，因此使用大m法进行约束，可表示为：电，因此使用大m法进行约束，可表示为：上式中，表示一个二进制变量。
34.此外，在本发明实施例中，模型中可提供多种电池类型作为选择，例如锂离子电池、铅酸电池等。需要说明的是，本发明实施例可采用二进制变量选择这些电池类型。但是在规划中，需要假设每个用户只能安装一种电池类型，约束条件可表示为：是在规划中，需要假设每个用户只能安装一种电池类型，约束条件可表示为：
参见图2中关于fbs流程所示，需要说明的是，fbs即指的是find better solution算法，采用正则化互补算法思想替代实施例2中的运行约束。进一步地，通过正则化优化策略对各约束条件进行互补性重构，构建非线性规划问题，通过求解非线性规划问题的最优化方法对所述分布式能源规划模型进行求解，获得配电网最优规划方案。
35.具体为：引入一个正参数，循环过程中驱动该参数趋于零的方式求解，直至参数满足预设误差值，获得局部最优解；当没有获得局部最优解时，引入一个参数，将参数增大倍，进行迭代循环，直至获得局部最优解，将所述局部最优解作为配电网最优规划方案。
36.以下对正则化优化策略对约束条件的转换进行举例说明：已知电网购买电能约束为：已知电网购买电能约束为：本发明实施例通过对该约束条件进行互补性重构和正则化条件，将上述转换为：本发明实施例通过对该约束条件进行互补性重构和正则化条件，将上述转换为：又例如，已知不允许电池同时充电和放电的约束为：又例如，已知不允许电池同时充电和放电的约束为：本发明实施例通过对该约束条件进行互补性重构和正则化条件，将上述转换为：基于以上所提供的方法，通过在100节点网络中，采用cplex求解器或ipopt求解器求解规划方案，仅需10分钟即可得到配电网最优规划方案。综上所述，本发明提出的一种在现有配电网中考虑其三相不平衡潮流约束且适应分布式光伏和储能联合规划的方法，通过最小化系统在一年中每个季节的规划和运行成本，能够保证光伏和储能等分布式能源经济的安全接入，并确保配电网的安全可靠运行。
37.实施例2区别于上述实施例，参见图2中直接求解规划模型的流程部分，在本发明实施例中，分布式能源规划模型仅考虑近似的直流潮流约束，在一种实施方式中，直流潮流约束仅考虑支路和节点处注入的有功功率，约束为：上式中，b
nm
表示mn支路的电纳，表示n支路t时刻电压的相角。
38.需要说明的是，在本发明实施例中，目标函数与实施例1相同，均以系统总成本最小化为目标函数，本发明实施例所提供的规划方案可适用于输电网中。
39.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。