一种考虑电氢协同运行的配电网两阶段协调电压控制方法

本发明属于配电网控制，尤其是涉及一种考虑电氢协同运行的配电网两阶段协调电压控制方法。

背景技术：

1、随着碳中和目标的积极推进以及世界各国对环境可持续性的关注不断增强，减少碳排放与寻求清洁发电能源的需求变得日益急切。在此背景下，以分布式光伏为代表的可再生能源发电在配电网中的渗透率日渐提高，为不断增长的电力需求提供了清洁低碳的解决方案。根据中国国家能源局的统计数据，2022年中国太阳能光伏发电量达到了96.6gw，占世界总量的42％。然而，由于光伏的间歇出力特性，加之负荷侧需求的随机性波动，将造成配电网内潮流分布的不确定性，引发电压的频繁波动甚至越限问题，对配电网的安全经济运行构成挑战。

2、传统上，通过调节有载调压变压器(on-load tap changers,oltc)变比、电容器组(capacitor banks,cb)投切组数和利用储能系统(energy storage systems,ess)、光伏逆变器(photovoltaic,pv)等具备快速功率支撑能力的设备实现配电网电压调节。文献three-stage robust inverter-based voltage/var control for distributionnetworks with high-level pv(c.zhang,y.xu,z.dong and j.ravishankar,in ieeetransactions on smart grid,vol.10,no.1)提出一种基于光伏逆变器的配电网三阶段鲁棒电压控制方法，建立了一种光伏逆变器电压控制模型，以支持集中式的无功调度与局部无功下垂控制。然而，随着光伏渗透率的提高以及用户侧电动汽车等新型负荷的大规模普及，仅依赖现有的电压调控手段逐步面临调节资源不足、初期投资成本过高等原因，进而制约了配电网对分布式光伏的消纳能力。

3、近年来，由于氢能具有的低能耗、运输方便、利用率高等优点，利用电制氢装置，通过电解水的方式将富余的光伏出力转化为氢气进行存储成为消纳光伏的有效途径，在提升配电网的光伏消纳率的同时，产出的氢气和氧气作为重要的化工原料，其售卖收益亦可弥补配电网的调控成本，实现配电网的安全可靠、绿色经济运行。在此背景下，利用电制氢装置协同参与配电网运行控制近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。文献coordinatedvoltage control of active distribution networks with photovoltaic and powerto hydrogen(yongxiang zhang,jian chen,haoran zhao,wen zhang,wenshu jiao,wuzhen dai)在建模了电制氢装置的启停、爬坡等运行约束的基础上，进一步考虑光伏逆变器的无功支撑能力，提出了一种主动配电网两阶段控制策略，解决电压越限问题。然而，文中并未考虑光伏与风机短时出力与负荷需求存在不确定性时对配电网电压稳定性的影响，在实际情况中，随机波动的可再生能力出力与负载需求可能导致严重的电压稳定性问题；此外，现有研究还忽略了电制氢装置的附加产品——氧气的制售收益对配电网调控成本以及调控效果的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑电氢协同运行的配电网两阶段协调电压控制方法，以解决现有配电网电压控制过程中电压越限的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种考虑电氢协同运行的配电网两阶段协调电压控制方法，包括以下步骤：

4、s1、获取配电网系统参数；

5、s2、以控制成本最小化和电压偏差最小化为目标，以调压设备约束以及配电网线路约束为约束条件，构建配电网两阶段电压控制模型，包括日前优化模型和日内优化模型，所述调压设备包括电制氢装置、储能系统、光伏逆变器、有载调压变压器和并联电容器；

6、s3、考虑光伏、风电出力和负荷需求的不确定性，通过拉丁超立方抽样方法和场景削减技术生成可再生能源出力和负荷需求场景，求解所述电压控制模型，获得最优的调压设备控制参数。

7、进一步地，所述电制氢装置的约束为：

8、αi(t-τ)-βi(t)＝χi(t)-χi(t-1)，

9、αi(t)≤1-χi(t-1)，

10、βi(t)≤χi(t-1)，

11、χi(0)＝χi(t)，

12、

13、

14、

15、

16、其中αi(t)、βi(t)和χi(t)分别表示电制氢装置的启动动作，关停动作与当前的启停状态，i表示配电网系统中节点，αmax和βmax分别表示在一天中电制氢装置所允许的最大启动次数与最大关停次数，为电制氢装置工作功率，和分别为电制氢装置工作功率的最大值和最小值，是单位时间内电制氢装置的最大爬升功率，t为优化总时间。

17、进一步地，所述有载调压变压器的约束为：

18、

19、tapmin≤tap(t)≤tapmax，

20、其中tap(t)表示有载调压变压器档位数，δmax表示在单位时间内有载调压变压器所能调节的最大档位数，tapmin和tapmax表示有载调压变压器的最小档位与最大档位。

21、进一步地，所述并联电容器的约束为：

22、∑t|∑kεik(t+1)-∑kεik(t)|≤εmax,

23、0≤∑kεik(t)≤ci,max,

24、其中εik(t)表示单位时间内并联电容器投入组数的变化量，k表示并联电容器组数，εmax表示在单位时间内并联电容器投入组数的最大变化量，ci,max表示并联电容器组的最大投入组数。

25、进一步地，所述储能系统的约束为：

26、

27、

28、

29、

30、

31、

32、

33、

34、

35、其中，表示储能系统输出的有功功率，和分别为储能系统放电与充电有功功率，和是二元变量，分别表示充电和放电的状态，和分别为放电与充电有功功率的最大值，ηch和ηdis分别表示充放电的效率，和分别表示储能系统中存储的电能及其上下界，和分别为储能系统放电与充电无功功率，为储能系统的功率容量。

36、进一步地，所述光伏逆变器的约束为：

37、

38、

39、

40、

41、

42、其中，和为t时刻光伏逆变器输出的有功和无功功率，pipv,ref(t)和为t时刻光伏逆变器输出的有功和无功功率参考值，为光伏逆变器输出的有功功率最大值，输出的无功功率应满足视在功率与有功功率的约束，pipv,loss(t)表示弃光量，光伏逆变器输出的视在功率。

43、进一步地，所述日前优化模型的目标函数如下：

44、

45、所述日内优化模型的目标函数如下：

46、

47、其中，closs为单位网损成本，lij(t)为支路ij的电流的平方，rij为支路ij的电阻，i和j均为配电网中的节点，e为配电网支路的集合，cv为单位电压越限成本，vi(t)为节点i的电压的平方，为期望的电压范围，ccb为并联电容器单次调节成本，εik(t)为并联电容器的投切组数，k为并联电容器的组数号，ctap为有载调压变压器单次调节成本，tap(t)为有载调压变压器的档位，cess,p和cess,q分别是储能系统单位有功与无功调节成本，分别是储能系统输出的有功功率与无功功率，cpv,loss与cpv分别为单位弃光成本与单位无功调节成本，为弃光量，为光伏输出的无功功率，cp2h是电制氢装置单位功率调节成本，是电制氢装置的有功功率，和为单位氢气和氧气出售价格，和为产氢量与产氧量，ui(t)为电压偏差辅助变量，αi(t)和βi(t)分别为储能系统输出的有功功率与无功功率的辅助变量,λi(t)为光伏输出无功功率的辅助变量。

48、进一步地，所述的产氢量和产氧量的计算公式分别为：

49、

50、

51、其中和分别为氢气与氧气的气体生成速率，δt为每个时间段的持续时间，和分别为氢气与氧气的摩尔质量。

52、进一步地，为了保障配电网安全经济运行，配电网运行过程中应满足配电网线路约束，包括潮流约束、节点电压约束与支路电流约束。

53、进一步地，步骤s3具体如下：

54、s301、求解所述日前优化模型获得有载调压变压器和并联电容器的控制参数；

55、s302、通过拉丁超立方抽样方法生成可再生能源出力和负荷需求场景；

56、s303、采用考虑kantorovich距离的场景削减技术更新步骤s302生成的场景数量；

57、s304、将步骤s303获得的场景以及步骤s301确定的有载调压变压器和并联电容器的控制参数代入所述日内优化模型，获得其他调压设备的控制参数。

58、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

59、(1)本发明充分考虑到光伏、风电出力和负荷需求的不确定性，通过拉丁超立方抽样方法和考虑kantorovich距离的场景削减技术，获得具有代表性的可再生能源出力和负荷需求场景，求解获得各类调压设备的优化结果，更切合配电网系统复杂的实际工况，提高了计算效率。

60、(2)本发明考虑了电制氢装置的附加产品——氧气的制售收益对配电网调控成本以及调控效果的影响，可以有效消纳可再生能源的多余出力，并相应降低配电网系统的控制成本。

61、(3)针对配电网电压稳定性问题，本发明同时考虑电制氢辅助和各类调压设备约束的配电网两阶段电压控制方法，设计了一种考虑电制氢装置启停约束、功率上下限约束、爬坡功率约束、各类调压设备运行约束以及配电网线路约束的配电网两阶段电压控制模型，该模型不仅可以保证配电网的电压偏差在允许范围内，也可以大幅降低配电网的电压控制成本。