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一种基于混合整数线性规划的...混联配电网多层优化调度方法_孙景涛.pdf
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1、doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2023.01.005收稿日期:2022-02-25修回日期:2022-08-19基金项目:国家电网有限公司科技项目(52271220000J5)一种基于混合整数线性规划的交直流混联配电网多层优化调度方法孙景涛1,许晓阳1,张鑫2,王奔2(1 南方电网广东佛山供电局,广东 佛山 528000;2 西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)摘要:交直流混联配电网已经成为未来配电网发展的重要趋势,为了充分发挥交直流混合配电网在降低网损、减少运行成本、增强新能源消纳等方面的优势,提出一种基于混合整数线性规划的交直流混联配电网多层优
2、化调度方法。该方法考虑到传统分布式调度优化由于优化模型非线性强、维数高而难以求解,通常存在着计算效率低、不收敛或者易陷入局部最优解的问题,首先对交直流混联电网进行结构分层,对每一层电网的潮流计算方程进行线性化处理,建立各层调度优化的线性化模型;然后采用目标级联法的思想对多层优化模型之间进行分布式协调,并利用混合整数线性规划方法对各子系统优化问题进行并行求解,得到最终的分布式调度优化结果;最后以 IEEE 30 节点为基础,建立一个典型的交直流混联配电网进行算例仿真,通过将所提方法与传统的集中式调度优化方法进行对比分析,验证了所提方法的正确性和优越性。关键词:交直流混联配电网;优化调度;线性化;
3、目标级联法;混合整数线性化规划方法中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号:1007-290X(2023)01-0035-13A Multi-layer Optimal Scheduling Method for AC/DC Hybrid DistributionNetwork Based on Mixed Integer Linear ProgrammingSUN Jingtao1,XU Xiaoyang1,ZHANG Xin2,WANG Ben2(1 CSG Guangdong Foshan Power Supply Bureau,Foshan,Guangdong 528000,Chin
4、a;2 School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China)Abstract:AC/DC hybrid distribution network has become an important trend in the future development of the distributionnetwork In order to give full play to the advantages of AC/DC hybrid distribution netw
5、ork in reducing network loss and operationcost and enhancing new energy consumption,this paper proposes a multi-layer optimal scheduling method based on mixed integerlinear programming Considers that the traditional distributed scheduling optimization model has the problems of low efficiency,nonconv
6、ergence or easy falling into the local optimal solution because of its strong nonlinearity and high dimension,this method firstlystratifies the structure of AC/DC hybrid power grid,linearizes the power flow calculation equation of each layer and establishes thelinearization model of each layer sched
7、uling optimization Then,the idea of target cascade method is used to coordinate the multi-layer optimization models,and the mixed integer linear programming method is used to solve the optimization problems of eachsubsystem in parallel and the final distributed scheduling optimization results are ob
8、tained Finally,based on IEEE 30-buses,thispaper establishes a typical AC/DC hybrid distribution network for simulation,and verifies the correctness and superiority of theproposed method by comparing with the traditional centralized scheduling optimization methodKey words:AC/DC hybrid distribution ne
9、twork;optimal scheduling;linearization;target cascade method;mixed integer linearprogramming method近年来,随着电力电子技术的发展,基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的直流输电技术在配电网中得到了广泛应用,这使得传统纯交流的配电网逐渐形成交直流混联运行的新电网形态1-3。直流输电系统最大的特点就是能够对有功功率和无功功率进行快速、灵活的独立控制,这一特点使得配电网具有更宽泛、更灵活的潮流调度能力,能够更充分地利用配电网中分布式电源出力特性,更好地平衡配电
10、网的负荷消耗。交直流混联第 36 卷 第 1 期广 东 电 力Vol.36 No.12023 年 1 月GUANGDONG ELECTIC POWEJan 2023配电网相对于传统纯交流配电网具有很多明显的优势4-6,包括:交直流混联配电网给分布式电源提供了更多的并网方式,减小了分布式电源并网对于交直流转换的要求,降低了功率转换成本,有效解决了分布式电源并网的经济性和技术性问题;交直流混联运行给配电网带来很多 VSC 接口,由于 VSC 自身所具有的交流电压或者无功功率控制能够很好地改善配电网电能质量,如电压波形优化补偿、电压波形畸变补偿等,因此能够减少配电网对无功补偿装置的依靠,降低配电网运
11、行成本;当交流配电网发生故障时,直流配电网能够采用负荷转移的运行方式,减小停电面积,隔离故障,提高整个系统的供电可靠性。提出智能电网的目的就是能够以环保和可持续的方式向数字信息社会提供更可靠和高质量的电力能源,而交直流混联电网的优势正好契合建设智能电网的目标。因此,交直流混联配电网作为一种新的电网形态,在未来将具有广阔的应用前景7-8。由于网内交直流混联运行结构复杂,交直流混联配电网调度优化问题一直是人们研究的热点。目前主要的调度优化方法可以分为 2 类:第 1 类是将交直流混联配电网视为一个整体,采用集中化调度优化方式对各发电单元和联络线功率进行求解9-12,这类方法特点是建模复杂、模型维数
12、高、计算量大,具有较好的计算精度,另外,这类方法不仅对调度优化的中央处理器要求很高,而且需要有较强的通信能力收集电网所有的生产信息和网络结构信息;第 2 类是考虑到交直流混联电网由多个交流配电网、直流配电网构成,根据其分布特性,对各部分采用分布调度优化,充分发挥增量配电网的自主运行能力,这类方法通常只需很少的数据报送和传输。当配电网规模较大时,集中式优化调度不仅控制难度大,而且调度策略相当复杂,因此目前对于交直流混联配电网调度优化的研究逐渐倾向于采用分层、分布式优化方式。文献 13在最优潮流模型基础上,采用模型预测控制方法进行滚动优化和反馈校正,提出基于模型预测控制的交直流混联配电网双层优化策
13、略;文献 14提出一种交直流混联配电网的分层分布式多源协调优化调度体系,其在局部调度层实现了多源联合出力互补优化,在区域调度层充分考虑各交直流配电网的自主运行特性,得到整体最优的调度方案;文献 15根据交直流混联配电网所表现的分区特性,建立了计及风电不确定性的交直流混合配电网分布式优化模型,该模型以 VSC 换流器为耦合元件,通过功率一致性约束对各子区域配电网进行全局协调,最后利用交替方向乘子进行迭代求解,实现了各区域子系统间功率平衡。总结以上文献发现目前针对交直流混联电网的优化调度研究均是基于求解复杂、高维度的大规模非线性优化问题,这使得这类方法始终存在求解困难、优化不收敛或者陷入局部最优解
14、以及求解耗时长等问题。因此本文对交直流混联配电网进行结构分层,利用线性化方法对交直流混联电网的各部分潮流计算方程进行线性化处理,从而建立各层电网的线性化调度优化模型,这不仅能够提高计算效率,还能够保证优化问题的收敛性和全局最优性。然后借助目标级联法的思想对各层优化进行协调,利用混合整数线性规划的方法对各子系统进行并行优化求解,进一步减小计算总耗时。最后在一个典型的交直流混联配电网中,通过与传统集中式调度优化方法对比验证本文方法的正确性和有效性。1交直流混联配电网结构分层交直流混合配电网通常由多个交流配电网、直流配电网以及连接二者的 VSC 换流站构成,其结构如图 1 所示。图 1交直流混联配电
15、网结构示意图Fig.1Structure of AC/DC hybrid distribution network在交直流混联配电网中,各交流配电网、直流配电网通常属于不同的利益主体,各主体间有相对独立的运行特性,因此交直流混联配电网适用于分布式控制和调度16。本文根据交直流混合配电网系统结构,将其分为 3 层,分别为交流配电网层、VSC 换流器层以及直流配电网层,其分层结构如图 2 所示。各层之间的交互特点为:只有相邻层之间存在信息流与功率流;各层分属不同利益主体,层内各子系统利益主体也不相同;层内子系统之间无信息交流,功率流动需通过上级层重新分配。63第 36 卷图 2交直流混联配电网分层
16、结构示意图Fig.2Hierarchical structure of AC/DChybrid distribution network2交直流混联配电网潮流线性化模型交直流混联配电网的潮流计算方程是构建系统优化调度模型的基础,传统分布式优化调度模型通常是基于非线性潮流计算方程,因此其最终所建优化调度模型会呈现强非线性、高维度的特点,这种优化调度模型不仅难以求解,而且可能存在不收敛或者陷入局部最优的情况。因此本文首先利用线性化方法对交直流混联电网潮流计算方程进行线性化,将非凸非线性交直流混合配电网优化调度模型转化为线性规划模型。2.1交流配电网潮流方程线性化对于交流配电网,根据系统网络方程可以
17、推导出支路的潮流方程为:PACij=GijU2i+UiUj(Gijcos ij+Bijsin ij),QACij=BijU2i+UiUj(Gijsin ij Bijcos ij)(1)式中:PACij、QACij分别交流节点 i 和 j 之间支路流过的有功功率和无功功率;Ui、Uj分别为交流节点 i 和 j 的节点电压幅值;ij为交流节点 i 和 j 的电压相角差;Gij、Bij分别为交流节点 i 和 j 之间支路的电导和电纳。考虑到潮流方程中非线性环节主要包括电压幅值平方项、多元变量的乘积项以及正弦、余弦相关项,因此本文将其进行线性化处理的基本思路为:将潮流方程中电压幅值平方项视作一个独立变
18、量;将潮流方程中正弦、余弦项在运行点处进行泰勒级数展开,忽略其高次项,仅保留一次项;将潮流方程中电压幅值乘积项转化为电压幅值平方项 11-12,17。将 UiUj视为一个新的独立变量,则有:UiUjcos ij sin ij0Ui0Uj0ij+cos ij0UiUj+ij0sin ij0Ui0Uj0,(2)UiUjsin ijcos ij0Ui0Uj0ij+sin ij0UiUj ij0sin ij0Ui0Uj0(3)式中:Ui0、Uj0分别为节点 i 和 j 的初始电压幅值;ij0为初始电压相角差。将(Ui Uj)视为一个整体的新变量,对(Ui Uj)2进行泰勒展开,并忽略其二次以上高次项,
19、则有:(Ui Uj)22(Ui0 Uj0)(Ui Uj)(Ui0 Uj0)22(Ui0 Uj0)Ui0+Uj0(U2i U2j)(Ui0 Uj0)2(4)根据UiUj=12U2i+U2j(Ui Uj)2(5)可以得到:UiUj=12U2i+U2j2(Ui0Uj0)Ui0+Uj0(U2iU2j)+(Ui0Uj0)2=12(1 2(Ui0Uj0)Ui0+Uj0)U2i+(1+2(Ui0Uj0)Ui0+Uj0)U2j+(Ui0Uj0)2(6)因此,根据式(2)、式(3)以及式(6)可以得到线性化后的交流配电网潮流计算方程为:PACij=(12Ui0Uj0Ui0+Uj0)(Gijcos ij0+Bij
20、sin ij0)GijU2i+(12+Ui0Uj0Ui0+Uj0)(Gijcos ij0+Bijsin ij0)GijU2j+Ui0Uj0(Bijcos ij0Gijsin ij0)ij+12(Ui0Uj0)2(Gijcos ij0+Bijsin ij0)+Ui0Uj0ij0(Gijsin ij0Bijcos ij0),QACij=(12Ui0Uj0Ui0+Uj0)(Gijsin ij0Bijcos ij0)BijU2i+(12+Ui0Uj0Ui0+Uj0)(Gijsin ij0Bijcos ij0)GijU2j+Ui0Uj0(Gijcos ij0+Bijsin ij0)ij+12(Ui0Uj
21、0)2(Gijcos ij0+Bijsin ij0)Ui0Uj0ij0(Gijcos ij0+Bijsin ij0)(7)2.2VSC 潮流方程线性化VSC 换流站主要用于连接交流配电网和直流配电网,其换流站内主要包含有换流变压器、换流电抗器、VSC 等。根据 VSC 的稳态运行特性,其73第 1 期孙景涛,等:一种基于混合整数线性规划的交直流混联配电网多层优化调度方法连接结构如图 3 所示。图 3 中:Psk、Qsk分别为第k 个 VSC 交流侧注入有功功率和无功功率;Usk、sk和 Uck、ck分别为第 k 个 VSC 交流侧母线电压幅值、相角和换流器输出电压幅值、相角;Pdk、Qdk分别
22、为注入到第 k 个 VSC 的有功功率、无功功率;k、X1k分别为第 k 个 VSC 交流侧等效电阻、电抗;Udk为第 k 个 VSC 直流侧电压。图 3VSC 的等效连接电路Fig.3Equivalent connection circuit of VSC根据 VSC 运行稳态特性可知,交流配电网注入到 VSC 换流站的潮流方程为:Psk=kMk2UdkUskYksin(kk)+U2skYksin k,Qsk=kMk2UdkUskYkcos(kk)+U2skYkcos k+U2skXck(8)式中:k为直流电压利用率;Mk为 VSC 换流器调制比,满足 0Mk1;Yk=1/k+jXlk;k=
23、arctan(Xlk/k);k=sk ck。VSC 注入的潮流方程为:Pdk=kMk2UdkUskYksin(k+k)(kMk2Udk)2Yksin k(9)根据 VSC 的运行原理,VSC 交流侧与直流侧电压幅值应该满足Uck=k2MkUdk(10)按照对电压幅值平方项、多元变量的乘积项以及正弦余弦相关项的线性化处理方式,式(8)和式(9)所示潮流方程中涉及的非线性环节sin(),在运行点 0处对其进行泰勒级数展开,忽略二次以上高次项,可得sin()sin(0)+cos(0)(0)=cos(0)+sin(0)0cos(0)(11)对于非线性环节 UsUc,视 UsUc为一个独立新变量,对其进
24、行二元泰勒展开,忽略二次以上高次项,可得UsUcUsUc0+Us0Uc0 Us0Uc00(12)相对于交流配电网潮流计算方程线性化,VSC注入潮流线性化中会有(Us Uc)2项。考虑到该项与 VSC 等效有功损耗近似只有系数上的差别,本文将(Us Uc)视作一个新的变量同式(4),对(Us Uc)2项继续运行泰勒展开进行线性化,则有(Us Uc)22(Us0 Uc0)(Us Uc)(Us0 Uc0)2(Us0 Uc0)Us0+Uc0(U2s U2c)(Us0 Uc0)2(13)因此,根据以上线性化处理,式(8)中的交流配电网注入 VSC 的有功功率线性化潮流方程为:Psk=12(r1k0Yk+
25、r2Yk)(1 2Usk0Uck0Usk0+Uck0)+Yksin U2sk+12(r1k0Yk+r2Yk)(1+2Usk0Uck0Usk0+Uck)0U2ck+r1YkUsk0Uck0k+12(r1k0Yk+r2Yk)r1YkUsk0Uck0k0(14)式中:r1=cos(0),r2=sin(0)0cos(0)。式(8)中的交流配电网注入 VSC 的无功功率线性化潮流方程为:Qsk=12(r3k0Yk+r4Yk)1 2Usk0 Uck0Usk0+Uck()0+Ykcos +1XcU2sk12(r3k0Yk+r4Yk)1+2Usk0 Uck0Usk0+Uck()0U2ck r3YkUsk0Uc
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