考虑变流器四象限运行的不平衡配电网DESS两阶段优化配置.pdf
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1、分布式储能(distributed energy storage system,DESS)可通过功率四象限运行以高效服务于配电网电压管理。现有以改善电压质量为导向的 DESS 优化配置研究缺乏对储能功率四象限运行和配网三相不平衡状态的全面考虑。为此,提出一种适用于不平衡配电网的功率四象限 DESS 两阶段优化配置方法。在选址阶段,基于三相牛顿-拉夫逊潮流算法提出全维电压灵敏度分析方法,从提升系统电压质量的角度深入探究 DESS 的最优选址。在定容阶段,考虑系统运行经济效益,以年均投运成本最低和节点电压偏差最小为优化目标建立了 DESS 经济运行模型,通过粒子群-灰狼优化算法进行求解。以改进 I
2、EEE33 节点三相配电网为例开展算例分析,仿真结果验证了所提方法的有效性。关键词:不平衡配电网;分布式储能;电压质量;功率四象限运行;灵敏度分析 Two-stage optimal configuration of DESS for an unbalanced distribution network considering four-quadrant operation of converters LI Yingliang1,CAI Heming1,WANG Deming2,BAI Boxu1,WU Xiaomeng1(1.School of Electronic Engineering,
3、Xian Shiyou University,Xian 710065,China;2.Shaanxi Railway Institute,Weinan 714000,China)Abstract:A distributed energy storage system(DESS)can efficiently perform voltage management of the distribution network through four-quadrant power operation.The existing DESS optimal configuration research ori
4、ented to improve the voltage profile lacks a comprehensive consideration of the power four-quadrant operation of DESSs and the three-phase imbalance of the distribution network.Therefore,a two-stage optimal configuration method of power four-quadrant DESS suitable for an unbalanced distribution netw
5、ork is proposed.In the placement stage,based on the three-phase Newton-Raphson power flow algorithm,a full-dimensional voltage sensitivity analysis method is proposed to explore the optimal location of DESSs from the perspective of improving system voltage quality.In the capacity allocation stage,co
6、nsidering the economic benefits of system operation,the DESSs economic operation model is established with the lowest average annual operation cost and the smallest voltage deviation of buses as the optimization objectives.Then the particle swarm-grey wolf algorithm is used to solve it.Taking the im
7、proved IEEE 33-bus three-phase distribution network as an example,simulation results verify the effectiveness of the proposed method.This work is supported by the Science and Technology Basic Research Program of Shaanxi Province(No.2021JM-404).Key words:unbalanced distribution network;distributed en
8、ergy storage system;voltage quality;power four-quadrant operation;sensitivity analysis 0 引言 随着以光伏和风电为代表的可再生能源发电在 基金项目:陕西省科技计划基础研究项目资助(2021JM-404);陕西省教育厅科研计划项目资助(21JK0843);国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点项目资助(U20B2029);陕西省重点研发计划项目资助(2021KW-33);西安石油大学研究生创新与实践能力培养计划项目资助(YCS22213112)配电网中以分布式电源(distributed generatio
9、n,DG)的形式大量接入1-3,网络潮流的不确定性进一步增加,对配电网的电能质量产生了不利影响4,特别是导致的馈线上电压波动、偏差和越限等电压质量问题5-6。分布式储能装置(distributed energy storage system,DESS)作为配电网中重要的能量调节设备,已成为当前的研究热点之一。其在电网侧广泛参与系统调频、调压和提高可再生能源消纳7-9等调节过程。储能系统可通过储能变流器(power conversion 李英量,等 考虑变流器四象限运行的不平衡配电网DESS 两阶段优化配置 -107-system,PCS)控制电力电子元件的导通和关断,改变输出电压的大小和相位,
10、进而实现有功、无功功率的独立控制,具备功率的四象限快速调节能力10。对于高渗透率清洁能源并网造成的电压质量问题,DESS 可进行有功/无功协调控制,更有利于潮流调控和电压调节,对于改善电网不同类型的电压质量问题具有显著的技术优势11-12。此外,DESS 还具有降低网络传输的电能损耗、电价套利等功能,有助于提升系统运行的经济性。所以,合理的 DESS配置方案不仅可以提升供电质量,还可以降低供电成本。因此,配电网中 DESS 的优化配置研究必不可少且具有重要意义。目前,国内外有关通过储能以提升配电网电压质量的研究成果斐然。文献13-14研究了含储能的配电网电压控制策略,结果表明通过对储能运行方案
11、的决策可有效减少节点电压越限和电压波动;文献15以降低配电网电压偏差为目标,提出一种压缩空气储能的多状态运行决策模型,并使用二阶锥规划予以求解。上述研究以提升系统电压质量为目标讨论了储能装置的运行决策方法,但未考虑储能并网位置对其电压调节能力的影响。文献16利用骑手优化算法(rider optimization algorithm,ROA)得到了 DG 和电池储能的选址定容方案,通过配置储能提升了系统的低电压稳定性。文献17建立了 DESS 双层规划模型,上层为配置层,以系统运行经济性为目标;下层为运行层,以电压偏移最小为目标。文献18根据电压灵敏度分析设计了一种事件触发的混合电压调节方法,并
12、据此得到了电池储能系统的最佳配置容量。文献19-20基于电压灵敏度分析结果确定了储能服务于电压调节的最佳并网位置,减小了算法的求解空间。文献21-22基于三相网络模型,分析了含 DG 的不平衡配电网中储能设备的运行特征,并以提高电压质量为目标建立了不平衡配电网储能优化配置模型。上述研究仅考虑了储能与电网的有功功率交互,忽略了其无功调节能力。由于配电网中线路 R/X 值较大的特性,线路有功功率和无功功率流动的变化均会对系统节点电压、网损等产生较大影响23。文献24考虑储能系统功率四象限运行策略,给出了主动配电网最优调度策略,结果表明储能的无功出力可以显著提升系统的调压能力。文献25以储能无功功率
13、等为控制变量,利用原始对偶内点法解决了住宅区配电网的凸二次规划最优潮流问题。仿真分析验证了具备无功输出能力的储能系统可以作为电能质量补偿问题的优秀解决方案。但文献24-25未在选址阶段考虑储能并网位置对其电压调节能力的影响,且计及储能的功率四象限运行策略,也会对其选址方案的决策产生影响。文献26计及储能系统的无功调节能力,以提高配电网经济效益和提升电压质量为目标建立了储能选址定容模型,并使用混合整数二阶锥规划方法进行求解,但该研究基于理想的平衡网络模型展开,未讨论配电网中普遍存在的三相不平衡现象。综上所述,现有服务于配电网电压调节的DESS 优化配置研究,缺乏对储能功率四象限运行和配电网三相不
14、平衡状态的全面考虑。针对这一不足,本文考虑 PCS 功率四象限运行方式,基于三相网络模型提出了面向高 DG 渗透率的不平衡配电网DESS 选址定容两阶段优化配置方法。相对于使用平衡网络模型,该方法更贴近配电网实际运行状态;同时考虑了储能的无功输出,可更全面、有效地发挥配电网 DESS 的电压调节能力,具有更高的实际参考价值。在选址阶段,同时考虑有功和无功功率与电压幅值的耦合元素,通过改进电压灵敏度分析以确定 DESS 并网位置;在定容阶段,基于三相潮流计算并计及三相不平衡度等约束条件,以最小化年均运行成本为优化目标建立了 DESS 容量优化配置模型,然后使用粒子群灰狼优化算法进行求解。以改进
15、IEEE33 节点三相配电网系统为例进行算例分析,仿真验证了本文所提的不平衡配电网 DESS 两阶段优化配置方法的有效性和优越性。1 基于全维电压灵敏度的 DESS 选址模型 传统基于电压灵敏度分析的分布式储能选址方法通常建立在储能仅与电网交互有功功率的前提下,只考虑了灵敏度矩阵中的 P-U 耦合元素。当考虑储能无功功率运行时,传统方法则不再适用。1.1 含 DESS 的配电网功率-电压灵敏度分析 简单的 n 节点辐射式配电网结构示意图如图 1所示。则注入任意节点 k 的支路有功、无功功率为 Load,DG,DESS,Load,DESS,kkkkkkkiikkkkiiPPPPPQQQQ (1)
16、式中:DESS,DESS,jkkPQ为 k 节点并网的 DESS 运行功率;jkkPQ为k节点的注入功率;jkikiPQ为流出k节点的功率;k为所有与k节点直接相连的下级支路末端节点的集合;Load,Load,jkkPQ为k节点处的负载功率;DG,kP为k节点并网的分布式电源输出功率。-108-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图 1 配电网结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of distribution network structure 同一馈线上任意两节点间电压降落纵分量为 1kkkkkkkkP RQ XUUUU (2)式中:kU为k节点电压幅值;jkkRX
17、为1k 节点至k节点间的线路阻抗。联立式(1)、式(2)可得 20Load,DG,DESS,Load,DESS,()()kkkkkikkkikjikkkjjjU UUR PPPPX QQQ (3)式中,k为k节点至上级变电站或具有调压功能的变压器节点路径中节点的集合。为衡量并网DESS功率变化对节点电压kU的影响程度,对式(3)求导,即 DESS,0DESS,DESS,DESS,DESS,(2)1,0,kkki nkkiiyykyPUUURPPPykykP (4)0,DESS,0,2,2kjiikP Ukk yyiikRjkUUUSPRjkUU (5)式中,,P Uk yS为k节点电压幅值对y
18、节点DESS设备输出有功功率的灵敏度值。分析式(5)可知,,P Uk yS与DESS并网位置有关:当DESS位于k节点上游时,其值较小,且越靠近根节点越小;当DESS位于k节点及其下游时,,P Uk yS有最大值。故当DESS位于本地或下游节点时,其对本地电压水平的调节能力最强。同理可得k节点电压幅值对y节点 DESS无功功率的灵敏度为 0,0,2,2kjiikQ Uk yiikXjkUUSXjkUU (6)分析式(5)、式(6)可知,有功功率和无功功率对电压幅值的耦合强弱之比等于线路阻抗比,两式相除则有(),()kykyiP Uik yQ Uk yiiRSSX (7)为全面考量DESS的四象
19、限功率输出对节点电压幅值的影响,需整体计及节点有功、无功与电压幅值的耦合关系。利用式(7)可在电压灵敏度分析中定量计算P-U、Q-U灵敏度矩阵中元素所占权重。1.2 考虑无功耦合的电压灵敏度分析策略 由极坐标三相N-R潮流计算可得潮流方程为 1A,B,C1A,B,C(cossin)(sincos)A,B,CnmmmpmpmpmppiiijijijijjjpnmmmpmpmpmppiiijijijijjjpPUGBUQUGBUm (8)式中:n为系统节点数;jmmiiPQ为i节点 m相的注入功率;miU为i节点 m相的电压幅值;pjU为j节点P相的电压幅值;jmpmpijijGB为i节点m相和j
20、节点p相间的支路导纳;mpij为t时刻i节点m相和j节点p相的相角差。其中,修正方程中的雅可比子矩阵 N 与 L 分别表征了P 与U、Q与U的耦合关系,即 11UNPULQ (9)式中:1N和1L分别为节点有功-电压(P-U)、无功-电压(Q-U)灵敏度矩阵。以1L为例,其中第i行每个元素表示其对应的各节点注入无功功率变化Q后,i节点电压的变化情况;第i列中每个元素表示i节点的注入无功功率变化Q后,对应各节点电压的变化情况。同样地,1N矩阵中元素的含义此处不再赘述。1.3 基于全维电压灵敏度的DESS选址策略 1.1节中的结论表明DESS并网位置对其电压调节能力有直接影响,故可通过在传统灵敏度
21、分析李英量,等 考虑变流器四象限运行的不平衡配电网DESS 两阶段优化配置 -109-方法中引入电压偏移系数以区分不同节点的调压需求,进而在调压需求大的节点或其下游接入DESS,以最大化其电压调节能力。则有27 ,1,12,ref()ij tnmmi tmj tjmmj tj tSNwwUU (10)式中:,1ij tmN为有功电压灵敏度矩阵中的元素;,mj tw为节点电压偏移系数;,mj tU为t时刻相应节点的电压;Uref为参考电压。结合式(7)的结论,将无功耦合元素引入式(10)中,有,11,12,ref()()ij tij tmmnijijmmi tmmj tmmmmjijijijij
22、mmj tj tRXSNLwRXRXwUU (11)式中:,mi tS为t时刻i节点m相的全维电压灵敏度;,1ij tmL为无功电压灵敏度矩阵1L中的元素;jmmijijRX为线路阻抗。式(11)计及了无功-电压耦合元素,因此,可以全面考量DESS的有功及无功功率输出对节点电压幅值的影响。而节点的全维电压灵敏度方差越大,则表示该节点的全维电压灵敏度随着日内负荷的变化而波动的程度越大,即负荷变化对该节点的电压水平影响更大。为了尽可能地提高DESS抬升系统电压水平的效果,本文基于全维电压灵敏度方差确定DESS接入配电网的位置。网络中各节点的全维电压灵敏度方差为 2,()mi mi tD S (12
23、)式中,2,i m为i节点m相的全维电压灵敏度方差(full-dimensional voltage sensitivity variance,FVSV)。在所有DESS待接入节点中,FVSV越大的节点,其全维电压灵敏度波动范围越大,在该节点安装储能装置整体上越有利于抬升系统的电压水平。2 计及电压偏差的 DESS 优化定容模型 目前电池储能设备的成本高昂,为保证配置方案的合理性与可行性,本文选取DESS投运成本及系统运行成本作为优化目标;计及三相不平衡度约束等运行约束建立DESS容量优化配置模型。同时考虑可再生能源发电的随机性与波动性对系统电压质量带来的影响,将节点电压偏差引入目标函数中,利
24、用储能设备灵活的功率调节能力提升配电网电压质量。2.1 目标函数 本文建立的DESS容量优化模型的目标函数为单目标经济性函数,即年均运营成本C可表示为 DESSOPEmin CCC (13)式中:DESSC为分布式储能年均投运成本;OPEC为配电网年均运行成本。1)分布式储能年均投运成本CDESS DESSinvomCCC (14)inveDESS,sDESS,1(1)()(1)1qyddydCc Ec H (15)omomDESS,1qddCcH (16)式中:invC和omC分别为DESS的年均一次投资成本和年均运行成本;q为储能接入数;为年利率;y为储能运行寿命;ec、sc分别为DESS
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