本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及交直流混合配電網(wǎng)，具體涉及換流器控制方式與配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法，為一種基于直流線路的區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法。

背景技術(shù)：

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著傳統(tǒng)能源的長期消耗，能源枯竭、環(huán)境問題等逐漸凸顯，在綠色能源技術(shù)的發(fā)展下，越來越多的清潔能源如光能、風(fēng)能、地?zé)崮艿鹊玫搅死?，與之對應(yīng)的發(fā)電技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展。目前新能源發(fā)電的研究成為了當(dāng)前電力系統(tǒng)的研究熱點，隨著技術(shù)的提升，越來越多的分布式電源接入了電力網(wǎng)絡(luò)。

分布式電源并網(wǎng)方式多樣，具有間歇性和隨機性，其大量接入加重了本來就復(fù)雜的配電網(wǎng)的運行負(fù)擔(dān)，表現(xiàn)為對配電網(wǎng)供電可靠性、電能質(zhì)量、運行方式和繼電保護等有很大影響。且分布式電源輸出功率的調(diào)整范圍有限，往往負(fù)荷密集臺區(qū)與分布式電源密集臺區(qū)不一致，對于分布式電源過剩的配電臺區(qū)，功率倒送到上級電網(wǎng)再填補容量不足的配電臺區(qū)，改變了上級電網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)，將給電網(wǎng)運行安全帶來隱患。此外，電動汽車的推廣應(yīng)用進一步加重了配電區(qū)域隨機負(fù)荷比重，增加了相應(yīng)配電變壓器輸送電能的波動性，尤其是當(dāng)大量電動汽車同時充電時，配電變壓器需要增加比平時更多的額外功率傳送。

分布式電源及電動汽車的分配不均將導(dǎo)致部分區(qū)域配電變壓器容量不足，部分區(qū)域配電變壓器利用率低的情況，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行。對于地理位置上臨近的上述配電臺區(qū)可以通過互聯(lián)線路實現(xiàn)臺區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，平衡各臺區(qū)分布式電源功率和負(fù)荷功率，減少分布式電源及電動汽車對上級電網(wǎng)的影響。各臺區(qū)之間采用直流線路交換功率，一方面可以降低隨機負(fù)荷對單個臺區(qū)的影響，另一方面可以減少能源在傳輸過程中的損耗，提高能源利用效率。因此，采用直流網(wǎng)絡(luò)進行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，可以實現(xiàn)不同配電臺區(qū)之間的負(fù)荷均衡分布，降低隨機負(fù)荷對單個臺區(qū)的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：傳統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供認(rèn)為上級電網(wǎng)注入交流區(qū)域的功率應(yīng)當(dāng)按區(qū)域配電變壓器容量分配，但是這種分配并不是系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)的方案，并且傳統(tǒng)方法認(rèn)為負(fù)荷在很小的范圍內(nèi)波動，直流線路通過負(fù)荷轉(zhuǎn)供平抑這個波動，因此現(xiàn)有的直流線路負(fù)荷轉(zhuǎn)供中，直流線路上傳輸?shù)娜萘枯^小，沒有很好的發(fā)揮直流線路傳輸容量大損耗小的特點，尤其近幾年vsc技術(shù)不斷成熟，容量逐漸增加的前提下，急需一種通過大容量負(fù)荷轉(zhuǎn)供實現(xiàn)系統(tǒng)損耗降低的技術(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于直流線路的區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法，包括以下步驟：

s1、建立利用直流線路連接交流配電區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：從各個配電區(qū)域引出聯(lián)絡(luò)線，通過vsc換流器轉(zhuǎn)換為直流線路形式，各個區(qū)域互聯(lián)形成直流配電網(wǎng)絡(luò)，用于進行區(qū)域間的負(fù)荷調(diào)整；

s2、根據(jù)直流配電網(wǎng)絡(luò)特征，計算約束條件，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束、潮流方程約束、節(jié)點電壓約束、支路電流約束以及設(shè)備容量約束；

s3、換流器通過輸出的有功和無功功率對連接的交流配電區(qū)域進行負(fù)荷調(diào)整，則以每個vsc換流器注入交流配電區(qū)域的有功功率作為自變量，以各交流配電區(qū)域總損耗最小作為目標(biāo)函數(shù)，建立負(fù)荷轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型，并以負(fù)荷轉(zhuǎn)供前上級電網(wǎng)注入總有功功率的[0.8-1.2]倍作為功率約束，其中，上級電網(wǎng)注入總有功功率按區(qū)域配電變壓器容量分配；

s4、采用遺傳算法對s3中的優(yōu)化模型求解，針對每一代自變量，通過交直流三相潮流計算獲取配電網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，根據(jù)潮流結(jié)果計算交流部分有功損耗、直流部分有功損耗以及換流器有功損耗，得到整個配電網(wǎng)絡(luò)的有功損耗；

s5、判斷s4求解中迭代的代數(shù)是否達到設(shè)定值，若達到，則求解結(jié)束，計算輸出各換流器功率，完成對交流配電區(qū)域的負(fù)荷調(diào)整，若未達到，則繼續(xù)遺傳算法的迭代，進行交叉變異運算，產(chǎn)生新的種群，返回s4繼續(xù)求解。

進一步的，s2中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束為：交流部分需滿足輻射狀運行狀態(tài)。

進一步的，s2中，潮流方程約束具體為：負(fù)荷轉(zhuǎn)供后的網(wǎng)絡(luò)必須同時滿足交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)的潮流方程，即交流部分滿足：

其中，n為交流節(jié)點數(shù)，i、j表示交流節(jié)點；pia、qia分別為節(jié)點i的a相注入有功和無功功率；gijaa、gijab和gijac分別為支路ij的三相電導(dǎo)；bijaa、bijab和bijac分別為支路ij的三相電納；θiaja、θiajb和θiajc分別為節(jié)點i、j間三相相角差；uja、ujb和ujc分別為節(jié)點j的三相電壓幅值；uia為節(jié)點i的a相電壓幅值；

上述為三相電流的a相潮流方程，其它兩相同理；

直流部分滿足

其中，s為直流節(jié)點數(shù)，p、q表示直流節(jié)點；pp為節(jié)點p的有功注入；up、uq分別為節(jié)點p和q的節(jié)點電壓；ip為節(jié)點p的注入電流；gpq為支路pq間電導(dǎo)。

s2中，節(jié)點電壓約束為：節(jié)點電壓不能越過該節(jié)點的電壓上下限。

s2中，支路電流約束為：支路電流不能超過該支路的電流上限。

s2中，設(shè)備容量約束為：在控制注入功率時，保證網(wǎng)絡(luò)中變壓器元件不過載。

s3中目標(biāo)函數(shù)為：

其中，f為各交流配電區(qū)域總損耗，m為區(qū)域數(shù)；ploss,k為區(qū)域k的有功損耗；

自變量為直流電網(wǎng)向各交流區(qū)域注入的有功功率；

上級電網(wǎng)注入功率約束條件：

0.8pban,rate≤pban≤1.2pban,rate

其中，pban為上級電網(wǎng)注入功率；pban,rate為上級電網(wǎng)注入功率的額定值，額定功率按區(qū)域配電變壓器容量分配；建立的優(yōu)化模型，采用遺傳算法求解。

進一步的，s4中，三相交直流潮流計算采用交替迭代的方法，交流側(cè)采用三相牛頓拉夫遜法求解，直流側(cè)采用普通牛頓拉夫遜法求解，潮流計算流程如下：

1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括線路參數(shù)和節(jié)點信息，所獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)分為三類：交流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)、直流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)以及vsc換流器數(shù)據(jù)；

2)形成交流配電網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣以及直流配電網(wǎng)節(jié)點電導(dǎo)矩陣；

3)設(shè)置潮流計算初始值，以及交流部分、直流部分計算標(biāo)志fac＝0和fdc＝0；

4)利用恒定交流功率控制的vsc提供功率值求解直流網(wǎng)絡(luò)注入功率，該節(jié)點為直流網(wǎng)絡(luò)p節(jié)點，恒定直流電壓控制的vsc節(jié)點為v節(jié)點；

5)計算直流網(wǎng)絡(luò)潮流，判斷結(jié)果與上次是否一致，若不一致，則fdc＝0，轉(zhuǎn)6)，若一致，則fdc＝1，再判斷fac是否為1，若為1，則計算結(jié)束，否則轉(zhuǎn)6)；

6)利用恒定直流電壓控制的vsc節(jié)點求解交流網(wǎng)絡(luò)注入有功，該控制方式下注入無功恒定，該節(jié)點視作pq節(jié)點，恒定交流功率控制的vsc節(jié)點也視作pq節(jié)點；

7)求解交流網(wǎng)絡(luò)潮流，判斷結(jié)果與上次是否一致，若不一致，則fac＝0，轉(zhuǎn)4)，若一致，則fac＝1，再判斷fdc是否為1，若為1，則計算結(jié)束，否則轉(zhuǎn)4)。

本發(fā)明提出一種利用vsc的直流線路區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法，通過直流線路的大容量負(fù)荷轉(zhuǎn)供實現(xiàn)系統(tǒng)損耗降低。雖然目前已有學(xué)者研究單個交直流系統(tǒng)間的負(fù)荷轉(zhuǎn)供，并以交直流系統(tǒng)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，計算得出轉(zhuǎn)移負(fù)荷的大小，但與之不同的是，本發(fā)明所提出的負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法意在平衡多交流區(qū)域間負(fù)荷，直流部分無負(fù)荷，僅做為傳輸路線，傳輸功率既要滿足直流線路功率上下限約束，又要考慮功率傳輸后交流系統(tǒng)的電壓功率約束，并且交流部分還需考慮計及三相不平衡的影響。多個交流區(qū)域通過直流部分實現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，涉及的變量和約束等電路狀況相比單獨的交直流系統(tǒng)的負(fù)荷平衡復(fù)雜的多。

本發(fā)明提出一種基于遺傳算法的直流線路負(fù)荷轉(zhuǎn)供技術(shù)，改變傳統(tǒng)認(rèn)定按區(qū)域配電變壓器容量分配的設(shè)定，將上級電網(wǎng)注入功率作為一定范圍變化的約束條件，在滿足這個條件和系統(tǒng)安全的前提下，認(rèn)為交流區(qū)域間的直流線路能夠功率傳輸任意大小功率，以此為前提，以整個系統(tǒng)有功損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，直流線路傳輸功率作為自變量建立優(yōu)化模型，最終得出最優(yōu)負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種基于直流線路的區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法流程圖。

圖2為本發(fā)明方法中直流線路負(fù)荷轉(zhuǎn)供拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明方法中單個交流配電區(qū)域配電情況結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明方法中換流器輸出功率及網(wǎng)絡(luò)損耗計算流程圖。

圖5為依據(jù)本發(fā)明方法改進的ieee14節(jié)點案例負(fù)荷轉(zhuǎn)供拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種基于直流線路的區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法，其方法流程如圖1所示。

步驟s1，建立利用直流線路連接交流配電區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，在不改變原有交流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，從各個配電區(qū)域引出聯(lián)絡(luò)線，通過vsc換流器轉(zhuǎn)換為直流形式，區(qū)域互聯(lián)形成直流配電網(wǎng)，進行各區(qū)域間的負(fù)荷調(diào)整。

由于直流配電網(wǎng)需要至少一個恒定電壓節(jié)點作為平衡節(jié)點控制網(wǎng)絡(luò)電壓等級，因此，在進行負(fù)荷轉(zhuǎn)供時可以考慮其中一個vsc節(jié)點作為恒定電壓節(jié)點，其余節(jié)點根據(jù)區(qū)域負(fù)荷與配電容量計算所需功率，采用恒定交流功率控制方式向交流電網(wǎng)注入相應(yīng)功率。

步驟s2，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)特征，提出負(fù)荷轉(zhuǎn)供約束條件。

綜合考慮交流網(wǎng)絡(luò)約束和直流網(wǎng)絡(luò)約束，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束、潮流方程約束、節(jié)點電壓約束、支路電流約束以及設(shè)備容量約束。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束方面，由于配電網(wǎng)采用“閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行”，在進行負(fù)荷轉(zhuǎn)供時，為了不影響運行方式，交流部分需滿足輻射狀運行狀態(tài)。

潮流方程約束方面，潮流方程是網(wǎng)絡(luò)求解的依據(jù)，真實反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，潮流方程約束具體為：負(fù)荷轉(zhuǎn)供后的網(wǎng)絡(luò)必須同時滿足交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)的潮流方程，即交流部分滿足：

其中，n為交流節(jié)點數(shù)，i、j表示交流節(jié)點；pia、qia分別為節(jié)點i的a相注入有功和無功功率；gijaa、gijab和gijac分別為支路ij的三相電導(dǎo)；bijaa、bijab和bijac分別為支路ij的三相電納；θiaja、θiajb和θiajc分別為節(jié)點i、j間三相相角差；uja、ujb和ujc分別為節(jié)點j的三相電壓幅值；uia為節(jié)點i的a相電壓幅值；

上述為三相電流的a相潮流方程，其它兩相同理；

直流部分滿足

其中，s為直流節(jié)點數(shù)，p、q表示直流節(jié)點；pp為節(jié)點p的有功注入；up、uq分別為節(jié)點p和q的節(jié)點電壓；ip為節(jié)點p的注入電流；gpq為支路pq間電導(dǎo)。

節(jié)點電壓約束方面，與潮流計算類似，電壓不能越限，即節(jié)點電壓的變化受其本身的電壓上下限約束。

支路電流約束方面，支路電流同樣不能越限，即流過某一支路的電流不能超過支路本身能支持的電流上限。

設(shè)備容量約束方面，由于采用直流線路進行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，換流器注入交流線路的功率是可控的，會相應(yīng)改變上一級電網(wǎng)注入該區(qū)域的功率，如果控制方式不當(dāng)，可能導(dǎo)致該區(qū)域配電容量不足，導(dǎo)致變壓器過載，因此，在控制注入功率時，要保證網(wǎng)絡(luò)中變壓器等元件不過載。

步驟s3，以每個換流器注入交流系統(tǒng)的有功作為自變量，以各交流區(qū)域總損耗最小作為目標(biāo)函數(shù)，建立負(fù)荷轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型。目標(biāo)函數(shù)為：

其中，f為各交流配電區(qū)域總損耗，m為區(qū)域數(shù)；ploss,k為區(qū)域k的有功損耗；

自變量為直流電網(wǎng)向各交流區(qū)域注入的有功功率；

上級電網(wǎng)注入功率約束條件：

0.8pban,rate≤pban≤1.2pban,rate

其中，pban為上級電網(wǎng)注入功率；pban,rate為上級電網(wǎng)注入功率的額定值，額定功率按區(qū)域配電變壓器容量分配；

上面的公式表示以負(fù)荷轉(zhuǎn)供前上級電網(wǎng)注入總有功功率的[0.8,1.2]倍作為功率約束，其中，上級電網(wǎng)注入總有功功率按區(qū)域配電變壓器容量分配。

對于單個交流配電區(qū)域，如圖3所示，其中，psk為上級電網(wǎng)注入功率，plk為區(qū)域負(fù)荷總功率(包含分布式電源輸出功率)，pck為換流器交流側(cè)注入功率。若不計網(wǎng)絡(luò)損耗，則注入功率與負(fù)荷功率相等，即：

plk＝psk+pck(4)

為保障各區(qū)域穩(wěn)定運行，按照配變?nèi)萘窟M行負(fù)荷分配，則：

其中，sk為該區(qū)域配電變壓器容量，為所有互聯(lián)區(qū)域配電變壓器容量總和，為各區(qū)域注入功率總和。

步驟s4，通過潮流計算獲取配電網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，根據(jù)潮流結(jié)果計算交流部分有功損耗、直流部分有功損耗以及換流器有功損耗，得到整個配電網(wǎng)絡(luò)的有功損耗，對總損耗最小的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化求解。

在圖3的基礎(chǔ)上，引入網(wǎng)絡(luò)損耗ploss,k，則式(4)變?yōu)椋?/p>

plk+ploss,k＝psk+pck(6)

網(wǎng)絡(luò)損耗：

ploss,k＝psk+pck-plk(7)

等式右邊3個變量分別為平衡節(jié)點注入有功、換流器注入有功以及負(fù)荷節(jié)點注入有功，即所有交流節(jié)點注入功率之和，利用潮流計算結(jié)果可以直接求得。

對于負(fù)荷轉(zhuǎn)供部分的直流線路，其網(wǎng)絡(luò)損耗等于各個換流器節(jié)點注入交流線路有功功率之和的負(fù)數(shù)，即

其中，pvsc,t為換流器t注入交流側(cè)有功功率，換流器總數(shù)為t。對于采用恒定交流功率控制的換流器，其注入交流側(cè)有功功率已知，對于采用恒定直流電壓控制的換流器，其注入交流側(cè)有功功率為該節(jié)點注入直流側(cè)有功功率加上換流器有功損耗。

綜合式(7)和式(8)，交直流混合配電網(wǎng)總損耗為：

其中，潮流計算的具體計算方法為：三相交直流潮流計算采用交替迭代的方法，交流側(cè)采用三相牛頓拉夫遜法求解，直流側(cè)采用普通牛頓拉夫遜法求解，潮流計算流程如下：

1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括線路參數(shù)和節(jié)點信息，所獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)分為三類：交流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)、直流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)以及vsc換流器數(shù)據(jù)；

2)形成交流配電網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣以及直流配電網(wǎng)節(jié)點電導(dǎo)矩陣；

3)設(shè)置潮流計算初始值，以及交流部分、直流部分計算標(biāo)志fac＝0和fdc＝0；

4)利用恒定交流功率控制的vsc提供功率值求解直流網(wǎng)絡(luò)注入功率，該節(jié)點為直流網(wǎng)絡(luò)p節(jié)點，恒定直流電壓控制的vsc節(jié)點為v節(jié)點；

5)計算直流網(wǎng)絡(luò)潮流，判斷結(jié)果與上次是否一致，若不一致，則fdc＝0，轉(zhuǎn)6)，若一致，則fdc＝1，再判斷fac是否為1，若為1，則計算結(jié)束，否則轉(zhuǎn)6)；

6)利用恒定直流電壓控制的vsc節(jié)點求解交流網(wǎng)絡(luò)注入有功，該控制方式下注入無功恒定，該節(jié)點視作pq節(jié)點，恒定交流功率控制的vsc節(jié)點也視作pq節(jié)點；這里的pq節(jié)點指節(jié)點的有功功率p和無功功率q是給定的。

7)求解交流網(wǎng)絡(luò)潮流，判斷結(jié)果與上次是否一致，若不一致，則fac＝0，轉(zhuǎn)4)，若一致，則fac＝1，再判斷fdc是否為1，若為1，則計算結(jié)束，否則轉(zhuǎn)4)。

步驟s5，利用遺傳算法求解建立的負(fù)荷轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型，遺傳算法交叉率設(shè)定為0.95，變異率設(shè)定為0.01。判斷s4求解中迭代的代數(shù)是否達到設(shè)定值，若達到，則求解結(jié)束，計算輸出各換流器功率，完成對交流配電區(qū)域的負(fù)荷調(diào)整，若未達到，則繼續(xù)遺傳算法的迭代，進行交叉變異運算，產(chǎn)生新的種群，返回s4繼續(xù)求解。

采用3個配電區(qū)域的算例進行基于直流線路的區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供方法驗證，網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷轉(zhuǎn)供拓?fù)淙鐖D5所示。指定vsc1所連區(qū)域配變?nèi)萘繛?0mva，vsc2所連區(qū)域配變?nèi)萘繛?0mva，vsc3所連區(qū)域配變?nèi)萘繛?0mva，vsc1采用直流電壓控制，vsc2和vsc3采用定交流功率控制。

不考慮直流線路部分，直接對交流配電區(qū)域進行潮流計算，根據(jù)所得結(jié)果求得網(wǎng)絡(luò)損耗為0.4359mw。采用本發(fā)明直流配線路進行負(fù)荷轉(zhuǎn)供時，計算結(jié)果如表1和表2所示，其網(wǎng)絡(luò)有功損耗為0.3756mw，相比于不考慮直流線路，網(wǎng)絡(luò)損耗降低了13.83％。

表1換流器注入交流側(cè)有功功率

表2配電區(qū)域上級電網(wǎng)注入功率

以上雖然根據(jù)附圖對本發(fā)明的實施例進行了詳細(xì)說明，但不僅限于此具體實施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)此具體技術(shù)方案進行的各種等同、變形處理，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。