含分布式电源的交直流混合配电网规划研究.pdf

Telecom Power Technology 104 Sep.25,2023,Vol.40 No.18 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期电源与节能技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.18.035含分布式电源的交直流混合配电网规划研究江 钧，周嫣蕾（国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江 212000）摘要：针对交直流混合配电网的建设与运维管理，探讨含分布式电源的交直流混合配电网规划构建。阐述交直流混合配电网规划现状，总结具有实际应用价值的规划手段，以提高电能质量。分别从潮流计算、多目标规划 2 个维度展开论述，制定交直流混合配电网规划方案，提高城市配电网规划建设水平，推动社会经济发展。关键词：分布式电源；交直流混合配电网；潮流计算；电能质量Research on Planning of AC/DC Hybrid Distribution Network with Distributed Power SourcesJIANG Jun,ZHOU Yanlei(Zhenjiang Power Supply Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Zhenjiang 212000,China)Abstract:Aiming at the construction and operation management of AC-DC hybrid distribution network,this paper discusses the planning and construction of AC-DC hybrid distribution network with distributed power supply.This paper expounds the present situation of AC/DC hybrid distribution network planning,and summarizes the planning means with practical application value to improve power quality.This paper discusses the power flow calculation and multi-objective planning respectively,and formulates the planning scheme of AC/DC hybrid distribution network to improve the planning and construction level of urban distribution network and promote social and economic development.Keywords:distributed power supply;AC/DC hybrid distribution network;power flow calculation;power quality0引言随着社会经济水平和人们生活质量的显著提升，城市电负荷随之提升。固有交流配电网络面临诸多问题，如供电走廊数量少、线路损耗过大、末端供电质量差等，很难满足当前城市配电系统提出的新要求。结合电力行业普遍应用的电力电子技术和分布式电源，利用直流配电系统和交流配电系统实现有功注入与无功注入，构建交直流混合配电网。相较于传统形式的交流配电网，直流配电网无须过高的线路费用，具有较大的供电容量和良好的分布式电源适配性。为切实提高城市配电网规划水平，文章围绕含分布式电源的交直流混合配电网规划展开分析，提升配电网运行的稳定性和经济性1。1交直流混合配电网规划方法配电网中的分布式能源产业愈发重要，相应地对配电网规划提出诸多要求。交直流连接分类主要有电源和负荷连接、母线和负荷连接，在此基础上构建规划模型，降低网络建设和运行成本。具体规划时涉及非线性函数和离散变量，增加了模型求解的难度，可以采用分层嵌套思想，进一步划分成上层规划模型、下层优化模型。下层优化模型目标函数需要嵌套在上层规划模型目标函数内，经过分层计算整合所得结果，随即获得上层目标函数规定的网络配置2。实际规划过程中，具体费用有网络建设费用、交直流电源运行费用等。在模型中输入混合配电系统包含的随机分布式电源、交直流负荷，并输出决策量矩阵，确定混合系统的网络配置。通过下层优化模型，经过蒙特卡洛模拟了解可再生发电与负荷需求的随机变化状况，并应用内点法进行计算，求得最佳运行 费用3。2含分布式电源的交直流混合配电网规划方案2.1潮流计算交直流混合系统包含若干交流与直流区域，各区域可能涉及支路4。为此，构建多端柔性直流输电技术的稳态模型，如图 1 所示。图 1 中：直流系统端电压为 Ud；直流系统输出电流为 Id；电压源换流器输出电压为 Uc；电压源换流器输出电流为 Ic；电抗器阻抗为 Zc；换流器阻抗为Ztf；交流系统输入功率为 Ss；输入电压为 Us。换流器在应用中通常会产生损耗，这种损耗的形成和通过电流关系密切，具体包括常量、一次函数、二次函数。换流器损耗的表达式为PabIcIloss2convcc=+（1）收稿日期：2023-07-13作者简介：江钧（1994），男，江苏镇江人，硕士研究生，工程师，主要从事电力系统及其自动化设计工作；周嫣蕾（1989），女，江苏镇江人，本科，工程师，主要从事电力系统及其自动化设计工作。2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期 105 Telecom Power TechnologySep.25,2023,Vol.40 No.18 江 钧，等：含分布式电源的 交直流混合配电网规划研究式中：a、b、c 为损耗系数。换流器输出电压 Uc和直流系统端电压 Ud、调制度 M 与直流电压利用率 之间的关系为cd2MUU=（2）交直流混合配电网利用多端柔性直流输电技术进行控制，主要方法包括以下 5 种：一是定 Ps、Qs控制；二是定 Ps、Us控制；三是定 Ud、Qs控制；四是定 Ud、Us控制；五是定 Us、s控制。考虑系统运行的可靠性，交流系统在向主流系统变换过程中一般会应用定直流电压控制。基于以上分析，潮流计算环节要对交直流连接位置的电压源换流器接口方程求解加以分析，最终得出交流系统等效注入功率5。此次针对交直流混合配电网规划的分析，交流系统在向直流系统变换期间，电压源换流器应用第 3 种定 Ud、Qs控制方法；直流系统在向交流系统变换期间，应用第 5 种定 Us、s控制方法。电压源换流器连接交流系统节点作为此次交流网络平衡节点，并应用前推回代算法，完成交流网络的潮流计算。2.2制定交直流混合配电网多目标规划制定分布式电源规划，具体内容包含分布式电源并网类型、具体位置与容量。明确直流改造线路和新建线路接入位置，判定直流线路。基于此，对含分布式电源的交直流混合配电网进行多目标规划，依次从目标函数、约束条件、模型求解3个环节展开论述。2.2.1目标函数对于系统年经济费用，计算公式为fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline（3）式中：fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline为分布式电源年运维投资成本；Cline为线路直流改造与新建线路成本；fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline为分布式电源并网连接换流器的成本；fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline为负荷连接换流器的成本；fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline为直流系统线路连接换流器的成本。当直流负荷增加，各负荷节点的负荷根据相应比例加以混合，相关费用在fCCCCC=+iomconvconvconv1DGlineDGloadline上体现。在线路经过改造或选择新建直流线路接入后，构建直流子系统。该系统和交流系统的交换同样需要用到换流器，相关费用在 Cline上体现。DGg,igi,ggs,jg,omg,ijst s,jDGDGDGtDGiom1111111NNGNNGTjigijstgCC SdptCP的计算公式为DGg,igi,ggs,jg,omg,ijst s,jDGDGDGtDGiom1111111NNGNNGTjigijstgCC SdptCP=+（4）式中：NDG为分布式电源候选并网节点总数量；g,i为节点 i 安装分布式电源的年固定平均费用系数；GDG为分布式电源类型数量；Nt为分布式电源出力与负荷典型时序情形总数量；dj为每年典型时序情形 j 的日期数量；Ns,j为典型时序情形 j 的场景数量；ps,j为典型时序情形 j 的场景 s 发生率；T 为一天内设定时段数量；t 为单位时段持续时间；Cg、g为第 g 类分布式电源单位有功容量投资成本与功率因数；Si,g为待选节点 i 处安装的第 g 类分布式电源额定容量；Cg,om为第 g 类分布式电源单位发电容量运维成本；Pg,ijst为待选节点 i 处安装的第 g 类分布式电源处于典型时序情形 j 场景 s 内时，在时段 t 的有功出力。Cline的计算公式为=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C=（5）式中：Nup为未改造的直流线路总数；Nnew为拟新建线路选项总数量；1,i、1,j是线路 i 与 j 年平均费用系数；=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C=、=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C为交流线路与直流线路单位长度费用；xi、=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C=、=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C=为 0-1 变量，依次代表是否选中未改造主流线路 i、拟新建交流线路 j、拟新建直流线路 j。li、=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C=、=+()upnewdcac acacdc dcdclinel,iill,jjjljjl11NNijCxlCx l Cx l C为未改造线路 i、拟新建交流线路 j、拟新建直流线路 j 的长度。CxCSDGGDconvacDGci,gconvi,gg11NDiG的计算公式为CxCSDGGDconvacDGci,gconvi,gg11NDiG=（6）式中：Cconv为换流器单位有功容量所需费用；c为换流器年平均费用系数；CxCSDGGDconvacDGci,gconvi,gg11NDiG=为 0-1 变量6。CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni的计算公式为CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni=+（7）式中：Nnode为负荷节点总数量；PL,i为节点 i 的有功负 荷；CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni=+、CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni为 0-1 变量，依次代表节点 i 处负荷是否连接 DC/AC 换流器和 AC/DC 换流器；CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni=+为节点 i的交流负荷比；CCPxx()nodeL,iiL,iiconvacacdcdcloadcconvL,i1Ni为节点 i 的直流负荷比。直流系统交流系统换流器UdUcUfZcZtfScUsSsId图 1多端柔性直流输电技术稳态模型 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期Sep.25,2023,Vol.40 No.18Telecom Power Technology 106 CxCPx CPupnewconvdclineciconvi,convcjconvj,conv11NNij的计算公式为CxCPx CPupnewconvdclineciconvi,convcjconvj,conv11NNij=+（8）式中：Pi,conv为未直流改造线路 i 中换流器的容量；Pj,conv为新建线路 j 中换流器的容量。系统年网损最小化目标函数为 tbr,losslossminjs,jconv,jsti,jst1111NNs jtTjstifdpt PP=+（9）式中：Nbr为系统支路总数量。针对系统的年平均电压可靠性，可通过电压稳定性指标直观体现配电网所有支路电压的可靠性。一般指标越小，表示电压可靠性强。在时序多场景下，线路 ab 的电压可靠性指标期望为()()s,jtt242b,jstaba,jstabb,jstabb,jstaba,jstabs,j4111a,jst114NNTjstPXQURPRQXULpNTU=+=（10）式中：Rab为线路 ab 的电阻；Xab为线路 ab 的电抗；Ua,jst为典型时序情形场景下线路 ab 首端电压；Pb,jst为典型时序情形场景下线路 ab 末端流经的有功功率；Qb,jst为典型时序情形场景下线路 ab 末端流经的无功功率。2.2.2约束条件配电网规划中的约束条件主要包括交流节点功率平衡约束、直流节点功率平衡约束、节点电压上下限约束、支路功率极限约束以及分布式电源容量约束。交流节点功率平衡约束公式为PUUGB=+()nodeacacaciijijijijij1cossinNj=（11）QUUGB()nodeacacaciijijijijij1sincosNj=+（12）式中：Gij为支路 ij 的电导；Bij为支路 ij 的电纳；ij为节点 i、j 的电压相角差。直流节点功率平衡约束为=dcdcdciijj1dcdcdciii0NjIg UPI U=（13）式中：Ndc为直流节点集合；gij为支路 ij 的电导；=dcdcdciijj1dcdcdciii0NjIg UPI U=、=dcdcdciijj1dcdcdciii0NjIg UPI U=、=dcdcdciijj1dcdcdciii0NjIg UPI U=依次为直流节点 i 的电流、电压与功率；=dcdcdciijj1dcdcdciii0NjIg UPI U=为直流节点 j 的电压。节点电压上下限约束为imin i imaxijijmaxUUUPP（14）式中：Uimax、Uimin为节点 i 的电压上限与下限；Pij为支路 ij 流过的有功功率；Pijmax为支路 ij 流过的有功功率上限。支路功率极限约束与分布式电源容量约束为DGDGDGi,ggi,gmaxi,ggi,max1i,gggL110GgGGigSPSPSP=（15）式中：Pi,gmax为节点 i 允许接入第 g 类分布式电源的最大有功容量；Pi,max为分布式电源总容量最大值；g为分布式电源有功容量最大渗入率；PL为系统的总有功负荷。3结论现阶段，交直流配电网受到广泛关注，但配电网规划未重视网架交直流改造和扩增。通过交流线路直流改造和新建，可以将其作为决策变量构建交直流配电网。构建模型目标函数对分布式电源并网和负荷消纳换流进行分析，并对相关费用进行量化处理，能够提高分布式电源和交直流网架配置的合理性与有效性，从而制定更理想的配电网规划方案。参考文献：1 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