交直流柔性互联电网最优潮流与自愈重构研究

【摘要】：未来电网将逐步转向输电网与配电网相辅相成、协调发展的模式,柔性直流技术对于输电方式变革和配电模式转变都有重大意义。输电层面,多端柔性直流和直流电网为大规模可再生能源送出消纳、大范围能源互补优化、大区域电网异步互联提供了有效的技术手段。配电层面,柔性直流技术为高压配网分区互联、中压配网闭环运行提供了崭新的解决方案。因此,基于柔性直流技术的交直流柔性互联电网将成为下一代电网的重要形态和关键组成。柔性直流技术在输电网和配电网中的发展阶段与应用水平不同,关注的问题与研究重点也有所区别:输电网中柔性直流技术正逐步朝多端口、多馈入、直流电网的方向发展,交直流的广泛互联与深度混联将使得电网结构形态发生深刻改变、系统运行控制方式更为复杂多样,同时也使得传统的电网运行分析方法不再完全适用;配电网中柔性直流技术应用尚处于论证试验阶段,仍需要深入研究其引入对配电网运行、控制等方面的作用及影响。本文依据柔性直流技术当前在输/配电网中的研究应用现状,围绕交直流柔性互联电网的最优潮流、随机最优潮流、自愈重构等不同优化问题展开研究,论文的主要研究工作如下:(1)建立了含多端柔性直流/直流电网的交直流系统稳态分析模型,提出了计及直流系统运行控制方式的交直流电网潮流计算方法。在分析VSC换流站控制方式、直流电网电压控制策略以及直流潮流调控手段的基础上,推导了不同的运行控制方式对电力系统潮流变量、雅克比矩阵以及网络参数的影响,基于交替迭代求解思路提出了计及直流系统运行控制方式的交直流系统潮流计算方法,所提方法能够适用于考虑不同直流电网拓扑结构、不同直流电压控制方式、不同类型直流潮流控制器的交直流潮流计算。通过不同算例验证了方法的有效性和适用性。(2)在交直流柔性互联电网模型分析的基础上进一步研究交直流最优潮流计算方法,提出了一种考虑换流器精确损耗与电压下垂控制的多端柔直互联交直流系统最优潮流计算方法。采用计及换流器精确损耗的VSC换流站一般模型,建立了交直流系统最优潮流数学模型,推导了不同换流站运行控制方式对决策变量设定和等式约束构建的影响,分析了换流站运行控制方式和换流器损耗模型对雅可比矩阵计算的影响,进而采用带步长控制的原对偶内点法进行模型求解。并且,针对电压下垂控制换流器交流侧有功与换流器损耗存在耦合关系的问题,提出了一种迭代求解方法。通过算例验证了所提方法的有效性和准确性。(3)在交直流最优潮流的研究基础上,考虑分布式电源出力的随机性和不确定性,提出了一种含柔性直流互联装置的配电网随机最优潮流分析方法。建立了配电网随机最优潮流机会约束规划模型,由风力/光伏发电的离散概率模型构造了多个DG出力确定的条件概率分布问题。针对每个条件事件,采用基于半不变量法的随机最优潮流对模型进行求解,再应用全概率公式进行累加拟合,可得到计及柔性互联装置调控作用的随机变量概率分布。所提方法规避了常规Gram-Charlier级数法逼近非正态分布拟合效果差的不足,同时也计及了随机最优潮流中柔性互联装置的调控作用对潮流基准运行点的影响。通过算例仿真验证了算法有效性,从概率角度分析了柔性互联装置的动态功率调控特性对促进配电网优化运行的作用。(4)针对联络开关和柔性直流互联装置并存的配电网自愈重构展开研究。柔性互联装置的引入使得配电网自愈重构问题成为一个同时包含连续变量与0-1离散变量的混合整数非线性规划问题。针对问题特点,提出了一种基于快速非支配排序遗传算法(fastNon-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-Ⅱ)和原对偶内点法的混合优化算法。算法外层利用NSGA-Ⅱ实现多目标寻优下开关状态的快速求解,内层利用基于内点法的交直流最优潮流来准确计算柔性互联装置的传输功率,能够有效求解上述问题,实现了联络开关与柔性直流互联装置在配电网自愈重构中的联立优化。仿真结果表明,柔性互联装置的应用有助于在故障恢复中进一步地减小失电负荷、减少开关操作次数和降低恢复后系统的运行网损。