一种直流电力弹簧系统规划方法

1.本发明提出了一种基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，属于人工智能在新能源发电以及电力系统中的应用技术领域。


背景技术：

2.我国正处于能源转型阶段，电力需求量逐年增长和节能减排等多重因素都推进了可再生能源的发展，促使可再生能源渗透率进一步提高。另一发面，以电动汽车、智能家居为代表的新型用电负荷不断涌现，直流负荷占比增大，电力负荷对电能质量的要求也进一步提高。可再生能源以及直流负荷的发展在一定程度上推动了直流配电网关键技术的发展，采用直流配电网可以减少许多能源转换环节，降低线路成本，提高可靠性。但可再生能源和新型负荷带来的随机性仍然会对其运行稳定性造成影响。尤其是以风力发电、光伏发电为代表的可再生能源具有间歇性、随机性和不可控性的特点，且地理位置分布不均匀，由此造成的供需不平衡严重影响了电网运行束缚可再生能源效益的充分发挥。储能装置是常见的平抑电网电压波动的手段之一，但仅依靠储能来应对可再生能源带来的电压波动，需要频繁进行大功率充放电，严重影响储能的使用寿命。
3.2012年问世的交流电力弹簧经不断发展，已延伸到直流领域。直流电力弹簧(dces)的主要作用是协助储能优化直流电网的运行，将其应用于直流配电网，与储能装置配合应用，可以减缓系统对储能的依赖性，降低储能充放电的频率及功率，延长使用寿命，同时还可以提升直流配电网运行的稳定性和对新能源的消纳能力。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，现提出一种基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，达到优化储能运行、提升直流配电网运行稳定性、提升经济效益的目的。
5.本公开的目的可以通过以下技术方案实现：
6.本发明所提基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，以含光伏、储能的直流配电网为应用场景，将一年划分为春秋季、夏季、冬季三个典型场景，综合考虑三个场景典型日的电压偏差和综合成本，对其中的直流电力弹簧进行选址定容。
7.考虑到直流配电网运行的首要要求是稳定，而直流母线电压的稳定是衡量直流配电网运行稳定性的关键指标，本发明将直流配电网中各节点电压偏差最小为上层优化目标，来确定直流电力弹簧的位置和容量。节点偏差由三个季度典型日的节点电压偏差和乘以对应的天数构成。在上层模型确定好的位置和容量下，下层以直流配电网运行的综合成本为目标，对直流电力弹簧的充放电功率进行优化。下层目标函数由储能和直流电力弹簧投资运行维护成本、主网购电成本、对关键负载的收费和对非关键负载的补贴构成。为保证系统的稳定运行，规划时考虑储能装置的运行约束、分布式电源的出力约束、dces运行约束以及直流配电网运行约束。
8.有益效果：
9.1、本发明将粒子群算法、二阶锥松弛和双层优化模型相结合，粒子群算法的应用使得模型对约束条件的要求降低，求解速度加快，通过二阶锥对下层约束条件及目标进行松弛，采用双层优化模型，通过上层确定安装位置和安装容量可减轻下层最优潮流的计算量。
10.2、本发明在直流电力弹簧系统规划的过程中，重点考虑了直流配电网运行的稳定性，以直流配电网各节点电压偏差最小为上层优化目标，进一步提升了直流配电网运行的稳定性。
11.3、直流电力弹簧的作用不是取代储能的工作，而是协助储能优化直流配电网运行，本发明所提直流电力弹簧系统规划方法考虑了对储能工作的优化，通过降低其投资成本来对延长其使用寿命作出要求，通过降低其运行维护成本来缓解大功率充放电频率。
12.3、本发明所提直流电力弹簧系统规划方法综合考虑了各方经济因素，以直流配电网运行综合成本最小为模型下层的优化目标，在提升系统稳定性的同时，提升了系统的经济性。
13.4、本发明将季节因素对负荷和分布式电源的影响纳入考量范围，选取各季度典型日，综合考虑各季度的电压偏差和运行成本，优化结果更具实际意义。
14.5、本发明在经济效益中考虑了主网购电成本，包括系统总负荷量和系统总网损量，通过降低主网购电成本可减少网损成本，提升对新能源的消纳水平。
附图说明
15.图1是本发明所提直流电力弹簧系统规划方法流程图；
16.图2是本发明所使用的电力弹簧拓扑结构dces-3；
17.图3是本发明所提直流电力弹簧系统规划模型；
18.图4是本发明选用的ieee-14节点系统；
19.图5为三个季度典型日节点4处储能装置的充放电功率；
20.图6为三个典型日节点10处储能装置的充放电功率。
具体实施方式
21.本发明公开的基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，以含光伏、储能的直流配电网为应用场景，综合考虑各季度的电压波动和综合成本，对第三代直流电力弹簧dces-3在直流配电网中的位置和容量进行优化配置。
22.本发明采用图3所示的模型进行规划配置。直流电力弹簧的主要作用是协助储能优化直流配电网的运行，与现有的电力弹簧规划模型相比，本发明所提规划方法侧重于直流领域，将直流配电网运行稳定性放在突出位置，在最大化直流电力弹簧带来的稳定效益的前提下考虑其对储能装置运行的优化和各方成本。由于分布式电源出力以及负荷受季节性变化的影响，春秋季差异较小，而夏季、冬季分布式电源出力以及负荷差异大，规划时将一年分为春秋季、冬季、夏季三个场景，分别考量各场景典型日下电压偏差及综合成本。具体步骤如下：
23.步骤s1:上层采用粒子群算法，优化目标为直流母线电压偏差最小，每个粒子代表一种配置方法，即粒子的维数和母线数相同，每一维为对应节点处电力弹簧的安装容量；
24.步骤s2:下层以上层传递的安装位置和安装容量为已知条件，采用大m法和二阶锥松弛分别对储能的约束条件及系统的潮流方程松弛处理后，以综合成本最小为目标进行最优潮流计算；
25.步骤s3：确定上层各粒子对应的安装位置和安装容量下直流电力弹簧各时刻的充放电功率，取最大值为额定功率，并将母线电压反馈至上层用于适应度值计算；
26.步骤s4：计算上层各粒子的适应度值，更新个体最优和群体最优；
27.步骤s5：更新上层粒子的位置和速度；
28.步骤s6：重复步骤s2到s5，直到满足迭代终止条件；
29.步骤s7：群体最优解对应的即为最优的安装位置和安装容量。
30.本发明采用了图2所示的直流电力弹簧拓扑结构，以图4所示ieee-13节点系统为例进行验证。网络的额定电压为23kv，各支路电流上限为100a，节点1为平衡节点，光伏设于节点6和节点8处，最大装机容量均为600kw，储能安装于节点4和节点10处，最大容量均为1mwh，充放电功率上限为300kw。其他各参数设置如下：各季度天数dq分别为182、91、91；储能的充放电效率ηc和η
dc
设为0.95，荷电状态初始值为0.2，充放电成本为0.36元\kwh；直流电力弹簧的寿命为20年，单位功率投资成本为0.6元\kwh，维护成本为0.24元\kwh，非关键负载的功率波动不超过20％，对非关键负载的补贴费用为0.1元\kwh，对关键负载的收费为0.65元\kwh；弃光惩罚系数α
pv
为0.8元/kwh；分时电价设置为8:00-20:00电价0.65元/kwh，其余时段为谷电价0.35元/kwh。
31.表1是直流电力弹簧系统规划结果；
[0032][0033]
表2是规划前后直流配电网的电压偏差及各方面成本对比，规划前即未安装直流电力弹簧，规划后即按本发明所公开的规划方法确定安装位置和安装容量后。与投入直流电力弹簧前相比，年电压偏差量大幅度下降，在此基础上，储能相关的成本也有所降低。其中电力弹簧相关成本包括其投资运行维护成本、对非关键负载的补贴以及从关键负载处获取的收益，虽然增加了投入成本，但综合成本相比于配置前有所降低。
[0034] 配置直流电力弹簧前配置直流电力弹簧后电压偏差/年1377.07pu442.38pu主网购电成本/年7.8997
×
107元7.5133
×
107元储能投资运行相关成本/年3.2667
×
106元2.8167
×
106元电力弹簧相关成本/年02.1876
×
105元综合成本/年8.2264
×
107元7.8168
×
107元
[0035]
图5-6为春秋季、冬季、夏季规划前后，节点4和节点10处储能装置充放电功率变化。可以观察到储能的功率变化更加平稳，大功率充放电次数减小，系统对储能的依赖性降低，这有利于延长其使用寿命。
[0036]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施
例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0037]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，所述直流电力弹簧系统规划方法包括通过电力系统稳定性、优化成本来确定最优安装位置和安装容量。2.一种基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1:上层采用粒子群算法，优化目标为直流母线电压偏差最小，每个粒子代表一种配置方法，即粒子的维数和母线数相同，每一维为对应节点处电力弹簧的安装容量；步骤s2:下层以上层传递的安装位置和安装容量为已知条件，采用经济指标来衡量对储能运行的优化，结合电能成本以及投入直流电力弹簧产生的成本和经济效益，采用大m法和二阶锥松弛处理后进行最优潮流计算；步骤s3：确定上层各粒子对应的安装位置和安装容量下直流电力弹簧各时刻的充放电功率，取最大值为额定功率，并将母线电压反馈至上层用于适应度值计算；步骤s4：计算上层各粒子的适应度值，更新个体最优和群体最优；步骤s5：更新上层粒子的位置和速度；步骤s6：重复步骤s2到s5，直到满足迭代终止条件；步骤s7：群体最优解对应的即为最优的安装位置和安装容量。3.根据权利要求1所述的基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，所述规划方法所用直流电力弹簧拓扑结构为dces-3。4.基于权利要求3所述的直流电力弹簧拓扑结构dces-3，其特征在于，采用如下数学模型：(1)电池平衡模式下，关键负载各时刻功率不受系统功率波动的影响，等于其实际所需功率，非关键负载的功率在其允许的波动范围内上下波动，直流电力弹簧内部储能的充放电功率设为0，直流电力弹簧通过控制关键负载和非关键负载的功率分配来实现荷随源动；(2)电池放电模式下，非关键负载功率大小设为其功率下限，关键负载的功率等于其实际所需功率，直流电力弹簧内部储能放电以维持关键负载的供电需求；(3)在电池充电模式下，非关键负载功率大小等于其功率上限，关键负载的功率等于其实际所需功率，直流电力弹簧内部储能存储剩余电能，若总的供电功率超出安装节点处能消耗的最大功率，则弃光。5.根据权利要求2所述的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于：上层模型以直流配电网总的母线电压偏差最小为目标，突出了对直流配电网运行稳定性的优化。6.根据权利要求2所述的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，采用储能的投资运行维护成本来量化对储能运行的优化，并结合主网购电成本、直流电力弹簧投资运行维护成本、非关键负载补贴费用和对关键负载的收费在内的经济因素。7.根据权利要求2所述的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，所述系统规划方法包括季节因素对分布式电源和负荷的影响，以一年为规划时间，将一年划分为春秋季、夏季、冬季三个典型场景，综合考虑各场景下的电压波动和综合成本。8.根据权利要求5所述的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，所述储能装置投资运行维护成本计算的表达式如下：
其中为储能单位功率投资成本、为储能单位功率维护成本，χ
ess
为投资成本折算至每年的折算系数，和分别为储能充放电功率，sc为场景编号，t为对应时刻，n
ess
为储能安装节点构成的集合，d
sc
为对应场景天数。9.根据权利要求5所述的直流电力弹簧系统规划方法，其特征在于，所述直流电力弹簧投资运行维护成本计算的表达式如下：其中为直流电力弹簧单位功率投资成本、为直流电力弹簧单位功率维护成本，χ
es
为其投资成本折算至每年的折算系数，和分别为直流电力弹簧充放电功率，n
es
为电力弹簧安装节点构成的集合，d
sc
为对应场景天数。

技术总结
本发明公开了一种基于粒子群算法和二阶锥松弛的直流电力弹簧系统规划方法，以含光伏、储能的直流配电网为应用场景，以一年为规划总时长，综合考虑电网运行稳定性、对储能装置运行的优化、电能成本以及直流电力弹簧带来的经济效益，对直流配电网中的直流电力弹簧进行选址定容。本发明所提直流电力弹簧系统规划方法采用了双层模型突出优化目标的优先级，上层采用粒子群算法来确定直流电力弹簧在各节点处的安装容量，通过最小化系统电压偏差和来提升配电网运行稳定性；下层采用二阶锥松弛的方法，以直流电力弹簧的安装位置和容量为已知条件，综合考虑主网购电成本、储能装置投资运行维护成本、直流电力弹簧投资运行维护成本、非关键负载补贴费用和对关键负载的收费，进行最优潮流计算，来确定直流电力弹簧运行功率。来确定直流电力弹簧运行功率。来确定直流电力弹簧运行功率。


技术研发人员：王青松 李思唯
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25