一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法，该方法构建了考虑VSC快速控制以及储能无功支撑能力的交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型，并考虑到所提模型求解规模过大、直接使用求解器求解会出现计算速度过慢、难以收敛等问题，因此针对所提模型提出了基于双线性Benders分解算法的快速求解方法，不仅能降低求解规模，而且能提高求解速度。该方法可充分利用储能系统、柔性负荷、连接交流子系统和直流子系统的VSC的快速调节能力，能够避免故障后短期运行阶段出现支路过载和节点电压越限问题，并确保系统功率平衡能够以一定置信水平得以满足。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法
本专利技术属于电力系统及其自动化领域，特别涉及一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法。
技术介绍
风能作为一种清洁型的可再生能源，其分布范围广、总量规模大，逐渐成为绿色能源中发展极为迅速的一种。基于全控型器件的电压源型换流器高压直流输电(Voltagesourceconverterhighvoltagedirectcurrent,VSC-HVDC)技术，具有能够实现对所传输的有功功率和无功功率进行独立控制的能力，非常适合于近海岸风电场的并网发电场景，相关内容可参考文献[1]。未来，越来越多的海上风电场将通过VSC-HVDC系统接入近海岸主网。海上风电不同于传统能源，它具有间歇性、波动性、随机性等特点，相关内容可参考文献[2]-[3]；于此同时，文献[4]指出海上风电的规模化并网会对电力系统的优化调度和安全稳定运行带来了极大的挑战。在实际运行中，常规火电机组具有较大的惯性，难以快速响应调度指令和动作(尤其在发生故障后的初期阶段)。与此同时，文献[5]指出当系统处在常规火电机组不能快速响应和动作的故障后初期阶段，有可能出现支路功率越限和节点电压越限的情况。若不及时对上述安全问题进行处理，很有可能引发危害程度更大的连锁故障。因此，在制定日前调度计划时，不仅需要考虑不确定性因素(如海上风电出力与节点负荷的不确定性)，而且需要充分考虑故障后初期阶段的短时运行安全问题。为了同时考虑不确定性因素以及N-1故障的影响，电网常常会预留一定的备用容量以保障稳定运行，相关内容可参考文献[6]。与此同时，文献[7]中指出由于常规火电机组爬坡能力、支路传输容量等因素的限制，仅仅简单考虑备用容量会造成系统运行不安全。为了考虑不确定性对电网运行的影响，目前机组组合的建模方法主要包括文献[8]提出的随机优化、文献[9]提出的鲁棒优化、文献[10]提出的区间优化以及文献[11]提出的机会约束优化等。其中，机会约束优化以一定的置信水平约束系统运行方式，可实现电网运行安全性与经济性的平衡。然而，随机变量的概率分布往往没有显性表达式，使得机会约束问题求解难度很大。为解决这一问题，文献[12]中提出一种可行的求解方法是采样平均近似算法，根据随机输入变量的概率分布曲线，通过蒙特卡洛采样法生成不同场景，并引入0-1整数变量表征场景的可行性以确定机会约束是否得到满足。与此同时，考虑到常规火电机组具有较大的惯性，难以快速响应调度指令和动作，而故障发生初期阶段又可能出现支路潮流越限和节点电压越限的情况，文献[13]-[15]将故障后的电网状态划分成短期运行子阶段和长期运行子阶段：在短期运行子阶段中，系统通过快速调控装置确保短时运行安全；在长期运行子阶段中，利用快速性和非快速性的调控装置确保长时间运行安全。上述研究均未同时考虑系统不确定性因素的影响以及常规火电机组不能快速响应调度指令的问题。
技术实现思路
本专利技术提出一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法，该方法充分利用VSC、储能系统(BSS)以及柔性负荷的快速调节能力，能够有效避免交直流系统在故障后初期阶段出现安全问题(支路过载和电压越限)，并确保系统功率平衡能够以一定置信水平得以满足。与此同时，本专利技术可以充分发挥BSS和VSC的无功支撑能力以确保交直流电力系统具有良好的电压分布。本专利技术所指VSC为连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。以下所述VSC均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法，包括：首先，构建面向交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型，所述模型以运行经济性为目标，同时分两阶段设置约束条件：第一阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的预测值的约束条件；第二阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的不确定性的约束条件，分为正常运行子阶段约束条件、故障后短期运行子阶段约束条件、故障后长期运行子阶段约束条件，所述故障指N-1故障；接着，对交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型进行近似处理，得到近似后的混合整数随机优化模型；最后，采用双线性Benders算法求解所述近似后的混合整数随机优化模型，获得机组组合方案。进一步地，面向交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型的目标函数如下：其中，和分别为火电机组g上调有功和下调有功的单位成本；和分别为火电机组g的开机成本和停机成本；为火电机组g的单位燃料成本；Cbss,t为储能系统的单位充放电成本；Cload_res,t为柔性负荷的单位备用成本；为反映第一阶段火电机组g从时段t-1的停机状态变为时段t的开机状态的二进制变量，为反映第一阶段火电机组g从时段t-1的开机状态变为时段t的停机状态的二进制变量；和分别为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的上调备用量和下调备用量；为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的有功；和分别为在时段t第一阶段所确定的柔性负荷l的上调备用量和下调备用量；和分别为在时段t第一阶段储能系统b的充电功率和放电功率；Ωgen,i、Ωbss,i和分别表示交流子系统中与节点i相连的火电机组集合、储能系统集合以及柔性负荷集合，NT为调度周期内的时段集合，为交流子系统的节点集合。进一步地，所述第一阶段约束条件包括：第一阶段的交直流系统潮流平衡约束、第一阶段的支路传输功率约束、第一阶段的VSC功率约束与下垂控制约束、第一阶段的储能系统运行约束、第一阶段的火电机组运行约束、第一阶段的柔性负荷备用约束以及第一阶段的节点电压约束；所述VSC均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。进一步地，第二阶段的正常运行子阶段约束条件包括：第二阶段的正常运行子阶段的交流子系统功率平衡机会约束、第二阶段的正常运行子阶段的直流子系统功率平衡约束、第二阶段的正常运行子阶段的VSC功率约束与下垂控制约束、第二阶段的正常运行子阶段的火电机组有功调整约束与无功约束、第二阶段的正常运行子阶段的支路传输功率约束以及第二阶段的正常运行子阶段的节点电压约束；所述VSC均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。进一步地，第二阶段的故障后短期运行子阶段约束条件包括：1)第二阶段的故障后短期运行子阶段的交流子系统功率平衡机会约束其中，对于时段t，假定N-1故障发生时刻为时段t的结束时刻；为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的有功；对于时段t第二阶段故障后的短期运行子阶段而言，和分别为第v个VSC注入交流子系统的有功和无功，和分别为储能系统b注入的有功和无功，为火电机组g输出的无功功率，和分别为交流子系统中与节点i相连的支路ij向节点i吸收的有功功率和无功功率，为以随机变量表示的节点i的有功负荷；对于时段t，为以随机变量表示的故障前节点i的无功负荷；α为根据实际运行情况人为设定的置信水平；Pr[]表示约束方程成立的概率；Ωac,i表示交流子系统中与节点i相连的交流节点集合；2)第二阶段的故障后短期运行子阶段的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法，其特征在于，包括：/n首先，构建面向交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型，所述模型以运行经济性为目标，同时分两阶段设置约束条件：第一阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的预测值的约束条件；第二阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的不确定性的约束条件，分为正常运行子阶段约束条件、故障后短期运行子阶段约束条件、故障后长期运行子阶段约束条件，所述故障指N-1故障；/n接着，对交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型进行近似处理，得到近似后的混合整数随机优化模型；/n最后，采用双线性Benders算法求解所述近似后的混合整数随机优化模型，获得机组组合方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑VSC和储能快速控制的交直流系统机组组合方法，其特征在于，包括：
首先，构建面向交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型，所述模型以运行经济性为目标，同时分两阶段设置约束条件：第一阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的预测值的约束条件；第二阶段约束条件为考虑海上风电出力与负荷的不确定性的约束条件，分为正常运行子阶段约束条件、故障后短期运行子阶段约束条件、故障后长期运行子阶段约束条件，所述故障指N-1故障；
接着，对交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型进行近似处理，得到近似后的混合整数随机优化模型；
最后，采用双线性Benders算法求解所述近似后的混合整数随机优化模型，获得机组组合方案。


2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，面向交直流系统日前优化调度的混合整数随机优化模型的目标函数如下：



其中，和分别为火电机组g上调有功和下调有功的单位成本；和分别为火电机组g的开机成本和停机成本；为火电机组g的单位燃料成本；Cbss,t为储能系统的单位充放电成本；Cload_res,t为柔性负荷的单位备用成本；为反映第一阶段火电机组g从时段t-1的停机状态变为时段t的开机状态的二进制变量，为反映第一阶段火电机组g从时段t-1的开机状态变为时段t的停机状态的二进制变量；和分别为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的上调备用量和下调备用量；为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的有功；和分别为在时段t第一阶段所确定的柔性负荷l的上调备用量和下调备用量；和分别为在时段t第一阶段储能系统b的充电功率和放电功率；Ωgen,i、Ωbss,i和分别表示交流子系统中与节点i相连的火电机组集合、储能系统集合以及柔性负荷集合，NT为调度周期内的时段集合，为交流子系统的节点集合。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段约束条件包括：第一阶段的交直流系统潮流平衡约束、第一阶段的支路传输功率约束、第一阶段的VSC功率约束与下垂控制约束、第一阶段的储能系统运行约束、第一阶段的火电机组运行约束、第一阶段的柔性负荷备用约束以及第一阶段的节点电压约束；所述VSC均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二阶段的正常运行子阶段约束条件包括：第二阶段的正常运行子阶段的交流子系统功率平衡机会约束、第二阶段的正常运行子阶段的直流子系统功率平衡约束、第二阶段的正常运行子阶段的VSC功率约束与下垂控制约束、第二阶段的正常运行子阶段的火电机组有功调整约束与无功约束、第二阶段的正常运行子阶段的支路传输功率约束以及第二阶段的正常运行子阶段的节点电压约束；所述VSC均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。


5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，第二阶段的故障后短期运行子阶段约束条件包括：
1)第二阶段的故障后短期运行子阶段的交流子系统功率平衡机会约束



其中，对于时段t，假定N-1故障发生时刻为时段t的结束时刻；为在时段t第一阶段所确定的火电机组g的有功；对于时段t第二阶段故障后的短期运行子阶段而言，和分别为第v个VSC注入交流子系统的有功和无功，和分别为储能系统b注入的有功和无功，为火电机组g输出的无功功率，和分别为交流子系统中与节点i相连的支路ij向节点i吸收的有功功率和无功功率，为以随机变量表示的节点i的有功负荷；对于时段t，为以随机变量表示的故障前节点i的无功负荷；α为根据实际运行情况人为设定的置信水平；Pr[]表示约束方程成立的概率；Ωac,i表示交流子系统中与节点i相连的交流节点集合；
2)第二阶段的故障后短期运行子阶段的直流子系统功率平衡约束



其中，对于时段t第二阶段故障后的短期运行子阶段而言，为第v个VSC向直流子系统吸收的有功，为直流子系统中与节点i相连的支路ij向节点i吸收的有功功率；为以随机变量表示的在时段t第w个风电机组注入到直流子系统的有功功率；Ωwg,i、Ωconv,i和Ωdc,i分别表示直流子系统中与节点i相连的海上风电场集合、VSC集合以及直流节点集合；所述VSC指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站；
3)第二阶段的故障后短期运行子阶段的支路传输功率约束















其中，对于时段t第二阶段故障后的短期运行子阶段而言，和分别为交流子系统中节点i的电压值和电压相角，为直流子系统节点i的电压值，和分别为交流子系统支路ij的电导和电纳，为直流子系统支路ij的电导；为交流子系统支路ij在正常运行状态下的视在功率上限；为直流子系统支路ij在正常运行状态下的有功功率上限；为交流子系统支路ij的短期过载能力系数，分别为直流子系统支路ij的短期过载能力系数；
4)第二阶段的故障后短期运行子阶段的火电机组无功约束



其中，为在t时段第一阶段所确定的火电机组g的二进制状态变量，说明在t时段第一阶段的火电机组g已处于停机状态，说明在t时段第一阶段的火电机组g已处于开机状态；与分别为火电机组g的无功出力上限和下限；
5)第二阶段的故障后短期运行子阶段的柔性负荷功率调节约束






其中，对于第二阶段的时段t而言，为柔性负荷l在故障后的短期运行子阶段中的功率变化量，为以随机变量表示的故障前节点i的有功负荷；和分别为在时段t第一阶段所确定的柔性负荷l的上调备用量和下调备用量；
6)第二阶段的故障后短期运行子阶段的储能系统运行约束





















其中，对于时段t第二阶段故障后的短期运行子阶段而言，以及分别为储能系统b的紧急充电功率、紧急放电功率、紧急有功注入功率、紧急无功注入功率、紧急放电状态以及紧急充...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾子龙，谭益，曹一家，李勇，李培强，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43