含电能路由器的光伏配电网电压越限问题潮流优化研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23182

摘要/Abstract

摘要：

目的随着高渗透率分布式光伏接入配电网，功率倒送、电压越限等问题愈发严重。为此，提出了一种基于改进的黑洞优化算法的电能路由器优化方案。方法通过对电能路由器进行端口稳态建模，建立了含多端口电能路由器的高渗透光伏配电网统一模型，并针对该模型提出了电压偏差与线路损耗最小的优化目标。在甘肃某地区的配电网简化模型下，采用改进的黑洞优化算法进行优化求解，并对比分析了加入电能路由器前后配电网系统的数据。结果光伏输出功率为0%、50%、100%时，电压最小(最大值)分别提升(降低)了10.86%、3.16%、9.64%，各节点电压幅值控制在0.93~1.07 pu范围内；线路平均损耗下降了57.94%~81.56%。结论通过加入电能路由器以及采用相应的优化策略，实现了分布式光伏配电网的潮流优化。研究成果对提高分布式光伏在配电网中的渗透率具有重要意义。

关键词: 新能源, 光伏发电, 光伏配电网, 电能路由器, 稳态建模, 潮流优化, 改进的黑洞优化算法, 电压越限

Abstract:

Objectives With the access of high-penetration distributed photovoltaic to the distribution network, the problems of power back-feeding and voltage overrun become more and more serious. Therefore, an optimization scheme of electrical energy router based on improved black hole algorithm is proposed. Methods A unified model of the high-penetration photovoltaic distribution network with multi-port electrical energy router is established by port steady state modeling of electrical energy router. The optimization objectives of voltage deviation and network loss minimization are proposed for the model. Under the simplified model of the distribution network in a certain area of Gansu province, the improved black hole optimization algorithm is used to optimize the solution, and the data of the distribution network system before and after the addition of the electrical energy router are compared and analyzed. Results When the photovoltaic output power are 0%, 50% and 100%, the voltage min/max values are improved/reduced by 10.86%, 3.16% and 9.64%, respectively. The voltage amplitude at each node is controlled within the range of 0.93-1.07 pu. The average line loss is decreased by 57.94%-81.56%. Conclusions The tidal optimization of the distributed photovoltaic distribution network is achieved by incorporating electrical energy router and performing the corresponding optimization strategy. The research results are of great significance to improve the penetration of distributed photovoltaic in the distribution grid.

Key words: new energy, photovoltaic power generation, photovoltaic distribution network, electrical energy router, steady state modelling, tidal optimization, improved black hole optimization algorithm, voltage overrun

中图分类号:

TK 01

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图/表 17

图1 多端口电能路由器结构示意图

Fig. 1 Structure diagram of multi-port electrical energy router

图2 多端口电能路由器功率交换示意图

Fig. 2 Power switching diagram of multi-port electrical energy router

图3 电能路由器AC/DC端口等效的电力电子结构

Fig. 3 Power electronic architecture of the AC/DCport of the electrical energy router

图4 电能路由器DC/DC端口等效的电力电子结构

Fig. 4 Power electronic architecture of the DC/DCport of the electrical energy router

图5 多个光伏接入配电网示意图

Fig. 5 Diagram of multiple photovoltaic connection to the distribution network

图6 AC/DC端口简化模型图

Fig. 6 Simplified model diagram of AC/DC port

图7 DC/DC端口简化模型图

Fig. 7 Simplified model diagram of DC/DC port

表1 电能路由器各端口控制模式

Tab. 1 Control modes for the port of electrical energy router

端口类型	控制模式
DC/AC端口	定 $P r 、 Q r$
DC/AC端口	定 $P r 、 U r$
DC/DC端口	定 $U d $ 、定 $P d $
DC/DC端口	下垂控制法

表1 电能路由器各端口控制模式

Tab. 1 Control modes for the port of electrical energy router

端口类型	控制模式
DC/AC端口	定 $P r 、 Q r$
DC/AC端口	定 $P r 、 U r$
DC/DC端口	定 $U d $ 、定 $P d $
DC/DC端口	下垂控制法

图8 改进的黑洞算法求解流程图

Fig. 8 Flowchart of the improved black hole algorithm

图9 某地区高渗透率光伏配电网结构图

Fig. 9 Structure of high proportion photovoltaic distribution network in a region

图10 低压侧分布式光伏并网图

Fig. 10 Low voltage side distributed photovoltaic grid-connected diagram

表2 配电网阻抗参数

Tab. 2 Distribution network impedance parameters

起始节点	终止节点	线路阻抗/ $Ω$	起始节点	终止节点	线路阻抗/ $Ω$
1	2	0.922+j0.470	16	17	1.289+j1.721
2	3	0.493+j0.251	17	18	0.073+j0.574
3	4	0.366+j0.186	3	19	0.164+j0.156
4	5	0.381+j0.194	19	20	1.504+j1.355
5	6	0.819+j0.707	20	21	0.410+j0.478
6	7	0.187+j0.618	21	22	0.709+j0.937
7	8	1.174+j1.235	8	23	0.451+j0.308
8	9	1.030+j0.740	23	24	0.898+j0.709
9	10	1.040+j0.740	24	25	0.896+j0701
10	11	0.197+j0.065	25	26	0.203+j0.103
11	12	0.374+j0.124	26	27	0.284+j0.145
12	13	1.468+j1.155	27	28	1.059+j0.934
13	14	0.542+j0.713	17	29	0.804+j0.701
14	15	0.591+j0.526	29	30	0.508+j0.256
15	16	0.746+j0.545

表2 配电网阻抗参数

Tab. 2 Distribution network impedance parameters

起始节点	终止节点	线路阻抗/ $Ω$	起始节点	终止节点	线路阻抗/ $Ω$
1	2	0.922+j0.470	16	17	1.289+j1.721
2	3	0.493+j0.251	17	18	0.073+j0.574
3	4	0.366+j0.186	3	19	0.164+j0.156
4	5	0.381+j0.194	19	20	1.504+j1.355
5	6	0.819+j0.707	20	21	0.410+j0.478
6	7	0.187+j0.618	21	22	0.709+j0.937
7	8	1.174+j1.235	8	23	0.451+j0.308
8	9	1.030+j0.740	23	24	0.898+j0.709
9	10	1.040+j0.740	24	25	0.896+j0701
10	11	0.197+j0.065	25	26	0.203+j0.103
11	12	0.374+j0.124	26	27	0.284+j0.145
12	13	1.468+j1.155	27	28	1.059+j0.934
13	14	0.542+j0.713	17	29	0.804+j0.701
14	15	0.591+j0.526	29	30	0.508+j0.256
15	16	0.746+j0.545

表3 高渗透率光伏配电网参数

Tab. 3 High proportion photovoltaic distribution network parameters

参数	数值
电压基准/kV	10
容量基准(MV⋅A)	1
光伏容量/kW	1 200
	1 020
	650
	610
	2 770

图11 含电能路由器的高渗透率光伏配电网结构

Fig. 11 Structure of high proportion photovoltaic distribution network with electrical energy routers

图12 配电网改进前后各节点电压变化情况

Fig. 12 Voltage changes of each node before and after distribution grid improvement

图13 配电网改进前后线路平均功率损耗图

Fig. 13 Average line power loss before and after distribution grid improvement

表4 不同光伏输出下节点电压、线路损耗对比

Tab. 4 Comparison of node voltage and line loss at different photovoltaic outputs

光伏输出占比/%	最大电压/pu		最小电压/pu		线路平均损耗/MW
光伏输出占比/%	改进前	改进后	改进前	改进后	改进前	改进后
0	1.000(1)	1.001(6)	0.893(18)	0.985(13)	0.010 7	0.003 9
50	1.045(30)	1.016(6)	0.982(24)	0.991(13)	0.016 1	0.005 0
100	1.120(30)	1.030(6)	1.000(1)	1.016(13)	0.024 4	0.008 5

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