基于多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划方法与流程

本发明涉及多区域跨时空互动领域，具体涉及基于多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划方法。

背景技术：

1、为最大限度地利用光资源，相关政策鼓励各地区充分挖掘分布式光伏接入容量。但随着分布式光伏接入量的持续攀升，其消纳问题己然成为低压配电网的优化运行难题。受光伏出力和负荷特性的影响，配电区域在光伏大发时段容易产生变压器功率倒送现象，已有部分供电辖区因35kv变电站接入光伏容量超标而导致上级变电站出现时段性反向供电，致使降压配电变压器部分时段内变成升压变压器，这不仅使变压器允许传输容量有所下降，传输过程中的损耗也会大幅提升，并且功率倒送还会引发线路保护装置复杂化、接入点电压越线等安全隐患，因此为保证用户的可靠安全用电，有必要对倒送功率进行限制。

2、由于不同配电区域的光资源条件和负荷消纳能力不匹配，以分布式光伏安装容量占比的方法来避免区域功率倒送并不具备普适性，并且对于一些负荷小、光伏可安装容量大或负荷大、光伏可安装容量小的低压区域来讲，仅在单区域部进行源、荷匹配也不利于配电区域潜在光资源的开发利用。另一方面，随着分布式光伏、电动汽车充电桩、小型直流用电设备等直流资源接入量的持续增长，低压配电区域的运行工况变得更加复杂多变。区域内源、荷功率特性不匹配问题突出，导致区域净负荷峰谷差不断加剧，配电设备整体利用率低下与负荷高峰时段容量不足问题并存。而传统辐射状连接模式下各配电区域独立运行，功率交互仅限于区域内部，邻近区域的变压器剩余容量和源、荷可用资源无法共享，极大地限制了区域功率的灵活调控能力与调控。

3、农牧园区有机废弃物丰富，其通过生物质废弃物资源为原料的沼气发电技术，具有较快的启停特性与快速调整发电出力的能力，其高度灵活可控优势可在电力系统突发故障或其他设备停运时，快速补充电力输出，同时还可与其他能源系统进行联动调节。因此聚合分布式生物质综合利用的农林牧园区能够促进整县光伏消纳，减缓农配网改造压力。然而多类型农牧园区的时序生产特性不同，电碳耦合机制不清晰，导致单一园区扩容改造成本高、多园区聚合互补管控困难、区域配电网难以自治管理等问题。

4、针对上述问题，申请人发现柔性互联技术可借助电力电子变压器或换流器等设备实现区域内部交、直流区域的划分，并在邻近配电区域之间搭建起功率交互通道。通过柔性设备端口的协同调控，互联区域可实现负荷转供以及光伏跨区域消纳，既能提高系统的运行效率和安全性，同时也给整个区域配电网的分布式光伏容量开发提供了更大可能。因此，如何在柔性互联技术的基础上探究区域配电网的区域柔性互联经济运行和优化规划是亟需解决的及身体。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划方法，从规划层面提升农牧零碳园区内配电网分布式光伏的整体接纳水平，能够实现农牧园区与整县光伏区跨时空互动，提高整县光伏的消纳水平同时也实现多区域的联合经济运行，从而保证多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划的有效性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、基于多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划方法，包括：

4、s1：对比分析典型区域柔性互联系统的控制策略及适用范围，建立基于换流器的互联系统运行功率平衡约束；

5、s2：在基于换流器的互联系统运行功率平衡约束的基础上，对区域间互联需求进行区域可联性分析，进而构建基于换流器的区域柔性互联双层规划模型；

6、s3：在基于换流器的区域柔性互联双层规划模型的基础上，以最大化光伏利用率、农牧零碳园的经济效益和配电网运行效能为目标，构建光伏-农牧园区柔性互联双层联合规划模型；

7、s4：求解光伏-农牧园区柔性互联双层联合规划模型，得到区域光伏接入量和最优柔性互联方案，进而基于光伏接入量和最优柔性互联方案实现光伏待规划区的光伏配置以及农牧零碳园区的光伏消纳和配电网运行。

8、优选的，步骤s1中，通过如下步骤建立基于换流器的互联系统运行功率平衡约束：

9、s101：对比典型区域柔性互联系统在工作原理、拓扑结构、控制策略方面的异同，分析确定区域柔性互联系统的适用场景；

10、s102：基于区域柔性互联系统的适用场景分析换流器的柔性互联区域，进而根据资源类型将柔性互联区域划分为vsc换流子区域、交流子区域和直流子区域，并建立各个子区域的功率平衡约束方程。

11、优选的，步骤s102中，各个子区域的功率平衡约束方程如下：

12、1)vsc换流子区域的功率平衡约束方程

13、

14、式中：为t时刻区域i的交流区域流入vsc端口的有功功率；为t时刻区域i的vsc端口流入交流区域的有功功率；为t时刻区域i的直流区域流入vsc端口的有功功率；为t时刻区域i的vsc端口流入直流区域的有功功率；kvsc为vsc进行功率交换的损耗系数；

15、

16、式中：为区域i在t时刻流入vsc交流端口的无功功率；si,vsc为区域i配置的vsc容量；

17、2)交流子区域的功率平衡约束方程

18、

19、

20、

21、

22、

23、式中：和分别为t时刻区域i变压器低压侧的有功功率和无功功率；和分别为t时刻区域i变压器高压侧的有功功率和无功功率；分别为ι时刻区域i交流负荷有功功率和无功功率；pt0、ptk、it0和utk分别表示区域i变压器的空载损耗、额定负载损耗、空载电流百分比和短路电压百分比；βi(t)、si,t分别为区域i变压器负载率以及变压器容量；

24、3)直流子区域的功率平衡约束方程

25、

26、式中：pi,pv(t)表示t时刻区域i的dpvg实际出力；为i时刻区域i,j线上流通的功率，指定从区域i流向区域j为正方向；π(i)为与区域i相连的所有区域的集合；pi,pc(t)表示t时刻区域i的直流负荷；和表示t时刻区域i储能的充、放电功率；表示t时刻区域i的灵活性直流负荷转移量。

27、优选的，各个子区域的功率平衡约束方程还包括：

28、1)自供模式满足：

29、

30、式中：表示t时刻区域i、j联络线上流通的功率，指定从区域i流向区域j为正方向；π(i)表示与区域i相连的所有区域的集合；

31、2)光伏跨区消纳模式满足：

32、

33、3)负荷转供模式满足：

34、

35、优选的，步骤s2中，通过如下步骤建立基于换流器的区域柔性互联双层规划模型：

36、s201：基于用互联需求指标对不同区域的互联需求进行判断并辅助区域分类，进而引入互联距离约束来确定不同区域间的可联组合；

37、s202：基于换流器的柔性互联技术，结合不同区域间的可联组合建立基于换流器的区域柔性互联双层规划模型，以实现互联方案和互联转置容量的优化规划。

38、优选的，步骤s2021中，确定不同区域间的可联组合的步骤如下：

39、1)计算最大净负载率指标和最小净负荷指标；

40、计算公式如下：

41、

42、

43、式中：和分别表示最大净负载率指标和最小净负荷指标；和分别为区域i在s季节场景下日内t时刻交流负荷的有功和无功；为区域i分布式光伏在s季节场景下日内t时刻的最大出力；si,t为区域i的变压器容量；

44、2)基于最大净负载率指标和最小净负荷指标分析不同区域间的可联组合如下：

45、2.1)统计各区域不同季节场景下的源、荷特性曲线，区域变压器参数以及不同区域间距离；

46、2.2)计算各区域互联需求的最大净负载率指标tiload和最小净负荷指标pipure；

47、2.3)对区域进行分类：若tiload＞0.8，归入集合φf1，否则归入集合φt1；若pipure＜0，归入集合φf2，否则归入集合φt2；

48、2.4)将φf1与φt1的区域进行组合，将φf2与φt2的区域进行组合；

49、2.5)从步骤2.4)中的所有组合中筛选满足区域联络距离约束条件的互联结果，构成区域可联组合集合ω。

50、优选的，步骤s022中，基于换流器的区域柔性互联双层规划模型包括：

51、1)上层规划模型：

52、minc＝ci+com+cbuy；

53、式中：ci表示柔性互联装置的年化投资费用；com表示互联装置的年运行维护费用；cbuy表示从上级电网购电的费用；

54、1.1)互联装置的年化投资费用

55、

56、式中：si,vsc和为区域i安装的换流器容量及单位容量投资成本；n为区域配网的配电区域总数；ω为配网进行可联性分析后得出的区域可联组合集合；xh为0-1变量，表示集合ω中第h个组合的区域是否相连，其中1表示该组合中的区域相连，0表示该组合中的区域不相连；lh表示第h个组合中两个区域之间的距离；表示单位长度直流联络线路投资安装成本；yvsc、yline分别为换流器和直流线路的经济使用年限；r为贴现率；

57、1.2)互联装置的年运行维护费用

58、

59、式中：为换流器单位容量的年运行维护成本；

60、1.3)从上级主网购电的费用

61、cbuy＝ctbuy+closs；

62、式中：ctbuy为全年所有区域从主网购电的费用；closs为全年配电系统10kv线损费用；

63、2)下层优化运行模型：

64、

65、式中：ds为一年中季节场景s包含的天数；n为配网包含的配电区域总数；nbos为配网包含的10kv节点总数；为季节场景s下t时刻区域i变压器高压侧有功；c(t)为t时刻从上级电网电价；ps,t(t)为季节场景s下t时刻系统注入节点i的有功功率。

66、优选的，基于换流器的区域柔性互联双层规划模型还包括如下约束条件：

67、1)上层模型的约束条件

68、1.1)区域换流器接入容量约束：

69、

70、式中：为区域换流器的最大可安装容量；

71、2)下层模型的约束条件

72、2.1)vsc换流子区域和交流子区域的功率平衡约束

73、2.2)变更后的直流子区域的功率平衡约束

74、

75、式中：ps,i,pv(t)为s季节场景下t时刻区域i的dpvg实际出力；ps,i,dc(t)为s季节场景下t时刻区域i的直流负荷；为s季节场景下t时刻区域i经联络线流向区域j的功率；π(i)为与区域i相连的所有区域的集合；

76、2.3)储能状态、功率约束

77、

78、

79、

80、式中：和分别为储能的充、放电状态变量，为0-1变量，值为1表示储能处于充电/放电状态，为0表示停止充电/放电状态；为区域i储能充放电功率的最大值；

81、

82、

83、

84、式中：ei,ess(t)为s季节场景下t时刻区域i储能电量；为储能电量上限；η+和η-分别为储能的充放电效率；

85、2.4)分布式光伏约束

86、

87、式中：pi,pv(t)为s季节场景下t时刻区域i分布式光伏的最大出力；

88、2.5)可转移负荷约束

89、

90、

91、式中：为s季节场景下t时刻区域i的可转移直流负荷上限；

92、2.6)柔性互联区域间约束

93、

94、

95、

96、式中：为直流联络线允许的最大传输功率；kline为线路传输损耗系数；

97、2.7)非互联配电区域功率平衡约束

98、

99、

100、

101、

102、

103、2.8)配电网潮流约束、节点电压约束

104、

105、

106、

107、

108、

109、式中：us,i(t)、us,j(t)和θs,i(t)分别表示s季节场景下t时刻节点i、j的电压幅值和相角差；qs,i(t)表示s季节场景t时刻系统注入节点i的无功功率；δ(i)表示与节点i相连的节点合集；gi、bi、gi、bi分别为节点的互电导、互电纳、自电导和自电纳；umax和umin分别为节点i电压幅值的上下限。

110、优选的，步骤s3中，光伏-农牧园区柔性互联双层联合规划模型包括：

111、1)上层规划模型：

112、minf＝fl+fom+fbuy；

113、式中：fl为年化投资安装费用；fom为年运行维护费用，包含分布式光伏和vsc的运行维护费用两部分；fbuy为配电网从上级电网购电费用；

114、1.1)年化投资安装费用

115、

116、式中：si,pv和为区域i安装的分布式光伏容量及单位容量的投资安装成本；si,vsc和为区域i安装的vsc容量及单位容量投资安装成本；lij为互联区域i、j的距离；为单位长度直流联络线路投资安装成本，由于直流输电含正、负两极，因此计算线路成本时乘以系数2；ypv、yvsc、yline分别为分布式光伏、vsc和直流路线的经济使用年限；r为贴现率；n为待规划配电网的区域数量；b为配电网所有区域集合；xij为0-1状态变量，表示区域i、j的互联状态，1表示两区域互联，0表示两区域不互联；

117、1.2)年运行维护费用

118、

119、式中：分别为分布式光伏及vsc单位容量的年运行维护成本；

120、1.3)向上级电网购电费用

121、fbuy＝ftbuy+floss；

122、式中：ftbw为区域从电网购电费用；fioss为区域配网10kv网损费用；

123、2)下层运行模型：

124、

125、式中：ds为一年中季节场景s包含的天数；n为配网包含的配电区域总数；nbos为配网包含的10kv节点总数；为季节场景s下t时刻区域i变压器高压侧有功；ps,i(t)为季节场景s下t时刻系统注入节点i的有功功率。

126、优选的，光伏-农牧园区柔性互联双层联合规划模型包括如下约束条件：

127、1)上层模型的约束条件

128、1.1)分布式光伏装机约束

129、

130、

131、式中：dis(i,j)表示区域i和区域j之间的距离；dismax表示可互联区域之间允许的最远距离；

132、1.2)vsc安装容量约束

133、

134、

135、式中：为区域i允许安装vsc的容量最大值

136、本发明中基于多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

137、本发明通过分析典型区域柔性互联系统的控制策略及适用范围，建立基于换流器的互联系统运行功率平衡约束，一方面，通过对比典型区域互联方式在拓扑结构、电压等级、调节性能、建设成本等方面的差异，能够选择与当前背景下适用性更高的柔性互联方式，为后续光伏和农牧园区的互联系统运行控制奠定基础；另一方面，本发明对互联系统进行划分，建立各个子系统的运行功率平衡约束，能够为区域源、荷、储资源的协调控制打下基础，有利于实现农牧园区柔性资源与整县光伏的互补。

138、本发明针对不同区域能源需求和能源协调互补进行柔性互联系统的构建，通过建立区域互联指标提出区域可联性分析方法，进而建立区域柔性互联双层规划模型，能够为存在互联需求的区域进行精准配对，并通过优化配电区域的互联方案以及对应互联装置的容量，为存在互联需求的区域提供分布式光伏跨区消纳以及重载负荷途径，缓解光伏出力过大、变压器重载过载问题，有利于更好的考虑农牧园区柔性资源与整县光伏的互补特性，从而为后续的农牧零碳园区与光伏跨时空柔性互联规划提供基础。

139、本发明针对安装潜力大的光伏待规划区域及生物质资源丰富的农牧零碳园区建立整县光伏-农牧园区柔性互联双层联合规划模型，同时优化区域光伏接入量和最优柔性互联方案，并实现光伏待规划区的光伏配置以及农牧零碳园区的光伏消纳和配电网运行。本发明从规划层面提升农牧零碳园区内配电网分布式光伏的整体接纳水平，促进整县光伏背景下区域配网的光伏配置和安全、经济运行，即能够实现农牧园区与整县光伏区跨时空互动，提高整县光伏的消纳水平同时也实现多区域的联合经济运行，从而保证多农牧零碳园区与光伏的跨时空柔性互联规划的有效性。