含高渗透率可再生能源的主动配电网两阶段柔性软开关与联络开关协调优化控制
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中国农业大学信息与电气工程学院、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员丛鹏伟、唐巍、娄铖伟、张博、张璐，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出，主动配电网要求配电网满足灵活可控、弹性坚强的要求，然而高渗透率可再生能源（REG）的接入给主动配电网的经济安全运行带来了很大的挑战。
针对REG出力的时序性与随机性，考虑REG预测误差，建立两阶段柔性软开关（SOP）与联络开关协调优化控制架构。在日前阶段以网损最小、弃风弃光最少为综合目标建立了SOP与联络开关时序协调优化模型；在日内滚动优化阶段，基于模型预测控制建立SOP反馈滚动优化控制模型，以减少REG出力随机性对配电网运行的影响。提出网络重构约束的二阶锥模型转化方法，以实现利用混合整数二阶锥规划方法统一求解SOP与网络重构的协调优化。
算例结果表明，通过日前、日内滚动两阶段协调优化控制能充分考虑REG出力的波动性与随机性，增强配电网对REG的消纳能力，在提升配电网电压水平的同时改善配电网的经济效益，保障配电网经济安全运行。
近年来，为了节能减排、保护环境，大量分布式电源（Distributed Generation, DG）接入中压配电网中，使得配电网发展为有源配电网。其中，风电、光伏等出力随机性很强的可再生能源发电（Renewable Energy Generation, REG）给配电网的运行优化带来了安全风险与新的挑战。为了应对新的风险与挑战，主动配电网（Active Distribution Network, ADN）技术模式被提出，要求充分利用新的调控手段和方法，满足配电网灵活可控、弹性坚强的要求，以适应高渗透率REG的接入。
柔性软开关（Soft Open Point, SOP）是一种新型电力电子设备，作为一种新的调控手段可以在配电网中替代传统联络开关，具有实时调整功率大小、流向以及补偿无功等功能。SOP能够通过实时功率控制减少可再生能源出力预测误差，有效控制由于高渗透率可再生能源接入引起的潮流、电压越限等问题，对含高渗透率DG的主动配电网经济安全运行有重要作用。目前，在运行特性、配电网规划和配电网运行优化方面，已有一些针对含SOP配电网的研究。
在配电网运行优化方面，文献[10]基于SOP控制模式与特性，建立含有SOP的配电网运行优化模型，在单一时间断面通过比较SOP和网络重构的优化效果，证明SOP在运行优化方面的优势。文献[11]建立SOP电压无功控制时序模型，并采用凸松弛技术将其转化为二阶锥模型，实现对该问题的快速求解，算例结果证明了SOP能够有效改善配电系统的电压质量。
文献[12]考虑分布式电源出力以及负荷的时序变化特性，以电压偏移、馈线负荷平衡以及线损最小为优化目标，建立SOP时序优化模型，算例结果证明SOP能有效消纳分布式电源。由于SOP目前成本较高，在短期内无法完全替代配电网中的联络开关，因此文献[13]重点研究了SOP与联络开关的协调优化问题，建立日前时序优化模型，采用基于模拟退火和锥优化的混合优化算法进行求解，实现SOP与联络开关在长时间尺度上的联立优化。
通过以上文献分析可知，从提升经济性和资产利用率角度出发，联络开关与SOP并存的配电网络是可行的智能配电网过渡模式。高渗透率REG出力随机性对配电网经济安全优化的影响日益突显[14]，具有实时潮流控制能力的SOP能够有效减少REG出力预测误差带来的系统运行风险，目前缺乏针对REG预测误差的含SOP配电网运行优化策略研究。
在求解算法方面，SOP与联络开关协调优化属于混合整数非线性优化问题（Mixed Integer Nonlinear Optimization, MINOP），需要同时求解连续变量（SOP传输功率）和离散变量（联络开关状态），多时段决策变量维数剧增导致求解困难，虽然二阶锥方法优化SOP功率性能优越，但不能直接用于联络开关状态与SOP功率的联合优化，目前尚未见到相关成果发表。
本文考虑REG预测误差，建立了含高渗透率REG主动配电网的两阶段SOP与联络开关协调优化控制架构；考虑网损、弃风弃光等因素，基于模型预测控制建立日前、日内SOP与联络开关协调优化控制模型；提出网络重构约束的二阶锥模型转化方法，实现了利用混合整数二阶锥方法对开关状态和SOP功率的统一求解；采用改进的IEEE 33节点系统验证模型和算法的有效性。
图1 两阶段SOP与联络开关协调优化控制流程
高渗透率可再生能源接入配电网后，其波动性和随机性给配电网的运行优化带来很大挑战。本文针对REG出力的波动性与随机性，结合新兴的电力电子设备，提出了SOP与联络开关两阶段协调优化方法，以适应高渗透率可再生能源接入主动配电网。研究结果表明：
1）本文所提出的日前、日内滚动两阶段SOP与联络开关优化控制架构能充分考虑REG出力的波动性与随机性，有效消除REG预测误差对运行优化的影响。在日前阶段能够应对REG出力的波动性，实现系统的经济运行，有效提升配电网对REG的消纳能力；在日内滚动阶段基于模型预测控制方法，能够有效跟踪REG出力的随机变化，短时调整SOP传输功率，在提升配电网电压水平的同时改善配电网的经济效益，保障配电网经济安全运行。
2）本文基于锥优化提出了适用于SOP与联络开关协同优化的混合整数二阶锥规划算法，能够将网络重构和SOP优化这两个问题转化为一个线性模型进行统一求解。算例结果证明了本文算法在保证求解最优性的同时，能大幅度缩短求解时间，有效提升计算效率。