殷展 杜仁平 姜黎明 張建文 施剛 周劍橋 朱城昊

摘 要：為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的潮流靈活可控，提高供電質(zhì)量，探索了一種基于電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了其潮流優(yōu)化控制方案。作為該網(wǎng)架的核心裝備，電能路由器一方面可取代傳統(tǒng)配電變壓器，實(shí)現(xiàn)中低壓電力變換;另一方面具備中壓直流端口，可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域配電網(wǎng)間的直流互聯(lián)，形成網(wǎng)狀直流能量層，利用該直流功率流動(dòng)，可優(yōu)化控制整個(gè)配電系統(tǒng)的潮流。首先提出了基于電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu);其次設(shè)計(jì)了該配電網(wǎng)的混合交直流潮流計(jì)算方法，并采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)潮流快速解算與實(shí)時(shí)優(yōu)化;最后，通過(guò)構(gòu)建29節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)仿真模型，以網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓為優(yōu)化目標(biāo)，在正常工況和重載工況兩種場(chǎng)景下，驗(yàn)證了文中所提出的配電網(wǎng)架構(gòu)及其潮流優(yōu)化方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：電能路由器，交直流混合配電網(wǎng)，粒子群算法，潮流優(yōu)化控制

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.004

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2021）04-0020-08

Abstract：In recent years， a large number of distributed new energy power generation devices have been integrated into the grid， resulting in bidirectional power flow in distribution network. At the same time， traditional end users have also begun to join the distribution network as power supplies， which cannot be afforded by traditional distribution network systems. Therefore， it is necessary to transform and optimize the traditional grid structure to meet the higher standard of electricity demand in the future economic society. This paper explores a new type of AC/DC hybrid distribution network networking structure， that is， through the power router to achieve medium voltage DC interconnection between different distribution areas， forming a layer of network DC energy， optimizating the entire distribution by the DC power flow. This paper firstly introduces the new distribution network structure， and then uses the AC-DC hybrid power flow calculation as a tool to carry out the distribution network operation simulation. Finally， based on the particle swarm optimization algorithm， the new distribution network structure is optimizedly controlled. Through the analysis of the simulation results， it is found that the new distribution network structure adopted in this paper has a large optimization effect on the network loss and node voltage status of the distribution network.

Keywords：power router; AC/DC hybrid distribution network; particle swarm optimization（PSO）; power flow optimization control

0 引 言

近年來(lái)，為了緩解能源危機(jī)，減小工業(yè)排放的污染，大量分布式能源并入電網(wǎng)，使得傳統(tǒng)的集中式發(fā)電模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺胶头植际桨l(fā)電并存的模式。分布式能源具有地理分散性、出力間歇性、波動(dòng)隨機(jī)性等特點(diǎn)，其輸出的波動(dòng)性功率將會(huì)惡化配電網(wǎng)的運(yùn)行性能與電能質(zhì)量。為了減小分布式能源對(duì)配電網(wǎng)的沖擊，提高分布式能源的利用率，需接入儲(chǔ)能設(shè)備以提供能量緩沖。分布式能源和儲(chǔ)能的配置，將在配電網(wǎng)中引入雙向潮流問(wèn)題。同時(shí)，隨著柔性負(fù)荷的發(fā)展，以及電動(dòng)汽車(chē)等新型直流負(fù)荷的加入，在未來(lái)，配電終端用戶(hù)亦將參與配電潮流調(diào)節(jié)，并對(duì)電力形式的多樣化提出了更高要求，也使得配電網(wǎng)電能管理變得更加困難。現(xiàn)有的單向潮流、輻射型架構(gòu)配電網(wǎng)已無(wú)法滿足終端源-荷的雙向主動(dòng)潮流及可定制化電力需求。

為了滿足未來(lái)配電系統(tǒng)對(duì)電能控制的多樣性和復(fù)雜性的要求，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”計(jì)劃[1]，后來(lái)更改為“Sustainable Building and Nanogrides（SBN）”計(jì)劃，公布了經(jīng)典的基于分層互聯(lián)交直流子網(wǎng)混合概念性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在2011年美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)提出了“The future Renewable Electric Energy Delivery and Management（FREEDM）”[2]，確定了可實(shí)現(xiàn)源荷即插即用的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在歐洲，英國(guó)諾丁漢大學(xué)提出了“Universal and Flexible Power Management（UNIFLEX-PM）”方案，該方案用于交直流混合配電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)[3]。直流作為分布式電源的理想接入形式，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視，在多層級(jí)交直流混合配電網(wǎng)中，分布式新能源發(fā)電裝置可以直接以直流形式接入直流配電網(wǎng)，對(duì)比于傳統(tǒng)的新能源電源并網(wǎng)過(guò)程，省去了直流轉(zhuǎn)交流環(huán)節(jié)，減少了大量的換流損耗，同時(shí)直接以直流形式并網(wǎng)不需要進(jìn)行相位和頻率的跟蹤，系統(tǒng)的可控型和可靠性得到極大提升，因此采用多層級(jí)交直流混合配電網(wǎng)成為電網(wǎng)應(yīng)對(duì)大規(guī)模分布式電源接入的一個(gè)有效解決方式。

其中，基于電力電子技術(shù)的電能路由器，因其功率高可控性、多形態(tài)端口可擴(kuò)展性、電氣絕緣與故障隔離能力，成為能源互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)及能量路由的核心裝置[4-5]。

本文探索了一種基于電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)有交直流混合配電網(wǎng)相比，該網(wǎng)架具有如下特點(diǎn)：1）以多端口電能路由器作為網(wǎng)間互聯(lián)的核心裝備，多端口電能路由器可以增加電氣接口的多樣性，適應(yīng)當(dāng)下及未來(lái)大量分布式能源與新型負(fù)荷的接入需求，且其多端口功率靈活可控，可主動(dòng)調(diào)節(jié)配電系統(tǒng)的潮流，降低線路損耗，優(yōu)化電壓狀況，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;2）該網(wǎng)架具有中壓直流配電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域交流配電網(wǎng)間的直流互聯(lián)，形成網(wǎng)狀直流能量層，利用該直流功率流動(dòng)，可優(yōu)化控制整個(gè)配電系統(tǒng)的潮流。

本文從配電網(wǎng)潮流優(yōu)化控制的角度出發(fā)，首先提出了基于電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu);其次設(shè)計(jì)了該配電網(wǎng)的混合交直流潮流計(jì)算方法，并采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)潮流快速解算與實(shí)時(shí)優(yōu)化;最后，通過(guò)構(gòu)建29節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)仿真模型，以網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓為優(yōu)化目標(biāo)，在正常工況和重載工況兩種場(chǎng)景下，驗(yàn)證了本文所提出的配電網(wǎng)架構(gòu)及其潮流優(yōu)化方案的可行性和有效性。

1 基于多端口電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)

交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將影響配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出了兩種拓?fù)浼軜?gòu)，分別為含柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)以及以直流網(wǎng)為組成部分的交直流混合配電網(wǎng)。含柔性直流裝置的交直流混合配電網(wǎng)主要應(yīng)用于直流源類(lèi)型負(fù)荷較少的場(chǎng)景，而以直流網(wǎng)為組成部分的交直流混合配電網(wǎng)更加適合直流源類(lèi)型負(fù)荷接入較多的場(chǎng)景。因此含直流網(wǎng)的交直流混合配電網(wǎng)更適合未來(lái)大量新能源電力設(shè)備的接入。

本文提出的基于多端口電能路由器的新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的交直流混合配電網(wǎng)，其包含多個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)，每個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)以多端口電能路由器為核心，實(shí)現(xiàn)中壓交流、中壓直流、低壓交流、低壓直流四類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的柔性互聯(lián)。而不同區(qū)域配電網(wǎng)之間可通過(guò)電能路由器的中壓直流端口實(shí)現(xiàn)柔性直流互聯(lián)，并形成一個(gè)網(wǎng)狀中壓直流結(jié)構(gòu)，各個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)通過(guò)該中壓直流網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量在不同區(qū)域配電網(wǎng)之間流動(dòng)。圖1為本文采用的新型交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)。

該架構(gòu)主要具有以下3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1）電能路由器中壓端口互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域能量互通，不同配電網(wǎng)之間提供相互支持。

2）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以提升傳輸容量和豐富傳輸路徑，有利于實(shí)現(xiàn)潮流最優(yōu)分布控制。

3）多區(qū)域互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離和非故障區(qū)的快速恢復(fù)，配電系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

1.1 電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定為中低壓交直流混合配電網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算，探究新型交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)對(duì)整體配電網(wǎng)潮流優(yōu)化的作用，將新型架構(gòu)所采用的電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為四端口電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包含3部分。第一部分是電壓源型換流器（Voltage Source Converter， VSC）;第二部分為隔離單元，隔離單元為雙有源橋變換器（Dual Active Bridge， DAB），其主要由整流器，逆變器和高頻變壓器組成;第三部分為負(fù)載變換器，針對(duì)交流電網(wǎng)負(fù)載，為逆變器，針對(duì)直流電網(wǎng)負(fù)載，為DAB變換器。該結(jié)構(gòu)的中心部分為內(nèi)部直流母線（Inner DC bus），所有端口流入的能量都將匯集到該母線上，然后重分配給各個(gè)端口，所以該母線是多端口電能路由器的能量中心。同時(shí)因?yàn)橹袎褐绷麟娋W(wǎng)電壓與該內(nèi)部直流母線電壓相同，因此中壓直流端口可以直接視作內(nèi)部直流母線的一部分。其他3個(gè)端口的組成分別為：中壓交流端口由VSC引出;低壓交流端口由DAB和VSC引出;低壓直流端口由DAB引出。

1.2 電能路由器端口穩(wěn)態(tài)模型

輸入輸出端口變換器是電能路由器的重要組成部分，其可將電能路由器與外部交直流配電網(wǎng)互聯(lián)起來(lái)，各端口通過(guò)DC/DC變換器統(tǒng)一連接到內(nèi)部直流母線上，實(shí)現(xiàn)多端口電能路由器功率的平衡調(diào)節(jié)以及能量交換。

針對(duì)連接交流配電網(wǎng)的AC/DC類(lèi)型端口變換器。其穩(wěn)態(tài)等效模型如圖3所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律，多端口電能路由器交流端口注入的有功功率Ps和無(wú)功功率Qs可以表示為：

針對(duì)該AC/DC端口進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，采用了擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)法（modified Augmented Nodal Analysis，MANA），即將該模型最左側(cè)節(jié)點(diǎn)并入對(duì)應(yīng)的交流電網(wǎng)，當(dāng)作交流電網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將模型中的bl，bcl，gl等元件當(dāng)作一段輸電線路，同時(shí)并入交流電網(wǎng)，這樣交流電網(wǎng)中雖然相當(dāng)于增加了一個(gè)節(jié)點(diǎn)和一段線路，但AC/DC端口卻省去了復(fù)雜的電壓，相角轉(zhuǎn)換過(guò)程，端口模型獲得了極大簡(jiǎn)化。

針對(duì)DC/DC類(lèi)型的端口，可以用電阻Rk模擬DC/DC換流器損耗。根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以列如下方程：

式中：n為變換器變比;Uk為直流端口節(jié)點(diǎn)電壓幅值;Udc為內(nèi)部直流電壓母線電壓幅值。

1.3 電能路由器損耗分析

多端口電能路由器的損耗主要為各階變換器損耗，包含VSC損耗和DAB損耗。因?yàn)楸疚闹饕芯慷喽丝陔娔苈酚善髟谂潆娋W(wǎng)中的作用，因此必須考慮多端口電能路由器的變換器損耗。如圖4所示。首先定義如下變量：Pport1表示電能路由器經(jīng)中壓交流端口流出的有功功率;Pport2表示電能路由器經(jīng)低壓交流端口流出的有功功率;Pport3表示電能路由器中壓直流端口流出的有功功率;Pport4表示電能路由器經(jīng)低壓直流端口流出的有功功率。I1，I2，I3，I4分別表示流經(jīng)電能路由器中壓交流端口、低壓交流端口、中壓直流端口和低壓直流端口的電流幅值。

針對(duì)VSC損耗，由電力電子變壓器的綜合損耗模型[6]，得到VSC的損耗模型：

上式中Ploss，vsc，i指編號(hào)為i的VSC器件損耗。系數(shù)a0，ia1，ia2，i為編號(hào)為i的VSC器件的損耗系數(shù)，且滿足a0，ia1，ia2，i≥0。其中a0，i為固定損耗，主要為高頻變壓器的鐵芯損耗，與流經(jīng)其的電流無(wú)關(guān)。a1，i為線性損耗，主要為多端口電能路由器中的開(kāi)關(guān)器件（例如IGBT）的開(kāi)關(guān)損耗。a2，i表示平方損耗，主要為高頻變壓器的線圈損耗和多端口電能路由器的開(kāi)關(guān)器件（IGBT）的導(dǎo)通損耗。不同型號(hào)的VSC損耗系數(shù)不同，但大多可以用此公式表示。通過(guò)此公式，只需要知道流經(jīng)VSC的電流幅值就可以得到VSC的功率損耗。

針對(duì)DAB損耗，由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，DAB損耗也隨之降低，本文近似取流經(jīng)其功率的2%作為DAB損耗。令Ploss，DAB，i代表編號(hào)為i的DAB損耗，Pport，i代表流經(jīng)編號(hào)為i的DAB的功率值，因此流經(jīng)編號(hào)為i的DAB損耗的可用如下公式表示：

通過(guò)公式（4）、（5），可以計(jì)算得到多端口電能路由器每個(gè)端口的損耗情況。首先是中壓交流端口，因?yàn)槠渲话琕SC，不包含DAB，所以a0，i=0，且a2，i中不包含高頻變壓器的銅耗，其損耗Ploss，1=Ploss，vsc，1;其次是低壓交流端口，因?yàn)槠浒琕SC和DAB模塊，因此其損耗為Ploss.1=Ploss，vsc，2+Ploss，DAB.1。最后是低壓直流端口，低壓直流端口僅包含DAB模塊，所以其損耗為Ploss，4=Ploss，DAB，2。因?yàn)槎喽丝陔娔苈酚善鞯闹袎褐绷鞫丝诓话魏纹骷?，沒(méi)有經(jīng)歷任何變換環(huán)節(jié)，所以可近似認(rèn)為沒(méi)有損耗。

2 交直流混合配電網(wǎng)潮流計(jì)算與優(yōu)化算法

2.1 交直流混合潮流計(jì)算方法

2.1.1 節(jié)點(diǎn)分類(lèi)

首先需要對(duì)配電網(wǎng)包含的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。在含多端口電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)中，中壓交流電網(wǎng)被視為主網(wǎng)，其主要負(fù)責(zé)平衡其他子網(wǎng)的功率波動(dòng)。在直流配電網(wǎng)的潮流計(jì)算中，負(fù)載按照以下情況進(jìn)行分類(lèi)，定P節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)連接直接接入直流配電網(wǎng)的負(fù)載;定V節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)連接需要電力電子裝置維持電壓恒定的節(jié)點(diǎn);定I節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)連接需要通過(guò)逆變器接入直流配電網(wǎng)的交流負(fù)載。DC/DC變換器的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型取決于其控制方式，如果采用定電壓控制，出口側(cè)節(jié)點(diǎn)即為定V節(jié)點(diǎn);若采用不調(diào)壓控制，可以視為定P節(jié)點(diǎn)。在交流配電網(wǎng)中，通常與大功率交流電源相連的節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，平衡交流電網(wǎng)的功率波動(dòng)。在直流配電網(wǎng)中，定V節(jié)點(diǎn)充當(dāng)平衡節(jié)點(diǎn)，平衡直流配電網(wǎng)的功率波動(dòng)。因此，針對(duì)圖4構(gòu)建的以電能路由器為核心的交直流配電網(wǎng)，與大功率交流電源相連的節(jié)點(diǎn)取為平衡節(jié)點(diǎn)，與多端口電能路由器中壓交流端口相連的節(jié)點(diǎn)定為PQ節(jié)點(diǎn)。在低壓交流配電網(wǎng)中，與新能源相連的節(jié)點(diǎn)根據(jù)連接的新能源的類(lèi)型不同，分為PQ節(jié)點(diǎn)和PV節(jié)點(diǎn)，與多端口電能路由器低壓交流端口相連的節(jié)點(diǎn)定為平衡節(jié)點(diǎn)。在低壓直流配電網(wǎng)中，與新能源相連的節(jié)點(diǎn)根據(jù)連接的新能源的類(lèi)型不同，分為定P節(jié)點(diǎn)和定V節(jié)點(diǎn)，與多端口電能路由器低壓直流端口相連的節(jié)點(diǎn)定為平衡節(jié)點(diǎn)。在中壓直流配電網(wǎng)中，取內(nèi)部直流電壓母線為平衡節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行潮流計(jì)算。

2.1.2 VSC控制模式

VSC換流器可以分別控制注入交流網(wǎng)絡(luò)的有功功率和無(wú)功功率，表1展示了VSC換流器的控制模式。

進(jìn)行交流網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算時(shí)，當(dāng)其與直流網(wǎng)絡(luò)相連的換流器控制方式為定有功功率控制時(shí)，即采用控制模式（1）、（2），其對(duì)應(yīng)的交流節(jié)點(diǎn)當(dāng)做負(fù)荷節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算;當(dāng)控制方式為定直流電壓時(shí)，即采用控制模式（3）、（4），其對(duì)應(yīng)的交流節(jié)點(diǎn)同樣當(dāng)做負(fù)荷節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算;當(dāng)控制方式為定交流電壓幅值和相角時(shí)，即采用控制模式（5），相應(yīng)的交流節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)做此交流網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算。需要注意的是，在中壓交流電網(wǎng)，一般選大功率交流電源連接的節(jié)點(diǎn)作為平衡節(jié)點(diǎn);在低壓電網(wǎng)，根據(jù)電網(wǎng)連接的新能源電源類(lèi)型，選擇新能源電源連接的節(jié)點(diǎn)或者換流器連接的節(jié)點(diǎn)作為平衡節(jié)點(diǎn)，且平衡節(jié)點(diǎn)只能選取一個(gè)。與有源交流網(wǎng)絡(luò)相連接時(shí)，主要采用前四種模式，但是當(dāng)有源交流網(wǎng)絡(luò)的電源輸出電能為恒定時(shí)，該電源相當(dāng)于功率消耗為負(fù)數(shù)的負(fù)載，此時(shí)應(yīng)采用控制模式（5），即將VSC換流器端口連接的交流母線節(jié)點(diǎn)看做平衡節(jié)點(diǎn)，其輸入的有功功率和無(wú)功功率將由交流電網(wǎng)潮流計(jì)算得到。

DAB控制模式可以分為定直流電壓控制和定功率控制。在含多端口電能路由器的交直流配電網(wǎng)模型中，DAB分別應(yīng)用在低壓直流端口和低壓交流端口。應(yīng)用于低壓交流端口的DAB與VSC換流器相連，所以其應(yīng)采用定直流電壓控制。應(yīng)用于低壓直流端口的DAB與低壓直流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連，且相連節(jié)點(diǎn)在低壓直流網(wǎng)絡(luò)中為定U節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)維持低壓直流配電網(wǎng)電壓水平，所以該DAB采用定直流電壓控制。

2.1.3 潮流計(jì)算流程

因?yàn)楸疚难芯康膽?yīng)用場(chǎng)景為包含電能路由器的交直流混合配電網(wǎng)模型，交直流混合配電網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)的單獨(dú)交流配電網(wǎng)和單獨(dú)的直流配電網(wǎng)而言能量流動(dòng)更加復(fù)雜，且電能路由器內(nèi)包含VSC和DAB等控制模式多樣的換流器件。

已有的混合潮流計(jì)算方法可以分為兩類(lèi)：統(tǒng)一迭代法和交替迭代法[7-16]。交替迭代法由于其靈活性和對(duì)現(xiàn)有交流潮流算法的良好繼承性，受到了較多的重視。為了保證算法的收斂性、靈活性以及運(yùn)行效率，本文決定采用交替迭代、可靠性更高的基于牛頓拉夫遜法的交直流混合配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法。

該方法的核心思想是在求解交流配電網(wǎng)潮流時(shí)，將直流配電網(wǎng)等效成交流配電網(wǎng)的一個(gè)固定負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，固定有功功率和無(wú)功功率。在求解直流配電網(wǎng)時(shí)，將交流網(wǎng)絡(luò)等效為無(wú)窮大電源節(jié)點(diǎn)，維持直流配電網(wǎng)電壓。潮流算法流程圖如圖5所示。

2.2 優(yōu)化算法：粒子群算法

由于本文采用的新型交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)在不同區(qū)域之間構(gòu)建了一層直流能量互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)注入或提取的功率流可以隨意設(shè)置，為使得整個(gè)龐大的配電系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)最優(yōu)化運(yùn)行，需要一個(gè)快速準(zhǔn)確的最優(yōu)化算法進(jìn)行實(shí)時(shí)潮流最優(yōu)化計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)每個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)注入或提取的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。由于粒子群算法具有收斂速度較快、收斂性較好且參數(shù)調(diào)整少等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用粒子群最優(yōu)化算法來(lái)求解使得整個(gè)配電系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行的直流能量互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率流。

粒子群算法實(shí)現(xiàn)流程如下：

1）初始化。設(shè)置權(quán)重系數(shù)ω、學(xué)習(xí)因子c1和c2、種群規(guī)模N、粒子最大速度Vmax 以及迭代次數(shù)等參數(shù)。然后采用取隨機(jī)值函數(shù)，在搜索空間范圍內(nèi)初始化粒子的位置Xi和速度Vi。同時(shí)，設(shè)置每個(gè)粒子的初始化適應(yīng)值為個(gè)體最優(yōu)Pi，然后通過(guò)比較每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)值，得到整個(gè)粒子群體里的全局最優(yōu)值Pg。

2）求得每個(gè)粒子的適應(yīng)值。若此代搜尋粒子的適應(yīng)值優(yōu)于個(gè)體的最優(yōu)值，則更新個(gè)體的最優(yōu)值Pi設(shè)為此適應(yīng)值，若該適應(yīng)值優(yōu)于群體的最優(yōu)值，則更新群體的最優(yōu)值Pg。

3）更新速度和位置。根據(jù)之前設(shè)定的參數(shù)以及個(gè)體最優(yōu)值和群體最優(yōu)值，利用公式（6）和公式（7）更新每個(gè)粒子的速度和位置。如果粒子的某一維速度超過(guò)最大速度Vmax，則設(shè)置該維速度為最大速度Vmax。如果粒子的位置超過(guò)搜索邊界值，則取設(shè)定該粒子位置為邊界值。

4）檢測(cè)是否終止計(jì)算。設(shè)定兩個(gè)終止條件：達(dá)到最大迭代次數(shù)和結(jié)果小于最小收斂精度。如果完成任何一項(xiàng)，則終止計(jì)算，并輸出群體最優(yōu)適應(yīng)值Pg以及最優(yōu)值所在的位置。如果沒(méi)有達(dá)到終止條件，則返回步驟2），繼續(xù)迭代。

3 算例仿真驗(yàn)證

為探究新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中電能路由器互聯(lián)形成的能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)配電網(wǎng)的潮流優(yōu)化作用，本文設(shè)置了兩種場(chǎng)景。第一種是電能路由器的互聯(lián)作用于正常狀況運(yùn)行下配電網(wǎng);第二種是電能路由器的互聯(lián)作用于含重載線路的配電網(wǎng)。配電網(wǎng)運(yùn)行狀況評(píng)估采用模糊評(píng)價(jià)理論[17-19]，選取配電網(wǎng)網(wǎng)損和配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓狀況兩個(gè)變量作為優(yōu)化目標(biāo)，且權(quán)重相同。

3.1 仿真模型構(gòu)建

以采用的新型交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，基于Matlab軟件編寫(xiě)構(gòu)建了如圖6所示的29節(jié)點(diǎn)交直流混合配電系統(tǒng)的算法。其中設(shè)定了兩個(gè)配電區(qū)域，每個(gè)配電區(qū)域包含4種類(lèi)型的配電網(wǎng)，分別為400V低壓交流配電網(wǎng)、750V低壓直流配電網(wǎng)、10kV中壓直流配電網(wǎng)和10kV中壓交流配電網(wǎng)。4種類(lèi)型的配電網(wǎng)通過(guò)電能路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。其中設(shè)定了2個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)之間通過(guò)中壓直流配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)量互通。通過(guò)對(duì)比開(kāi)通與關(guān)斷中壓直流互聯(lián)線路2種配電網(wǎng)架構(gòu)，探究中壓直流互聯(lián)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化作用。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要分為2個(gè)部分，分別是發(fā)電裝置及節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置、電能路由器參數(shù)設(shè)置。

1）發(fā)電裝置及節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置。

發(fā)電裝置在本模型中為大功率交流電源、風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電裝置。連接在節(jié)點(diǎn)17和節(jié)點(diǎn)8的大功率交流電源的容量設(shè)為1.5MW。連接在節(jié)點(diǎn)20和節(jié)點(diǎn)23的風(fēng)機(jī)出力設(shè)為400kW，且其運(yùn)行在單位功率因數(shù)。連接在節(jié)點(diǎn)27和28的光伏發(fā)電設(shè)置為出力350kW，為固定值。節(jié)點(diǎn)的電壓幅值上限為1.1pu，下限為0.85pu。系統(tǒng)的總有功負(fù)荷為3080kW，系統(tǒng)的總無(wú)功負(fù)荷為520kVar。

2）電能路由器參數(shù)設(shè)置。

電能路由器的參數(shù)設(shè)置包含端口容量設(shè)置和端口損耗參數(shù)設(shè)置[20]。設(shè)置分別如表2、表3所示。

3.3 仿真結(jié)果

1）正常運(yùn)行工況。

電能路由器互聯(lián)與失去互聯(lián)狀態(tài)下，交直流混合配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果如表4所示。

由上表數(shù)據(jù)得出，當(dāng)電能路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)情況下，互聯(lián)功率流達(dá)到最優(yōu)功率流時(shí)，整個(gè)配電網(wǎng)的系統(tǒng)網(wǎng)損只有127kW，小于失去互聯(lián)模式下的配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)損值174kW。同時(shí)，在互聯(lián)模式下，節(jié)點(diǎn)電壓的方差只有0.007，同樣小于失去互聯(lián)模式下的0.0136的節(jié)點(diǎn)電壓方差，說(shuō)明在電能路由器互聯(lián)模式下，節(jié)點(diǎn)電壓更接近標(biāo)準(zhǔn)值，電壓狀況更加穩(wěn)定。所以，綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)值在互聯(lián)模式下也更小，說(shuō)明電能路由器的互聯(lián)有助于提升整個(gè)配電網(wǎng)的運(yùn)行水平。

2）重載運(yùn)行工況。

含有重載線路的配電網(wǎng)電流較大，導(dǎo)致線路產(chǎn)生較大壓降，造成線路末端低電壓，進(jìn)而引發(fā)一系列低電壓?jiǎn)栴}，因此轉(zhuǎn)移重載線路負(fù)荷成為配電網(wǎng)優(yōu)化的一個(gè)重要方法。為探究電能路由器的互聯(lián)對(duì)含有重載線路的配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化作用，本文進(jìn)行一組對(duì)比試驗(yàn)，即檢驗(yàn)電能路由器互聯(lián)與不互聯(lián)對(duì)相同重載配電網(wǎng)的影響。配電網(wǎng)運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)依舊為配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓狀況。為模擬重載情況，將位于中壓交流網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)13有功負(fù)荷提升置至600kW，將位于中壓交流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)14有功負(fù)荷提升至600kW，使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)母線達(dá)到重載狀態(tài)。在重載情況下，電能路由器互聯(lián)與失去互聯(lián)狀態(tài)下，交直流混合配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果如表5所示。同時(shí)，為更清晰地展示電能路由器的互聯(lián)對(duì)重載線路節(jié)點(diǎn)電壓的影響，將含有重載線路的中壓交流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)電壓整理在圖6中。

由節(jié)點(diǎn)電壓折線圖7可知，在互聯(lián)情況下，節(jié)點(diǎn)電壓普遍更接近標(biāo)準(zhǔn)值，因此交流網(wǎng)絡(luò)電流更小，造成的網(wǎng)損也更少，同時(shí)解決了由重載線路導(dǎo)致配電網(wǎng)末端低電壓可能引起的一系列問(wèn)題。

4 結(jié) 論

針對(duì)大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，構(gòu)建了一種新型交直流混合配電網(wǎng)架構(gòu)，并以該架構(gòu)為基礎(chǔ)建立了一個(gè)多區(qū)域交直流混合配電網(wǎng)模型。在該模型基礎(chǔ)上，基于所設(shè)計(jì)的交直流混合潮流計(jì)算方法，結(jié)合粒子群最優(yōu)化算法，探究了該互聯(lián)配電網(wǎng)在正常工況和重載工況下的運(yùn)行優(yōu)化能力。

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證可知，以電能路由器中壓端口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的交直流混合配電網(wǎng)新型架構(gòu)通過(guò)控制不同配電區(qū)域間的功率流動(dòng)，可以極大地提升配電網(wǎng)運(yùn)行水平，如降低系統(tǒng)網(wǎng)損以及提升節(jié)點(diǎn)電壓。同時(shí)，該互聯(lián)架構(gòu)還可以有效實(shí)現(xiàn)可再生能源消納，線路負(fù)荷轉(zhuǎn)供，減輕重載線路的配電壓力，提升配電網(wǎng)的可靠性和安全性。隨著未來(lái)配電系統(tǒng)向智能化發(fā)展，基于電能路由器的交直流混合配電架構(gòu)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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（編輯：溫澤宇）