基于改進(jìn)混沌算法的多端柔性直流配網(wǎng)可控技術(shù)優(yōu)化

王瑞

摘要：一旦電力電子設(shè)備發(fā)生故障或者運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)直接影響多端柔性直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可以用潮流調(diào)度方式維護(hù)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但多端柔性直流配電網(wǎng)潮流調(diào)度需要同時(shí)考慮多個(gè)條件，具有調(diào)度優(yōu)化難度大的問(wèn)題，為此，應(yīng)用基于改進(jìn)混沌算法的多端柔性直流配電網(wǎng)潮流調(diào)度優(yōu)化方法，以多端柔性直流配電網(wǎng)運(yùn)行特性，確定配電網(wǎng)潮流可控調(diào)節(jié)變量；選擇大容量電壓源型換流器作為調(diào)節(jié)設(shè)備，擴(kuò)展配電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)范圍；通過(guò)粒子群算法改進(jìn)混沌算法，將可控變量表示為混沌粒子實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)度優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在全天范圍對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行潮流調(diào)度，能夠保證配電網(wǎng)功率保持在理想潮流狀態(tài)，具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混沌算法；多端柔性直流配電網(wǎng)；潮流調(diào)度優(yōu)化；粒子群算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）12-0179-05

Optimization method for controllable technology of multi-terminal flexible DC distribution network based on improved chaotic algorithm

WANG Rui

（Alxa Power Supply Company，Ejina Banner，Alxa League 735400，Inner Mongolia Autonomous Region China）

Abstract：Once power electronic equipment fails or the operation state is unstable，it will directly affect the stability of the multi terminal flexible DC distribution network.The stability of the distribution network can be maintained through power flow scheduling.However，the power flow scheduling of multi terminal flexible DC distribution networks requires simultaneous consideration of multiple conditions，which is difficult for scheduling optimization.Therefore，the multi-terminal flexible DC distribution network power flow scheduling optimization method based on the improved chaos algorithm was applied to determine the controllable power flow regulation variables of the distribution network based on the operation characteristics of the multi-terminal flexible DC distribution network，the large-capacity voltage source inverter was selected as the regulation equipment to expand the power flow regulation range of the distribution network，the chaos algorithm was improved by the particle swarm optimization algorithm，and the controllable variables were represented as chaotic particles to realize the power flow scheduling optimization.The experimental results showed that the power flow scheduling of the multi-terminal flexible DC distribution network system in the whole day can ensure that the power of the distribution network is kept in the ideal power flow state，which has application value.

Key words：chaos algorithm;multi terminal flexible DC distribution network; optimization of power flow dispatch;particle swarm algorithm

隨著直流輸配電網(wǎng)工程的普及和新能源并網(wǎng)的快速增加，為了實(shí)現(xiàn)城市供配電，多端柔性直流配電網(wǎng)在中國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。盡管多端柔性直流配電網(wǎng)具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但也存在許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如難以調(diào)度多端柔性直流輸電網(wǎng)。許多研究人員對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)的潮流調(diào)度方法進(jìn)行了廣泛的研究，并在一些領(lǐng)域成功地進(jìn)行了驗(yàn)證。其中，在文獻(xiàn)中，通過(guò)改進(jìn)和聲搜索算法設(shè)計(jì)了一個(gè)配電網(wǎng)潮流調(diào)度優(yōu)化方法，以此突出配電網(wǎng)中電壓質(zhì)量與配電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)系。通過(guò)改進(jìn)算法構(gòu)建的調(diào)度模型，能夠直接對(duì)所需的參數(shù)進(jìn)行求解和調(diào)度，使配電網(wǎng)的潮流調(diào)度具有穩(wěn)定性，保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。在文獻(xiàn)中，提出了一種考慮擁塞管理方式的交直流柔性配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，為推動(dòng)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1運(yùn)行特性下確定多端柔性直流配電網(wǎng)可控調(diào)節(jié)變量

在多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性下，對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)的可調(diào)控變量進(jìn)行分析和確定，具體如圖1所示。

由圖1可知，以某一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入多端柔性直流配電網(wǎng)為分析前提，用q表示該節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)q的電壓為eq。將與節(jié)點(diǎn)q相鄰的各節(jié)點(diǎn)等效為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用w表示，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的電壓為ew。為保證多端柔性直流配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，需要保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓維持在基準(zhǔn)電壓的上下最大偏差范圍之內(nèi)。其中，Δe為允許的最大電壓波動(dòng);er為基準(zhǔn)電壓。通過(guò)節(jié)點(diǎn)接入多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性，對(duì)節(jié)點(diǎn)的輸出功率進(jìn)行計(jì)算：

yq=eq×∑tt=1eq－etuqt（1）

yq=eq×eq－ewuw（2）

通過(guò)對(duì)多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)等效為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定，式（2）為式（1）的簡(jiǎn)化過(guò)程。yq為節(jié)點(diǎn)q的輸出功率；e1，e2，...，et為與節(jié)點(diǎn)q相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓，并且q≠t；uq1，uq2，...，uqt為節(jié)點(diǎn)q與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的線路電阻；uw為節(jié)點(diǎn)q與節(jié)點(diǎn)w之間的線路電阻。

2以大容量電壓源型換流器擴(kuò)展配電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)范圍

選擇的大容量電壓源型換流器為三相兩電平形式，能夠直接對(duì)接配電網(wǎng)的三相電壓，首先對(duì)其自身的電壓與配電網(wǎng)的直流電壓關(guān)系進(jìn)行分析：

ps，Aps，Bps，C=udfAfBfC+usfAfBfC+oApd，AoBpd，BoCpd，C（3）

fAfBfC=1ud－usud－pd，gudoAoBoC，g=A，B，C（4）

og=12，s相上臂橋?qū)ǎ卤蹣蜿P(guān)閉－12，s相上臂橋?qū)ǎ卤蹣蜿P(guān)閉，g=A，B，C（5）

式中：pd，A、pd，B、pd，C為換流器直流側(cè)電壓基波分量；ps，A、ps，B、ps，C為直流配電網(wǎng)三相電壓基波分量；ud為換流器電阻；fA、fB、fC為三相線路電流；us為配電網(wǎng)電阻；og，g=A，B，C為直流配電網(wǎng)與換流器連接時(shí)各相的邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)。通過(guò)直流配電系統(tǒng)與換流器的電壓關(guān)系，在理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，將開(kāi)關(guān)函數(shù)涵蓋的所屬范圍直接對(duì)應(yīng)為配電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的擴(kuò)展范圍：

oA=i2sinδ+βoB=i2sinδ+β－23πoC=i2sinδ+β+23π（6）

式中：i為換流器的調(diào)節(jié)制度；δ為配電網(wǎng)的基波頻率；β為換流器與配電網(wǎng)輸出電壓的夾角。當(dāng)三相兩電平大容量電壓源型換流器在應(yīng)用過(guò)程中，其三相橋臂在不同時(shí)刻會(huì)處于不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只有在換流器與配電網(wǎng)連接時(shí)的開(kāi)關(guān)函數(shù)值，大于配電網(wǎng)三相電壓的基波頻率，即og>δ，才能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)的潮流調(diào)節(jié)。在確定配電網(wǎng)的潮流調(diào)節(jié)參數(shù)以及范圍后，通過(guò)改進(jìn)的混沌算法對(duì)其潮流分布進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。

3改進(jìn)混沌算法優(yōu)化調(diào)度多端柔性直流配電網(wǎng)潮流分布

利用粒子群算法對(duì)混沌算法的改進(jìn)過(guò)程如下：

kl+1=4kl1－kl→k1，k2，…，kz，kl∈0，1（7）

kx=cx－vbnb－vb x=1，2，…，z;b=1，2，…，m（8）

cx=vb+nb－vbkx x=1，2，…，z;b=1，2，…，m（9）

式（7）為混沌矢量的迭代方式，式（8）為混沌矢量的粒子映射過(guò)程，式（9）為粒子變量的計(jì)算過(guò)程。

式中：kl∈0，1為混沌矢量；z為混沌矢量數(shù)量；m為混沌矢量維度；k1為混沌矢量初始值；cx∈vb，nb為不在設(shè)定范圍0，1內(nèi)的粒子，用于表示配電網(wǎng)中的各維度調(diào)度變量；nb、vb分別為優(yōu)化控制變量約束的上下限。

由于kl∈0，1會(huì)經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi)的任意地方，對(duì)于取值不在區(qū)域的變量cx∈vb，nb，能夠通過(guò)計(jì)算進(jìn)行有效映射，這個(gè)過(guò)程可視作配電網(wǎng)潮流可控變量的調(diào)度優(yōu)化過(guò)程，即kxx=1，2，...，z遍歷轉(zhuǎn)換范圍，就是配電網(wǎng)潮流調(diào)度優(yōu)化的解空間。由于此次選擇的主要調(diào)度設(shè)備為電壓換流器，而配電網(wǎng)的潮流功率也與電壓相關(guān)，因此，在選擇粒子代表的變量時(shí)，直接表示為配電網(wǎng)的電壓、換流器投切組數(shù)以及換流器調(diào)節(jié)變比，如下：

c1=ezdnd=ez1…ezmd1…dmnd1…ndm（10）

c2=ez×ζznd×d=ez1×ζ1…ezm×ζmn1×1…ndm×dm（11）

Qkx=cx－ζxex－ζx，x=1，2，…，z（12）

式中：c1表示每一個(gè)粒子個(gè)體c代表的控制變量向量；c2為每一個(gè)粒子個(gè)體c代表的狀態(tài)變量向量；ez為配電網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)電壓，并且，q∈z、w∈z；nd為換流器投切組數(shù)；d為換流器調(diào)節(jié)變比；ζ為粒子群規(guī)模；Q·為調(diào)節(jié)函數(shù)。通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)變量的選擇以及在混沌粒子群中的區(qū)間，完成對(duì)配電網(wǎng)潮流的調(diào)度優(yōu)化。至此，基于改進(jìn)的混沌算法而實(shí)現(xiàn)多端柔性直流配電網(wǎng)潮流調(diào)度優(yōu)化方法設(shè)計(jì)。

4實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

在分析多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行特性后，發(fā)現(xiàn)多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)直接影響電力系統(tǒng)的發(fā)電情況，為實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)的直流配電網(wǎng)發(fā)電，需要對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)進(jìn)行潮流調(diào)度。此次采用改進(jìn)混沌算法設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的潮流調(diào)度方法，為驗(yàn)證該方法具有應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式進(jìn)行論證。在MATLAB測(cè)試平臺(tái)模擬柔性直流配電網(wǎng)在某種特定狀態(tài)下的理想潮流狀態(tài)，具體情況見(jiàn)圖2。

由圖2可知，此次以某一天內(nèi)配電網(wǎng)所希望達(dá)到的理想狀態(tài)作為模擬案例，在模擬多端柔性直流配電網(wǎng)理想潮流狀態(tài)時(shí)，同時(shí)涵蓋了典型系統(tǒng)發(fā)電、風(fēng)力系統(tǒng)發(fā)電以及光伏系統(tǒng)發(fā)電。其中，節(jié)點(diǎn)A1、A2、A3為典型系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷數(shù)據(jù)；A4、A5為風(fēng)力系統(tǒng)的發(fā)電負(fù)荷數(shù)據(jù)；A6為光伏系統(tǒng)的發(fā)電負(fù)荷數(shù)據(jù)。因此，此次模擬的配電網(wǎng)為多端柔性直流配電網(wǎng)，符合測(cè)試要求。但即使在多端柔性直流配電網(wǎng)

中設(shè)計(jì)了理想的潮流狀態(tài)，受配電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)等特性影響，其在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)與理想狀態(tài)具有一定差距，而應(yīng)用潮流調(diào)度方法的目的就是對(duì)差距進(jìn)行調(diào)控。為此，對(duì)該配電網(wǎng)的全天實(shí)際潮流發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)各端的實(shí)際潮流數(shù)據(jù)獲取，能夠發(fā)現(xiàn)其與理想狀態(tài)具有一定的差距，可以應(yīng)用在潮流調(diào)度優(yōu)化測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，能夠?qū)⑵渥鳛榇舜螠y(cè)試的樣本數(shù)據(jù)。

分別用基于改進(jìn)和聲搜索算法調(diào)度優(yōu)化方法、計(jì)及阻塞管理的調(diào)度優(yōu)化方法以及提出的新方法。將3組方法同時(shí)應(yīng)用在配電網(wǎng)中進(jìn)行全天的潮流調(diào)度，使該配電網(wǎng)的運(yùn)行情況與理想狀態(tài)保持一致，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，新方法在應(yīng)用過(guò)程中，其對(duì)配電網(wǎng)的潮流調(diào)度優(yōu)化結(jié)果，與設(shè)定的配電網(wǎng)理想狀態(tài)保持一致，說(shuō)明新方法能夠?qū)崿F(xiàn)全天不間斷的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)完成潮流調(diào)度優(yōu)化，使其保持在理想狀態(tài)下運(yùn)行，具有應(yīng)用價(jià)值。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)的潮流調(diào)度優(yōu)化具有必要性，由于多端柔性直流配電網(wǎng)中的多設(shè)備與多端口形式，其在進(jìn)行電力傳輸和交換時(shí)容易產(chǎn)生設(shè)備故障和電力波動(dòng)。基于此問(wèn)題進(jìn)行深入分析，采用改進(jìn)混沌算法設(shè)計(jì)了一個(gè)多端柔性直流配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法，并在案例應(yīng)用中驗(yàn)證了其有效性，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的靈活調(diào)度，滿足配電網(wǎng)的負(fù)荷需求。

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