基于混合整数线性规划方法提升电网承载能力的分布式潮流控制器优化配置

来源：电力系统自动化

该文2019年11月发表于MPCE第7卷第6期。

引文信息：

Jianfeng DAI, Yi TANG, Yuqian LIU, et al. Optimal configuration of distributed power flow controller to enhance system loadability via mixed integer linear programming[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2019, 7(6): 1484-1494.

Optimal configurationof distributed power flow controller to enhance system loadability via mixedinteger linear programming

基于混合整数线性规划方法提升电网承载能力的分布式潮流控制器优化配置

DOI: 10.1007/s40565-019-0568-8

作者：戴剑丰，汤奕，刘煜谦，宁佳，等

随着负荷需求和可再生能源发电的快速增长，电力系统的网络拓扑连接更加紧密，潮流控制问题更加复杂，其中区域电网在重负荷期间面临输电线路阻塞的问题，进而导致电网承载能力下降，影响电网安全稳定运行。因此，保持线路潮流在预定范围内、提升电网承载能力是电力系统规划的重要任务。

随着电力电子技术的发展，分布式柔性交流输电系统(distributed flexible AC transmission system，D-FACTS) 可通过调整线路阻抗、母线电压和相位等参数来实现对系统潮流、节点电压的灵活合理控制，相较于传统的大型集中式FACTS而言，其具有装置小型化、可移动化、即插即用、布点灵活且维护方便等优势，极大提升了电网潮流控制的灵活性及运行的经济性，为提升电网承载能力及安全运行水平提供了一种有效的手段。在D-FACTS概念下，本文针对一种改进的分布式潮流控制器(distributed power flow controller, DPFC)，以提升电网承载能力和DPFC投资成本最小化为目标来制定DPFC的优化配置方案。

1

DPFC调控潮流基本原理

DPFC的拓扑结构如图1所示，其核心器件为串联耦合变压器、小容量正交运行的单相电压源逆变器、模块开关，以及由机械开关K 与反向并联晶闸管组成的复合开关。DPFC的工作模式根据模块开关的选择及复合开关的状态变化可分为串联电抗器模式和无功电压注入模式。在串联电抗器工作模式下，逆变器模块不启动，单相变压器副边开路，DPFC向线路注入固定的变压器励磁电抗，实现潮流的阶梯式、单向调节；当串联电抗模式下无法满足潮流控制需求时，模块开关选定DPFC运行于无功注入模式，通过逆变器向线路注入连续可变的电压，实现潮流的连续、双向调节；若无任何潮流控制任务，则闭合开关K使DPFC旁路。

图1  DPFC拓扑结构

2

如何建立DPFC优化配置提升电网承载能力的模型？

电网承载能力是指线路与设备对于负荷的波动及增长过程中的承受能力，不仅可以表征当前电网的运行状态，还可反映电网运行的安全裕度，是电网规划运行人员分析的重要指标。电网承载能力通常受到电网结构及部分线路传输功率极限的影响，利用DPFC设备的潮流控制能力可有效缓解部分线路阻塞现象，从而提升电网承载能力。然而，安装过多的DPFC虽然能够增加提升电网承载能力的灵活性，但可能会增大DPFC安装的经济成本。因此，提升电网承载能力的DPFC优化配置的重点在于如何以最少的DPFC投资实现最有效的电网承载能力提升。

为此，文中基于直流潮流构建优化模型确定DPFC的最优配置问题。首先充分考虑电网约束及DPFC物理、运行约束，确定DPFC调控下的电网承载能力区间。定量分析电网承载能力和DPFC投入数量之间的冲突，针对部分线路DPFC安装的冗余问题，结合加权因子以及模糊多属性决策方法，利用混合整数线性规划方法对电网承载能力以及DPFC的投入安装数量进行优化，以确定最经济可行的配置方案。该优化模型可在提升电网承载能力的同时，有效减少DPFC投入数量从而降低投资费用。

3

DPFC优化配置提升电网承载能力的流程

DPFC优化配置提升电网承载能力的完整流程是一个两阶段优化问题，图2给出了优化求解的完整流程。文中的优化模型是基于直流潮流模型建立的一个混合整数线性优化问题，采用分支定界算法对优化配置模型进行求解。

图2  DPFC优化配置方法流程

4

提升电网承载能力的DPFC优化配置效果

文章在IEEE-RTS79系统中进行算例分析，检验所提出的提升电网承载能力的DPFC优化配置方法效果。

图3是不同DPFC安装数量下的电网承载能力变化曲线。由结果可知，随着DPFC安装数量的不断增加，电网承载能力值逐渐增大，当DPFC数量增大到一定数值时，系统最大承载能力提升的效果几乎为零，电网承载能力出现饱和现象。因此，DPFC的应用增加了系统潮流控制的柔性，有效提升了电网承载能力，其中电网最大承载能力可由1.0317提升至最大的1.1217。

图3  不同DPFC安装数量下的电网承载能力

针对电网承载能力和DPFC投资成本（安装数量）之间的冲突，分别设置电网承载能力和DPFC投资成本的权重因子为0.5，结合模糊多属性决策方法，采用混合整数线性规划方法对考虑电网承载能力和DPFC投资成本的DPFC综合配置方案进行优化，优化结果如表1所示。该系统中DPFC最大可安装数量为3033套，而经过优化后，仅需要安装210套DPFC即可提升电网承载能力至1.0985，有效减少了DPFC投入数量，降低了投资费用。

表1 电网承载能力优化结果

系统

安装数量/套

电网承载能力

优化之前

优化之后

无DPFC

含DPFC

IEEE-RTS79

3033

210

1.0317

1.0985

另外，分析了DPFC与集中式静止同步串联补偿器（SSSC）优化配置后对电网最大承载能力提升效果的对比结果，如图4所示。当系统分别安装相同总容量的DPFC和SSSC时，DPFC对提升电网承载能力更具优势，安装DPFC 与SSSC 时系统的最大承载能力分别为1.1217和1.0822，其原因在于：电网承载能力为电网全局问题，SSSC一般安装在同一条线路上，不能有效地解决多条线路的运行限制，而相同容量的DPFC可以分布在多条不同线路上，通过DPFC分散式的灵活安装能够有效解决多条线路的过载问题，使得电网承载能力进一步提升。

图4  不同FACTS设备安装容量下的电网承载能力

主要作者及团队介绍

戴剑丰：东南大学电气工程学院博士研究生，主要研究方向包括电力系统安全稳定分析与控制、新能源并网运行分析与控制。

汤奕：博士，东南大学电气工程学院教授，博士生导师，电力系统自动化研究所所长，主要研究方向包括电力系统安全稳定分析与控制、新能源并网运行分析与控制、电力信息物理系统、电力系统网络安全等。

团队介绍：

东南大学电力系统自动化研究所长期从事电力系统分析与控制、电网信息物理系统、可再生能源等领域的研究工作。近三年来主持了国家自然科学基金项目8项，参与了国家重点研发计划项目4项，负责国家电网有限公司及省级电网公司项目20余项。共计发表SCI检索论文50余篇，申请和授权国家发明专利60余项。