市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法与流程

本发明涉及一种有源配电网电压控制方法。特别是涉及一种市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法。

背景技术：

分布式发电是可再生能源的高效利用方式，在能源危机和环保压力的严峻形势下，国家能源局制定了一系列政策全面推动分布式光伏发电产业的发展。含高渗透率光伏接入的配电网容易发生电压越限问题，而分布式光伏电源逆变器剩余容量的无功调节能力可以在配电网电压调控方面发挥重要作用。在电力改革和国家政策的影响下，越来越多的个人和社会团体投资分布式光伏电源，传统的配电网统一调度的无功电压控制方式已不再适用。市场环境下，有源配电网的无功电压控制策略需要考虑源网协同优化。但不同利益主体在配电网无功电压控制中所承担的责任不同，存在不同的优化目标，对现有的配电网优化运行系统提出了更高的要求。

传统的无功电压控制策略中，在不影响光伏有功功率输出的情况下，分布式光伏的无功优化方式为强制出力，不计无功功率的价值，没有相应的无功补贴。在需要光伏频繁优化无功出力的市场环境下，光伏提供无功功率具有一定的成本，因此“无偿强制无功出力”的无功优化方式使光伏运营商缺乏合适的无功交易补贴，降低了其参与配电网无功电压调控的积极性，可能造成配电网无功短缺的情况，长此以往对电力改革的发展是不利的。因此，在需要光伏频繁进行无功调节的场景下，考虑多主体不同利益需求的有源配电网无功电压控制方法是十分必要的。为了减少无功电压控制中主观性的影响，体现了市场的作用，引入博弈论这一数学工具解决优化中多主体利益冲突的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现含高渗透率光伏接入的有源配电网市场环境下的源网协同无功电压控制的市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法，市场环境下，在有源配电网电压控制过程中考虑配电网运营商和光伏运营商分属于不同利益主体，在实现电压控制的同时均衡双方利益，包括如下步骤：

1)搭建考虑多主体利益的有源配电网无功电压控制模型，包括配电网运营商优化模型和光伏运营商优化模型；

2)对考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型进行求解。

步骤1)所述的配电网运营商优化模型为以配电网运营商的电压控制成本最低为目标函数，以功率平衡约束、电压安全运行范围约束为约束条件，其中，

(1)所述的配电网运营商的电压控制成本包括两部分，一部分是有功网损成本，另一部分是购买光伏无功功率的成本，生成目标函数：

式中，minfnet是目标函数；cp是有功网损的能量价格；ploss是系统的有功网损；ploss，t是t时刻系统的有功网损；cq,t,n表示t时刻配电网运营商购买第n个光伏运营商的无功功率单价；pvn是第n个光伏运营商；qpvn，t是t时刻获得的第n个光伏运营商提供的无功功率；

(2)所述的功率平衡约束包括有功功率平衡约束和无功功率平衡约束两部分：

有功功率平衡约束表示如下：

无功功率平衡约束表示如下：

(3)电压安全运行范围约束表示如下：

umin≤ui≤umax(4)

式中，umin和umax表示配电网节点电压幅值的上下限，对于10kv配电网而言，umin取0.93，umax取1.07。

步骤1)所述的光伏运营商优化模型为，光伏运营商在配电网运营商给予的不同无功功率单价下，以光伏运营商运营收益最大为目标函数，以光伏运营商的容量约束为约束条件，通过优化光伏逆变器的无功输出参与配电网电压控制，

(1)所述的以光伏运营商运营收益最大为目标函数表示如下：

式中，maxfpv是目标函数；pvn是第n个光伏运营商；qpvn，t表示t时刻第n个光伏运营商的无功输出功率；cq,t,n表示t时刻配电网运营商购买第n个光伏运营商无功功率时提供的无功功率单价；cpvcost(qpvn，t)表示t时刻第n个光伏运营商在无功出力为q时的经济成本；ndg为光伏运营商总个数；

cpvcost(qpvn，t)所表示的t时刻第n个光伏运营商在无功出力为q时的经济成本由三部分组成，包括t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本t时刻第n个光伏运营商的机会成本t时刻第n个光伏运营商的损耗成本三部分，由此生成cpvcost(qpvn，t)的计算公式如下

下面分别对t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本t时刻第n个光伏运营商的机会成本t时刻第n个光伏运营商的损耗成本三部分的定义和计算公式加以表述。

(1.1)t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本以无功功率反映该光伏运营商投资成本的回收，计算公式如下：

式中，αn是第n个光伏运营商无功容量成本所占比重，取5％～10％；cpn,t是以光伏有功容量形式表示的光伏运营商投资成本；cqn,t是以光伏无功容量形式表示的光伏运营商投资成本；ρp为市场环境下的有功电价的平均值，单位为：元/kwh；qpvn，t表示t时刻第n个光伏运营商的无功输出功率；t时刻第n个光伏运营商的功率因数为cosθn,t,根据数学公式sin²θ+cos²θ＝1和求得tanθn,t；

(1.2)t时刻第n个光伏运营商的机会成本指在光伏容量的限制条件下，为了增加无功功率输出，以减少有功功率为代价所造成的损失，当吸收或发出无功功率不影响有功功率输出时，该部分成本为0，计算公式如下：

式中，是光伏运营商输出单位有功功率的收益，包括售电收益和政府补贴收益；是光伏单位有功功率的发电成本；为t时刻第n个光伏运营商能发出的最大有功功率；ppvn,t为t时刻第n个光伏运营商的实际发出的有功功率；为第n个光伏运营商的视在容量；为t时刻第n个光伏运营商实际发出的无功功率；

(1.3)t时刻第n个光伏运营商的损耗成本指电流流经开关影响有功功率输出，带来的有功损耗成本，光伏运营商的损耗成本根据光伏的实际运营数据拟合为有功功率的二次函数，计算公式如下：

式中，pl,pvn为第n个光伏逆变器因电流流经开关所带来的损耗；l0、lv和lr分别为待机损耗、电压相关损耗和电流相关损耗的损耗系数，由逆变器厂商提供的逆变器效率曲线估算得到；δpl,pvn为光伏运营商因发出无功而增加的损耗，其结果为光伏运营商发出无功功率和不发出无功功率的损耗差；p¹l,pvn为光伏逆变器同时输出有功功率和无功功率时的损耗；p²l,pvn为光伏逆变器只发输出有功功率时的损耗；是光伏运营商输出单位有功功率的收益，包括售电收益和政府补贴收益；

(2)所述的光伏运营商的容量约束如下式：

qpvmin,i,t≤qpv,i,t≤qpvmax,i,t(13)

式中，ppv,i,t和ppv,i,t分别表示t时刻节点i处光伏的有功和无功出力；spv,i为节点i处光伏的视在容量。qpvmin,i,t和qpvmax,i,t分别表示t时刻节点i处光伏的无功出力的最小值和最大值。

步骤2)包括：

(2.1)获得初始参数，包括配电网线路参数、接入光伏的节点及光伏容量数据，根据预测结果得到24小时内的配电网各节点的负荷数据以及光伏出力数据；

(2.2)随机生成t时刻配电网运营商对第n个光伏运营商的无功功率单价的初始报价cq,t,n；

(2.3)各光伏运营商根据配电网运营商无功功率单价的报价cq,t,n，以光伏运营商运营收益最大为目标函数，以容量约束为约束条件，利用matlab自身的粒子群工具箱优化得到t时刻购买第n个光伏运营商提供的无功功率qpvn,t；

(2.4)配电网运营商根据t时刻各光伏运营商提供的无功功率qpvn,t，以配电网运营商的电压控制成本最低为目标函数，以功率平衡、电压安全运行范围为约束条件，利用matlab自身的粒子群工具箱优化，更新t时刻购买第n个光伏运营商的无功单价cq,t,n；

(2.5)重复第(2.3)步～第(2.4)步，直到配电网运营商和光伏运营商都不能通过改变自身策略获得更高的收益时，博弈达到均衡，即为考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型。

本发明的市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法，解决了含高渗透率光伏接入的配电网的电压越限问题。通过博弈策略的引入，可以在实现电压控制的同时，兼顾配电网运营商和光伏运营商的利益，能够实现含高渗透率光伏接入的有源配电网市场环境下的源网协同无功电压控制，为电力改革下有源配电网电压控制提供参考。

附图说明

图1是本发明的考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型；

图2是本发明中考虑多利益主体博弈的无功电压控制模型求解流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法做出详细说明。

本发明的市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法，基于非合作博弈建立考虑配电网运营商和光伏运营商不同利益诉求的双层无功电压控制模型，上层模型以配电网为研究对象，优化目标为降低电压控制成本，下层模型以光伏运营商为研究对象，优化目标为自身运营收益最大。通过双层模型间的交替优化，实现含高渗透率光伏接入的有源配电网市场环境下的源网协同无功电压控制。

市场环境下，在有源配电网电压控制过程中考虑配电网运营商和光伏运营商分属于不同利益主体，在实现电压控制的同时均衡双方利益，本发明的市场环境下考虑多主体博弈的有源配电网电压控制方法，包括如下步骤：

1)搭建考虑多主体利益的有源配电网无功电压控制模型，包括配电网运营商优化模型和光伏运营商优化模型；其中：

(1)所述的配电网运营商优化模型为以配电网运营商的电压控制成本最低为目标函数，以功率平衡约束、电压安全运行范围约束为约束条件，其中，

(1.1)所述的配电网运营商的电压控制成本包括两部分，一部分是有功网损成本，另一部分是购买光伏无功功率的成本，生成目标函数：

式中，minfnet是目标函数；cp是有功网损的能量价格；ploss是系统的有功网损；ploss，t是t时刻系统的有功网损；cq,t,n表示t时刻配电网运营商购买第n个光伏运营商的无功功率单价；pvn是第n个光伏运营商；qpvn，t是t时刻获得的第n个光伏运营商提供的无功功率；

(1.2)所述的功率平衡约束包括有功功率平衡约束和无功功率平衡约束两部分：

有功功率平衡约束表示如下：

无功功率平衡约束表示如下：

(1.3)电压安全运行范围约束表示如下：

umin≤ui≤umax(4)

式中，umin和umax表示配电网节点电压幅值的上下限，对于10kv配电网而言，umin取0.93，umax取1.07。

(2)所述的光伏运营商优化模型为，光伏运营商在配电网运营商给予的不同无功补贴下，以光伏运营商运营收益最大为目标函数，以光伏运营商的容量约束为约束条件，通过优化光伏逆变器的无功输出参与配电网电压控制，其中，

(2.1)光伏运营商的运营收益包括两部分，一部分是由光伏运营商提供给配电网运营商获得的无功辅助服务收入，另一部分是光伏运营商调节自身无功出力的成本，共同生成光伏运营商的目标函数。所述的以光伏运营商运营收益最大为目标函数表示如下：

式中，maxfpv是目标函数；pvn是第n个光伏运营商；qpvn,t表示t时刻第n个光伏运营商的无功输出功率；cq,t,n表示t时刻配电网运营商购买第n个光伏运营商无功功率时提供的无功功率单价；cpvcost(qpvn,t)表示t时刻第n个光伏运营商在无功出力为q时的经济成本；ndg为光伏运营商总个数；

cpvcost(qpvn,t)所表示的t时刻第n个光伏运营商在无功出力为q时的经济成本由三部分组成，包括t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本t时刻第n个光伏运营商的机会成本t时刻第n个光伏运营商的损耗成本三部分，由此生成cpvcost(qpvn,t)的计算公式如下

下面分别对t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本t时刻第n个光伏运营商的机会成本t时刻第n个光伏运营商的损耗成本三部分的定义和计算公式加以表述。

(2.1.1)t时刻第n个光伏运营商的无功容量成本以无功功率反映该光伏运营商投资成本的回收，计算公式如下：

式中，αn是第n个光伏运营商无功容量成本所占比重，取5％～10％；cpn,t是以光伏有功容量形式表示的光伏运营商投资成本；cqn,t是以光伏无功容量形式表示的光伏运营商投资成本；ρp为市场环境下的有功电价的平均值，单位为：元/kwh；qpvn，t表示t时刻第n个光伏运营商的无功输出功率；t时刻第n个光伏运营商的功率因数为cosθn,t,根据数学公式sin²θ+cos²θ＝1和求得tanθn,t；

(2.1.2)t时刻第n个光伏运营商的机会成本指在光伏容量的限制条件下，为了增加无功功率输出，以减少有功功率为代价所造成的损失，当吸收或发出无功功率不影响有功功率输出时，该部分成本为0，计算公式如下：

式中，是光伏运营商输出单位有功功率的收益，包括售电收益和政府补贴收益；是光伏单位有功功率的发电成本；为t时刻第n个光伏运营商能发出的最大有功功率；ppvn,t为t时刻第n个光伏运营商的实际发出的有功功率；为第n个光伏运营商的视在容量；为t时刻第n个光伏运营商实际发出的无功功率；

(2.1.3)t时刻第n个光伏运营商的损耗成本指电流流经开关影响有功功率输出，带来的有功损耗成本，光伏运营商的损耗成本根据光伏的实际运营数据拟合为有功功率的二次函数，计算公式如下：

式中，pl,pvn为第n个光伏逆变器因电流流经开关所带来的损耗；l0、lv和lr分别为待机损耗、电压相关损耗和电流相关损耗的损耗系数，由逆变器厂商提供的逆变器效率曲线估算得到；δpl,pvn为光伏运营商因发出无功而增加的损耗，其结果为光伏运营商发出无功功率和不发出无功功率的损耗差；p¹l,pvn为光伏逆变器同时输出有功功率和无功功率时的损耗；p²l,pvn为光伏逆变器只发输出有功功率时的损耗；是光伏运营商输出单位有功功率的收益，包括售电收益和政府补贴收益；

(2.2)所述的光伏运营商的容量约束如下式：

qpvmin,i,t≤qpv,i,t≤qpvmax,i,t(13)

式中，ppv,i,t和ppv,i,t分别表示t时刻节点i处光伏的有功和无功出力；spv,i为节点i处光伏的视在容量。qpvmin,i,t和qpvmax,i,t分别表示t时刻节点i处光伏的无功出力的最小值和最大值。

2)对考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型进行求解；

对考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型进行求解，首先需要分析配电网运营商和光伏运营商双方在电压控制过程中的博弈关系，生成考虑多主体博弈的有源配电网电压控制模型。

在电力市场环境下，光伏运营商和配电网运营商作为不同利益体同时参与电压控制。配电网运营商的责任为保障系统的安全运行，因此配电网运营商有意愿通过付出一定的经济成本，最大限度的协调配网中可以调用的电压调节资源，快速解决电压越限问题，避免造成更大的损失。光伏运营商出于自身利益最大化的考虑，在参与配电网无功电压控制时若收益高于成本，光伏运营商参与配电网电压控制，否则退出。

考虑多主体博弈的有源配电网电压控制模型是基于非合作博弈理论建立的。电压控制模型第一层以配电网电压控制成本最小为目标函数，考虑配电网安全运行的功率平衡约束和电压安全运行范围约束，配电网运营商对基于光伏运营商的无功补偿单价进行报价。第二层以光伏运营商参与电压控制的运营收益最大为目标函数，以光伏容量为约束，优化其在配电网运营商对无功功率单价报价下的无功出力。配电网运营商根据光伏无功出力调整报价策略，保障配电网安全运行的基础上达到电压控制成本最小；光伏运营商根据配电网运营商更新后的报价再次优化光伏无功出力。该博弈中，配电网运营商应该保证调用光伏无功功率时提供的无功经济补偿价格不低于光伏无功出力成本，否则光伏运营商退出博弈。通过上下层之间的反复迭代，得到nash均衡解，双层博弈模型间的交互关系如图1所示。

本发明的对考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型进行求解，如图2所示，包括：

(2.1)获得初始参数，包括配电网线路参数、接入光伏的节点及光伏容量数据，根据预测结果得到24小时内的配电网各节点的负荷数据以及光伏出力数据；

(2.2)随机生成t时刻配电网运营商对第n个光伏运营商的无功功率单价的初始报价cq,t,n；

(2.3)各光伏运营商根据配电网运营商的无功功率单价的报价cq,t,n，以光伏运营商运营收益最大为目标函数，以容量约束为约束条件，利用matlab自身的粒子群工具箱优化得到t时刻购买第n个光伏运营商提供的无功功率qpvn,t；

(2.4)配电网运营商根据t时刻各光伏运营商提供的无功功率qpvn，t，以配电网运营商的电压控制成本最低为目标函数，以功率平衡、电压安全运行范围为约束条件，利用matlab自身的粒子群工具箱优化，更新t时刻购买第n个光伏运营商的无功功率单价cq,t,n；

(2.5)重复第(2.3)步～第(2.4)步，直到配电网运营商和光伏运营商都不能通过改变自身策略获得更高的收益时，博弈达到均衡，即为考虑多主体利益的有源配电网电压控制模型。