一种低压交直流混合台区的光伏消纳边界评估方法及系统与流程

本发明属于配网光伏评估，具体为一种低压交直流混合台区的光伏消纳边界评估方法及系统。

背景技术：

1、低压交直流混合台区因功率交互灵活、线路损耗低，成为新型配用电系统的重要发展形态。光伏消纳边界评估是指导台区光伏有序接入、规避电网运行风险、提升新能源利用率的核心技术支撑。现有技术中，针对纯交流台区的光伏消纳评估已形成较多研究成果，但面向交直流混合台区的评估方法仍存在以下技术问题：

2、现有评估普遍采用交直流子网解耦计算模式，分别核算两侧消纳能力后直接叠加，忽略了双向换流器的功率交互损耗与两侧节点电压的耦合传导效应，导致评估结果与实际运行工况存在显著偏差；

3、多数方法默认换流器以额定效率恒定运行，未考虑传输功率占比、环境温度、直流母线电压波动对换流器转换效率的动态调制作用，在光伏出力日内波动频繁的场景下，消纳边界计算结果存在显著的时序漂移，高峰与低谷时段的评估误差方向相反；

4、现有消纳约束体系多仅覆盖节点电压越限、支路载流量两类常规电气约束，未将台区剩余电流保护动作阈值、直流侧纹波电压抑制要求等隐性运行约束纳入评估，使得计算得到的理论消纳边界在实际投运中易触发保护装置误动；

5、普遍采用线路标称参数进行确定性评估，未考虑低压台区老旧线缆的阻抗老化偏差、施工工艺导致的参数离散性，评估结果无置信度参考维度，工程应用中要么过于保守浪费消纳空间，要么过于激进埋下运行隐患。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低压交直流混合台区的光伏消纳边界评估方法及系统，以解决上述背景技术中提出的一种或多种问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低压交直流混合台区的光伏消纳边界评估方法，包括统一阻抗建模阶段、损耗等效嵌入阶段、约束体系构建阶段、典型场景生成阶段、初始边界求解阶段、置信边界修正阶段、边界校核输出阶段；

3、进一步的，所述统一阻抗建模阶段中，对目标台区的交流配电线缆、直流母线、双向换流器、光伏并网节点、交直流负载节点进行端口等效，交流侧按配电变压器低压出线端、分支箱节点、末端用户节点逐级划分节点，直流侧按光伏汇流端口、储能接入端口、直流负载端口划分节点；

4、节点编号采用连续整数编码，交流节点与直流节点分区间编号，对同一条配电分支下、电气特性一致的多户末端节点进行戴维南等效聚合，将末端用户节点等效为单个聚合端口；

5、将光伏并网单元的恒功率外特性、储能单元的下垂控制特性、直流负载的阻抗特性以导纳增量形式嵌入对应节点的自导纳项，同时为双向换流器的互导纳耦合项设置自适应相移修正系数，分别构建聚合后的交流子网节点导纳矩阵与直流子网节点导纳矩阵；

6、将双向换流器等效为连接交直流子网的互导纳交互端口，结合换流器整流、逆变两种工况的功率传输特性，将换流器端口电压比、修正后的相移特性转化为导纳矩阵中的耦合项，最终形成包含交直流全节点的统一阻抗网络模型。

7、交直流统一阻抗网络节点电压方程：

8、表示经末端同质节点戴维南聚合降阶后的交流子网节点导纳矩阵，矩阵元素包含交流配电线缆的固有导纳参数，以及交流负载、并网设备运行特性等效的导纳增量；

9、表示直流子网节点导纳矩阵，矩阵元素包含直流母线、直流线路的固有导纳参数，以及光伏、储能、直流负载运行特性等效的导纳增量；

10、、表示双向换流器的互导纳耦合矩阵，为交直流子网的交互端口耦合项，内置自适应相移修正系数，可平滑适配整流、逆变双向功率传输工况；

11、表示交流侧全部电气节点的电压相量列向量；

12、表示直流侧全部电气节点的电压幅值列向量；

13、表示交流侧全部电气节点的注入电流相量列向量；

14、表示直流侧全部电气节点的注入电流幅值列向量。

15、进一步的，所述损耗等效嵌入阶段中，通过台架实测或仿真遍历采集换流器在不同传输功率占比、环境温度、直流母线电压下的转换效率数据，传输功率占比在0-10%轻载区间按5%间隔采样，在10%至额定功率区间按10%间隔遍历，环境温度覆盖台区典型运行区间-10℃至45℃；

16、采用最小二乘法进行二次曲面拟合，拟合过程以均方误差最小为目标函数，对离群点采用加权回归方式降低对应权重，削弱异常数据对拟合结果的干扰，得到换流器效率、功率、温度、电压耦合函数；

17、双向换流器效率映射二次曲面函数：

18、

19、表示双向换流器的实时转换效率，定义为换流器输出侧有功功率与输入侧有功功率的比值，数值范围为0~1，整流与逆变工况下采用统一的效率计算逻辑，不受功率流向影响，仅由当前运行工况参数决定。

20、表示双向换流器的传输功率占比，即当前传输功率的幅值与换流器额定有功功率的比值，取值范围为0~1。实测采样设置上，0~10%轻载区间按5%间隔采样，10%至额定功率区间按10%间隔遍历。

21、表示换流器运行的环境温度，单位为℃，覆盖台区典型运行区间-10℃至45℃，温度变化会改变功率器件的通态压降与开关特性，进而对转换效率产生调制作用。

22、表示换流器直流侧母线电压标幺值，以直流母线额定电压为基准值进行标幺化处理，直流母线电压波动会直接改变功率器件的开关损耗水平。

23、~表示二次曲面拟合的10个待定系数，由加权最小二乘法迭代求解得到。拟合过程以均方误差最小为目标函数，对拟合残差超过3倍均方误差的离群点下调权重，同时按对应工况在台区的全年实际出现概率分配采样点基准权重。

24、将换流器总损耗拆分为串联导通损耗与并联开关损耗两部分，分别等效为串联可变阻抗与并联可变阻抗共同接入互导纳交互端口，在后续潮流计算的每一轮迭代中，先根据当前传输功率与工况参数计算实时损耗，同步更新两组可变阻抗数值并嵌入统一阻抗网络模型，再通过更新后的阻抗反推实际传输功率偏差，反向修正换流器的功率参考值。

25、损耗计算仅与传输功率的幅值相关，不受功率流向影响，整流与逆变工况下采用统一的损耗计算逻辑；两类可变阻抗的接入拓扑不随工况切换改变，仅通过功率参考值的方向调整适配双向功率传输。

26、进一步的，所述约束体系构建阶段中，构建包含电气安全、保护动作、电能质量的三级消纳约束集，采用分层递进触发校验逻辑，优先校验第一级电气安全约束，越限则直接判定触及消纳边界，前一级约束合格时再进入下一级约束校验；

27、第一级电气安全约束包含交流节点电压偏差、支路载流量、直流母线电压偏差，交流节点电压偏差阈值随支路负载率动态调整，负载率高于80%时收紧电压偏差限值，负载率低于30%时放宽电压偏差限值；

28、第二级保护动作约束纳入剩余电流保护动作阈值、支路过流保护整定值、换流器过载保护限值，剩余电流保护按额定动作电流的80%设置预警阈值、100%设置越限边界，阈值同步随环境温湿度、线路服役年限进行修正，高温高湿、老旧线路场景下按比例下调动作阈值；

29、第三级电能质量约束包含三相电压不平衡度、直流侧纹波电压系数，纹波电压系数基准限值为直流母线额定电压的5%，阈值随直流母线功率波动速率调整，波动速率越快则限值越严格。

30、进一步的，所述典型场景生成阶段中，采集目标台区的光伏出力历史数据与交直流负载运行数据，以日光伏出力峰值、出力波动系数、出力爬坡速率、日负载峰谷差、负载波动率为核心特征维度，聚类前对所有特征数据进行归一化处理，采用轮廓系数确定最优聚类数，通过k-means聚类算法按四季划分，结合晴、阴、雨三类天气类型，生成基础典型日的光伏出力与负载功率时序曲线；

31、基于线缆标称阻抗及工程典型偏差区间，提取高阻抗、标称阻抗、低阻抗三组离散样本，将三组参数样本与基础场景一一耦合，形成源荷与参数耦合典型场景，共同构成源荷与参数耦合典型场景集，每组时序曲线对应一个时序耦合场景，包含15分钟间隔的时间断面，匹配对应季节下交直流负载的比例特征，覆盖台区全工况运行场景与线路参数离散区间。

32、进一步的，所述初始边界求解阶段中，针对源荷与参数耦合典型场景集中的每个时序耦合场景的每个时间断面，以光伏总出力为递增变量，采用变步长递增策略，初始阶段采用台区额定容量5%的步长快速逼近，当触发任意一项预警阈值后，切换为0.5%额定容量的步长进行搜索，光伏出力按各并网点容量占比分配至对应直流节点；

33、采用交直流交替迭代潮流算法进行计算，先代入当前光伏出力计算直流子网潮流，得到换流器直流侧功率与各节点电压，同步更新串联可变阻抗与并联可变阻抗的数值及对应损耗；

34、完成功率偏差反向修正后，基于统一阻抗网络模型求解交流子网潮流分布，得到交流侧各节点电压与支路电流，迭代过程支持换流器整流、逆变工况的切换，重复交替迭代直至两侧潮流收敛；

35、判断当前工况是否触发三级消纳约束集中的任意一项约束，首次触发约束时记录当前光伏总出力，即为该时间断面的初始消纳边界值，遍历所有时间断面后得到各场景下的初始消纳边界时序曲线。

36、进一步的，所述置信边界修正阶段中，收集同型号、同服役年限线缆的阻抗参数抽检数据，同时考虑导体氧化导致的电阻增大、线路接头接触电阻带来的附加阻抗，拟合得到台区交流线路、直流线路的阻抗参数概率分布函数，所述阻抗参数服从正态分布，均值为线缆标称阻抗值，标准差由抽检样本统计得到；

37、线路阻抗正态概率密度函数：

38、表示线路阻抗参数的概率密度函数；

39、表示线路阻抗随机变量，包含线缆本体阻抗与线路接头附加阻抗；

40、表示线路阻抗的数学期望（均值），以线缆标称阻抗为基准，叠加导体氧化带来的线性老化附加阻抗；

41、表示线路阻抗的标准差，包含线缆制造工艺带来的参数离散性、线路接头接触电阻的随机离散分量，由同型号、同服役年限线缆的抽检数据统计得到。

42、构建线路参数离散性与源荷时序波动性双维度耦合的概率评估模型，采用蒙特卡洛抽样方法，对每个时间断面的初始消纳边界值进行概率化计算，计算过程量化参数离散性与源荷时序波动性两类不确定性的耦合作用；

43、统计不同消纳容量对应的安全运行概率，提取95%、90%、85%三种置信水平下的消纳边界区间，拟合生成置信度与消纳容量连续映射函数，能够按需调取任意置信水平的边界值，同步统计各约束在不同置信度下的越限触发概率占比，输出消纳瓶颈约束的概率贡献度排序。

44、进一步的，所述边界校核输出阶段中，搭建台区保护装置仿真模型，还原保护装置的实际运行参数，保护动作逻辑采用阶梯式延时判定，区分瞬时动作与延时动作两类保护特性；

45、将各置信水平下的消纳边界区间代入所述台区保护装置仿真模型，进行稳态越限校核与时序联动校核，所述稳态越限校核模拟光伏出力稳定在边界值时剩余电流保护、过流保护、欠压保护的动作逻辑，所述时序联动校核模拟光伏出力按典型爬坡速率上升至边界值的暂态过程，对比出力爬坡速率与保护动作延时，判定暂态越限风险；

46、对触发保护误动或存在暂态风险的边界值，采用对应的裕度修正，瞬时动作保护对应边界按3%比例向下修正，延时动作保护对应边界按8%比例向下修正，将修正后的边界值反馈至统一阻抗网络模型，更新保护约束对应的边界判定参数，经迭代更新输出最终结果，包含分季节、分天气、分置信度的光伏消纳边界曲线，以及台区消纳瓶颈节点、瓶颈约束类型的定位结果。

47、本发明还提供了一种低压交直流混合台区的光伏消纳边界评估系统，基于上述的方法，包括台区统一建模模块、换流器损耗嵌入模块、消纳约束配置模块、典型场景生成模块、初始边界求解模块、置信边界修正模块、保护校核输出模块；

48、所述台区统一建模模块对目标台区交直流侧电气节点进行端口等效与层级划分，完成同分支末端节点的戴维南聚合降阶，将源荷运行特性以导纳增量形式嵌入节点自导纳项，配置双向换流器的相移修正耦合项，构建覆盖交直流全节点的统一阻抗网络模型；

49、所述换流器损耗嵌入模块采集多工况下换流器转换效率数据，拟合多物理量耦合的效率映射函数，将换流器总损耗拆分为串并联两类可变阻抗接入所述互导纳交互端口，在潮流迭代中同步更新阻抗并反向修正功率计算偏差；

50、所述消纳约束配置模块构建三级消纳约束集，配置分层触发校验逻辑与工况调整阈值，设置布尔型越限标识作为消纳边界触发判据；

51、所述典型场景生成模块基于台区历史运行数据进行特征聚类，耦合线路阻抗离散样本，生成源荷与参数耦合典型场景集；

52、所述初始边界求解模块采用变步长递增策略与交直流交替迭代潮流算法，求解各时间断面的初始消纳边界值；

53、所述置信边界修正模块拟合线路阻抗概率分布，通过概率抽样计算得到多置信水平的消纳边界区间；所述保护校核输出模块还原保护装置动作特性，进行稳态与时序联动校核，修正边界值后经迭代更新输出最终消纳边界曲线与瓶颈定位结果。本发明的有益效果如下：

54、1、本发明通过对交直流全节点进行端口等效与层级化划分，结合末端同质节点戴维南聚合降阶处理，将双向换流器等效为互导纳交互端口并配置自适应相移修正系数，构建覆盖全节点的统一阻抗网络模型，还原了直流侧光伏出力波动通过换流器向交流侧传导的电压耦合特性，消除了解耦计算带来的系统性偏差；通过多工况采样与二次曲面拟合构建换流器效率映射函数，将总损耗拆分为串联导通损耗与并联开关损耗并等效为可变阻抗嵌入潮流迭代，在每轮计算中同步更新阻抗参数并反向修正功率偏差，动态适配传输功率占比、环境温度、直流母线电压对转换效率的调制作用，缩小了光伏高峰与低谷时段的反向评估误差。

55、2、本发明构建电气安全、保护动作、电能质量三级递进式消纳约束集，采用分层触发校验逻辑，电气安全约束阈值随支路负载率动态松紧适配，将保护动作约束纳入剩余电流、过流、换流器过载三类保护定值，并结合环境温湿度、线路服役年限动态下调高温高湿与老旧线路的动作阈值，电能质量约束针对直流纹波电压设置随功率波动速率动态收紧的限值；搭建保护装置仿真模型，区分瞬时动作与延时动作保护特性，进行稳态越限与时序联动双重校核，并按保护类型施加对应裕度修正，规避了实际运行中保护误动、电能质量超标等隐性风险，避免了统一保守设置导致的消纳空间浪费。

56、3、本发明基于台区历史运行数据进行多维度特征聚类，生成覆盖四季与三类天气的典型源荷时序场景，并耦合高、标称、低三组线路阻抗离散样本，形成覆盖全工况运行区间的场景集；拟合考虑导体氧化、接头接触电阻的线路阻抗概率分布，构建线路参数离散性与源荷时序波动性双维度耦合的概率评估模型，通过蒙特卡洛概率抽样计算输出多置信水平的消纳边界区间与连续映射函数，可根据台区风险耐受等级灵活选取对应边界值。同时同步统计各约束在不同置信度下的越限触发概率占比，定位消纳瓶颈节点与瓶颈约束类型，为台区光伏接入提供了分级弹性的决策依据。