一種光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法與流程
2023-05-30 18:32:06 1
本發明一種光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法，屬於電力系統運行和控制技術領域。
背景技術：
隨著人類社會的高速發展，對於能源的需求也呈現爆發式增長。但傳統能源的過度消耗以及其對於環境的破壞迫使人們尋求例如太陽能這種清潔可再生的新能源作為替代形式。光伏發電近年來發展迅猛，全球光伏發電裝機容量增長迅速，我國由於供需資源的地理不平衡，大規模光伏併網並不是實現就地消納，而是從低負荷地區輸送向遠方負荷較重的發達地區。光伏集群可以是一個光伏電站，也可以是在配網中電氣距離相近的含多個分布式光伏發電的局部配電網絡及其分布式光伏發電單元。因為太陽能天然的隨機性與波動性，光伏集群併網引起的無功電壓問題日益突出，大規模光伏集群必須具備無功調壓能力，必要時參與電力系統的無功調節。
目前，光伏集群主要採用無功補償裝置與逆變器共同協作完成集群整體對於系統的無功輸出調整。但現有的逆變器控制策略大多為定功率、定功率因素、下垂控制這種較為死板的控制方式，並未充分考慮集群內部各發電單元的協作，實時電壓跟蹤能力也較差，方法還不夠靈活，並不能完全調動每個光伏發電單元的無功調節能力，不適合實際使用中動態調壓的快速與穩定要求。因此需要有一種整體協調集群內部各發電單元無功出力並能快速跟蹤電壓的光伏集群動態調壓方法。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法，以克服已有技術的不足之處，利用分解協調架構與通信技術，基於廣域pi調節方法，滿足光伏集群整體參與系統動態電壓調節的目標，使其實現電壓的實時無差調節，且可按照不同光伏發電單元的調節能力在發電單元之間合理分配功率，保證發電單元的安全運行，改善光伏集群動態調壓性能。
本發明提出的光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法，包括以下步驟：
(1)設定光伏發電集群併網點狀態採樣周期tu為0.5秒，設定光伏發電集群的對外等值辨識周期tp為10秒，記採樣周期tu中的任意時刻為的tu，記對外等值辨識周期tp中的任意時刻為tp，初始化時，分別設tu、tp為零；
(2)採集光伏發電集群併網點的電壓uc、有功功率pc與無功功率qc，在每個採樣周期中對上述狀態變量進行一次採樣，記第t個採樣周期中採樣得到的光伏發電集群併網點的電壓為uct，有功功率為pct，無功功率為qct，初始化時，設t＝1；
(3)對tp進行判斷，若tp≥tp，則進行步驟(4)，若tp＜tp，則進行步驟(6)；
(4)採用戴維南等值方法，進行光伏發電集群對外等值辨識，得到光伏發電集群外部等值電路的電阻r、電抗x和外部等值電勢e，具體過程如下：
(4-1)建立光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群外部等值電勢的關係如下：
其中，r為光伏發電集群外部等值電路的電阻，x光伏發電集群外部等值電路的電抗，e為光伏發電集群外部等值電路的外部等值電勢；
根據上述光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群外部等值電勢的關係，得到一個光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群併網點有功功率和無功功率的映射關係如下：uc＝y(uc,pc,qc)
(4-2)採用最小二乘法，得到光伏發電集群進行對外等值辨識的目標函數如下：
其中，t為分析的採樣點數，取值範圍為6-10。
求解上述目標函數，得到光伏發電集群外部等值電路的電阻r、電抗x和外部等值電勢e；
(5)將tp重新設置為零；
(6)對tu進行判斷，若tu＜tu，則重複進行本步驟，直到tu≥tu，進行步驟(7)；
(7)按照如下步驟，實現光伏發電集群參與電力系統的動態電壓控制：
(7-1)設定一個光伏發電集群併網點的參考電壓ur，將採集到的光伏發電集群併網點的電壓uct與設定的參考電壓ur進行比較，得到差值δu＝ur-uct；
(7-2)根據上述差值δu，利用下式進行比例積分計算，得到光伏發電集群併網點無功功率增量的參考值δqr：
δqr＝kp·δu+ki·∫δudt
其中，kp為比例係數，取值為10，ki為積分係數，取值為0.5；
(7-3)建立一個動態電壓控制的優化模型，求解得到光伏發電集群中各光伏發電單元的無功功率改變量，過程如下：
(7-3-1)建立各光伏發電單元電壓控制的目標函數如下：
其中，uri是光伏發電集群中的第i個光伏發電單元端電壓的預設值，取值為
其中，分別為第i個光伏發電單元端電壓的下限和上限，ui為經參與電力系統動態電壓控制後第i個光伏發電單元的端電壓，n為光伏發電集群中光伏發電單元的個數；
(7-3-2)建立光伏發電集群光伏發電單元的約束條件：
a、光伏發電集群無功功率的平衡約束：
其中，δqi為第i個光伏發電單元的無功功率改變量，為待求解的第i個光伏發電單元的無功功率，qri為第i個光伏發電單元當前的無功出力；
b、光伏發電集群潮流約束：
光伏發電集群內部的潮流約束：
其中，rij為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的電阻，xij為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的電抗，為第i個光伏發電單元當前的端電壓，為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij當前的有功和無功潮流，pij和qij為優化後第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的有功和無功潮流，pig為第i個光伏發電單元的有功功率；
光伏發電集群外部的潮流約束：
c、光伏發電集群中各支路的容量約束和各發電單元的電壓約束：
其中，分別為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij無功潮流的下限和上限；
(7-3-3)採用內點法，求解上述步驟(7-3-1)和(7-3-2)中的優化模型，得到各光伏發電單元的無功功率光伏發電集群將得到的無功功率以廣播形式發送至各光伏發電單元；
(8)將tu重新設置為零，返回步驟(2)，實現光伏發電集群參與電力系統的動態電壓控制。
本發明提出的光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法，通過廣域pi控制，設計了光伏發電單元光伏集群整體參與動態調壓的分解協調控制方法，通過pi控制，光伏集群能夠實現電壓的無差實時跟蹤，動態性能優越。一方面，引入線性化技術來鬆弛潮流約束使得光伏集群協調層只需要進行簡單的量測和計算，大大降低了其數據處理的負擔，且充分考慮光伏發電單元運行約束，能夠合理分配各個光伏發電單元無功出力，保證光伏集群安全穩定運行。另一方面，本方法充分利用光伏發電單元逆變器解耦控制特性，光伏發電單元通過與協調層通信獲取參考無功出力參考值實現自動調節，從而使得整個光伏集群實現廣域pi反饋控制。另外，光伏集群協調層還能充分利用採集數據實現對外等值辨識並定時更新，掌握外系統變化情況。
本發明方法的優點是：
1、本發明方法建立了光伏集群整體參與動態調壓的廣域pi控制框架，光伏集群能夠實現對系統參考電壓的快速跟蹤與無差調節。
2、本發明方法通過線性化技術極大降低了優化問題求解難度，使得無功功率分配過程簡單迅速高效。相比傳統的潮流計算方法，該方法在儘量保證準確性的基礎上鬆弛了潮流約束，使得問題求解變得非常容易。
3、本發明方法能夠完成光伏集群對外等值辨識並定時更新，以保證光伏集群能及時掌握外系統狀況，實現方法簡單高效。
附圖說明
圖1是本發明提出的光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法的流程框圖。
圖2是本發明方法中光伏發電集群與光伏發電單元的控制關係圖。
具體實施方式
本發明提出的光伏發電集群參與電力系統動態電壓控制的方法，其流程框圖如圖1所示，包括對外等值辨識流程以及基於廣域pi控制的動態調壓流程，兩個流程均按照一定周期循環執行，由光伏集群協調控制器完成。其中動態調壓流程還將通過廣播通信的方式將集群協調層的信息定時發送給光伏發電單元控制器同時也接收光伏發電單元的節點測量信息，該方法具體包括以下步驟：
(1)設定光伏發電集群併網點狀態採樣周期tu為0.5秒，設定光伏發電集群的對外等值辨識周期tp為10秒，記採樣周期tu中的任意時刻為的tu，記對外等值辨識周期tp中的任意時刻為tp，初始化時，分別設tu、tp為零；
(2)採集光伏發電集群併網點的電壓uc、有功功率pc與無功功率qc，在每個採樣周期中對上述狀態變量進行一次採樣，記第t個採樣周期中採樣得到的光伏發電集群併網點的電壓為有功功率為無功功率為初始化時，設t＝1；
(3)對tp進行判斷，若tp≥tp，則進行步驟(4)，若tp＜tp，則進行步驟(6)；
(4)採用戴維南等值方法，進行光伏發電集群對外等值辨識，得到光伏發電集群外部等值電路的電阻r、電抗x和外部等值電勢e，具體過程如下：
(4-1)建立光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群外部等值電勢的關係如下：
其中，r為光伏發電集群外部等值電路的電阻，x光伏發電集群外部等值電路的電抗，e為光伏發電集群外部等值電路的外部等值電勢；
根據上述光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群外部等值電勢的關係，得到一個光伏發電集群併網點電壓與光伏發電集群併網點有功功率和無功功率的映射關係如下：uc＝y(uc,pc,qc)
(4-2)採用最小二乘法，得到光伏發電集群進行對外等值辨識的目標函數如下：
其中，t為分析的採樣點數，取值範圍為6-10。
求解上述目標函數，得到光伏發電集群外部等值電路的電阻r、電抗x和外部等值電勢e；
(5)將tp重新設置為零；
(6)對tu進行判斷，若tu＜tu，則重複進行本步驟，直到tu≥tu，進行步驟(7)；
(7)按照如下步驟，實現光伏發電集群參與電力系統的動態電壓控制：
(7-1)設定一個光伏發電集群併網點的參考電壓ur，將採集到的光伏發電集群併網點的電壓與設定的參考電壓ur進行比較，得到差值
(7-2)根據上述差值δu，利用下式進行比例積分計算，得到光伏發電集群併網點無功功率增量的參考值δqr：
δqr＝kp·δu+ki·∫δudt
其中，kp為比例係數，取值為10，ki為積分係數，取值為0.5，可視實際光伏集群情況進行調節；
(7-3)建立一個動態電壓控制的優化模型，求解得到光伏發電集群中各光伏發電單元的無功功率改變量，過程如下：
(7-3-1)為保證較為均勻分配各光伏發電單元承擔無功出力，同時使得各光伏發電單元端電壓變化較為平均，建立各光伏發電單元電壓控制的目標函數如下：
其中，uri是光伏發電集群中的第i個光伏發電單元端電壓的預設值，取值為
其中，分別為第i個光伏發電單元端電壓的下限和上限，ui為經參與電力系統動態電壓控制後第i個光伏發電單元的端電壓，n為光伏發電集群中光伏發電單元的個數；
(7-3-2)建立光伏發電集群光伏發電單元的約束條件：
a、光伏發電集群無功功率的平衡約束：
其中，δqi為第i個光伏發電單元的無功功率改變量，為待求解的第i個光伏發電單元的無功功率，qri為第i個光伏發電單元當前的無功出力；
b、光伏發電集群潮流約束：
光伏發電集群內部的潮流約束：
其中，rij為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的電阻，xij為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的電抗，為第i個光伏發電單元當前的端電壓，為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij當前的有功和無功潮流，pij和qij為優化後第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij的有功和無功潮流，pig為第i個光伏發電單元的有功功率；
光伏發電集群外部的潮流約束：
c、光伏發電集群中各支路的容量約束和各發電單元的電壓約束：
其中，分別為第i個光伏發電單元與第j個光伏發電單元之間的支路ij無功潮流的下限和上限；
(7-3-3)採用內點法，求解上述步驟(7-3-1)和(7-3-2)中的優化模型，得到各光伏發電單元的無功功率光伏發電集群將得到的無功功率以廣播形式發送至各光伏發電單元，光伏發電集群與光伏發電單元間的控制關係如附圖2所示；
(8)將tu重新設置為零，返回步驟(2)，實現光伏發電集群參與電力系統的動態電壓控制。