一種含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法與流程

2023-06-01 01:00:21

本發明涉及配電網電壓無功優化控制領域，尤其是涉及一種含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法。

背景技術：

隨著人們的節能環保和可持續發展意識日趨增強，分布式電源(DG)作為主要的清潔能源之一，其接入配電網的數目日趨增多。DG接入電網後由於其出力及用電負荷的波動性，將導致電壓有較大波動。

國內外學者關於DG接入後配電網電壓變化、配電網重構、有功無功優化、以及配電網電壓控制方法等進行了大量研究，但大多是針對規劃階段，即都是針對負荷曲線的一段靜態模型，來研究配電網無功補償優化規劃的，目前大多也沒有對負荷的時變性和DG出力的波動性進行綜合考慮。王旭強等提出的電壓無功控制算法在DG滲透率較大時無法得到較好的控制效果。Malekpour A R,Liang R H等提出的根據前一天負荷情況的電壓無功綜合控制優化算法以及Niknam T提出的混沌改進蜜蜂交配優化算法控制均不適合用於動態模式。鑑於目前大量配網自動化遠方終端(Remote Terminal Unit，RTU)已普遍應用於配電線路中，可考慮將其作為分布式控制終端結合饋線中的SVR進行調壓，目前Elkhatib M E,Homaee O,Raghavendra P等也已進行了相關研究，但都未曾考慮到利用SVR進行調壓必須保證電網無功充足的前提，否則有可能造成電網無功不足。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能顯著地穩定電壓幅值的含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法，該方法根據負荷的時變性和分布式電源出力的波動性，通過實時檢測的節點電壓偏差與無功偏差的關係，得出自主優化控制組合策略，調整控制變量，達到最優控制方式，所述控制變量包括並聯電容器組的最佳投切組數及分布式電源無功出力、各智能配網自動化遠方終端的節點參數、最佳的變壓器有載調壓開關分接頭和各饋線處自動調壓器的分接頭開關檔位。

所述自主優化控制組合策略中，並聯電容器組的最佳投切組數及分布式電源無功出力通過以下過程計算獲得：

101)由線路中的電壓損耗計算並聯電容器組或分布式電源接入後線路中無功功率的變化：

其中，n為接入的並聯電容器組和分布式電源的總數，X11,X22,X33，…,Xnn稱為各並聯電容器之間的自電抗，其餘稱為相關並聯電容器之間的互電抗，Uj、ΔUj、ΔQj分別為接入編號為j的並聯電容器組或分布式電源處節點的電壓幅值、電壓偏差和無功偏差；

將上式簡寫為：

ΔU＝XU×ΔQ

得到節點電壓偏差ΔU與無功偏差ΔQ的關係：

其中，J表示負荷節點注入無功功率對電壓變化的靈敏度矩陣。可以由靈敏度矩陣分析確定系統中各節點功率變化與電壓變化的關係，通過控制變量無功功率Q就可以調節電壓U；

每個節點的無功增量：

102)分布式電源根據步驟1)中獲得的ΔQ對應獲得無功出力；

103)根據步驟1)中獲得的ΔQ獲得並聯電容器組所需注入的無功功率，並確定每個並聯電容器組所需投切的最佳投切組數step(j)：

式中，Cj表示第j個並聯電容器組，step(j)為每個並聯電容器組的投切組數，step0(j)為起始投切級數，round為四捨五入函數，ΔQCj為Cj對應節點處的無功增量，Sj為每組可投切功率。

所述自主優化控制組合策略中，各智能配網自動化遠方終端的節點參數包括支路參數、負荷類型、負荷參數、系統運行電壓水平、分布式電源參數、智能配網自動化遠方終端參數、系統基準電壓初值、系統基準功率初值、並聯電容器組補償位置以及自動調壓器安裝位置。

所述自主優化控制組合策略中，最佳的變壓器有載調壓開關分接頭通過以下過程確定：

201)獲取變壓器在不同分接頭位置下的狀態估計殘差；

202)建立一後驗概率遞推公式：

其中，為第k次遞推分接頭位置i的後驗概率，為第k次遞推時分接頭位置i的先驗概率，為相關殘差矢量，Ci為殘差所對應的方差矩陣，為似然函數值；

203)遍歷獲得似然函數值大於似然函數加權平均值的分接頭位置，即為最佳的變壓器有載調壓開關分接頭。

所述自主優化控制組合策略中，各饋線處自動調壓器的分接頭開關檔位根據以下公式計算：

其中，tap0、tapr分別為調節前的初始檔位以及設置的開關檔位，Umax,feeders、Umin,feeders為系統或自動調壓器所在饋線的電壓極值，同時滿足以下不等式約束：

Umax,feeders-Umin,feeders＜Umax,perm-Umin,perm

式中，Umax,perm、Umin,perm分別為系統所允許的電壓最大值與最小值。

與現有技術相比，本發明考慮了並聯電容器組的投切方式，克服了通過負荷和DG出力的預測數據來進行投切控制的傳統模式，具有以下優點：

1、本發明首先通過最廣泛應用於實際中的並聯電容器組進行無功補償，再將配網自動化遠方終端結合饋線中的自動調壓器進行調壓以達到減小節點電壓波動，穩定電壓幅值，優化電網運行狀態的目的。

2、本發明由推導的負荷節點注入無功功率對電壓變化的靈敏度矩陣，確定SCB的實時投切組數及DG無功出力，克服了以往的固定投切模式。

3、本發明利用SCB進行無功補償保證無功充足後，將RTU作為分布式控制終端結合饋線中的SVR靈活地控制電壓，能顯著地穩定電壓幅值，具有較好的在線應用前景。

附圖說明

圖1為本發明含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法的流程圖；

圖2為本發明電壓無功優化控制系統圖；

圖3為本發明算例IEEE33節點系統圖；

圖4為本發明採用不同優化方法(包括電壓無功優化控制方法)後各節點電壓分布圖；

圖5為本發明採用電壓無功優化控制方法後所需投切的電容器組數圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

本實施例提供一種含多類型分布式電源的電壓無功優化控制方法，該方法根據負荷的時變性和分布式電源出力的波動性，通過實時檢測的節點電壓偏差與無功偏差的關係，得出自主優化控制組合策略，調整控制變量，達到最優控制方式，所述控制變量包括並聯電容器組的最佳投切組數及分布式電源無功出力、各智能配網自動化遠方終端的節點參數、最佳的變壓器有載調壓開關分接頭和各饋線處自動調壓器的分接頭開關檔位。如圖1-圖2所示，該方法包括以下步驟：

1)獲取待優化饋線系統的當前的系統參數，包括支路參數、負荷類型、負荷參數、系統運行電壓水平、分布式電源參數(包括不同分布式電源的接入位置、類型、容量和參數)、智能配網自動化遠方終端(RTU)參數(包括RTU的接入位置、容量與參數)、系統基準電壓初值、系統基準功率初值、並聯電容器組補償位置以及自動調壓器安裝位置等。

2)依據步驟1)提供的系統參數，由運行於調度中心的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，即數據採集與監視控制系統)上位機對系統進行配網潮流計算。

3)根據配網潮流計算結果獲取各智能配網自動化遠方終端的節點參數，包括智能配網自動化遠方終端所在節點的電壓變化量、同一饋線上相鄰節點的有功功率和無功功率及所在節點的電壓極值。

通過以下公式計算智能配網自動化遠方終端所在節點的電壓變化量b：

其中，i表示第i個智能配網自動化遠方終端，Udif,i為每個智能配網自動化遠方終端所在節點處的電壓最大值Umax,i和最小值Umin,i之間的差值，即Udif,i＝Umax,i-Umin,i。

每個安裝有RTU節點電壓的最大值和最小值均可由RTU自身計算得出，並且發送至上一個RTU作為其輸入。計算步驟大致如下：線路最遠SCB或DG處的RTU計算得該節點電壓的最大值和最小值，然後發送相關數據給上一個RTU作為其輸入，上一個RTU根據接收到的數據及自身測得的數據計算得自身節點處的節點電壓極值，再發送相關數據給下一級，以此類推，直到處於控制中心的電壓控制模塊接收到各個RTU的節點電壓極值，再由上位機控制程序計算出Udif,i。

4)根據配網潮流計算結果計算各並聯電容器組的最佳投切組數，計算公式如下：

其中，j為SCB的編號，Cj表示第j個SCB，step(j)為投切組數，step0(j)為起始投切級數，round為四捨五入函數，ΔQCj為節點的無功增量，Sj為每組可投切功率。

所述節點的無功增量ΔQCj滿足：

其中，ΔU、ΔQ分別為負荷節點電壓和無功偏差列向量，i為節點編號，j為SCB的編號，J為負荷節點注入無功功率對電壓變化的靈敏度矩陣。

所述的負荷節點注入無功功率對電壓變化的靈敏度矩陣J的推導過程為：

當DG接入配電網系統時，將影響線路潮流和電壓分布，導致節點電壓升高。只考慮簡單的DG接入2母線的配電系統時，母線1經配電線路到母線2，線路電壓降可表示為

DG接入母線2處後，上式可改寫為

配電網的結構區別於輸電網，其支路參數X/R較小，所以上式中虛部可忽略。因此電壓損耗為

ΔP,ΔQ分別為接入DG後線路上實際流過的無功和有功功率；電壓損耗的幅值可表示為

在分析過程中，保持有功P不變，只考慮電壓U和無功注入Q之間的增量關係時，上式可重寫為

同理，當SCB安裝點的負荷無功功率為ΔQC時，線路的無功潮流增量也為ΔQC，所以母線2的電壓損耗為

當擴展到如圖3所示的IEEE-33節點系統時，考慮在節點2處接入了DG1，在節點9,15,26,30分別安裝了並聯電容器組C2、C3、C4、C5。安裝了C3的節點15的電壓變化為

上式表示DG1的無功出力為ΔQDG1，以及C2、C3、C4、C5分別補償無功分量ΔQC2、ΔQC3、ΔQC4、ΔQC5後對節點15的電壓變化影響。DG1、C2、C3、C4、C5接入節點處的電壓幅值分別為|U1|、|U2|、|U3|、|U4|、|U5|。X33稱為C3的自電抗，定義為變電站母線到電容器節點之間的線路電抗和。同樣，X31、X32、X34、X35稱為相關電容器之間的互電抗，定義為變電站母線到兩個電容器之間所經過的共同的線路的電抗之和。所以，X31、X32、X33、X34、X35的值分別為：

X31＝x1+x2

X32＝x1+x2+…+x8+x9

X33＝x1+x2+x3+…+x14+x15

X34＝x1+x2+x3+x4+x5

X35＝x1+x2+x3+x4+x5

其中，xi表示母線節點i處的支路電抗。同理，C1,C2節點處的電壓變化分別為

寫成矩陣形式為

不失一般性，上式可拓展為

其中，n為投切的電容器組的編號，可簡寫為

ΔU＝XU×ΔQ

從而可以由電壓損耗ΔU計算無功功率的變化，由上式得節點電壓偏差與無功偏差有如下關係

式中，ΔU、ΔQ分別為負荷節點電壓和無功偏差列向量；J表示負荷節點注入無功功率對電壓變化的靈敏度矩陣。可以由靈敏度矩陣分析確定系統中各節點功率變化與電壓變化的關係，通過控制變量無功功率Q就可以調節電壓U。

本實施例中，採用不同優化方法(包括電壓無功優化控制方法)後各節點電壓分布如圖4所示，採用電壓無功優化控制方法後所需投切的電容器組數如圖5所示。

5)根據配網潮流計算結果確定最佳的變壓器有載調壓開關分接頭(OLTC，On Load Tap Changer)，具體過程為：

501)獲取變壓器在不同分接頭位置下的狀態估計殘差：

且狀態估計的量測方程為

z＝h(x)+ε

式中：z∈Rm為節點電壓幅值、節點注入有功和無功、支路有功和無功的量測矢量；x∈Rn為包含電壓幅值和相角的狀態矢量；h(x)為狀態矢量到量測量的非線性映射；為狀態量的估計值；ε～N(0,R)為量測誤差，為量測誤差方差矩陣。

502)建立一後驗概率遞推公式：

其中，為第k次遞推分接頭位置i的後驗概率，為第k次遞推時分接頭位置i的先驗概率，為相關殘差矢量，Ci為殘差所對應的方差矩陣，為似然函數值。

503)遍歷獲得似然函數值大於似然函數加權平均值的分接頭位置，即為最佳的變壓器有載調壓開關分接頭，即可終止遞推。

6)根據配網潮流計算結果計算各饋線處SVR的分接頭開關檔位，公式如下：

其中，tap0、tapr分別為調節前的初始檔位以及設置的開關檔位，Umax,feeders、Umin,feeders為系統或SVR所在饋線的電壓極值，同時滿足以下不等式約束：

Umax,feeders-Umin,feeders＜Umax,perm-Umin,perm

式中，Umax,perm、Umin,perm分別為系統所允許的電壓最大值與最小值。

7)根據步驟4)-步驟6)獲得電壓無功優化控制策略，即獲得下一時刻的系統參數，從而根據下一時刻的系統參數控制變量，實行自主優化選擇和投切控制，達到最優控制方式。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。