CN103701132A - 一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法 - Google Patents

一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法 Download PDF

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CN103701132A CN201310711313.3A CN201310711313A CN103701132A CN 103701132 A CN103701132 A CN 103701132A CN 201310711313 A CN201310711313 A CN 201310711313A CN 103701132 A CN103701132 A CN 103701132A
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Abstract

本发明涉及一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，属于电力系统运行和控制技术领域。本方法建立了分布式电源的控制目标函数，利用三相节点支路关联矩阵，推导出主动配电网运行的三相潮流方程，利用二进制编码方式处理分组投切电容器，将离散控制问题连续化处理。最后，综合控制主动配电网中的分布式电源、连续无功补偿装置、分组投切电容器的有功功率和无功功率等，以控制主动配电网的过电压。本方法既可用于辐射状配电网，也可直接用于合环后的弱环状配电网的过电压控制；本方法将二进制编码方式引入到主动配电网过电压控制，将离散问题连续化，大幅提高计算效率。

Description

一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法
技术领域
本发明涉及一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，属于电力系统运行和控制技术领域。
背景技术
发展分布式发电（Distributed Generation，DG），可以优化能源结构、推动节能减排和实现经济可持续发展。近年来，配电网中分布式电源的渗透率迅速增长，传统配电网将逐步演变为具有众多可调可控资源的主动配电网（Active Distribution Network，ADN），其运行管理也将遇到众多挑战。
在主动配电网中，架空线路一般不进行三相整体循环换位，且主动配电网中负荷不平衡现象普遍存在，基于单相模型的分析决策往往会引入较大误差，导致错误的调度策略，影响配电网的安全和经济运行。
另外，主动配电网中的线路电阻与电抗接近，有功功率和无功功率紧密耦合，主动配电网中节点注入的有功功率和无功功率波动均能影响节点电压，单纯的无功功率控制对电压的改变幅度有限。如果不合理地管理主动配电网中现有设备，将会造成浪费可再生能源、电压质量降低、配电变压器根节点功率剧烈波动等严重问题，因此有功功率和无功功率协调的控制配电网过电压是一个重要课题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，本方法利用三相潮流方程，考虑主动配电网的运行约束，以控制主动配电网的过电压，提高分布式电源利用率。
本发明提出的基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，包括以下步骤：
（1）建立主动配电网过电压控制的目标函数：
Figure BDA0000442357950000011
其中，NDG为主动配电网中的分布式电源数量，
Figure BDA0000442357950000012
表示主动配电网的A,B,C三相，
Figure BDA0000442357950000013
为主动配电网中节点i上所连接的分布式电源的各相有功功率预测值，
Figure BDA0000442357950000014
为主动配电网中第i个分布式电源的各相有功功率控制目标值；
（2）对主动配电网进行拓扑搜索，形成一个主动配电网的三相节点支路关联矩阵
Figure BDA0000442357950000015
以及一个关于支路自阻抗和互阻抗的支路阻抗矩阵
Figure BDA0000442357950000021
并根据三相节点支路关联矩阵和支路阻抗矩阵
Figure BDA0000442357950000023
形成一个主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure BDA0000442357950000024
（3）根据上述主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure BDA0000442357950000025
利用电力系统能量平衡方程，得到主动配电网的潮流方程约束为：
Figure BDA0000442357950000026
其中，
Figure BDA0000442357950000027
为主动配电网三相节点电压列矢量，
Figure BDA0000442357950000028
为主动配电网的三相节点-支路关联矩阵，
Figure BDA0000442357950000029
为主动配电网三相支路阻抗矩阵，real、imag、*分别为取对应元素的实部、虚部、共轭，
Figure BDA00004423579500000210
和
Figure BDA00004423579500000211
是分别由主动配电网三相节点净注入有功功率和无功功率
Figure BDA00004423579500000212
和
Figure BDA00004423579500000213
构成的列矢量；
（4）根据上述列矢量
Figure BDA00004423579500000214
和
Figure BDA00004423579500000215
得到主动配电网中节点i的净注入有功功率和无功功率的约束分别为：
Figure BDA00004423579500000216
其中，
Figure BDA00004423579500000217
和
Figure BDA00004423579500000218
分别为与主动配电网节点i连接的分布式电源的三相有功功率和无功功率，
Figure BDA00004423579500000219
和
Figure BDA00004423579500000220
为与主动配电网节点i连接的负荷的三相有功功率和无功功率，
Figure BDA00004423579500000221
为与主动配电网节点i连接的无功补偿装置的三相无功功率；
（5）主动配电网的安全电压约束为：
其中，
Figure BDA00004423579500000223
为主动配电网节点i的各相电压幅值，
Figure BDA00004423579500000224
和
Figure BDA00004423579500000225
分别是主动配电网电压幅值的上限值和下限值；
（6）主动配电网的配电变压器根节点的有功功率和无功功率约束分别为：
Figure BDA00004423579500000226
其中，
Figure BDA00004423579500000227
为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相有功功率，
Figure BDA00004423579500000228
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相有功功率上限值和下限值，为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相无功功率，
Figure BDA00004423579500000230
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相无功功率上限值和下限值；
（7）主动配电网的分组投切电容器的运行约束，利用二进制编码方式表示为：
Figure BDA0000442357950000031
其中，
Figure BDA0000442357950000032
为第i个分组投切电容器组的各相投运无功功率，
Figure BDA0000442357950000033
为第i个分组投切电容器组的各相中每组电容器的无功功率，
Figure BDA0000442357950000034
为第i个分组投切电容器组的当前运行无功功率，
Figure BDA0000442357950000035
和
Figure BDA0000442357950000036
分别为变量，
Figure BDA0000442357950000037
取值范围为0与1之间的实数，
Figure BDA0000442357950000038
（8）主动配电网中的连续无功补偿装置的运行约束为：
其中，
Figure BDA00004423579500000310
为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率控制值，
Figure BDA00004423579500000311
和
Figure BDA00004423579500000312
为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率的下限值和上限值；
（9）主动配电网中分布式电源的运行约束为：
Figure BDA00004423579500000313
其中，为主动配电网中分布式电源的有功功率控制量，其取值范围为0到
Figure BDA00004423579500000315
Figure BDA00004423579500000316
为主动配电网中分布式电源的有功功率预测值，为主动配电网中分布式电源的无功功率控制量，其取值范围为0到为主动配电网中分布式电源的无功功率预测值，
Figure BDA00004423579500000319
为主动配电网中分布式电源的功率因数角；
（10）采用原始-对偶内点算法，根据上述步骤（3）的潮流方程和步骤（4）～步骤（9）的主动配电网的运行约束，对上述主动配电网中分布式电源的控制目标函数求解，得到主动配电网中分布式电源、连续无功补偿装置和分组投切电容器组的各相有功功率值、无功功率值，并发送到主动配电网调度中心，实现主动配电网过电压的控制。
本发明提出的基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，其优点是：
1、本发明方法利用三相节点支路关联矩阵，建立了主动配电网的三相潮流方程，本发明既可用于辐射状配电网和也可直接用于合环后的弱环状配电网的过电压控制。
2、本发明方法将二进制编码方式引入到主动配电网过电压控制，将离散问题连续化，大幅提高计算效率。
3、本发明方法限定配电变压器根节点的功率波动，避免主动配电网中负荷功率和分布式电源功率剧烈波动对配电变压器造成损害。
4、本方法提出了有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，可以消除有功功率和无功功率解耦的主动配电网控制策略中的误差，提高可再生能源利用率，控制主动配电网的过电压。
具体实施方式
本发明提出的基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，包括以下步骤：
（1）建立主动配电网过电压控制的目标函数：
Figure BDA0000442357950000041
含分布式电源的主动配电网不仅要保证电网的经济运行，更重要的是控制主动配电网的过电压，提高分布式电源利用率，为此将目标函数定义。其中，NDG为主动配电网中的分布式电源数量，表示主动配电网的A,B,C三相，
Figure BDA0000442357950000043
为主动配电网中节点i上所连接的分布式电源的各相有功功率预测值，
Figure BDA0000442357950000044
为主动配电网中第i个分布式电源的各相有功功率控制目标值；从耗量微增率角度可以看出，本发明所采用的二次型目标函数可以使得预测出力大的分布式电源优先尽可能满发，提高分布式电源利用率。
（2）对主动配电网进行拓扑搜索，形成一个主动配电网的三相节点支路关联矩阵
Figure BDA0000442357950000045
以及一个关于支路自阻抗和互阻抗的支路阻抗矩阵
Figure BDA0000442357950000046
并根据三相节点支路关联矩阵
Figure BDA0000442357950000047
和支路阻抗矩阵
Figure BDA0000442357950000048
形成一个主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure BDA0000442357950000049
（3）根据上述主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure BDA00004423579500000410
利用电力系统能量平衡方程，得到主动配电网的潮流方程约束为：
Figure BDA00004423579500000411
为方便地描述三相模型，本发明功率平衡约束采用了矩阵形式。其中，
Figure BDA00004423579500000412
为主动配电网三相节点电压列矢量，为主动配电网的三相节点-支路关联矩阵，为主动配电网三相支路阻抗矩阵，real、imag、*分别为取对应元素的实部、虚部、共轭，
Figure BDA00004423579500000415
和
Figure BDA00004423579500000416
是分别由主动配电网三相节点净注入有功功率和无功功率
Figure BDA0000442357950000051
和
Figure BDA0000442357950000052
构成的列矢量；
（4）根据上述列矢量
Figure BDA0000442357950000053
和
Figure BDA0000442357950000054
得到主动配电网中节点i的净注入有功功率和无功功率的约束分别为：
Figure BDA0000442357950000055
其中，和
Figure BDA0000442357950000057
分别为与主动配电网节点i连接的分布式电源的三相有功功率和无功功率，
Figure BDA0000442357950000058
和
Figure BDA0000442357950000059
为与主动配电网节点i连接的负荷的三相有功功率和无功功率，
Figure BDA00004423579500000510
为与主动配电网节点i连接的无功补偿装置的三相无功功率，无功补偿装置可以是分组投切电容器、连续无功补偿装置等；
（5）主动配电网的安全电压约束为：
Figure BDA00004423579500000511
其中，
Figure BDA00004423579500000512
为主动配电网节点i的各相电压幅值，和
Figure BDA00004423579500000514
分别是主动配电网电压幅值的上限值和下限值；
（6）为了抑制主动配电网的功率波动对输电网的影响，需要将配电网根节点的关口交换功率约束考虑在内，主动配电网的配电变压器根节点的有功功率和无功功率约束分别为：
Figure BDA00004423579500000515
其中，
Figure BDA00004423579500000516
为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相有功功率，
Figure BDA00004423579500000517
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相有功功率上限值和下限值，
Figure BDA00004423579500000518
为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相无功功率，
Figure BDA00004423579500000519
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相无功功率上限值和下限值；
（7）主动配电网的分组投切电容器的运行约束，利用二进制编码方式表示为：
分组电容器是配电网重要的无功补偿设备，其投切状态本质上是离散决策变量，本文采用二进制编码和补充约束的形式将离散变量连续化。
Figure BDA00004423579500000520
其中，
Figure BDA0000442357950000061
为第i个分组投切电容器组的各相投运无功功率，
Figure BDA0000442357950000062
为第i个分组投切电容器组的各相中每组电容器的无功功率，
Figure BDA0000442357950000063
为第i个分组投切电容器组的当前运行无功功率，
Figure BDA0000442357950000064
和
Figure BDA0000442357950000065
分别为变量，
Figure BDA0000442357950000066
取值范围为0与1之间的实数，通过约束
Figure BDA0000442357950000067
将其控制为01变量，进而将
Figure BDA0000442357950000068
控制为整数，本文选择电容器档位为4档，即
Figure BDA0000442357950000069
如需扩展档位数量只需增加2进制编码数即可。
（8）主动配电网中的连续无功补偿装置的运行约束为：
Figure BDA00004423579500000610
其中，
Figure BDA00004423579500000620
为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率控制值，
Figure BDA00004423579500000611
和
Figure BDA00004423579500000612
为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率的下限值和上限值；
（9）主动配电网中分布式电源的运行约束为：
Figure BDA00004423579500000613
其中，
Figure BDA00004423579500000614
为主动配电网中分布式电源的有功功率控制量，其取值范围为0到
Figure BDA00004423579500000616
为主动配电网中分布式电源的有功功率预测值，
Figure BDA00004423579500000617
为主动配电网中分布式电源的无功功率控制量，其取值范围为0到
Figure BDA00004423579500000618
为主动配电网中分布式电源的无功功率预测值，
Figure BDA00004423579500000619
为主动配电网中分布式电源的功率因数角；根据典型文献，本方法分布式电源稳态运行时采用PQ类型。根据已有研究，分布式电源通过电力电子装置或常规旋转电机接口并网且其并网功率已能实现有功无功分别独立调节，为不失一般性，本文选择定功率因数的分布式电源功率控制策略。
（10）采用原始-对偶内点算法，根据上述步骤（3）的潮流方程和步骤（4）～步骤（9）的主动配电网的运行约束，对上述主动配电网中分布式电源的控制目标函数求解，得到主动配电网中分布式电源、连续无功补偿装置和分组投切电容器组的各相有功功率值、无功功率值，并发送到主动配电网调度中心，实现主动配电网过电压的控制。本发明方法中采用的原始-对偶内点算法，综合利用壁垒罚函数、拉格朗日乘子和牛顿法，可以有效处理非凸非线性规划问题。

Claims (1)

1.一种基于有功-无功协调的控制主动配电网过电压的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）建立主动配电网过电压控制的目标函数：
Figure FDA0000442357940000011
其中，NDG为主动配电网中的分布式电源数量，脚标
Figure FDA0000442357940000012
表示主动配电网的A,B,C三相，
Figure FDA0000442357940000013
为主动配电网中节点i上所连接的分布式电源的各相有功功率预测值，
Figure FDA0000442357940000014
为主动配电网中第i个分布式电源的各相有功功率控制目标值；
（2）对主动配电网进行拓扑搜索，形成一个主动配电网的三相节点支路关联矩阵
Figure FDA0000442357940000015
以及一个关于支路自阻抗和互阻抗的支路阻抗矩阵
Figure FDA0000442357940000016
并根据三相节点支路关联矩阵
Figure FDA0000442357940000017
和支路阻抗矩阵
Figure FDA0000442357940000018
形成一个主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure FDA0000442357940000019
（3）根据上述主动配电网的三相节点导纳矩阵
Figure FDA00004423579400000110
利用电力系统能量平衡方程，得到主动配电网的潮流方程约束为：
其中，
Figure FDA00004423579400000112
为主动配电网三相节点电压列矢量，为主动配电网的三相节点-支路关联矩阵，为主动配电网三相支路阻抗矩阵，real、imag、*分别为取对应元素的实部、虚部、共轭，
Figure FDA00004423579400000115
和是分别由主动配电网三相节点净注入有功功率和无功功率
Figure FDA00004423579400000117
和构成的列矢量；
（4）根据上述列矢量
Figure FDA00004423579400000119
和
Figure FDA00004423579400000120
得到主动配电网中节点i的净注入有功功率和无功功率的约束分别为：
Figure FDA00004423579400000121
其中，
Figure FDA00004423579400000122
和
Figure FDA00004423579400000123
分别为与主动配电网节点i连接的分布式电源的三相有功功率和无功功率，和
Figure FDA00004423579400000125
为与主动配电网节点i连接的负荷的三相有功功率和无功功率，为与主动配电网节点i连接的无功补偿装置的三相无功功率；
（5）主动配电网的安全电压约束为：
其中，
Figure FDA0000442357940000022
为主动配电网节点i的各相电压幅值，
Figure FDA0000442357940000023
和
Figure FDA0000442357940000024
分别是主动配电网电压幅值的上限值和下限值；
（6）主动配电网的配电变压器根节点的有功功率和无功功率约束分别为：
Figure FDA0000442357940000025
其中，
Figure FDA0000442357940000026
为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相有功功率，
Figure FDA0000442357940000027
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相有功功率上限值和下限值，
Figure FDA0000442357940000028
为从配电变压器根节点流入主动配电网的各相无功功率，
Figure FDA0000442357940000029
分别为主动配电网的调控中心设定的配电变压器根节点的各相无功功率上限值和下限值；
（7）主动配电网的分组投切电容器的运行约束，利用二进制编码方式表示为：
Figure FDA00004423579400000210
其中，
Figure FDA00004423579400000211
为第i个分组投切电容器组的各相投运无功功率，
Figure FDA00004423579400000212
为第i个分组投切电容器组的各相中每组电容器的无功功率，为第i个分组投切电容器组的当前运行无功功率，和
Figure FDA00004423579400000215
分别为变量，
Figure FDA00004423579400000216
取值范围为0与1之间的实数，
（8）主动配电网中的连续无功补偿装置的运行约束为：
Figure FDA00004423579400000218
其中，
Figure FDA00004423579400000219
为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率控制值，和为主动配电网中连续无功补偿装置的无功功率的下限值和上限值；
（9）主动配电网中分布式电源的运行约束为：
Figure FDA00004423579400000222
其中，
Figure FDA00004423579400000223
为主动配电网中分布式电源的有功功率控制量，其取值范围为0到
Figure FDA00004423579400000224
Figure FDA0000442357940000031
为主动配电网中分布式电源的有功功率预测值，
Figure FDA0000442357940000032
为主动配电网中分布式电源的无功功率控制量，其取值范围为0到
Figure FDA0000442357940000033
为主动配电网中分布式电源的无功功率预测值，
Figure FDA0000442357940000034
为主动配电网中分布式电源的功率因数角；
（10）采用原始-对偶内点算法，根据上述步骤（3）的潮流方程和步骤（4）～步骤（9）的主动配电网的运行约束，对上述主动配电网中分布式电源的控制目标函数求解，得到主动配电网中分布式电源、连续无功补偿装置和分组投切电容器组的各相有功功率值、无功功率值，并发送到主动配电网调度中心，实现主动配电网过电压的控制。
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