CN104753065B

CN104753065B - 一种微网中重要节点电能质量治理方法

Info

Publication number: CN104753065B
Application number: CN201510182793.8A
Authority: CN
Inventors: 郑建勇; 胡路苹; 张宸宇; 胡洛瑄; 缪惠宇; 张震; 胡子杰; 梅军
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: CN104753065A

Abstract

本发明公开了一种微网中重要节点电能质量治理方法，在两节点及多节点单重要问题模型建立和分析的理论基础上，通过数学规划模型将电能质量补偿装置配置分解为主问题和子问题，主问题负责处理电能质量补偿装置的安装位置，子问题负责处理电能质量补偿装置的输出指令电流问题，创新性的通过主问题和子问题反复迭代得到最优配置方法。有效的解决了当微网中由于条件关系电能质量补偿设备不能安装在每个关键节点处时，传统的就地补偿工作方式将不再适用的问题。

Description

一种微网中重要节点电能质量治理方法

技术领域

本发明涉及一种微网中重要节点电能质量治理方法，属于分布式发电供能系统电能质量治理领域。

背景技术

由于微网本身就是一个含有电力电子接口的拓扑架构，加上现代工业中非线性和不平衡负荷的比重增大，这些非线性负载向微网内注入了大量谐波电流。而微网中普遍电压等级低，导致线路基本呈阻性，线路阻抗大的特点。这些非线性负载谐波电流的注入，经过传输线路的谐波阻抗损耗，对其他节点势必造成谐波电压，这样导致敏感负荷所在的重要节点供电电压质量就得不到保证。

微网电能质量治理的方法主要分为两种：一是在微网中使用配置电能质量治理装置对电能质量问题进行被动治理，如有源电力滤波器(active power filter，APF)、静止动态无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)、静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)、统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)等；二是从微电源控制策略出发主动提高电能质量。而为了解决上文中所提到由于谐波电流注入和低压微网线路阻抗所造成的重要节点谐波电压这一问题，APF设备的配置或者采用具有APF功能的并网逆变器被普遍采用作为电能质量补偿装置。

当补偿设备由于条件关系不能安装在关键节点处，或者不能安装在每个关键节点处时，传统APF在负载侧就地补偿的工作方式将不再适用。为了解决微网中重要节点能电能质量补偿的问题，电能质量补偿设备的加入不再是单纯治理当地的电能质量问题，也需要对远端重要节点的电能质量进行治理。所以补偿设备在微网中的优化配置问题成为国内外众多学者的热门研究课题。赤木泰文最初提出电能质量补偿装置应该安装在母线的末端能更好的解决母线的电能质量问题，但是指出安装在母线某段只是适用于简单的网络，针对复杂的拓扑结构，这个结论不再适用。通过电网阻抗特定，根据建立电网的电压电流转移矩阵去选取电能质量补偿装置的最优安装节点，但是通过这种方法只能选取局部最优解讨论了微网中重要节点的远端控制方法，通过“搜索法”给出了最优指令值，但是并未给出最优安装节点的讨论方法。通过对每个节点的安装情况进行讨论得到最优节点位置，但是每台APF工作在就地补偿模式。国内帅智康等人建立了混合有源电力滤波器在电力系统应用时的谐波治理目标函数。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微网中重要节点电能质量治理方法，该方法能够得到微网中电能质量补偿装置的合理安装位置，确保重要节点的电能质量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微网中重要节点电能质量治理方法，对微网的多节点单重要问题模型进行分析，当出现多节点多重要节点问题时，建立数学模型，并采用分解算法将该数学模型分解为子问题和主问题，通过子问题求解得到补偿装置最优补偿电流，通过主问题求解得到补偿装置最优安装位置，通过子问题和主问题反复求解迭代得到最优的补偿装置配置方案；该方法的具体实现过程为：

(1)记重要节点的个数为R，可安装补偿装置的节点总数为N，给k赋初值，使k＝1；

(2)当补偿装置安装在第k个节点时：若I_c,k<I_max成立，则进入步骤(3)；否则抛弃该节点，进入步骤(7)；其中，I_c,k表示第k个节点为安装点时补偿装置需要提供的补偿电流值，I_max表示补偿装置能够提供的补偿电流最大值；

(3)对于每一个重要节点，计算第r个重要节点的谐波电压畸变率η_THDr和将补偿装置安装在第k个节点时谐波电流引起的总线路损耗P_lossk；若所有重要节点均满足η_THDr<η_国标和P_lossk<P_loss,old，则进入步骤(4)；否则抛弃该节点，进入步骤(7)；其中，η_国标表示国家标准规定允许的谐波电压畸变率，P_loss,old表示采用补偿装置前谐波电流引起的线路损耗；

(4)若I_c,k<I_min成立，则进入步骤(5)；否则抛弃该节点，进入步骤(7)；其中，I_min表示可以选取的最小补偿电流值，初始时，I_min取值为第一个进入步骤(4)的I_c,k值；

(5)I_min＝I_c,k，K＝k，进入步骤(6)；

(6)若k＝N，确定第K个节点为补偿装置的安装位置，计算结束；否则进入步骤(7)；

(7)若k＝N，确定第K个节点为补偿装置的安装位置，计算结束；否则k＝k+1，返回步骤(2)；

其中步骤(4)～(6)属于主问题的求解，其他步骤属于子问题的求解。

具体的，相关参量的计算方法如下：

①第k个节点为安装点时补偿装置需要提供的补偿电流值I_c,k：

I_{c, k} = Σ_{r = 1}^{R} C_{r} I_{c, r}

其中，I_c,r表示第r个重要节点需要注入的补偿电流值，C_r表示第r个重要节点的权重，C_r满足：

\{\begin{matrix} C_{r} &Element; (0,1] \\ Σ_{r = 1}^{R} C_{r} = 1 \end{matrix}

②第r个重要节点的谐波电压畸变率η_THDr：

η_{THDr} = \{\begin{matrix} \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & 1 \leq r < K \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{K} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & K \leq r < N \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & r = N \end{matrix}

其中，H表示含有的谐波最高次数，表示第i个节点与与之相连的前一个节点之间线路的h次谐波线路阻抗，表示第k个节点处的h次谐波电流值，表示微网并网变压器处的h次谐波电压，表示第r个重要节点的基波电压；

③将补偿装置安装在第k个节点时谐波电流引起的总线路损耗P_lossk：

P_{lossk} = \{\begin{matrix} Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2} + Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = k + 1}^{N} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} |}^{2}, 1 < k < N \\ Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2}, k = N \end{matrix}

其中，R_i表示第i个节点与与之相连的前一个节点之间线路的线路电阻，第j个节点处的h次谐波电流值，表示第j个节点处的h次谐波补偿电流值。

有益效果：本发明提供的微网中重要节点电能质量治理方法，与现有技术相比优势为：当补偿设备由于条件关系不能安装在关键节点处，或者不能安装在每个关键节点处时，传统APF在负载侧就地补偿的工作方式将不再适用；而本发明通过对微网内多重要节点的情况进行数学规划分析，采用分解算法将该规划问题分解成主问题和子问题，主问题负责处理电能质量补偿装置的安装位置问题，子问题负责处理电能质量补偿装置的输出指令电流问题，最后结合主问题和子问题的解给出了加入电能质量补偿装置的最优化配置方案。

附图说明

图1为两节点微网模型；

图2为微电网离散模型；

图3(a)为子问题求解流程；

图3(b)为主问题求解流程；

图4为放射状14节点微网结构；

图5(a)为补偿前母线接点电压波形；

图5(b)为补偿后母线接点电压波形；

图6(a)为节点2补偿后母线电压波形；

图6(b)为节点3补偿后母线电压波形；

图7为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图4所示放射状14节点应用微网中重要节点电能质量治理方法。图4中线路阻抗采用低压线路典型阻性参数值表示，低压线路典型阻性电阻值为R＝0.642Ω/km，低压线路典型阻性电感值为X＝8.3*10^-3Ω/km。节点1、2之间距离为150m，节点3、4之间距离为200m，其他节点之间距离均为100m。考虑到各次谐波分别叠加影响作用不耦合，此处算例仅考虑具有代表性的5次和7次谐波。为了避免电力电子开关器件带来的高频毛刺对算例结果的干扰，电能质量补偿装置通过等效电流源代替，根据下式计算第k个节点需要注入的补偿电流值I_c,k：

I_{c, k} = \{\begin{matrix} Σ_{h = 2}^{H} \frac{Σ_{n = 1}^{k} I_{n}^{h} Σ_{i = 1}^{n} Z_{i}^{h} - Σ_{n = k + 1}^{N} I_{n}^{h} Σ_{i = 1}^{n} Z_{i}^{h}}{Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h}}, 1 \leq k < K \\ Σ_{h = 2}^{H} \frac{Σ_{n = 1}^{k} I_{n}^{h} Σ_{i = 1}^{n} Z_{i}^{h} - Σ_{n = k + 1}^{N} I_{n}^{h} Σ_{i = 1}^{n} Z_{i}^{h}}{Σ_{i = 1}^{K} Z_{i}^{h}}, K \leq k < N \\ Σ_{h = 2}^{H} \frac{Σ_{n = 1}^{k} I_{n}^{h} Σ_{i = 1}^{n} Z_{i}^{h}}{Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h}}, k = N \end{matrix} - - - (1)

计算得到各节点需要注入的补偿电流如表1所示:

表1节点及需要注入的补偿电流值

其中，N表示节点个数，K表示补偿装置的安装位置(补偿装置安装在第K个节点)，H表示含有的谐波最高次数；I_c,k表示第k个节点需要注入的补偿电流值，表示第i个节点与与之相连的前一个节点之间线路的h次谐波线路阻抗，表示第n个节点处的h次谐波电流值。

下面通过两个实施例来进一步具体说明本发明方法：

实施例一

本实施例以单重要节点(节点2为重要节点)为例，微网内只备有一台用于电能质量补偿的装置，其安装在节点4处。由式(1)可以得出节点4所注入的5次谐波补偿电流指令值为99.31∠4.10°A，7次谐波补偿电流指令值为53.00∠1.00°A。补偿前后母线节点电压波形图如图5所示，谐波电压畸变率结果如表2所示：

表2补偿前后节点的谐波电压畸变率

节点	补偿前节点电压畸变率η_THD	补偿后节点电压畸变率η_THD
			节点1	3.01％	0.67％
节点2	5.85％	0％
			节点3	7.01％	1.18％
节点4	8.40％	4.48％
			节点5	8.86％	4.02％

通过图5(a)和图5(b)的对比结合上表的结果可以看出通过本发明提出的补偿方法进行远端补偿后，母线电能质量得到了明显的改善，其中重要节点2的低次谐波可以完全消除(不考虑电力电子开关器件高频毛刺干扰)，保证了敏感负荷的工作状态。

实施例二

本实施例以多重要节点(节点2和节点3为重要节点)为例，重要性权重各为50％，微网内只备有一台电能质量补偿装置。包括以下步骤：

1)建立数学规划模型，采用分解算法，将该数学规划问题分为子问题和主问题：

min I_c(m)∈D

Σ_{n = 1}^{N} Z_{n} (Σ_{h = 2}^{H} {(I_{k}^{h} + {ΔI}_{k}^{h})}^{2}) \leq P_{loss, old}

I_c(m)∈D

上面的一组式中，M表示微网中接入的补偿装置的个数(本案中M＝1)，N表示节点个数，H表示含有的谐波最高次数；I_c(m)表示第m台补偿装置的补偿谐波电流容量；表示采用补偿装置前节点k的谐波电压，表示采用补偿装置后节点k的谐波电压的增加值；Z_n表示第n个节点与与之相连的前一个节点之间线路的线路阻抗；η_国标表示国家标准规定允许的谐波电压畸变率，P_loss,old表示采用补偿装置前谐波电流引起的线路损耗；表示补偿前第k段线路的h次谐波电流，表示采用补偿装置后第k段线路的h次谐波电流的增加量；D表示补偿装置的容量等级。

2)首先通过主问题选取可以安装的节点，此时微网内14个节点都要带入主问题讨论，主问题流程图如图3(b)所示。

3)然后进入子问题，分别对微网内的每个节点安装情况进行讨论，子问题流程图如图3(a)所示，然后通过有关公式和各个重要节点权重给出电能质量补偿装置的补偿指令值：

I_{c, k} = Σ_{r = 1}^{R} C_{r} I_{c, r}

\{\begin{matrix} C_{r} &Element; (0,1] \\ Σ_{r = 1}^{R} C_{r} = 1 \end{matrix}

当I_c,k≥I_max，则该节点被抛弃，否则进行下一步即经公式：

η_{THDr} = \{\begin{matrix} \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & 1 \leq r < K \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{K} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & K \leq r < N \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & r = N \end{matrix}

P_{lossk} = \{\begin{matrix} Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2} + Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = k + 1}^{N} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} |}^{2}, 1 < k < N \\ Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2}, k = N \end{matrix}

其中，H表示含有的最大次谐波值，表示第i个节点与与之相连的前一个节点之间线路的h次谐波线路阻抗，表示第k个节点处的h次谐波电流值，表示微网并网变压器处的h次谐波电压，表示第r个重要节点的基波电压；R_i表示第i个节点与与之相连的前一个节点之间线路的线路电阻，第j个节点处的h次谐波电流值，表示第j个节点处的h次谐波补偿电流值。

计算第r个重要节点的谐波电压η_THDr和将补偿装置安装在第k个节点时谐波电流引起的总线路损耗P_lossk，当所有重要节点均满足η_THDr<η_国标和P_lossk<P_loss,old时，进入下一个点的计算流程，否则该点抛弃。

4)将子问题运算后满足条件的点送回主问题；当此时I_c,k<I_min，则I_min＝I_c,k，否则，该节点被抛弃，选择下一个子问题有效节点。最终经过主问题和子问题反复迭代得到最优配置方法。

由于篇幅在此仅选取补偿结果中效果最优的两个点进行说明，节点2和节点3安装电能质量补偿装置的补偿结果如图6(a)、图6(b)和表3所示：

表3安装补偿装置的效果

补偿节点	节点2	节点3
			谐波补偿电流有效值/A	161.88	141.75
补偿后节点1的η_THD	0.53％	0.84％
			补偿后节点2的η_THD	0.35％	0.42％
补偿后节点3的η_THD	0.81％	0.59％
			补偿后节点4的η_THD	2.20％	3.55％
补偿后节点5的η_THD	2.66％	3.09％
			补偿后谐波网损/W	1943.35	1945.90

通过上表可以看出，当补偿装置接入后母线电压畸变率都大幅度降低，其中接入节点3时补偿电流最小为141.75A，小于节点2补偿时的电流；且补偿后重要节点THD均在0.5％左右，谐波网损也小于补偿前的3989.66W，所有条件都满足预定的数学规划要求，即节点3为最优安装节点。此时注入的5次谐波补偿电流为92.80∠4.08°A，7次谐波补偿电流为49.00∠1.00°A，补偿后重要节点电能质量得到控制，敏感负荷工作状态得到保证。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种微网中重要节点电能质量治理方法，其特征在于：对微网的多节点单重要问题模型进行分析，当出现多节点多重要节点问题时，建立数学模型，并采用分解算法将该数学模型分解为子问题和主问题，通过子问题求解得到补偿装置最优补偿电流，通过主问题求解得到补偿装置最优安装位置，通过子问题和主问题反复求解迭代得到最优的补偿装置配置方案；该方法的具体实现过程为：

(5)I_min＝I_c,k，K＝k，进入步骤(6)；

2.根据权利要求1所述的微网中重要节点电能质量治理方法，其特征在于：相关参量的计算方法如下：

I_{c, k} = Σ_{r = 1}^{R} C_{r} I_{c, r}

\{\begin{matrix} C_{r} &Element; (0,1] \\ Σ_{r = 1}^{R} C_{r} = 1 \end{matrix}

②第r个重要节点的谐波电压畸变率η_THDr：

η_{THDr} = \{\begin{matrix} \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & 1 \leq r < K \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{r} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} - Σ_{k = r + 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{K} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & K \leq r < N \\ \frac{\sqrt{Σ_{h = 2}^{H} {(u_{0}^{h} - Σ_{k = 1}^{N} I_{k}^{h} Σ_{i = 1}^{k} Z_{i}^{h} + I_{c, r} Σ_{i = 1}^{r} Z_{i}^{h})}^{2}}}{| U_{r}^{1} |} & r = N \end{matrix}

P_{lossk} = \{\begin{matrix} Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2} + Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = k + 1}^{N} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} |}^{2}, 1 < k < N \\ Σ_{h = 2}^{H} Σ_{i = 1}^{k} R_{i} Σ_{j = i}^{N} {| I_{j}^{h} - I_{c (j)}^{h} |}^{2}, k = N \end{matrix}