CN105207274B - 一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法。所在地区的配电网系统中接入光伏，所述光伏参与吸收或发出无功，根据该地区的日照强度、温度和当地负荷数据，计算光伏的输出功率值，并求得所述光伏输出无功功率的上限值；然后，利用粒子群算法通过设置初值和目标函数，优化所述配电网系统中的无功控制。本发明利用粒子群算法对光伏参与输出的无功进行优化，有效的改善了电能质量差的问题。

Description

一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法

技术领域

本发明涉及一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，涉及电力系统无功优化与控制领域。

背景技术

太阳能光伏发电作为一种清洁、高效发电方式，近年来受到人们广泛的关注与青睐。但是，由于光伏发电具有较强的随机性和间断性，当配电系统中接入大量光伏后，配电系统的运行控制的复杂程度明显增强，有时甚至会导致整个配网的负荷分布发生很大的变化，这对配电线路损耗和配网电压以及配网的运行安全性和经济性都会造成影响。比如：当分布式电源退出时，使得依靠分布式电源支持的馈线电压降低，尤其线路末端的节点电压变化幅度过大，这就带来电压闪变等电能质量问题。因此，对于分布式光伏接入配电网后，需要对其进行一定程度的人工补偿。

传统的人工补偿方式主要采用载调压变压器、SVC、并联电容器等，这些装置安装和维护费用高、安装地点不易更换、安装容量受限制等缺陷。目前国内外越来越多的相关领域的研究人员致力于无功控制优化算法，加之无功优化算法具有多目标性、负荷及运行方式的不确定性、控制变量的离散性、解空间的非凸性以及约束条件数量与类型多等特点，传统的方法并不能保证无功控制优化的准确性，不能有效的改善电能质量和效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，利用粒子群算法对光伏参与输出的无功进行优化，解决了传统无功补偿优化效果不理想，导致电能质量差的问题。

本发明是通过如下方案予以实现的：

一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，步骤如下：

步骤1)，所在地区的配电网系统中接入光伏，所述光伏参与吸收或发出无功，根据该地区的日照强度、温度和当地负荷数据，计算光伏的输出功率值，并求得所述光伏输出无功功率的上限值；

步骤2)，利用粒子群算法优化所述配电网系统中的无功控制；其中，将无功补偿装置的位置和档位变化的快慢作为所述粒子群算法中的位置和速度的初始值，设置所述粒子群算法的目标函数，该目标函数是无功补偿设备的投入和调控费用、系统网损费用、调控设备最少和电压安全运行值按照不同的系数相加而成。

进一步的，步骤1)所述的光伏的输出功率值表达式如下：

P_PV＝Pmpp*Irradiance*factor*Eff_converter (1)

其中，Pmpp为单位面积光伏板的功率；Irradiance为光伏板对应的光照强度；factor为温度对光伏发出有功功率的影响因子；Eff_converter为与光伏相连逆变器的效率。

进一步的，所述步骤1)中，根据与各个光伏并网点相连的逆变器的容量和光伏发出的有功功率，计算该光伏的输出无功功率的上限值，表达式如下：

其中，|Q|_max(t)为t时刻光伏的输出无功功率的上限值；S_max为各个光伏并网点相连的逆变器的容量；P(t)为光伏在t时刻发出的有功功率。

进一步的，步骤2)所述的约束条件包括：光伏并网的各个节点的有功和无功功率平衡约束、所述节点电压约束、电容器，电抗器和SVC容量约束、可调变压器分接头约束和光伏无功出力约束。

进一步的，步骤2)所述的目标函数是根据潮流计算获得的，表达式如下：

minF＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃+a·f₄ (3)

其中，w₁，w₂，w₃为权重系数；a为电压越线罚函数系数；f₁为无功补偿设备的投入和调控费用；f₂为系统网损费用；f₃为最少调控设备；f₄为电压安全运行值。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

传统的无功补偿方式存在很多限制性因素，从而造成所求解的最优无功补偿值并不准确，降低配电网系统中的电能质量，无法保证配电网系统的安全运行。本发明提出了一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，将光伏参与输出无功功率，并且利用改进的粒子算法对光伏无功补偿装置的最优解计算，该方法不仅计算速度快，具有较好的全局性，优化效果明显，有效地提高配电网系统运行的灵活性和电能质量。

考虑到逆变器容量对于光伏的无功功率输出的限制因素，从而确定了光伏无功功率输出的上限值。在限定的范围内，对光伏的无功输补偿进行优化，提高光伏进行无功功率输出的稳定性和可靠性，更符合系统实际的工作情况。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的分布式光伏接入的配电网结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法,步骤如下：

步骤(一)、所在地区的配电网系统中接入光伏，所述光伏参与吸收或发出无功，根据该地区的日照强度、温度和当地负荷数据，计算光伏的输出功率值，并求得所述光伏输出无功功率的上限值。

步骤(二)、利用粒子群算法优化所述配电网系统中的无功控制；其中，将无功补偿装置的位置和档位变化的快慢作为所述粒子群算法中的位置和速度的初始值，设置所述粒子群算法的目标函数，该目标函数是无功补偿设备的投入和调控费用、系统网损费用、调控设备最少和电压安全运行值按照不同的系数相加而成。

步骤(一)中，在日照强度方面，光伏在日照强度强的时候发出的有功功率较多，光伏在晚上时光照强度几乎为0，基本上不发出有功功率。在温度方面，当温度达到一定值，光伏发出的有功功率会由于饱和影响而减少，光伏发出的有功功率P_PV表达式如下：

P_PV＝Pmpp*Irradiance*factor*Eff_converter (4)

其中，Pmpp为单位面积光伏板的功率；Irradiance为光伏板对应的日照强度；factor为温度对光伏发出有功功率的影响因子；Eff_converter为与光伏相连逆变器的效率。

步骤(一)中，根据与各个光伏并网点相连的逆变器的容量和光伏发出的有功功率，计算该光伏的输出无功功率的上限值，表达式如下：

其中，S_max表示为各个光伏并网点相连的逆变器的容量，P(t)为光伏在t时刻有功功率的输出值。

步骤(二)中，利用粒子群算法设置的约束条件为包括：光伏并网的各个节点的有功和无功功率平衡约束、所述节点电压约束、电容器，电抗器和SVC容量约束、可调变压器分接头约束和光伏无功出力约束。约束条件的具体表达式如下：

(1)各个节点的有功和无功功率平衡约束：

Y＝G+jB (8)

其中，n为配电网网络节点个数；P_Gi和P_Li分别为节点i的有功注入和有功负荷；Q_Gi和Q_Ci分别为节点i的无功注入和无功补偿容量，Q_Li为无功负荷；Y为配电网系统节点导纳矩阵；G和B是堆成的n×n矩阵，j为序数单位；G_ij和B_ij为G和B的矩阵元素；δ_ij表示i和j的电压相角差。

(2)节点电压约束：

U_nin<U_i<U_{i max} (9)

(3)电容器、电抗器、SVC容量约束：

Q_{i min}<Q_i<Q_{i max} (10)

(4)光伏无功出力约束：

S_{i min}<S_i<S_{i max} (11)

步骤(二)中，所述的目标函数是根据潮流计算获得的，表达式如下：

minF＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃+a·f₄ (12)

其中，w₁，w₂，w₃为权重系数；a为电压越线罚函数系数；f₁为无功补偿设备的投入和调控费用；f₂为系统网损费用；f₃为最少调控设备；f₄为电压安全运行值。

w_i的计算表达式如下：

其中，a_ij为各个要素间的模糊标度，取值范围为0.5-0.9；k为要素个数；无功补偿设备的投入和调控费用f₁：

其中，m为电容器变压器SVC个数；n为光伏个数；x为装置档位；C_vi为节点i的单位调控费用，即设备成本和设备设计动作次数的比值，设备设计动作次数为机械次数和电气次数中较小值(通常为电气寿命)；b_i为调控成本调节系数，是针对系统运行中不同作用的控制设备而设置的调节系数，本发明中的b_i分为三个等级，分别为1.0，0.9，0.8。

系统网损费用f₂：

f₂＝K_s·t_s·P_loss (15)

其中，K_s为单位电价；t_s为每天运行时间；P_loss为网损。

最少调控设备f₃：

其中，d_i为惰性因子；该因子可增减设备动作的程度；y_i为第i个设备控制状态的0-1变量。该表达式表示所有参加调控的设备的总数量最少，用于限制设备的动作次数；

f₄为电压安全运行值：

其中，U_ia，U_ib，U_ic分别为节点i的三相电压；如果f₄超过电压罚函数系数a，将对其进行惩罚。

步骤(二)中，利用粒子全算法计算所述无功补偿装置输出功率的最优值，根据约束条件和目标范数，不断更新粒子的位置和速度，确定迭代次数，通过反复迭代，最终寻找到全局的最优解即为无功补偿装置输出功率的最优值。

利用粒子群优化不断更新粒子的速度和位置，计算公式为：

利用粒子群优化计算公式，通过不断更新待测粒子的速度和位置，获得光伏无功输出功率的最优值，则粒子群优化计算公式为：

其中，v_id(t+1)表示第i个粒子在t+1次迭代中第d维上的速度；p_id(t)表示第i粒子在t次迭代中的个体最优解；p_gd(t)表示在t次迭代中整个粒子群的最优解；x_id表示第i个粒子的第d维；c₁、c₂为加速常数；rand()为0～1的随机数。

将得到的更新位置x_id代入到适应度函数中，和当前最优解p_id进行对比，x_id若优于当前最优解p_id，则将x_id作为粒子本身的最优解。然后，将x_id再和全局最优解作比较，如果x_id若优于全局最优解，则将x_id作为全局最优解。

本实施例中所设置的目标函数包括无功补偿设备的投入和调控费用、系统网损费用、调控设备最少和电压安全运行值。作为其他实施方式，在实际的运行状况中，应该根据实际需求，考虑其他费用作为其目标函数。

本实施例中所设置的约束条件包括：光伏并网的各个节点的有功和无功功率平衡约束、所述节点电压约束、电容器，电抗器和SVC容量约束、可调变压器分接头约束和光伏无功出力约束。作为其它实施方式，在也可以增加其他约束条件或减少部分约束条件。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)，所在地区的配电网系统中接入光伏，所述光伏参与吸收或发出无功，根据该地区的日照强度、温度和当地负荷数据，计算光伏的输出功率值，并求得所述光伏输出无功功率的上限值；

步骤2)，利用粒子群算法优化所述配电网系统中的无功控制；其中，将无功补偿装置的位置和档位变化的快慢作为所述粒子群算法中的位置和速度的初始值，设置所述粒子群算法的目标函数，该目标函数是无功补偿设备的投入和调控费用、系统网损费用、调控设备最少和电压安全运行值按照不同的系数相加而成；

步骤2)所述的目标函数是根据潮流计算获得的，表达式如下：

min F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃+a·f₄ (1)

其中，w₁，w₂，w₃为权重系数；a为电压越线罚函数系数；f₁为无功补偿设备的投入和调控费用；f₂为系统网损费用；f₃为最少调控设备；f₄为电压安全运行值；

w_i的计算表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>k</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，a_ij为各个要素间的模糊标度，取值范围为0.5-0.9；k为要素个数；

所述无功补偿设备的投入和调控费用f₁：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，m为电容器变压器SVC个数；n为光伏个数；x为装置档位；C_vi为节点i的单位调控费用，即设备成本和设备设计动作次数的比值，设备设计动作次数为机械次数和电气次数中较小值；b_i为调控成本调节系数；

所述系统网损费用f₂：

f₂＝K_s·t_s·P_loss (4)

其中，K_s为单位电价；t_s为每天运行时间；P_loss为网损；

所述最少调控设备f₃：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，d_i为惰性因子；该因子可增减设备动作的程度；y_i为第i个设备控制状态的0-1变量；

所述电压安全运行值f₄：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，U_ia，U_ib，U_ic分别为节点i的三相电压；如果f₄超过电压越线罚函数系数a，将对其进行惩罚。

2.根据权利要求1所述的一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，其特征在于，步骤1)所述的光伏的输出功率值表达式如下：

P_PV＝Pmpp*Irradiance*factor*Eff_converter (7)

其中，Pmpp为单位面积光伏板的功率；Irradiance为光伏板对应的光照强度；factor为温度对光伏发出有功功率的影响因子；Eff_converter为与光伏相连逆变器的效率。

3.根据权利要求1所述的一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，根据与各个光伏并网点相连的逆变器的容量和光伏发出的有功功率，计算该光伏的输出无功功率的上限值，表达式如下：

<mrow> <msub> <mrow> <mo>|</mo> <mi>Q</mi> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>max</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，|Q|_max(t)为t时刻光伏的输出无功功率的上限值；S_max为各个光伏并网点相连的逆变器的容量；P(t)为光伏在t时刻发出的有功功率。

4.根据权利要求1所述的一种自适应调节无功输出的分布式光伏发电控制方法，其特征在于，所述粒子群算法的约束条件包括：光伏并网的各个节点的有功和无功功率平衡约束、节点电压约束、电容器，电抗器和SVC容量约束、可调变压器分接头约束和光伏无功出力约束。