CN106130028A - 一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法，包括根据配电网节点电压水平将配电网电压运行状态分为正常、预警及紧急状态；正常状态下进行全局优化，通过离散无功设备的静态无功功率置换出柔性直流装置的动态无功功率，提高配电网动态无功储备容量；预警状态下通过多无功源就地控制与集中控制相互协调，实现预警状态下电压越限节点的校正；紧急状态下利用柔性直流装置对电压越限节点紧急支援，使得配电网向到预警状态过渡，直至恢复正常。

Description

一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法。

背景技术

随着世界范围内环境污染和能源危机等问题日趋严重，以光伏、风电为代表的新能源发电快速发展。随着市场的开放，分布式电源(Distributed Generation，DG)在配电网中渗透率逐渐提高，给配电网带来了巨大的技术与环境效益。但是由于分布式电源出力受气象条件的制约具有较强的随机性和波动性，分布式电源的出力波动以及负荷的快速变化会造成配电网内某些节点电压波动甚至越限，影响供电电能质量。

基于电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)的柔性直流互联系统能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，动态支撑能力强。通过背靠背电压源型换流器，将多个交流系统互联构成交直流主动配电网，是提升高渗透率主动配电网中分布式电源消纳水平的有效途径。VSC换流站在交直流主动配电网系统中调节容量大，具备良好的动态电压无功支撑能力。目前针对配电网电压控制策略的研究中，挖掘柔性直流装置的无功能力并利用其参与主动配电网电压无功协调控制的研究较为少见。

发明内容

为了填补现有技术的空白，本发明基于分布式电源高渗透率的交直流主动配电网，综合考虑VSC换流站、DG及原配电网中离散无功设备的电压无功调节能力，提出一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：划分配电网运行状态，针对不同的运行状态制定控制策略；并利用不同的控制策略，对处于不同运行状态下的配电网电压进行无功协调控制。

优选的，所述划分配电网运行状态包括，根据配电网中各节点所处区域的电压水平，将配电网运行状态划分为正常状态、预警状态和紧急状态；其中，

若节点电压均满足0.95p.u.≤U_i≤1.05p.u.范围时，则表示配电网处于正常状态；

当任一节点电压处于0.9p.u.≤U_i≤0.95p.u.或1.05p.u.≤U_i≤1.1p.u.范围内时，则配电网进入预警状态；所述预警状态下，DG出力波动或失负荷引起配电网任意节点电压越限；

当配电网电压偏离量最大所对应节点满足U_i≤0.9p.u.或U_i≥1.1p.u.范围时，则配电网进入紧急状态；所述紧急状态下，配电网发生紧急故障，节点电压幅值变化大；或者，DG出力与负荷增减明显。

优选的，所述制定控制策略，具体包括制定配电网正常状态下的全局优化控制策略、预警状态下的校正控制策略，以及紧急状态下的功率支援策略。

进一步地，所述制定配电网正常状态下的全局优化控制策略，即周期性注入无功源的无功功率调整动态无功储备裕度，具体包括：以网损最小化为目标，建立正常状态下的全局优化控制模型，其表达式为：

$\min f=\left|\frac{Q_{VSC}-Q_{VSC,set}}{Q_{VSC,max}-Q_{VSC,set}}\right|---\left(1\right)$

式(1)中，Q_VSC为优化的VSC换流站无功功率，Q_VSC,set为VSC换流站的无功功率阈值，Q_VSC,max为VSC换流站的无功容量；

所述正常状态下的全局优化控制模型采用内点法求解。

优选的，所述制定配电网预警状态下的校正控制策略，即通过就地控制和集中控制策略相结合的方式调整电压越限，具体包括：

若电压越限区域为DG接入点，则选择就地控制策略，由恒功率因数控制自动转为恒电压控制，利用DG控制无功功率，校正DG接入点电压恢复正常状态；

若就地控制策略下的DG无功功率达到上限约束且接入点电压未恢复正常状态，或者缺少无功支持进而出现节点对应区域电压越限时，则选择集中控制策略，利用全网无功设备对仍处于预警状态的节点进行控制。

进一步地，所述定义配电网的正常状态和预警状态的约束条件包括：通过式(2)和式(3)确定潮流约束，其表达式为：

$P_{G.i}-P_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})=0---\left(2\right)$

$Q_{G.i}-Q_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij})=0---\left(3\right)$

式中，P_G.i为节点i处有功电源注入有功功率，P_Li为节点i处的有功负荷，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij和B_ij分别为支路i-j的电导和电纳，Q_G.i为节点i处无功源注入无功功率，Q_L.i为节点i处无功负荷；θ_ij为节点i、j的相角差值；n为系统的节点数；

通过式(4)确定无功源无功功率上、下限；

Q_G.i.min≤Q_G.i≤Q_G.i.max (4)

通过式(5)确定节点电压的安全范围；

U_i.min≤U_i≤U_i.max (5)

式中，Q_G.i.min为节点i处无功源注入无功功率最小值，Q_G.i.max为节点i处无功源注入无功功率最大值，U_i,min为节点i处的电压最小值；U_i,max为节点i处的电压最大值。

进一步地，所述集中控制策略采用电压无功灵敏度算法以各无功源的出力调整量f最小为目标、配电网各节点电压恢复正常状态为约束，构建电压校正模型，其表达式为；

$\min f=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left|{\mathrm{\ΔQ}}_i\right|---\left(6\right)$

式中，ΔQ_i为节点i处无功源输出调整量；m为含可控无功源的节点数目。

进一步地，所述制定配电网紧急状态下的功率支援策略包括：根据越限节点的电压偏离程度以及该节点与VSC换流站交流母线电压变化灵敏度确定VSC换流站交流母线电压调整量；并根据VSC换流站交流母线电压变化量与VSC换流站无功功率调整量之间的关系确定VSC换流站的无功功率调整量；

通过调整VSC换流站的无功功率校正越限电压，使其恢复正常状态。

进一步地，所述VSC换流站无功功率调整量的获取方法具体包括：

采用电压无功灵敏度算法，通过式(7)获取紧急状态下的VSC换流站连接点i的电压变化灵敏度λ_i,VSC，确定VSC换流站连接点电压调整量，其表达式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;U}}_{VSC}=\frac{U_{i,N}-U_{i,X}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{i,VSC}}\\ U_{i,N}=\left\{\begin{array}{c}0.9(U_{i,X}<0.9)\\ 1.1(U_{i,X}>1.1)\end{array}\right.\end{array}---\left(7\right)$

式中，ΔU_VSC为VSC换流站连接点电压调整量，U_i,X为节点i当前电压，U_i,N为节点i调整后的目标值，下标N表示目标值，下标x表示当前值；获取VSC换流站无功功率调整量如式(8)所示：

ΔQ_VSC≈ΔU_VSCS_c (8)

式中，ΔQ_VSC为VSC换流站无功功率调整量，S_c为VSC换流站短路容量。

与最接近的现有技术，本发明的技术方案具有以下突出的有益效果：

本发明所提出的基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法，制定了配电网不同电压运行状态下的电压控制策略，提出主动配电网电压运行正常状态下通过适量投入离散无功设备置换柔性直流装置的无功功率，该方法可以在正常状态提高配电网动态无功储备容量，增强配电网应对潜在电压波动的能力；提出主动配电网电压运行预警状态下就地控制与集中控制相协调的配电网电压控制模式，就地控制实现分布式电源、柔性直流装置的快速电压校正，集中控制作为就地控制的保障并能实现控制区域的全面覆盖；提出主动配电网电压运行紧急状态下利用柔性直流换流器有功无功解耦调节、无功容量大、调节速度快的特点实现配电网节点电压的快速支撑控制。

充分挖掘并利用了不同类型无功源的电压支撑特性与无功源的相互协调关系，对分布式电源高渗透率的交直流配电网电压控制起到良好效果，显著提高配电网动态无功储备裕度，保证了配电网供电稳定性，提高了电能质量，具有推广价值。

附图说明

图1为配电网不同运行状态下的电压控制方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法，所述方法包括划分配电网运行状态，针对不同的运行状态制定控制策略，并利用不同的控制策略对处于不同运行状态下的配电网电压进行无功协调控制。

划分配电网运行状态包括，根据配电网中各节点所处区域的电压水平，将配电网运行状态划分为正常状态、预警状态和紧急状态；其中，

若节点电压均满足0.95p.u.≤U_i≤1.05p.u.范围时，则表示配电网处于正常状态；

当任一节点电压处于0.9p.u.≤U_i≤0.95p.u.或1.05p.u.≤U_i≤1.1p.u.范围内时，则配电网进入预警状态；所述预警状态下，DG出力波动或失负荷引起配电网任意节点电压越限；

当配电网电压偏离量最大所对应节点满足U_i≤0.9p.u.或U_i≥1.1p.u.范围时，则配电网进入紧急状态；所述紧急状态下，配电网发生紧急故障，节点电压幅值变化大；或者，DG出力与负荷增减明显。

针对不同的运行状态制定控制策略，具体包括制定配电网正常状态下的全局优化控制策略、预警状态下的校正控制策略，以及紧急状态下的功率支援策略。

其中，正常状态下配电网内各节点电压合格，此时周期地进行全局优化控制，通过适量投入离散无功设备，置换柔性直流装置等连续无功源的无功功率，提高配电网的动态无功储备裕度。制定配电网正常状态下的全局优化控制策略，即周期性注入无功源的无功功率调整动态无功储备裕度，具体包括：以网损f最小化为目标，建立正常状态下的全局优化控制模型，其表达式：

$\min f=\left|\frac{Q_{VSC}-Q_{VSC,set}}{Q_{VSC,max}-Q_{VSC,set}}\right|---\left(1\right)$

式(1)中，Q_VSC为优化的VSC换流站无功功率，Q_VSC,set为VSC换流站的无功功率阈值，Q_VSC,max为VSC换流站的无功容量；

所述正常状态下的全局优化控制模型采用内点法求解。

制定配电网预警状态下的校正控制策略，即通过就地控制和集中控制策略相结合的方式调整电压越限，具体包括：

若电压越限区域为DG接入点，则选择就地控制策略，由恒功率因数控制自动转为恒电压控制，利用DG控制无功功率，校正DG接入点电压恢复正常状态；

若就地控制策略下的DG无功功率达到上限约束且接入点电压未恢复正常状态，或者缺少无功支持进而出现节点对应区域电压越限时，则选择集中控制策略，利用全网无功设备对仍处于预警状态的节点进行控制。预警状态下的集中就地协调控制策略，能够快速、全面对轻度的电压越限节点进行校正，使配电网电压水平恢复到正常状态。

定义配电网的正常状态和预警状态的约束条件包括：

通过式(2)和式(3)确定潮流约束，其表达式为：

$P_{G.i}-P_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})=0---\left(2\right)$

$Q_{G.i}-Q_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij})=0---\left(3\right)$

式中，P_G.i为节点i处有功电源注入有功功率，P_Li为节点i处的有功负荷，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij和B_ij分别为支路i-j的电导和电纳，Q_G.i为节点i处无功源注入无功功率，Q_L.i为节点i处无功负荷；θ_ij为节点i、j的相角差值；

通过式(4)确定无功源无功功率上、下限；

Q_G.i.min≤Q_G.i≤Q_G.i.max (4)

通过式(5)确定节点电压的安全范围；

U_i.min≤U_i≤U_i.max (5)

式中，Q_G.i.min为节点i处无功源注入无功功率最小值，Q_G.i.max为节点i处无功源注入无功功率最大值，U_i,min为节点i处的电压最小值；U_i,max为节点i处的电压最大值。

集中控制策略采用电压无功灵敏度算法以各无功源的出力调整量f最小为目标、配电网各节点电压恢复正常状态为约束，构建电压校正模型，其表达式为；

$\min f=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&Delta;Q}}_i\right|---\left(6\right)$

式中，ΔQ_i为节点i处无功源输出调整量。

制定配电网紧急状态下的功率支援策略包括，VSC换流站无功储备容量大，调节速度快，在优先保证VSC换流站交流母线电压合格的原则下，根据越限节点的电压偏离程度以及该节点与VSC换流站交流母线电压变化灵敏度确定VSC换流站交流母线电压调整量；并根据VSC换流站交流母线电压变化量与VSC换流站无功功率调整量之间的关系确定VSC换流站的无功功率调整量；

通过调整VSC换流站的无功功率校正越限电压，使其恢复正常状态。

VSC换流站无功功率调整量的获取方法具体包括：根据极坐标形式下的N节点系统功率方程的修正方程如下式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}P\\ \mathrm{\&Delta;}Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}H& N\\ J& L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\\ \mathrm{\&Delta;}U/U\end{array}\right]$

由于电力系统中各节点幅值主要与无功潮流有关，且大量运算经验表明，J子阵各元素数值很小，将上式简化得：

ΔQ＝LΔU/U

将系数矩阵L转化为节点导纳矩阵表示方式并代入上式可得：

ΔQ＝UBΔU

ΔU＝B^-1ΔQ/U

$\frac{{\mathrm{\&Delta;U}}_i}{{\mathrm{\&Delta;U}}_j}=B_i\mathrm{\&Delta;}Q/U{(B_j\mathrm{\&Delta;}Q/U)}^{-1}=B_i{B_j}^{-1}$

λ_i,j为节点i对节点j电压变化的灵敏度，由此可得到紧急状态下电压越限节点i对VSC连接点的电压变化灵敏度λ_i,VSC。

采用电压无功灵敏度算法，通过式(7)获取紧急状态下的VSC换流站连接点i的电压变化灵敏度λ_i,VSC，确定VSC换流站连接点电压调整量，其表达式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;U}}_{VSC}=\frac{U_{i,N}-U_{i,X}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{i,VSC}}\\ U_{i,N}=\left\{\begin{array}{c}0.9(U_{i,X}<0.9)\\ 1.1(U_{i,X}>1.1)\end{array}\right.\end{array}---\left(7\right)$

式中，ΔU_VSC为VSC换流站连接点电压调整量，U_i,X为节点i当前电压，U_i,N为节点i调整后的目标值；下标N表示目标值，下标x表示当前值；

获取VSC换流站无功功率调整量如式(8)所示：

ΔQ_VSC≈ΔU_VSCS_c (8)

式中，ΔQ_VSC为VSC换流站无功功率调整量，S_c为VSC换流站短路容量。

紧急状态下的电压快速支撑控制，可以有效提高区域内紧急状态下的配电网电压水平，减小因故障或分布式电源、负荷突然变化引起的电压越限问题。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于交直流主动配电网电压无功协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：划分配电网运行状态，针对不同的运行状态制定控制策略，并利用不同的控制策略对处于不同运行状态下的配电网电压进行无功协调控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划分配电网运行状态包括，根据配电网中各节点所处区域的电压水平，将配电网运行状态划分为正常状态、预警状态和紧急状态；其中，

当节点电压均满足0.95p.u.≤U_i≤1.05p.u.范围时，则表示配电网处于正常状态；

当任一节点电压处于0.9p.u.≤U_i≤0.95p.u.或1.05p.u.≤U_i≤1.1p.u.范围内时，则配电网进入预警状态；所述预警状态下，DG出力波动或失负荷引起配电网任意节点电压越限；

当配电网电压偏离量最大所对应节点满足U_i≤0.9p.u.或U_i≥1.1p.u.范围时，则配电网进入紧急状态；所述紧急状态下，配电网发生紧急故障，节点电压幅值变化大；或者，DG出力与负荷增减明显。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制定控制策略，具体包括制定配电网正常状态下的全局优化控制策略、预警状态下的校正控制策略，以及紧急状态下的功率支援策略。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述制定配电网正常状态下的全局优化控制策略，即周期性注入无功源的无功功率调整动态无功储备裕度，具体包括：以网损最小化为目标，建立正常状态下的全局优化控制模型，其表达式为：

$\min f=\left|\frac{Q_{VSC}-Q_{VSC,set}}{Q_{VSC,max}-Q_{VSC,set}}\right|---\left(1\right)$

式(1)中，Q_VSC为优化的VSC换流站无功功率，Q_VSC,set为VSC换流站的无功功率阈值，Q_VSC,max为VSC换流站的无功容量；

所述正常状态下的全局优化控制模型采用内点法求解。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制定配电网预警状态下的校正控制策略，即通过就地控制和集中控制策略相结合的方式调整电压越限，具体包括：

若电压越限区域为DG接入点，则选择就地控制策略，由恒功率因数控制自动转为恒电压控制，利用DG控制无功功率，校正DG接入点电压恢复正常状态；

若就地控制策略下的DG无功功率达到上限约束且接入点电压未恢复正常状态，或者缺少无功支持进而出现节点对应区域电压越限时，则选择集中控制策略，利用全网无功设备对仍处于预警状态的节点进行控制。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定义配电网的正常状态和预警状态的约束条件包括：

通过式(2)和式(3)确定潮流约束，其表达式为：

$P_{G.i}-P_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j\left(G_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij}\right)=0---\left(2\right)$

$Q_{G.i}-Q_{L.i}-U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij})=0---\left(3\right)$

式中，P_G.i为节点i处有功电源注入有功功率，P_Li为节点i处的有功负荷，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij和B_ij分别为支路i-j的电导和电纳，Q_G.i为节点i处无功源注入无功功率，Q_L.i为节点i处无功负荷；θ_ij为节点i、j的相角差值；n为系统的节点数；

通过式(4)确定无功源无功功率上、下限；

Q_G.i.min≤Q_G.i≤Q_G.i.max (4)

通过式(5)确定节点电压的安全范围；

U_i.min≤U_i≤U_i.max (5)

式中，Q_G.i.min为节点i处无功源注入无功功率最小值，Q_G.i.max为节点i处无功源注入无功功率最大值，U_i,min为节点i处的电压最小值；U_i,max为节点i处的电压最大值。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述集中控制策略采用电压无功灵敏度算法以各无功源的出力调整量f最小为目标、配电网各节点电压恢复正常状态为约束，构建电压校正模型，其表达式为；

$\min f=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&Delta;Q}}_i\right|---\left(6\right)$

式中，ΔQ_i为节点i处无功源输出调整量；m为含可控无功源的节点数目。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述制定配电网紧急状态下的功率支援策略包括：根据越限节点的电压偏离程度以及该节点与VSC换流站交流母线电压变化灵敏度确定VSC换流站交流母线电压调整量；并根据VSC换流站交流母线电压变化量与VSC换流站无功功率调整量之间的关系确定VSC换流站的无功功率调整量；

通过调整VSC换流站的无功功率校正越限电压，使其恢复正常状态。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述VSC换流站无功功率调整量的获取方法具体包括：

采用电压无功灵敏度算法，通过式(7)获取紧急状态下的VSC换流站连接点i的电压变化灵敏度λ_i,VSC，确定VSC换流站连接点电压调整量，其表达式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;U}}_{VSC}=\frac{U_{i,N}-U_{i,X}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{i,VSC}}\\ U_{i,N}=\left\{\begin{array}{c}0.9\left(U_{i,X}<0.9\right)\\ 1.1\left(U_{i,X}>1.1\right)\end{array}\right.\end{array}---\left(7\right)$

式中，ΔU_VSC为VSC换流站连接点电压调整量，U_i,X为节点i当前电压，U_i,N为节点i调整后的目标值，下标N表示目标值，下标x表示当前值；

获取VSC换流站无功功率调整量如式(8)所示：

ΔQ_VSC≈ΔU_VSCS_c (8)

式中，ΔQ_VSC为VSC换流站无功功率调整量，S_c为VSC换流站短路容量。