CN106208090B - 一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法及系统，建立以最小化电网损耗为目标的优化模型，以变压器抽头位置、无功补偿电容器的开关位置、光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数为决策变量，基于光伏发电有功注入机会约束条件，结合节点电压调节约束条件、变压器抽头变化约束条件等，建立光伏发电接入的电压无功优化控制模型；通过粒子群优化算法，实现光伏发电、变压器抽头控制、无功补偿电容器的协调控制。本发明能充分利用光伏发电的无功功率输出能力，提高光伏发电的利用效率，同时有效利用现有的电网电压和无功控制设备，对于实现光伏发电接入时的电网电压无功优化控制具有重要现实意义和市场推广前景。

Description

一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电压无功优化控制技术领域，尤其涉及一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法及系统。
背景技术
随着分布式光伏发电、风电发电、生物质发电等新能源发电的接入，以及电动汽车充放电站的逐渐普及，传统配电网在运行的灵活性、安全性和经济性等方面都面临很大的挑战。以光伏发电为例，其大规模的利用可极大减小电能的远距离传输，不仅能节约输电网络等基础设置的建设投资，也可大大降低化石能源的消耗，减小二氧化碳等温室气体的排放。但随着越来越多的光伏发电不断接入电网，其输出功率的随机性和不确定性，将会对电网的电压质量产生很大的影响。
目前，对光伏发电接入的配电网电压无功的控制，主要是利用传统电压-无功控制设备，同时通过光伏发电逆变器输出的无功功率来进行快速的电压-无功控制，以在光伏发电功率波动时减小电网电压的波动。但目前尚没有将传统电压-无功控制设备和光伏发电进行协调控制，以实现应对光伏发电输出功率随机性和不确定性的电压-无功实时优化控制方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了提供一种光伏发电接入的电压无功优化控制技术方案。
本发明的技术方案提供一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法，建立以最小化电网损耗为目标的优化模型，以变压器抽头位置、无功补偿电容器的开关位置、光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数为决策变量，通过机会约束方法处理光伏发电输出功率随机性和波动性，得到光伏发电有功注入机会约束条件，结合节点电压调节约束条件、变压器抽头变化约束条件、无功补偿电容器开关变化约束条件、光伏发电输出功率因数约束条件、线路潮流约束条件和电网潮流约束条件，建立光伏发电接入的电压无功优化控制模型；通过粒子群优化算法，得到变压器抽头位置，无功补偿电容器的开关位置，光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数，实现光伏发电、变压器抽头控制、无功补偿电容器的协调控制。
而且，所述以最小化电网损耗为目标，采用以下目标函数，
其中，f(Xn)是电网的有功电能损耗，是决策变量，Tapn是第n个时间间隔内变压器抽头位置，Sn是第n个时间间隔内无功补偿电容器开关位置，是第n个时间间隔内光伏发电注入系统的有功功率，PFn是第n个时间间隔内的光伏发电功率因数；是电网第n个时间间隔内的有功功率损失，N为总的时间间隔数，Δt为一个时间间隔长度。
而且，所述光伏发电有功注入机会约束条件为，
当置信度为δpv时，机会约束表达式如下，
其中，是光伏发电在时间间隔n内允许注入配电网的有功功率，是光伏发电在时间间隔n内随机注入配电网的有功功率，i用于标识母线,Prob(·)为概率函数；
其中，为光发电发电的概率累积分布函数的逆函数。
而且，所述节点电压调节约束条件为，
节点电压有效值需满足如下公式，
0.975≤Vi,n≤1.05i＝1,2,…,I
其中，Vi,n为电网第i个节点在第n个时间间隔内的电压有效值，I为电网总节点数。
而且，所述变压器抽头变化约束条件为，
变压器抽头位置的变化不能超出允许的变化范围要求，如下式，
其中，TCdaily是变压器抽头每天动作的档位和，是每天变压器抽头位置变化的最大允许值，Tapn为改变后的抽头位置，Tapn-1为上一次的抽头位置。
而且，所述无功补偿电容器开关变化约束条件为，
无功补偿电容器开关位置的变化不能超出允许的变化范围要求，如下式，
其中，SCdaily是无功补偿电容器每天动作的档位和，是每天无功补偿电容器位置变化的最大允许值，Sn和Sn-1分别是改变后和改变前的档位。
而且，所述光伏发电输出功率因数约束条件为，
-0.85≤PFn≤0.85
其中，PFn为光伏发电输出功率因数。
而且，所述线路潮流约束条件为，
每条线路都有允许的最大运行功率限值，如下式，
其中，是线路l允许的最大运行功率限值。
而且，所述粒子群优化算法中，
进行迭代求解目标函数的值，如果该当前目标函数值Ploss1小于上一次迭代的目标函数值Ploss2，将当前的解作为目前为止的最优解，否则继续以上一次迭代的解作为最优解；根据迭代求出在满足各种约束条件下的最优值，保证电力系统稳定性前提下，充分利用光伏发电，并使得系统的能量损耗最小。
本发明还相应提供一种光伏发电接入的电压无功优化控制系统，包括电压无功优化控制模块，用于执行上述光伏发电接入的电压无功优化控制方法。
本发明提供了一种光伏发电接入的电压无功优化控制技术方案，通过对传统电压-无功控制设备和光伏发电的协调控制，使得电网电压满足规定的要求，同时提高光伏发电的利用效率，减小电网的损耗，对于实现光伏发电接入时的电网电压无功优化控制具有重要现实意义和市场推广前景。
附图说明
图1是本发明实施例的一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法的应用场景结构图；
图2是本发明实施例的一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本发明提供的光伏发电接入的电压无功优化控制方法，可协调控制光伏发电和传统电压-无功控制设备，对电网电压进行控制，提高光伏发电站的利用效率，减小电网电能损耗。具体实施时，可以采用模块化方式实现该方法，提供电压无功优化控制模块。
在图1提供的应用场景中，电压无功优化控制模块接收负荷发送来的实时负荷数据，接收来自光伏发电站的光伏发电的实时功率数据，通过优化算法，计算出变压器抽头位置，将其发送至变压器进行抽头位置控制；计算出无功补偿电容开关位置，将其发送至无功补偿电容进行投入的无功补偿电容组数量的控制；计算出光伏发电的有功功率指令和功率因数指令，将其发送至光伏发电处，进行输出有功功率和无功功率的控制。
本发明建立以最小化电网损耗为目标的优化模型，以变压器抽头位置，无功补偿电容器的开关位置，光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数为决策变量，通过机会约束方法处理光伏发电输出功率随机性和波动性，得到光伏发电有功注入机会约束条件，结合节点电压调节约束条件、变压器抽头变化约束条件、无功补偿电容器开关变化约束条件、光伏发电输出功率因数约束条件、线路潮流约束条件和电网潮流约束条件，建立光伏发电接入的电压无功优化控制模型，线路潮流约束和电网潮流约束均属于潮流约束；通过粒子群优化算法，得到变压器抽头位置，无功补偿电容器的开关位置，光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数，实现光伏发电、变压器抽头控制、无功补偿电容器的协调控制，确保节点电压满足规定的要求，提高光伏发电的利用效率和减小电网电能损失。
参见图2，本发明实施例所提出的控制方法主要包括两部分，第一部分是处理光伏发电功率输出波动性的机会约束方法，机会约束是在一定的概率意义下达到最优的理论。它是一种随机规划方法，用于解决约束条件中含有随机变量，且必须在观测到随机变量的实际值之前做出决策的问题。机会约束方法允许所做决策在一定程度上不满足约束条件，但该决策使约束条件成立的概率不小于某个置信水平，本发明应用该方法来解决光伏发电输出功率的波动性和随机性。第二部分是粒子群优化算法，它属于进化算法的一种，该方法从随机解出发，通过迭代寻找最优解，通过适应度来评价解的品质，通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。其优点是实现容易、精度高、收敛快，在解决实际问题中展示了其优越性。下面对本发明的目标函数和约束条件进行说明。
1.目标函数
一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法的目标函数是电网的有功电能损耗f(Xn)最小，即：
其中：
是决策变量，Tapn是第n个时间间隔内变压器抽头位置，Sn是第n个时间间隔内无功补偿电容器开关位置，是第n个时间间隔内光伏发电注入系统的有功功率，PFn是第n个时间间隔内的光伏发电功率因数；是电网第n个时间间隔内的有功功率损失，N为总的时间间隔数，Δt为一个时间间隔长度。通常将一天时间等分为多个时间间隔，例如优选地，将24小时划分为以15分钟为长度的一个时间间隔时，则Δt＝15min，N＝24×4＝96。
由下式算出：
其中：是线路l在时间间隔n内的电压降有效值，是线路l在时间间隔n内的电流有效值，αl,n是线路l在时间间隔n内的电压和电流之间的相位角；L是总线路数。目前都将时间间隔Δt内和αl,n作为固定值处理，且可通过对各节点的电压监测和各线路的电流监测得到，目前电网已安装有相应的测量设备。本发明中的线路和节点是指光伏发电所接入的配电网中线路和节点，在这些节点和线路中，装有电压互感器和电流互感器，并通过通讯协议传输到主控室中进行实时监测。
2.约束条件
a)光伏发电有功注入机会约束条件
当置信度为δpv时，机会约束表达式如下：
其中，是光伏发电在时间间隔n内允许注入配电网的有功功率，通常该值可通过考虑系统稳定性等因素由本领域技术人员预设设定；是光伏发电在时间间隔n内随机注入配电网的有功功率，i用于标识第i条母线。Prob(·)为概率函数。
其中，为光发电输出功率的概率累积分布函数的逆函数。
机会约束方法允许所做决策在一定程度上不满足约束条件，但该决策使约束条件成立的概率不小于某个置信水平。正常运行时，需要小于但也允许光伏发电的功率大于即式(3)表示大于等于的概率应该小于置信度δpv。置信度δpv可根据经验设置，具体实施时可由本领域技术人员预先设置，一般设置为0.9-0.95。
为光伏电站随天气，温度等情况下的随机出力，可根据历史运行数据设置，而根据式(4)求解为光发电输出功率的概率累积分布函数的逆函数。Fgen(·)为累计分布函数，同样可根据历史运行数据得到。小于时，表示光伏发电发的功率足够，反之，表示光伏电站发的功率不够，但是光伏电站出力不够的情况应该小于置信度δpv。
b)节点电压调节约束条件
根据ANSI C84.1中的规定，节点电压有效值需满足：
0.975≤Vi,n≤1.05i＝1,2,…,I (5)
其中：Vi,n为电网第i个节点在第n个时间间隔内的电压有效值；I为电网总节点数。
c)变压器抽头变化约束条件
变压器抽头位置的变化不能超出允许的变化范围要求，即：
其中：TCdaily是变压器抽头每天动作的档位和，是每天变压器抽头位置变化的最大允许值，考虑到抽头的使用寿命，每天的档位变化有限制，Tapn为改变后的抽头位置，Tapn-1为上一次的抽头位置。例如，如果改变后Tapn为7档，改变前Tapn-1为5档，则档位变化了2档，每天档位的累计变化不超过
d)无功补偿电容器开关变化约束条件无功补偿电容器开关位置的变化不能超出允许的变化范围要求，即：
其中：SCdaily是无功补偿电容器每天动作的档位和，是每天无功补偿电容器位置变化的最大允许值，Sn和Sn-1分别是改变后和改变前的档位。
e)光伏发电输出功率因数约束条件
根据相关标准，光伏发电输出功率因数PFn允许范围是在滞后0.85和超前0.85之间，即：
-0.85≤PFn≤0.85 (8)
f)线路潮流约束条件
每条线路都有其允许的最大运行功率限值，当超出该功率限值时，将会严重发热甚至造成线路烧毁，功率约束为：
其中：是线路l允许的最大运行功率限值，|Pl,n|是通过第n条线路的功率。
g)电网潮流约束条件
电网潮流约束是根据电网拓扑结构、线路参数、光伏发电有功功率和负载等计算出各个节点的电压和各条支路的有功功率和无功功率，电网潮流计算约束条件及潮流计算方法是目前成熟的技术，本发明不予赘述。
3.优化算法
电压-无功优化是一个非线性，离散的组合优化问题，具有非线性的目标函数和离散的控制变量，粒子群算法可以有效的解决这类优化问题。
粒子群优化算法，输入负荷曲线和光伏发电功率曲线(即光伏电站曲线)，产生随机的粒子(即可能解，包括电压调整器位置，变压器抽头位置，电容调整器位置，光伏电站输出功率等约束条件的相应可能解)，然后求解目标函数的值，如果该当前目标函数值Ploss1小于上一次迭代的目标函数值Ploss2(差值ΔPloss小于0)，即能量损耗小于上次计算的能量损耗，满足式(10)，那么当前的解即作为目前为止的最优解，如果该目标函数的值小于上一次迭代的目标函数值，则继续以上一次迭代的解作为最优解，通过多次迭代，即可求出在满足各种约束条件下的最优值，即在保证电力系统稳定性前提下，使得充分利用光伏发电，并使得系统的能量损耗最小。
ΔPloss＝(Ploss2-Ploss1)＜0 (10)
此处优化的目标函数是，配电网中的能量损耗最小，因此，在该式中，Plose2表示下一次迭代的目标函数值，Plose1表示本次的目标函数值，如果下一次迭代的目标函数值比本次小，说明在下一状态下的解比本次的解更优，通过一次一次的迭代，目标函数值越来越小(能量损耗越来越少)，同时，相应的解越来越接近最优解。
根据迭代结果，可以得到控制输出和状态输出，包括电压调整器位置、开关电容器位置以及系统能量损耗。
具体实施时，以上方法可采用软件方式实现自动运行。本发明还提供用于运行以上方法的系统，包括电压无功优化控制模块，该模块执行以上方法。需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的。因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：建立以最小化电网损耗为目标的优化模型，以变压器抽头位置、无功补偿电容器的开关位置、光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数为决策变量，通过机会约束方法处理光伏发电输出功率随机性和波动性，得到光伏发电有功注入机会约束条件，结合节点电压调节约束条件、变压器抽头变化约束条件、无功补偿电容器开关变化约束条件、光伏发电输出功率因数约束条件、线路潮流约束条件和电网潮流约束条件，建立光伏发电接入的电压无功优化控制模型；通过粒子群优化算法，得到变压器抽头位置，无功补偿电容器的开关位置，光伏发电注入系统的有功功率和光伏发电的功率因数，实现光伏发电、变压器抽头控制、无功补偿电容器的协调控制。
2.根据权利要求1所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述以最小化电网损耗为目标，采用以下目标函数，
其中，f(Xn)是电网的有功电能损耗，是决策变量，Tapn是第n个时间间隔内变压器抽头位置，Sn是第n个时间间隔内无功补偿电容器开关位置，是第n个时间间隔内光伏发电注入系统的有功功率，PFn是第n个时间间隔内的光伏发电功率因数；是电网第n个时间间隔内的有功功率损失，N为总的时间间隔数，Δt为一个时间间隔长度。
3.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述光伏发电有功注入机会约束条件为，
当置信度为δpv时，机会约束表达式如下，
其中，是光伏发电在时间间隔n内允许注入配电网的有功功率，是光伏发电在时间间隔n内随机注入配电网的有功功率，i用于标识母线,Prob(·)为概率函数；
其中，为光发电发电的概率累积分布函数的逆函数。
4.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述节点电压调节约束条件为，
节点电压有效值需满足如下公式，
0.975≤Vi,n≤1.05i＝1,2,…,I
其中，Vi,n为电网第i个节点在第n个时间间隔内的电压有效值，I为电网总节点数。
5.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述变压器抽头变化约束条件为，
变压器抽头位置的变化不能超出允许的变化范围要求，如下式，
其中，TCdaily是变压器抽头每天动作的档位和，是每天变压器抽头位置变化的最大允许值，Tapn为改变后的抽头位置，Tapn-1为上一次的抽头位置。
6.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述无功补偿电容器开关变化约束条件为，
无功补偿电容器开关位置的变化不能超出允许的变化范围要求，如下式，
其中，SCdaily是无功补偿电容器每天动作的档位和，是每天无功补偿电容器位置变化的最大允许值，Sn和Sn-1分别是改变后和改变前的档位。
7.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述光伏发电输出功率因数约束条件为，
-0.85≤PFn≤0.85
其中，PFn为光伏发电输出功率因数。
8.根据权利要求2所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述线路潮流约束条件为，
每条线路都有允许的最大运行功率限值，如下式，
|Pl,n|≤Pl max
其中，Pl max是线路l允许的最大运行功率限值。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法，其特征在于：所述粒子群优化算法中，
进行迭代求解目标函数的值，如果当前的目标函数值Ploss1小于上一次迭代的目标函数值Ploss2，将当前的解作为目前为止的最优解，否则继续以上一次迭代的解作为最优解；根据迭代求出在满足各种约束条件下的最优值，保证电力系统稳定性前提下，充分利用光伏发电，并使得系统的能量损耗最小。
10.一种光伏发电接入的电压无功优化控制系统，其特征在于：包括电压无功优化控制模块，用于执行如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述光伏发电接入的电压无功优化控制方法。
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