CN106471693A - 用于控制配电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例产生并且定义电网络的节点处的本地电压和功率测量与网络的远程分支上的系统状况之间的关系。这些本地测量用于确定节点处的优化电压设置点，其如果由无功功率资源实现则将以所推导的关系所捕获的方式影响功率系统的一个或多个特定远程分支处的无功功率或线路电流的流动。还基于本地测量而计算获得该电压设置点所需的无功功率的改变。

Description

用于控制配电的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制来自连接到电力配电网络的多个电源的配电的方法。

背景技术

图1示出一部分典型电力配电网络10。网络包括多个分支，其连接00至08索引的节点。多个电源A至D分别连接到节点03、05、07和08，并且需求绘制为以箭头12指示的在节点处离开网络。网络10在此情况下通过并联的两个变压器14被馈电。在所示示例中，电源指示为风力涡轮，但应理解，本发明关注于减缓使用包括风力源、光伏源和水力源的能够进行无功功率控制的任何形式的功率资源的问题。此外，虽然电源示出为单独涡轮，但它们同样可以是包括多个涡轮或任何这种发电机群组的风力电厂。

应理解，很多这样的电源连接到分配网络的远程部分，其中，将电源连接到需求的基础设施的容量可能是有限的。网络内的导体和负载的物理性质使得电压量级和角度都变化，并且因此产生无功功率的流动。任何无功源或无功宿可能减少网络分支的有功功率输电容量，并且可能在网络中导致拥塞的功率流动。

可得自源A至D的功率可以根据流行的环境状况而极大地变化到这样的程度：在特定操作状况下，网络运营商可能要求提供商削减有功功率发电，以避免网络拥塞以及破坏热约束(即关于网络的电流限制)。

简言之，在运营中存在两种冲突约束：在确保热约束不受破坏的同时，将发电机的端电压保持在(对发电机)可接受的等级，以允许所发电的功率得以传递并且货币化。

用于这些分配系统上的发电机的电流管理方案势必产生现有网络基础设施的欠利用，其中，在尝试在发电机的连接节点处(例如周围网络)保持平衡式电压中，所需的无功功率可能限制周围线路上的用于有功功率的可用输电容量。这样进而对于这些发电机产生不必要的有功功率削减以及岁入方面的损失。

为了解决关于这些网络中的配电的问题，已经存在很多尝试：

WO2009083445公开一种用于增加可操作地连接到电网的风力涡轮集群的总无功功率能力的方法。该方法包括步骤：产生表示电网电压等级的电压值；基于电压值而确定总的所需无功功率；以及激活所述集群中的至少一个风力涡轮以按预定量将总无功功率能力从目前的值增加到所需的总无功功率值。

US7531911和EP2254217公开一种具有多个风力涡轮的风力电厂中的无功功率调节的方法，其在风力电厂中提供无功功率补偿的优化控制，并且能够保持无功功率储备以支持万一的电网意外。

US6924565提供用于风力涡轮发电机系统的有效功率控制和无功功率控制，其中，系统中的单独风力涡轮发电机所提供的无功功率支持可以动态地变化，以适合应用参数，并且因此利用风力涡轮发电机系统的总容量。

US6924627公开用于补偿无功功率的发电机与网络之间的补偿设备所调制的风力功率装置中的无功功率调节。补偿设备受调节，从而传递到消费者的电功率具有无功功率分量，其在其相位、幅度和/或频率方面适配于消费者，以此方式在消费者中补偿无功功率。

发明内容

根据本发明，提供一种如权利要求1所述的用于控制配电的方法。

该方法确定无功功率资源的端电压，以推论性地使得网络的一个或多个远程部分处的电流流动最小化。

本发明实施例产生并且定义电网络的节点处的本地电压和功率测量与网络的远程分支上的系统状况之间的关系。这些本地测量用于确定节点处的优化电压设置点，其如果由无功功率资源实现则将以所推导的关系所捕获的方式影响功率系统的一个或多个特定远程分支处的无功功率或线路电流的流动。还基于本地测量而计算获得该电压设置点所需的无功功率的改变。

该方法不限于仅控制发电机，而且控制甚至在不产生有功功率的情况下注入并且吸收无功功率的任何设备。

本发明实施例基于这样的程度：设备的连接节点处的本地测量可以用于推导功率系统的远程区域(分支)中的系统状况，并且将改变通知给设备的自身操作点，以对抗这些区域中的(潜在)约束破坏。

本发明实施例尝试满足这两个约束；将设备连接到的节点处的本地端电压保持为可允许的范围，并且使得周围网络上的无功功率的流动最小化，由此增加用于待从设备(例如发电机站点)输出的有功功率的可用容量。

与当前用在分布式发电的操作中的其它安装即忘记(fit-and-forget)方法(即自动化电压调节(AVR模式)和恒定功率因子(PF模式))对比，实施例采用本地控制。

附图说明

现将参照附图通过示例的方式来描述本发明实施例，其中：

图1示出根据本发明实施例的包括所控制的多个可更新的电源的示例性配电网络；

图2总体上示出本发明实施例内所采用的网络建模的阶段；

图3示出关于例如图1所示的网络内的给定发电机的冲突约束；

图4示出根据本发明实施例的控制发电机中所涉及的步骤；

图5示出根据本发明实施例的用于确定调整后的电压设置点的方法；以及

图6示出图4的方法中所采用的计算的组合。

具体实施方式

参照图2，本发明实施例首先包括：构建反映分配网络(例如网络10)的电行为的电模型(步骤1)。

我们将首先介绍描述该建模中所使用的一些命名法：

P-有功功率

Q-无功功率

θ-电压相量角度

V-电压相量量级

g_ij-用于分支ij的串联电导

b_ij-用于分支ij的串联电纳

g_si-节点i处的分流电导

b_si-节点i处的分流电纳

N-节点的总数

|I_ij|-分支ij中的电流流动

-有功功率电压灵敏度

-无功功率电压灵敏度

-有功功率电压角度灵敏度

-无功功率电压角度灵敏度

可以通过方程(例如方程(1)至(3))来定义用于网络的每个分支的有功功率P_ij、无功功率Q_ij以及线路电流量级|I_ij|，但可以使用其它方程：

计算网络的任何节点i处的复功率流动包括：将用于所有节点N的两个函数(一个用于有功功率，另一个用于无功功率)写为例如方程(4)和(5)：

在步骤2中，开始功率流动分析(例如Newton-Raphson功率流动分析)，以按给定的系统需求评估网络的各个节点处的发电机对发电机的所有可能的有功功率操作点和无功功率操作点的范围的影响。可以使用功率系统分析程序(例如DIgSILENT PowerFactory)和/或使用通过例如Mathworks Matlab实现的专用解决方案来执行该分析。使用功率系统分析程序，所有发电机的有功功率发电和无功功率发电在它们的各个限制的界限之间独立地增加，捕获复功率注入的所有组合，并且关于每个组合记录所计算的用于每一节点的电压量级和角度。这些节点结果可以于是例如用在Matlab脚本中，以反向计算包括每一收敛功率流动的Jacobian矩阵。

因此，计算关于网络发电机(在此情况下，A至D)按绘制为离开节点的给定需求12正发电的有功功率和无功功率的每一组合的网络的每一节点i处的电压V和相位θ。在实施例中，该需求是节点中的每一个处的最小系统需求12。这些需求值12可以在节点中的每一个处设置为P＝Q＝0；或它们可以包括基于实际历史值和/或预测值的关于P和Q的单独估计。

在实施例中，功率流动分析捕获与影响Jacobian矩阵中的电压角度和量级的有功功率发电机功率注入和无功功率发电机功率注入的改变关联的单独变量。通过取得电压角度和量级的系数并且以如下的矩阵记法写出方程(4)和(5)来形成Jacobian矩阵：

该Jacobian矩阵封装功率系统的性质，并且反映归因于发电机连接到的任何网络节点处的有功功率和无功功率的注入而产生在给定网络节点i处的电压角度θ和量级V的改变。

Jacobian矩阵中所捕获的信息是收敛功率流动解的节点灵敏度，但它们中的一些可以是空值，反映例如发电机可以对网络的远程分支没有任何影响。

在图2的步骤3中，非线性回归技术应用于来自步骤2的结果，以推导每个发电机节点处的V、P和Q的本地测量与关于关注热约束的网络的每个分支的远程系统状况(要么|I_ij|要么Q_ij)之间的关系。在该实施例中，为了使得远程线路上的无功功率的流动最小化而采用的三个表达式公式化如下：

·本地发电机所关注的远程线路上的线路电流流动或无功功率(包括电流分量的无功功率)：

|I_ij|或Q_ij＝x₁+x₂V²+x₃P²+x₄V+x₅P+x₆PV (8)

·按最小系统需求的本地电压量级：

V^MinD＝y₁+y₂Q²+y₃P²+y₄Q+y₅P+y₆PQ (9)

·本地无功功率电压灵敏度：

可见，方程(8)至(10)中的每一个包括二阶表达式，其将来自发电机节点处的V、P和Q的两个本地测量与从功率流动分析计算的网络上的参数(例如功率系统的分支上的线路电流|I_ij|或无功功率流动Q_ij)进行相关。然而，可以使用其它阶数，并且也可以选取更大数量的独立变量(例如所测量的用于相邻发电机的值)，以扩展该技术。同样地，表达式无需是连续值函数，并且可以可能地是非线性的。

应注意，网络的任何发电机可以关注于其对多于一个的分支的影响，并且在此情况下，将关于该发电机计算均与各个分支ij关联的多个矢量x。

还应理解，如果线路的状态传递到控制器，则这将改进关于从方程(8)计算的分支流动的估计。

方程(8)至(10)中的矢量x、y和z是从回归分析确定的系数。对于方程(8)所使用的本地测量是从发电机的位置处的测量获得的有功功率P以及电压量级V，方程(8)。为了按最小系统需求计算发电机节点处的电压，在方程(9)中使用有功功率P测量以及无功功率Q测量。最后，为了推断本地无功功率电压灵敏度，在方程(10)中使用所测量的发电机的本地电压V以及无功功率Q。

以此方式公式化，方程(8)至(10)提供确定对关于具有分布式发电的分配系统的无功功率管理问题的优化解的间接方法，其中，实时测量的本地电压量级V以及有功功率发电P和无功功率发电Q用于推断系统状况。

图3示出关于给定的发电机的两个冲突约束的典型说明；随着单位有功功率和单位无功功率变化，发电机节点i处的本地电压和发电机所作用的系统的远程分支的线路电流。因此，在图1的示例中，受控节点可以是发电机D连接到的节点08，并且所关注的分支可以是连接节点01和07和/或节点07和08的分支。(所关注的分支的这种选取典型地并非任意的，例如，将不认为发电机D作用于连接节点02和03的分支中的线路电流)。

图1的网络内的其它分配包括：连接节点01和02的分支是发电机A所关注的分支，分支01-05是发电机B所关注的分支，分支01-07是发电机C所关注的分支。

如果假设有功功率是固定的，则图3突显可用于发电机的解空间中的无功功率的可用选取，如恒定有功功率曲线所指示的那样。如果在线路上检测到热约束破坏(例如这样，即，如果用于所关注的远程分支的最大线路电流被(将要被)超过)，则用于系统运营商的典型协议必须请求减少发电机所产生的有功功率。这种发电削减具有在箭头C的方向上移动恒定有功功率曲线的效果。然而，可见，这可能涉及实质性发电削减，以将发电机运营商点带入不超过最大线路电流的等级。

图4示出根据本发明实施例的发电机的控制中所涉及的顺序步骤。步骤1包括结合图2所描述的建模和回归分析。

在图4的步骤2中，控制器(未示出)通过存取上述方程(8)至(10)取得发电机的终端处的本地测量；电压量级V、有功功率P以及无功功率发电Q。测量可以包括连续监控或例如按15分钟间隔的周期性监控，或实际上可以是例如响应于需求或有功功率发电的改变所驱动的事件。

控制器可以要么包括集中式定位的控制器，其与每个发电机进行通信，并且将方程提供给每个发电机；要么替代地，独立控制器可以通过仅获知用于每个发电机的方程(8)至(10)而操作在该发电机处。

基于V、P和Q的本地测量，在步骤3中，控制器计算目标电压其将产生周围网络中的分支ij上的最小电流|I_ij|流动或无功功率流动Q_ij。

在一个实施例中，通过首先从方程(8)确定本地电压设置点来获得优化解，其在目标分支中产生最小电流流动|I_ij|以及按扩展所计算的无功功率流动的相反数。采取描述功率系统上的分支的电流流动的方程(8)，通过代入所测量的独立变量(例如有功功率发电P)的观测值并且针对发电机的终端处的控制变量(例如电压V)进行微分来求解最小值。所得梯度表达式设置为零，并且关于未知的控制变量得以求解。以图形方式，这对应于图3所示的定位

作为替选，方程(8)可以用于换算为远程线路的无功功率流动Q_ij。在此情况下，由于值并非绝对值，因此通过代入所测量的独立变量(例如有功功率P)来求解方程的根。该根的值将揭示独立控制变量(例如电压量级)的设置点，其将进而产生功率系统上的分支ij上的无功功率流动的预测的无效。

回顾这些方法依赖于假设：关于最小系统需求着手离线功率流动分析，并且故此，所确定的用于电压的优化设置点仅在最小需求的情况下是优化的。实际上，由于系统需求在功率系统上每天并且季节性地变化，因此需要解决这种简化。

图5示出在考虑系统需求的增加的同时调整基于方程(8)所计算的以确定目标电压的处理。

如所示，在最小需求的时间之外使用电压设置点(其中，节点处的所测量的电压是V^Obs)将要求注入比按最小需求所必须的更多的无功功率，其中，从方程(9)计算的电压建模为V^MinD。这是归因于这样的事实：归因于增加的按以上最小需求绘制的有功负载和无功负载，所测量的电压量级V＝V^Obs变少。调整使用方程(8)所计算的目标电压给出为：

其中，V^MinD是对方程(9)的解，基于按最小系统需求的发电机的所观测的P测量和Q测量的所计算的电压。

因此，如图5所示，从来自步骤2的所观测的电压V＝V^Obs与调整后的目标电压设置点之间的差求解所需的电压改变ΔV_New。

在该实施例中，控制器检查优化解所需的目标电压设置点处于系统运营商所允许的界限内，如方程(12)中那样：

V^-≤V^Obs+ΔV_New≤V⁺ (12)

倘若ΔV_New的加入超过所施加的界限，那么所需的电压改变被调整(典型地减少)达必要量，以确保遵循限制V^-、V⁺。

应理解，在基于除了最小需求之外的给定需求(例如最大需求)而对方程(9)进行建模的情况下，于是相应地将需要改动的调整以达到

图4的步骤4计算发电机的位置的最新无功功率电压灵敏度通过将来自图4的步骤2的所测量的值V、Q代入方程(10)来计算该本地灵敏度。

图4的步骤5确定发电机所需的无功功率发电的改变，以获得其终端处的所需电压设置点使用从步骤4求解的灵敏度从步骤3所确定的所需的电压改变ΔV_New，方程(13)用于得到测量位置(发电机节点)处需要的所需无功功率改变(ΔQ)：

为了确保所需无功功率改变包含到发电机的无功功率限制，遵循以下不等式约束：

Q^-≤Q^Obs+ΔQ≤Q⁺ (14)

如果要求功率因子或PQ范围，则方程(14)的上界和下界也可以设置为系统运营商所施加的限制。倘若无功功率的改变破坏界限Q^-和Q⁺，那么无功功率的改变被调整，以将所实现的无功功率输出带入该界限。该控制指令发放到现有发电机控制系统(步骤6)。

还应理解，在发电机关注于多于一个的网络分支处的状况的情况下，可以基于(方程(8)中所使用的)每个矢量x而重复图4的步骤3-5，以对于所需的无功功率改变ΔQ提供替选解。在一个实施例中，将选取最大的所计算的允许的无功功率的改变。

若发电机正操作在其无功功率限制或电压限制处并且操作状况暗示所分配的一个分支(或多个分支)破坏其热限制，则可以给出用于减少有功功率发电达所需的量的指令。将有功功率电压灵敏度公式化为本地测量集合于是将是有用的。

在调整发电机的无功功率达所需量ΔQ时，从步骤2-步骤5的过程于是重复，并且可以无限地接连。

在图6中提供用于从这些本地输入V、P和Q获得控制信号ΔQ的过程的概述。因此，在步骤60中，方程(8)用于计算优化电压在步骤62中，方程(9)用于按最小需求计算发电机节点处的预期电压V^MinD。在步骤64中，这些值与节点处的观测电压V＝V^Obs组合，并且针对系统界限受检查，以产生图5所示的所需电压改变ΔV_New。分离地，并且要么并行地要么串行地，方程(10)用于确定节点处的电压灵敏度在步骤68中，这些值被组合，并且针对系统界限受检查，以提供所需的无功功率改变ΔQ，并且控制器将其传递到发电机。

返回参照图3，用于改变无功功率的命令具有沿着恒定有功功率曲线标称地偏移发电机操作点的效果，并且应理解，这样可以提供使得发电机能够遵循热约束的解，而不必削减其有功功率发电。因此，例如，所述方法可以有助于求解操作点T，而非在箭头C的方向上偏移操作点。

控制器可以实现于例如安装在发电机变电站处并且与现有发电机控制系统进行接口的可编程逻辑控制器(PLC)设备上的软件中。在操作之前，建立待分配给发电机的网络的远程部分，并且相应地通过方程(8)至(10)的矢量x、y和z对控制器进行编程。从在发电机变电站可容易得到的本地仪表变压器获得输入测量。一旦在操作中，控制器就按给定的间隔发放用于发电机的更新的无功功率设置点。控制器当然可能更频繁或更不频繁地或按规律性间隔进行更新。

倘若网络的拓扑的改变产生，和/或发电机或负载加入到或移除自网络，则需要对网络重新建模，即，需要重复图2或图4的步骤1，并且控制器软件相应地更新，以考虑新的网络特性。

按上述方式操作分布式发电机的优点是，确保所发电的有功功率尽可能高效地加入到周围网络。该情况典型地反映在通过方法的操作过程改进系统损耗中。

本发明可应用于任何发电机，尤其是具有用于控制无功功率的注入和吸收的能力的可更新功率发电机。本发明实施例可以应用于具有高无功功率电压灵敏度以及无功功率电压角度灵敏度的传输系统的区域。

Claims (18)

1.一种用于通过电网络控制配电的方法，包括步骤：

a)将所述网络建模为：

将连接所述网络的一对节点(ij)的至少一个所指定的分支中的电流流动(|I_ij|,Q_ij)与在注入并且吸收无功功率的设备连接到的所述网络的节点i处正注入的所测量的电压和功率的组合进行相关；

将按给定的网络需求等级在所述节点i处的预期电压(V^MinD)与所述设备在所述节点i处正注入的有功功率和无功功率的组合进行相关；

将所述节点i处的无功功率对电压灵敏度与在所述节点i处正注入的电压和功率的组合进行相关；

b)测量节点i处的电压(V)以及所注入的无功功率(Q)和有功功率(P)；

c)关于所述节点i处所注入的给定的所测量的电压和功率计算使得所述指定的分支中的电流流动最小化的所述节点i处的期望设置电压

d)基于所述注入的无功功率和有功功率而计算所述预期电压；

e)基于所述预期电压而计算调整后的期望设置电压

f)基于所述调整后的期望设置电压与所述测量的电压之间的差而确定所述设备的电压设置点的所需调整(ΔV_New)；

g)基于所述节点i处所注入的所测量的电压和功率而计算无功功率对电压灵敏度

h)计算设置为所述调整后的期望设置电压和所述无功功率对电压灵敏度的函数的对所述设备的无功功率的所需改变(ΔQ)；以及

i)将所述所需改变传递到所述设备。

2.如权利要求1所述的方法，其中，电流流动(|I_ij|,Q_ij)与所述节点i处所注入的所测量的电压和功率之间的所述关系被定义为：

|I_ij|或Q_ij＝x₁+x₂V²+x₃P²+x₄V+x₅P+x₆PV。

3.如权利要求1所述的方法，其中，按给定的网络需求等级在节点i处的预期电压(V^MinD)对所述设备正注入的有功功率和无功功率的组合之间的所述关系被定义为：

V^MinD＝y₁+y₂Q²+y₃P²+y₄Q+y₅P+y₆PQ。

4.如权利要求1所述的方法，其中，无功功率对电压灵敏度与节点i处的电压和所注入的功率之间的所述关系被定义为：

$\frac{\∂Q}{\∂V}=z_1+z_2{V}^2+z_3{Q}^2+z_{4}V+z_{5}Q+z_{6}QV.$

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述给定的网络需求等级是最小网络需求。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述最小网络需求要么包括零需求；要么包括所述网络的多个节点中的每一个处的需求的估计。

7.如权利要求1所述的方法，包括：迭代地执行步骤b)至i)。

8.如权利要求7所述的方法，其中，周期性地执行所述步骤b)至i)。

9.如权利要求1所述的方法，包括：响应于网络配置的改变而执行步骤a)。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述设备的电压设置点的所述调整(ΔV_New)受限于所允许的界限。

11.如权利要求1所述的方法，其中，对所述设备的无功功率设置的所述所需改变(ΔQ)受限于所允许的界限。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述建模包括：

按给定的系统需求等级对于连接到所述网络的所有设备的所有可能的有功功率操作点和无功功率操作点执行所述网络的功率流动分析；以及

执行所述功率流动分析结果的回归分析，以确定所述关系。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述功率流动分析结果包括以下形式的Jacobian矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_1\\ {\mathrm{\ΔQ}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔP}}_i\\ {\mathrm{\ΔQ}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂P_1}{\∂{\mathrm{\θ}}_1}& \frac{\∂P_1}{\∂V_1}& \mathrm{...}\\ \frac{\∂Q_1}{\∂{\mathrm{\θ}}_1}& \frac{\∂Q_1}{\∂V_1}& \mathrm{...}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_1\\ {\mathrm{\ΔV}}_1\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_j\\ {\mathrm{\ΔV}}_j\end{array}\right]$

其中：

θ包括节点i处的电压相量角度；

V包括节点i处的电压相量量级；

包括节点i处的有功功率电压灵敏度；

包括节点i处的无功功率电压灵敏度；

包括节点i处的有功功率电压角度灵敏度；以及

包括节点i处的无功功率电压角度灵敏度。

14.如权利要求1所述的方法，在本地在设备处独立于所述网络中的其它设备得以执行。

15.如权利要求1所述的方法，对于所述网络的所有设备得以集中地执行。

16.如权利要求1所述的方法，其中，所述设备是功率发电机。

17.一种控制器，可操作地连接到在电力分配网络中注入并且吸收无功功率的至少一个设备，所述控制器被配置为：执行如权利要求1至16中的任一项所述的步骤。

18.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，其上存储计算机可执行指令，并且其当在电力分配网络中的控制器上执行时被布置为：执行如权利要求1至16中的任一项所述的步骤。