CN107248737B - 电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法，通过基于牛顿拉夫逊潮流计算的粒子群算法，根据微电网中各节点的谐波和无功参数，可计算出在容量确定的情况下补偿器的最优安装位置。同时，考虑到补偿器容量呈离散分布的特点，利用割平面法得到补偿器的最优补偿容量大小。以此得到的补偿器安装位置与容量可使得微电网实现经济运行。

Description

电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法

技术领域

本发明涉及新能源微网发电与运行时，电能质量补偿器的安装位置与容量 技术领域，特别是一种电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法。

背景技术

微电网集成了多种能源输入(太阳能、风能、常规化石燃料、生物质能等)、 特性符合、能源转换单元(燃料电池、微型燃气轮机、内燃机、储能系统等)， 是化学、热力学、电动力学等行为相互耦合的非线性复杂系统。目前，国内外研 究微电网结构对电能质量的影响多数侧重于微电源的电能质量特性问题，而未将 微电网中电能质量调节系统纳入微电网结构进行研究。实际上，电能质量调节系 统、微电源、负载等因素决定了微电网运行时的电能质量，除了它们的特性和性 能之外，其位置分布也是影响电能质量的关键因素之一。微电源和负载受到环境 等实际因素限制，位置往往固定，电能质量调节系统的分布与容量就成为重要影 响因素。调节系统的位置、容量不同，对微电网电能质量的调节能力、调节效果也不同，确定合理的分布与容量对调节系统作用的发挥非常关键，同时也是多个 电能质量调节系统和微电源间交互影响对策的研究基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电能质量补 偿器安装位置与容量优化规划方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电能质量补偿器安 装位置与容量优化规划方法，包括以下步骤：

1)根据微网系统负荷功率、电源功率、线路参数h次谐波及PQ节点、PV 节点参数，按照牛顿法计算初始时刻微网系统中各母线h次谐波频率下 的电压V_hk，old，及母线电流I_h

2)利用各节点h次谐波频率下的的电压V_hk,old与电能补偿器的注入电流I_hk,m得 出电能补偿器接入微网后各母线的电压向量

3)根据修正后的母线电压母线电流得到各微网母线的有功功率损失

4)构造目标函数，根据各微网母线的有功功率损失、修正后的母线电压计 算出微网系统总的有功功率损失电能补偿器最大容量I_max、及母 线电压谐波量V_THDk和微网系统总的有功功率损失电能补偿器最 大容量I_max、及母线电压谐波量V_THDk所造成的经济费用F₁，F₂，F₃；

5)以目标函数F_x＝F₁+F₂+F₃最小为目标，通过基于潮流计算的粒子群算法， 在使得各微网母线、节点参数都满足约束条件的基础下求出电能补偿器 的最优安装位置x_o；

6)利用整数规划方法计算出在x_o下，使得微网系统经济费用F_i最小时的电 能补偿器容量I_o；若F_i>F_x则返回步骤5)；若F_i＝F_x，则所得出的x_o、I_o即为电能补偿器的最优安装位置与最优容量；F_i＝F₁+F₂+F₃；

7)判断各母线电压是否满足约束条件，若满足约束条件则所得出的x_o、I_o即为电能补偿器的最优安装位置与最优容量；若不满足约束条件则返回 步骤5)重新规划。

微网系统总的有功功率损失所造成的经济费用F₁为：其中，K_p表示每1kW功率损失所产生的经济费用，H 表示电压谐波的最高次数，表示在第k条微网母线上h次谐波频率下的有 功功率损失；P_lossk表示在第k条微网母线上有功功率损失的基波分量；K表示微 网母线总条数。

电能补偿器最大容量I_max所造成的经济费用F₃为：其中， K_v表示电压畸变造成经济损失的比例系数，H表示电压谐波的最高次数，表 示第k条母线上母线电压的h次谐波分量。

粒子群算法表达式如下：

其中，D表示基于潮流计算的粒子群算法所取粒子群的总个数，w是惯性权 重，t表示粒子所进行的运算的次数，是当前粒子在微网中的位置，是当前 粒子的移动速度，是第l个粒子自己本身所找到的最优解，gbest^t是整个种 群目前找到的最优解，r₁、r₂是两个介于(0,1)之间的随机数，c₁、c₂是学习因子。

c₁＝c₂＝2。

步骤7)中，所述约束条件为：微网母线上的电压V_k必须处在该微网母线 电压的最小值V_kmin与最大值V_kmax之间：所有电源节点的电压畸变率应满足在某 节点总的电压畸变率V_THDk(％)不大于电网所允许的最大畸变率V_THDmax： 电能补偿器往电网中所注入的补偿电流I_m必须小 于或等于其最大注入电流I_max。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明引入了含加权系数的 目标函数，使得对于电能补偿器的最优安装位置与安装容量的判定有一个综合性 的评价标准，并提出了基于潮流计算的粒子群算法进行最优选址的方法，包含了 潮流计算子程序、谐波计算子程序，该寻址方法可以避免陷入局部最优解，且在 寻址过程中保证了微网系统中各变量都满足约束条件，从而保证了系统求解最优 解的高效性、合理性。

附图说明

图1所示为本例方案实施的微网系统框图；

图2所示为本例方案电能质量补偿器最优安装位置和安装容量规划方法的 流程图；

图3为本例方案粒子群算法实施的具体步骤。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例含多逆变器微网系统，所述微网系统包括柴油 发电机组、储能系统、风机发电系统、光伏发电系统、逆变器、变压器；所述柴 油发电机组、储能系统、风机发电系统、光伏发电系统通过逆变器接入微网母线； 所述变压器将不同电压等级的微网母线连接起来；所述微网母线末端接有负荷， 母线14连接至电网；所述电能质量补偿器接入交流母线；所述电能质量补偿器 包括直流储能电容、变流器、LC滤波电路、采样调理电路、锁相环电路、控制 器、IGBT驱动保护电路，所述直流储能电容、变流器、LC滤波电路依次连接， 通过并网阻抗接入交流母线；通过检测网络中的电流谐波分量，计算向网络注入 幅值大小相等，相位相差180°的电流以达到治理网络谐波和补偿无功的目的； 所述锁相环电路输入端与公共连接点连接；所述IGBT驱动保护电路驱动所述变 流器中的全控型功率器件。其中电能补偿装置的安装位置与其所能注入的谐波电 流大小都将影响到治理效果的好坏。其实施方式如下：

1)根据微网系统负荷功率、电源功率、线路参数h次谐波及PQ节点、PV 节点参数，按照牛顿法计算初始时刻微网系统中各节点h次谐波频率下的电压 V_hk,old，及母线电流I_h

2)利用各节点的电压V_hk,old、母线电阻电抗与电能补偿器的注入电流 I_hk,m得出，电能补偿器接入微网后各节点的电压向量

式中：I_hk,m＝I_h,rk,m+jI_h,ik,m，I_h,rk,m为I_hk,m的实部分量，I_h,ik,m为I_hk,m的虚部分量，m表 示第m台电能补偿器；

3)根据修正后的母线电压母线电流得到微网母线的有功功率损失

式中： 为的实部分量，为的虚部分量；

4)构造目标函数，根据各母线的有功功率损失修正后的母线电压 计算出微网总的有功功率损失电能补偿器最大容量I_max、及母线电压 谐波量V_THDk和他们所造成的经济费用F₁，F₂，F₃；

式中：K_a表示每投入1kvar电能补偿器所产生的经济费用，K_p表示每1kW 功率损失所产生经济费用，H表示电压谐波的最高次数，h表示h次谐波频率下 的分量，k表示第k条母线上的分量；K_v表示电压畸变造成经济损失的比例系数；

5)以位置目标函数F_x最小为目标通过基于潮流计算的粒子群算法，在使得 各母线、节点参数都满足约束条件的基础下求出电能补偿器的最优安装位置x_o， 其具体步骤如下：

(1)首先划分微电网中电能补偿器所能接入的位置x_ld，确定粒子群的总个数 D，学习因子c₁、c₂，并定义其初始位置和初始速度

(2)利用潮流计算方法解出当电能质量补偿器接入时，各母线电压母 线电流情况，并由此求出位置目标函数F_x中有功功率损失电能补偿器 最大容量I_max、及母线电压谐波量V_THDk和他们所造成的经济费用F₁，F₂，F₃， 记录此时的F_x作为

(3)判断电能补偿器接入位置时各母线电压是否满足约束条件，如果不满 足约束条件则将此点作为坏点，并将其从x_ld中剔除，若满足约束条件则继续进 行计算；

(4)按照下式中的迭代规律对所有粒子进行迭代，得到位置目标函数F_x最小 时的接入位置，该位置即为电能补偿器的最优安装位置x_o：

式中：w代表的是惯性权重，t表示粒子所进行的运算的次数，x t d是当前粒 子在微网中的位置，v^t _d是当前粒子的移动速度，是第l个粒子自己本身所找 到的最优解，gbest^k是整个种群目前找到的最优解，r₁、r₂是两个介于(0,1)之间 的随机数，通常c₁＝c₂＝2；

6)利用整数规划方法计算出在x_o下，使得微网经济费用F_i最小时的电能补 偿器容量I_o：

F_i＝F₁+F₂+F₃

约束条件为：

F_i>F_x则返回步骤5，若F_i＝F_x时则该步中所得出的x_o、I_o即为电能补偿器的 最优安装位置与最优容量；

7)判断各母线电压是否满足约束条件，若满足约束条件则所得出的x_o、I_o即 为电能补偿器的最优安装位置与最优容量；若不满足约束条件则返回步骤5重新 规划。

表1所示为电能补偿器投运前后各母线的谐波含量，表2所示为电能补偿器 投运前后微网系统各母线的电压水平。由两表中的数据可得，在经过采取本发明 专利的方法之后各母线的谐波含量及其电压水平都得到极大的改善。

表1电能补偿器投运前后各母线的谐波含量

表2电能补偿器投运前后微网系统各母线的电压水平

如图2所示为本例方案电能质量补偿器最优安装位置和安装容量规划方法 的流程图。首先通过系统的初始化采样得到微网系统负荷功率、电源功率、线路 参数及节点参数，计算得到电能补偿器接入电网后各节点的电压向量并对 微网中的各个变量进行修正。为了更好的评估电能补偿器的安装位置和容量是否 最优，以经济损失最优为目标根据各母线的有功功率损失Ploss、电能补偿器最 大容量I_max及母线电压谐波量V_THDk构造目标函数。由于目标函数的求解包含了 一个离散变量和一个连续变量，故对其分开求解并反复迭代的方法来获得最终的 最优解。先用基于牛顿拉夫逊潮流计算的粒子群算法求出电能补偿器的最优安装 位置，计算出此时的目标函数值F_x然后利用整数规划中的割平面法解得电能补 偿器的最优安装容量计算出此时的目标函数值F_i，此时电能补偿器的安装位置与 容量分别为x_o、I_o。F_i>F_x则返回步骤7；若F_i＝F_x时则该步中所得出的x_o、I_o即 为电能补偿器的最优安装位置与最优容量；

如图3所示为本例方案粒子群算法实施的具体步骤。首先通过随机产生一组 可能的离散位置分量且定义每一个粒子的初始速度进行初始化操作，然后利用潮 流计算子程序算出各条母线的谐波含量是否符合国家标准。若不满足则通过谐波 治理子程序重新规划出使得谐波标准满足的电能质量补偿器的安装位置，在满足 谐波治理标准的情况下通过粒子群算法的最优化算法找出使得目标函数达到最 小的最优安装位置。

Claims (4)

1.一种电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据微网系统负荷功率、电源功率、线路参数h次谐波及PQ节点、PV节点参数，按照牛顿法计算初始时刻微网系统中各母线h次谐波频率下的电压V_hk,old及母线电流

2)利用各母线h次谐波频率下的的电压V_hk,old与电能补偿器的注入电流I_hk,m得出电能补偿器接入微网后各母线的电压向量，即修正后的第k条母线上母线电压的h次谐波分量

3)根据修正后的第k条母线上母线电压的h次谐波分量母线电流得到各微网母线的有功功率损失

4)构造目标函数，根据各微网母线的有功功率损失、修正后的母线电压计算出微网系统总的有功功率损失电能补偿器最大容量I_max、及母线电压谐波量V_THDk和微网系统总的有功功率损失电能补偿器最大容量I_max、及母线电压谐波量V_THDk所造成的经济费用F₁，F₂，F₃；微网系统总的有功功率损失所造成的经济费用F₁为：其中，K_p表示每1kW功率损失所产生的经济费用，H表示电压谐波的最高次数，表示在第k条微网母线上h次谐波频率下的有功功率损失；P_lossk表示在第k条微网母线上有功功率损失的基波分量；K表示微网母线总条数；电能补偿器最大容量I_max所造成的经济费用F₃为：其中，K_v表示电压畸变造成经济损失的比例系数，H表示电压谐波的最高次数，表示第k条母线上母线电压的h次谐波分量；F₂＝K_aI_max；I_max表示电能补偿器最大容量；K_a表示每投入1kvar电能补偿器所产生的经济费用；

5)以目标函数F_x＝F₁+F₂+F₃最小为目标，通过基于潮流计算的粒子群算法，在使得各微网母线、节点参数都满足约束条件的基础下求出电能补偿器的最优安装位置x_o；

6)利用整数规划方法计算出在x_o下，使得微网系统经济费用F_i最小时的电能补偿器容量I_o；若F_i>F_x则返回步骤5)；若F_i＝F_x，则所得出的x_o、I_o即为电能补偿器的最优安装位置与最优容量，进入步骤7)；F_i＝F₁+F₂+F₃；

7)判断各母线电压是否满足约束条件，若满足约束条件则所得出的x_o、I_o即为电能补偿器的最优安装位置与最优容量；若不满足约束条件则返回步骤5)重新规划。

2.根据权利要求1所述的电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法，其特征在于，粒子群算法表达式如下：

其中，D表示基于潮流计算的粒子群算法所取粒子群的总个数，w是惯性权重，t表示粒子所进行的运算的次数，是当前粒子在微网中的位置，是当前粒子的移动速度，是第l个粒子自己本身所找到的最优解，gbest^t是整个种群目前找到的最优解，r₁、r₂是两个介于(0,1)之间的随机数，c₁、c₂是学习因子。

3.根据权利要求2所述的电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法，其特征在于，c₁＝c₂＝2。

4.根据权利要求1所述的电能质量补偿器安装位置与容量优化规划方法，其特征在于，步骤7)中，所述约束条件为：

微网母线上的电压V_k必须处在该微网母线电压的最小值V_kmin与最大值V_kmax之间：

所有电源节点的电压畸变率应满足在某节点总的电压畸变率V_THDk(％)不大于电网所允许的最大畸变率V_THDmax：

电能补偿器往电网中所注入的补偿电流I_m必须小于或等于其最大注入电流I_max。