CN108539752B - 变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法。在配电网中，当馈线末端同时出现抬升/跌落时本发明能够基于模糊控制理论对变压器抽头位置进行调整来维持馈线末端电压稳定，同时维持逆变器保证单位功率因数输出，可以使逆变器利用效率得以提升。当不同馈线末端电压变化趋势不同，出现一端高电压另一端低电压的情况时，本发明中的功率分配优化模块(PAO)在传统的Q‑V调节曲线的基础上引入优化模块，通过协调馈线上光伏电源的状态使得馈线电压在维持额定范围内的同时保证总的光伏输出功率达到最大。本发明在维持配电网电压稳定的同时，还能保证光伏电源的输出功率，提高了新能源发电业主的经济效益，具有良好的社会和经济效益。

Description

变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法

技术领域

本发明涉及变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，适用于含有高渗透率可再生能源的配电网电压稳定控制和可再生能源利用效率的提升。

背景技术

随着可再生能源应用技术的发展，传统配电网中分布式电源的装机数量逐年提升，由于可再生能源受外界环境的影响，如光照强度、负载以及温度等，具有随机性和间歇性，分布式电源和负荷的出力特性不匹配将会导致电网电压出现波动现象。特别是光伏扶贫地区，由于配电网线路较长，且R/X的比重较大，因此出现电压波动的现象更为严重，而且由于线路损耗的存在越靠近馈线末端，电压问题愈加明显。

由于类型和分布电源容量的不同，不同馈线的电压波动的趋势是不同的。通常情况下，在安装小水电的馈线，由于小水电站的出力较为平稳，电压比较稳定；而在安装光伏电源的馈线，现有的光伏电源都是经过MPPT模块利用光伏并网逆变器与电网连接，由于光伏出力的最大值出现在午时，而此时居民负荷很少，但在夜间负荷需求增加，光伏电源却没有了功率输出，这也就使得含光伏的馈线呈现白天高电压，夜间低电压的现象。

现有的针对电压波动的调节方法通常是基于Q-V(无功功率-电压)曲线，对电压进行调节。当电压超出死区范围后，无功功率控制器按照设定的Q-V曲线开始输出相应的无功功率，功率因数开始改变，如图3所示。

为第m个光伏并网逆变器可以输出的无功功率，其大小与最小功率因数有关，

和V分别为第m个光伏并网逆变器电压死区上下限。当电压超过死区范围，利用图3所示的电压和无功功率曲线，根据当前测得的电压大小控制逆变器输出相应的无功功率进行补偿，达到维持光伏并网点的电压在限定范围之内的目的。

为第m个光伏并网逆变器电压调节的上限。当电压抬升，则输出的感性无功功率增加，当电压降低，则输出的容性无功功率增加，达到稳定电压的目的。

上式为Q-V曲线的设置方式。根据其提供的关系，对电压进行无功功率调控。其调控能力受最小功率因数制约，并与死区电压范围和最大电压限有关。可以根据并网点m的电压大小V_m，计算出逆变器需要输出的无功功率Q_m。

但是这种方法只能针对光伏并网逆变器进行调节，而对含有多跟馈线的配电网来说，有些馈线含有小水电，需要对配电网主变压器抽头进行电压调节，而调节主变抽头位置则会影响其他馈线的电压情况，因此需要一种协调方法。此外在一根含有光伏并网逆变器的馈线中，单纯的采用Q-V的调节方法没有考虑到多逆变器之间的协调控制，导致了弃光现象较为严重。

本发明针对含多种可再生能源的配电网电压波动问题，基于模糊控制理论和逆变器功率协调优化方法对变压器抽头和逆变器功率输出进行控制，从而达到治理电压波动的目的。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术的上述问题，本发明提出了一种变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，协调变压器抽头和多逆变器之间关系，针对配电网电压波动现象进行治理，同时尽可能的提升可再生能源的利用效率。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，适用于含有光伏、小水电等分布式电源的有源配电网系统，所述光伏并网系统包括光伏阵列；所述光伏阵列与光伏并网逆变器连接；该方法包括以下步骤：

1)测量每根馈线末端电压，V_j(j＝1,2,…)，然后计算相应电压最大值V_max和电压最小值V_min：

V_max＝max{V₁,V₂,…,V_j}

V_min＝min{V₁,V₂,…,V_j}

2)以最大和最小电压为模糊控制器的输入值，τ₁和τ₂分别为模糊控制器的两个输出值，进行模糊运算；

τ₁＝fuzzy₁(V_max,V_min)

τ₂＝fuzzy₂(V_max,V_min)

其中τ₁和τ₂是两个模糊控制模块的计算结果，fuzzy₁和fuzzy₂分别为模糊运算逻辑1和逻辑2。

3)利用得到的模糊运算结果τ₁和τ₂，利用如下式计算出抽头输出信号f_Tap和逆变器闭锁信号f_Lock。

其中f_Tap(t₀)和f_Tap(t₁)是变压器抽头在t₀和t₁时刻状态，

和

是变压器抽头可以调节的最大和最小位置，其值由变压器的可调档位决定。f_Lock是逆变器闭锁信号，当f_Lock(t₀)和f_Lock(t₁)是逆变器在t₀和t₁时刻状态。当f_Lock等于1时，逆变器会进入闭锁状态，维持当前功率因数进行功率输出，当f_Lock等于0时，逆变器会跟随PAO模块进行相应的无功补偿来调节电压。

4)对传统的Q-V曲线，引入斜率修正系向量ε：

ε＝[ε₁；ε₂；…ε_m]

其中ε₁,ε₂,…,ε_m代表第1,2…,m个逆变器的修正系数，m代表逆变器的个数，每个逆变器有对应的修正系数。修正后的第m个逆变器的Q-V曲线为：

式中，V_m表示第m个逆变器并网节点电压，

表示修正后第m个逆变器输出的无功功率，

为逆变器能输出的最大无功功率，

和

为死区上下限，

和

为最大电压下上限，ε_m是斜率修正系数也是要求解的变量，k_m表示默认的斜率，由下式计算可得：

5)为了光伏电源的利用效率最大，设定光伏电源的总功率最大为目标函数：

第m个逆变器的当前视在功率输出|S_m|，由MPPT的运算结果决定。ε是变量矩阵，也是需要求解的目标。第m个逆变器的无功功率Q_m(t₁)在t₁时刻的输出为：

6)为保证在输出最大功率的同时馈线电压也必须处于正常范围内，通过电压和功率的灵敏度对修正后的电压进行估算，可以得到节点i的电压在t₁时刻的估计值为：

其中V_i(t₀)和V_i(t₁)表示在PAO调节之前和调节之后的节点i的电压，ΔV_i(t₀)表示t₀时刻节点i的电压变化量，N表示节点总数量，S_PV和S_QV表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵。ΔP_j和ΔQ_j表示当前时刻和前一时刻的功率。

7)根据线路要求，设定优化模型为：

其中，V_high和V_low为电压的最大和最小值；I_max为导线最大载流量，I为导线电流；P_m、Q_m和S_m为第m个逆变器的有功、无功和视在功率；S_PV为所有光伏逆变器发出的功率，S_load为所有负荷吸收的功率，S_tf为变压器最大能承载的功率；ε_m为修正系数。

8)以修正系数ε＝[ε₁；ε₂；…ε_m]为变量，求解优化模型得到逆变器相应的斜率修正系数向量ε，修正后的斜率带入修正后的Q-V式进行计算得到无功功率输出向量Q^new。

其中，

表示第1,…,m个逆变器需要输出的无功功率。

9)将计算出的Q^new送入相应的逆变器，逆变器根据计算结构进行无功补偿操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明通过模糊控制器协调逆变器与变压器抽头之间的关系，针对某些不能对并网逆变器进行调节的馈线可以进行电压调节，同时在馈线末端电压变化趋势一样时，可以通过调节抽头达到调节电压的目的，使得逆变器能够保持最大功率因数输出的状态，提升并网逆变器运行效率。当抽头无法调节时，馈线中的逆变器之间可以通过PAO模块进行无功功率补偿，相较于传统的Q-V曲线，该方法修正了曲线的斜率，利用灵敏度分析方法估算了功率改变对电压的影响，在保证电压稳定的同时能够尽可能的使逆变器有功功率输出的总和最大，提升了可再生能源的利用效率，具有较高的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是整个系统的控制框架；

图2是模糊控制逻辑图，其中(a)输入信号V_max(b)输入信号V_min(c)输出信号τ₁(d)输出信号τ₂；

图3是传统Q-V控制曲线图；

图4是本发明提出的PAO控制曲线图；

图5是总体的程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提出一种变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，包括如下步骤：

步骤一：测量每根馈线末端电压，V_j(j＝1,2,…)，得到相应极值V_max和V_min，跳转至下一步；

步骤二：根据图2给出的模糊运算逻辑，计算出变压器抽头输出信号f_Tap和逆变器闭锁信号f_Lock，跳转至下一步；

步骤三：变压器抽头读取信号f_Tap，根据输出逻辑调节到相应的抽头档位，跳转至下一步；

步骤四：逆变器闭锁信号f_Lock分配到各个逆变器，若该信号值为0，则逆变器维持当前功率因数进行功率输出，跳转步骤一进行下一个循环；若该信号值为1，则跳转至步骤五，进行逆变器开始进行功率分配优化的运算；

步骤五：以斜率修正系数向量ε为未知数对Q-V曲线进行修改，每个逆变器都得到一个含有斜率修正系数的无功功率输出向量

其中，

表示第1,…,m个逆变器需要输出的无功功率，以光伏的输出有功功率最大建立目标函数，跳转至下一步；

步骤六：基于灵敏度分析估算节点电压，即下一个时刻(t₁)的电压估计值V_i(t₁)。建立电压约束，跳转至下一步；

步骤七：设置电流、逆变器、变压器和参数等约束条件，以步骤五中的目标函数和建立的约束条件建立优化模型，跳转至下一步；

步骤八：求解目标函数，得到逆变器相应的斜率修正系数向量ε，把新的斜率修正系数带入修正后的Q-V曲线，计算出逆变器无功功率输出向量Q^new，跳转至下一步；

步骤九：将无功功率输出向量Q^new值送入每个相应的逆变器，逆变器按照相应的值进行无功功率输出，返回步骤一，进行新一轮循环。

具体地，在步骤二中变压器抽头输出信号f_Tap和逆变器闭锁信号f_Lock由下面的式计算得到：

τ₁＝fuzzy₁(V_max,V_min)

τ₂＝fuzzy₂(V_max,V_min)

其中τ₁和τ₂是两个模糊控制模块的计算结果，根据图2中的模糊逻辑进行计算。fuzzy₁和fuzzy₂分别为模糊运算逻辑1和逻辑2；f_Tap(t₀)和f_Tap(t₁)是变压器抽头在t₀和t₁时刻状态，

和

是变压器抽头可以调节的最大和最小位置。f_Lock是逆变器闭锁信号，f_Lock(t₁)是逆变器在t₁时刻状态。

具体地，在步骤五中，

的计算式由传统的Q-V曲线修正得到，如图4和下面的式子所示：

式中，V_m表示第m个逆变器并网节点电压，

表示修正后第m个逆变器输出的无功功率，

为逆变器能输出的最大无功功率，

和

为死区上下限，

为最大电压下上限，ε_m是斜率修正系数也是要求解的变量，k_m表示默认的斜率，由下式计算可得：

为了光伏电源的利用效率最大，设定光伏电源的总功率最大为目标函数：

第m个逆变器的当前视在功率输出|S_m|，由MPPT的运算结果决定。ε是变量矩阵，也是需要求解的目标。第m个逆变器的无功功率Q_m(t₁)在t₁时刻的输出为：

具体地，在步骤六中，为了对功率变化后的电压值进行估算，需要利用灵敏度分析出各个节点电压与功率之间的变化关系，其运算方法如下：

其中，G_ij为节点导纳矩阵实部，B_ij为节点导纳矩阵虚部，代表节点i和节点j的相互影响；P_i，Q_i代表节点i的有功功率、无功功率，θ_ij代表节点i和j之间的相角差，V_i和V_j分代表节点i和j的电压，ΔP、ΔQ、ΔV、Δθ分别为系统有功功率增量矩阵、无功功率增量矩阵、电压增量矩阵、相角增量矩阵，J为雅克比矩阵，其中J_Pθ、J_PV、J_Qθ、J_QV分别为雅克比矩阵中有功与相角、有功与电压、无功与相角、无功与电压的关系，N为系统节点总数；通过上式可以得出系统无功功率ΔQ与节点电压增量ΔV的关系：

ΔV＝S_PVΔP+S_QVΔQ

其中n表示节点总数量，S_PV和S_QV表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵。因此，节点j对第i个节点电压的变化率影响为：

ΔV_i＝S_PVΔP_j+S_QVΔQ_j

可以得到节点i的电压在t₁时刻的估计值为：

其中V_i(t₀)和V_i(t₁)表示在PAO调节之前和调节之后的节点i的电压。ΔV_i(t₀)表示t₀时刻节点i的电压变化量，N表示节点总数量，S_PV和S_QV表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵，ΔP_j和ΔQ_j表示当前时刻和前一时刻的功率，因此电压的边界条件为：

其中V_low和V_high代表节点允许的电压下限和上限。

具体地，在步骤七中，其他需要注意的约束条件为：

电流约束：在电力系统潮流计算的过程中，必须满足如下式：

I≤I_max

式中I_max为导线最大载流量，I为导线电流。

逆变器约束：光伏逆变器功率因数可调，因此必须满足如下式：

式中P_m、Q_m和S_m为第m个逆变器的有功、无功和视在功率。

变压器约束：为了保证变压器正常运行必须满足下式：

|S_PV-S_load|≤S_tf

式中，S_PV为所有光伏逆变器发出的功率，S_load为所有负荷吸收的功率，S_tf为变压器最大能承载的功率。

参数约束：由于修正系数是改变功率输出的比例，应该满足如下式：

ε_m≥0

具体地，在步骤八中，以修正系数ε＝[ε₁；ε₂；…ε_m]为变量，需要求解的优化模型为：

第m个逆变器的当前视在功率输出|S_m|，由MPPT的运算结果决定。

求解出修正系数后，带入修正后的斜率带入修正后的Q-V式进行计算得到无功功率输出向量Q^new。

其中，

表示第1,…,m个逆变器需要输出的无功功率。

整体的程序控制框图如图5所示。

本发明的控制系统结构如图1所示，利用测量原件测得馈线各个节点的电压，送入到模糊控制器中，模糊控制器筛选出其中电压的最大值和最小值，再利用最大和最小电压值作为模糊控制器的输入量根据步骤2的运算逻辑进行模糊运算，得出抽头的位置信号f_Tap和逆变器的闭锁信号f_Lock。变压器的抽头根据相应的位置信号进行改变，在所有馈线末端电压变化趋势相同时，改变抽头的位置即可环节低电压/高电压现象，维持电压在稳定范围内。同时可以使逆变器接受到闭锁信号，从而维持当前功率因数输出，不需要补偿额外的无功功率，逆变器有功功率出力得以最大化，减少了弃光现象。

当出现一端或多端馈线末端电压跌落或抬升，另一端或多段馈线出现相反的情况时，通过读取最大最小电压值，经过模糊模块运算，保持抽头维持当前状态不变，逆变器闭锁信号关闭，PAO模块开始工作。出现高电压的馈线中的并网逆变器开始通过补偿感性无功功率来维持电压在正常范围内。在PAO模块中，通过设定斜率可变的Q-V曲线，以斜率为变量，维持电压、电流等系数稳定为边界条件，使馈线上并网逆变器输出有功功率总和最大为目标进行优化运算，求出在维持电压稳定的同时能使系统可再生能源利用率最高的每个逆变器的特定Q-V曲线斜率，每个逆变器以其新的Q-V曲线逻辑进行无功功率补偿，从而达到稳定电压的目的。同时增加了可再生能源无功功率的输出，提高了能源利用的经济效益。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：测量每根馈线末端电压，V_j(j＝1,2,…)，得到末端电压最大值V_max和最小值V_min，跳转至下一步；

步骤二：根据模糊运算逻辑，计算出变压器抽头输出信号f_Tap和逆变器闭锁信号f_Lock，跳转至下一步；

步骤三：读取变压器抽头输出信号f_Tap，根据输出逻辑调节到相应的抽头档位，跳转至下一步；

步骤四：将逆变器闭锁信号f_Lock分配到各个逆变器，若该逆变器闭锁信号f_Lock值为0，则逆变器维持当前功率因数进行功率输出，跳转步骤一进行下一个循环；若该逆变器闭锁信号f_Lock值为1，则跳转至步骤五，进行逆变器开始进行功率分配优化的运算；

步骤五：以斜率修正系数向量ε为未知数对Q-V曲线进行修改，每个逆变器都得到一个含有斜率修正系数的无功功率输出向量

其中，

表示第1,…,m个逆变器需要输出的无功功率，以光伏的输出有功功率最大建立目标函数，跳转至下一步；

步骤六：基于灵敏度分析估算节点电压，即下一个时刻t₁的电压估计值V_i(t₁)，建立电压约束，跳转至下一步；

步骤七：设置电流、逆变器、变压器和参数的约束条件，以步骤五中的目标函数和建立的约束条件建立优化模型，跳转至下一步；

步骤八：求解目标函数，得到逆变器相应的斜率修正系数向量ε，把新的斜率修正系数带入修正后的Q-V曲线，计算出逆变器的无功功率输出向量Q^new，跳转至下一步；

步骤九：将无功功率输出向量Q^new值送入每个相应的逆变器，逆变器按照相应的值进行无功功率输出，返回步骤一，进行新一轮循环。

2.根据权利要求1所述的变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，在步骤二中变压器抽头输出信号f_Tap和逆变器闭锁信号f_Lock由下面的式计算得到：

τ₁＝fuzzy₁(V_max,V_min)

τ₂＝fuzzy₂(V_max,V_min)

其中τ₁和τ₂是两个模糊控制模块的计算结果，根据模糊逻辑进行计算，fuzzy₁和fuzzy₂分别为模糊运算逻辑1和逻辑2；f_Tap(t₀)和f_Tap(t₁)是变压器抽头在t₀和t₁时刻状态，

和

是变压器抽头可以调节的最大和最小位置；f_Lock是逆变器闭锁信号，f_Lock(t₁)是逆变器在t₁时刻状态。

3.根据权利要求2所述的变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，在步骤五中，

的计算式由传统的Q-V曲线修正得到，如下面的式子所示：

式中，V_m表示第m个逆变器并网节点电压，

表示修正后第m个逆变器输出的无功功率，

为逆变器能输出的最大无功功率，

和

为死区上下限，

为最大电压上限，ε_m是斜率修正系数也是要求解的变量，k_m表示默认的斜率，由下式计算可得：

为了光伏电源的利用效率最大，设定光伏电源的总功率P_total最大为目标函数：

第m个逆变器的当前视在功率输出|S_m|，由MPPT的运算结果决定；

的计算式中含有修正系数ε_m，ε_m也是需要求解的变量；第m个逆变器的无功功率Q_m(t₁)在t₁时刻的输出为：

4.根据权利要求3所述的变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，在步骤六中，为了对功率变化后的电压值进行估算，需要利用灵敏度分析出各个节点电压与功率之间的变化关系，其运算方法如下：

其中，G_ij为节点导纳矩阵实部，B_ij为节点导纳矩阵虚部，代表节点i和节点j的相互影响；P_i，Q_i代表节点i的有功功率、无功功率，θ_ij代表节点i和j之间的相角差，V_i和V_j分代表节点i和j的电压，ΔP、ΔQ、ΔV、Δθ分别为系统有功功率增量矩阵、无功功率增量矩阵、电压增量矩阵、相角增量矩阵，J为雅克比矩阵，其中J_Pθ、J_PV、J_Qθ、J_QV分别为雅克比矩阵中有功与相角、有功与电压、无功与相角、无功与电压的关系，N为系统节点总数；通过上式可以得出系统无功功率ΔQ与节点电压增量ΔV的关系：

ΔV＝S_PVΔP+S_QVΔQ

其中，S_PV和S_QV表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵；因此，节点j对第i个节点电压的变化率影响为：

ΔV_i＝S_PVΔP_j+S_QVΔQ_j

可以得到节点i的电压在t₁时刻的估计值为：

其中V_i(t₀)和V_i(t₁)表示在PAO调节之前和调节之后的节点i的电压，ΔV_i(t₀)表示t₀时刻节点i的电压变化量，N表示节点总数量，S_PV和S_QV表示电压对有功功率和无功功率的灵敏度矩阵，ΔP_j和ΔQ_j表示当前时刻和前一时刻的有功功率增量和无功功率增量，因此电压的边界条件为：

其中V_low和V_high代表节点允许的电压下限和上限。

5.根据权利要求4所述的变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，在步骤七中，其他需要注意的约束条件为：

电流约束：在电力系统潮流计算的过程中，必须满足如下式：

I≤I_max

式中I_max为导线最大载流量，I为导线电流；

逆变器约束：光伏逆变器功率因数可调，因此必须满足如下式：

式中P_m、Q_m和S_m为第m个逆变器的有功、无功和视在功率；

变压器约束：为了保证变压器正常运行必须满足下式：

|S_PV-S_load|≤S_tf

式中，S_PV为所有光伏逆变器发出的功率，S_load为所有负荷吸收的功率，S_tf为变压器最大能承载的功率；

参数约束：由于修正系数是改变功率输出的比例，应该满足如下式：

ε_m≥0。

6.根据权利要求5所述的变压器抽头与多逆变器协调的有源配电网电压调节方法，其特征在于，在步骤八中，以修正系数ε＝[ε₁；ε₂；…ε_m]为变量，需要求解的优化模型为：

第m个逆变器的当前视在功率输出|S_m|，由MPPT的运算结果决定；

求解出修正系数后，带入修正后的斜率带入修正后的Q-V式进行计算得到无功功率输出向量Q^new：

其中，

表示第1,…,m个逆变器需要输出的无功功率。

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