CN108875247A - 一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，包括以下步骤：输入优化计算初始参数；进行配电网与光伏逆变器相关变量的量测；将量测信息通过通讯网络集中上传至集中控制器；利用量测信息，基于优化问题模型，由集中控制器进行光伏逆变器功率优化问题的求解；将光伏逆变器有功功率、无功功率决策结果传递给各逆变器，各逆变器按此控制信号在最优状态下运行。本发明所述方法对配电网中分布式光伏逆变器功率进行优化控制，在有较高的计算和控制速度的前提下，能保证较高的优化精度，可以缓解因引入分布式电源而产生的配电网过电压问题，同时能够保证配电网以最经济的状态运行。

Description

一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统调度运行与控制技术领域，尤其涉及配电网中分布式光伏电源有功功率和无功功率快速优化方法。

背景技术

以光伏电源为代表的可再生能源并网容量越来越高，配电网中的分布式光伏逆变单元是光伏电源利用的常见形式。分布式电源的引入改变了传统配电网功率单向流动的特征，在配电网中引起了反向潮流现象，这将导致配电网节点电压升高，配电网供电质量恶化，成为限制分布式光伏电源并网容量进一步提高的重要因素。光伏逆变器具有一定的无功功率出力能力，通过吸收无功功率可以缓解节点电压的提升，同时有助于降低网损，使配电网运行更加经济；发电高峰时刻适当的削减有功功率，即主动的弃光，也有助于改善电压问题，提升光伏电源在配电网中的利用率。因此，考虑配电网中分布式光伏电源有功功率、无功功率的优化具有重要意义。光伏发电单元的瞬时功率由光照强度、温度等气象因素决定，呈现出强烈的瞬时波动性和出力随机性，为光伏逆变单元的功率优化增加了难度，因此还必须考虑较短时间尺度下的光伏电源功率快速优化方法。

专利号为201510612247.3的中国专利：“一种应用于光伏并网变流器的无功功率控制方法”，公开了一种应用于光伏并网变流器的无功功率控制方法，该专利通过量测逆变器在电网连接点处的电压，得出逆变器的瞬时无功电流并对逆变器功率因数进行控制，从而达到调节逆变器出口处电压的目的，但该专利仅能实现对逆变器出口节点的电压控制，从全网电压控制的角度讲其决策的单个逆变器无功功率不一定是最优的，且未涉及有功功率的决策方法；专利号为201721134422.3的中国专利：“一种光伏电站有功功率、无功功率和电压控制装置”，公开了一种光伏电站有功功率、无功功率和电压控制装置，该专利中，光伏发电单元的有功功率和无功功率数值的设定是分离的，没有考虑对于有功、无功功率的统一优化，具有一定的局限性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，本方法对配电网各节点电压进行快速量测，基于量测信息对各分布式光伏逆变器的有功功率、无功功率进行快速决策，在满足系统电压水平要求的前提下，使各光伏逆变器能够在系统最经济状态下运行。序列线性化方法保证了该方法能实现对光伏逆变器快速和高精度的优化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，包括以下步骤：

(1)输入优化计算初始参数，包括配电网线路参数，如线路电阻、电抗以及线路连接关系等；各光伏逆变器功率范围，包括光伏逆变器有功功率、无功功率出力上、下限；节点电压期望控制的上下限等；

(2)进行配电网与光伏逆变器相关变量的量测，包括光伏逆变器与电网连接点处的电压幅值的量测，光伏逆变器与电网连接点处的有功功率、无功功率的量测，线路传输功率的量测；

(3)将量测信息通过通讯网络集中上传至集中控制器。

(4)利用量测信息，基于优化问题模型，由集中控制器进行光伏逆变器功率优化问题的求解，得到各光伏逆变器有功功率、无功功率的最优控制值；

(5)将光伏逆变器有功功率、无功功率决策结果传递给各逆变器，各逆变器按此控制信号在最优状态下运行。

所述步骤(4)中，光伏逆变器功率优化问题建模通过以下公式得到：

弃光功率表达式为：

其中n为光伏逆变器数量，为最大功率跟踪技术确定的光伏逆变器最大有功功率，单位为MW，为光伏逆变器有功功率实际出力值，单位为MW，为待优化的变量。

有功功率网络损耗表达式为：

其中r_i为第i条线路对应的电阻，单位为Ω，P_i、Q_i为第i条线路上传输的有功功率、无功功率，单位为MW、Mvar，V_i为线路i首端节点上的电压，单位为kV。

以最小弃光功率目标函数、最小有功功率网络损耗目标函数的加权为目标函数：

min k₁F₁+k₂F₂ (3)

其中k₁、k₂为加权系数。函数F₁、F₂的表达式如式(1)、(2)所示。

光伏逆变器功率优化问题的约束条件包括：

1)潮流平衡方程约束

其中有功功率P_i由以下公式得到：

其中为节点负荷有功功率，单位为MW，对于线路传输的有功功率和无功功率，变量的下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量；

无功功率Q_i由以下公式得到：

其中为光伏逆变器无功功率实际出力值，单位为Mvar，为节点负荷无功功率，单位为Mvar，x_i为第i条线路对应的电抗,单位为Ω；对于线路传输的有功功率和无功功率，下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量。

2)首端节点上的电压约束通过以下公式得到：

其中为设定的节点电压上下限,单位为kV；

2)光伏逆变器功率约束

p_i ^g通过以下公式得到：

光伏逆变器无功功率实际出力值q_i ^g通过以下公式得到：

其中分别为光伏逆变器无功功率出力值上限、下限,单位为Mvar；由于光伏逆变器有功功率与无功功率之间受逆变器视在功率限制，因此无功功率出力范围由有功功率实际出力决定：

其中为光伏逆变器视在功率,单位为MVA。

以式(3)为目标函数，式(4)-式(8)为约束条件构成的优化问题为非线性优化问题，主要因为其包含非线性表达式式(3)、式(4)和式(5)；针对快速性优化的需求，根据优化周期极短电网状态量变动微小的特点，利用泰勒展开并忽略高阶项，将上述优化问题简化为线性规划问题，在大大简化计算量、提升计算速度的同时，在较短的调度周期下能保证很高的计算精度。

对于目标函数式(3)，通过在电压、有功功率、无功功率量测值附近作泰勒展开并忽略一阶以上的项，可得

其中是变量取当前时刻量测值时表达式F₂的值；

ΔP、ΔQ、ΔV，单位分别为MW、Mvar和kV，分别表示线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压与当前时刻量测值基础上的微增量，即：

其中为上一时刻的线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压量测值，单位分别为MW、Mvar和kV。

定义功率方程：

其中，有功功率方程式f_p,i为：

无功功率方程式f_q,i为：

对有功功率方程式、无功功率方程式利用泰勒展开进行线性化处理，得到：

其中是变量取当前时刻量测值时表达式f_p,i、f_q,i的值；为光伏逆变器有功功率、无功功率在上一时刻量测值基础上的微增量，单位分别为MW、Mvar，表示同上，即：

其中为上一时刻的光伏逆变器有功功率、无功功率量测值，单位分别为MW、Mvar。

经泰勒展开线性化之后，以微增量ΔP、ΔQ、ΔV、为优化问题的变量，上述优化问题变为线性规划模型，此时的目标函数为：

约束条件：

优化完成后，更新变量：

本发明的有益效果：

1.本发明的配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法对配电网各节点电压进行快速量测，基于量测信息对各分布式光伏逆变器的有功功率、无功功率进行快速决策，在满足系统电压水平要求的前提下，使各光伏逆变器能够在系统最经济状态下运行，序列线性化方法保证了该方法能实现对光伏逆变器快速和高精度的优化，满足了较短时间尺度下的光伏电源功率快速优化，实现降低网损、配电网运行更加经济，改善电压、提升光伏电源在配电网中的利用率的需要。

2.本发明通过输入优化计算初始参数；进行配电网与光伏逆变器相关变量的量测；将量测信息通过通讯网络集中上传至集中控制器；利用量测信息，基于优化问题模型，由集中控制器进行光伏逆变器功率优化问题的求解；将光伏逆变器有功功率、无功功率决策结果传递给各逆变器，各逆变器按此控制信号在最优状态下运行，实现了对配电网中分布式光伏逆变器功率进行优化控制，在有较高的计算和控制速度的前提下，能保证较高的优化精度，可以缓解因引入分布式电源而产生的配电网过电压问题，同时能够保证配电网以最经济的状态运行。

3.本发明通过以式(3)为目标函数，式(4)-式(8)为约束条件构成的优化问题为非线性优化问题，主要因为其包含非线性表达式式(3)、式(4)和式(5)；针对快速性优化的需求，根据优化周期极短电网状态量变动微小的特点，利用泰勒展开并忽略高阶项，将上述优化问题简化为线性规划问题，在大大简化计算量、提升计算速度的同时，在较短的调度周期下能保证很高的计算精度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式：

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，包括以下步骤：

(1)输入优化计算初始参数，包括配电网线路参数，如线路电阻、电抗以及线路连接关系等；各光伏逆变器功率范围，包括光伏逆变器有功功率、无功功率出力上、下限；节点电压期望控制的上下限等；

(2)进行配电网与光伏逆变器相关变量的量测，包括光伏逆变器与电网连接点处的电压幅值的量测，光伏逆变器与电网连接点处的有功功率、无功功率的量测，线路传输功率的量测；

(3)将量测信息通过通讯网络集中上传至集中控制器。

(4)利用量测信息，基于优化问题模型，由集中控制器进行光伏逆变器功率优化问题的求解，得到各光伏逆变器有功功率、无功功率的最优控制值；

(5)将光伏逆变器有功功率、无功功率决策结果传递给各逆变器，各逆变器按此控制信号在最优状态下运行。

所述步骤(4)中，光伏逆变器功率优化问题建模通过以下公式得到：

弃光功率表达式为：

其中n为光伏逆变器数量，为最大功率跟踪技术确定的光伏逆变器最大有功功率，单位为MW，为光伏逆变器有功功率实际出力值，单位为MW，为待优化的变量。

有功功率网络损耗表达式为：

其中r_i为第i条线路对应的电阻，单位为Ω，P_i、Q_i为第i条线路上传输的有功功率、无功功率，单位为MW、Mvar，V_i为线路i首端节点上的电压，单位为kV。

以最小弃光功率目标函数、最小有功功率网络损耗目标函数的加权为目标函数：

min k₁F₁+k₂F₂ (3)

其中k₁、k₂为加权系数。函数F₁、F₂的表达式如式(1)、(2)所示。

光伏逆变器功率优化问题的约束条件包括：

3)潮流平衡方程约束

其中有功功率P_i由以下公式得到：

其中为节点负荷有功功率，单位为MW，对于线路传输的有功功率和无功功率，变量的下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量；

无功功率Q_i由以下公式得到：

其中为光伏逆变器无功功率实际出力值，单位为Mvar，为节点负荷无功功率，单位为Mvar，x_i为第i条线路对应的电抗,单位为Ω；对于线路传输的有功功率和无功功率，下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量。

2)首端节点上的电压约束通过以下公式得到：

其中为设定的节点电压上下限,单位为kV；

4)光伏逆变器功率约束

p_i ^g通过以下公式得到：

光伏逆变器无功功率实际出力值q_i ^g通过以下公式得到：

其中分别为光伏逆变器无功功率出力值上限、下限,单位为Mvar；

由于光伏逆变器有功功率与无功功率之间受逆变器视在功率限制，因此无功功率出力范围由有功功率实际出力决定：

其中为光伏逆变器视在功率,单位为MVA。

以式(3)为目标函数，式(4)-式(8)为约束条件构成的优化问题为非线性优化问题，主要因为其包含非线性表达式式(3)、式(4)和式(5)；针对快速性优化的需求，根据优化周期极短电网状态量变动微小的特点，利用泰勒展开并忽略高阶项，将上述优化问题简化为线性规划问题，在大大简化计算量、提升计算速度的同时，在较短的调度周期下能保证很高的计算精度。

对于目标函数式(3)，通过在电压、有功功率、无功功率量测值附近作泰勒展开并忽略一阶以上的项，可得

其中是变量取当前时刻量测值时表达式F₂的值；

ΔP、ΔQ、ΔV，单位分别为MW、Mvar和kV，分别表示线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压与当前时刻量测值基础上的微增量，即：

其中为上一时刻的线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压量测值，单位分别为MW、Mvar和kV。

定义功率方程：

其中，有功功率方程式f_p,i为：

无功功率方程式f_q,i为：

对有功功率方程式、无功功率方程式利用泰勒展开进行线性化处理，得到：

其中是变量取当前时刻量测值时表达式f_p,i、f_q,i的值；为光伏逆变器有功功率、无功功率在上一时刻量测值基础上的微增量，单位分别为MW、Mvar，表示同上，即：

其中为上一时刻的光伏逆变器有功功率、无功功率量测值，单位分别为MW、Mvar。

经泰勒展开线性化之后，以微增量ΔP、ΔQ、ΔV、为优化问题的变量，上述优化问题变为线性规划模型，此时的目标函数为：

约束条件：

优化完成后，更新变量，得到光伏逆变器有功功率、无功功率的决策结果，进一步得到功功率、无功功率的最优控制值：

式(27)、式(28)得到的即为光伏逆变器在经济目标函数下的最优有功功率、无功功率控制值。按此数值控制光伏逆变器的有功功率、无功功率出力，即可让配电网在最经济的前提下运行，达到降低网损、控制电压波动等有益技术效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，其特征是，包括以下步骤：

1)输入优化计算初始参数，初始参数包括配电网线路的线路电阻、电抗、线路连接关系；各光伏逆变器功率范围，包括光伏逆变器有功功率、无功功率出力上、下限；节点电压期望控制的上限、下限；

2)进行配电网与光伏逆变器相关变量的量测，包括光伏逆变器与电网连接点处的电压幅值的量测，光伏逆变器与电网连接点处的有功功率、无功功率的量测，线路传输功率的量测；

3)将量测信息通过通讯网络集中上传至集中控制器；

4)利用量测信息，基于优化问题模型，由集中控制器进行光伏逆变器功率优化问题的求解，得到各光伏逆变器有功功率、无功功率的最优控制值；

5)将光伏逆变器有功功率、无功功率决策结果传递给各逆变器，各逆变器按此控制信号在最优状态下运行。

2.如权利要求1所述的一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化方法，其特征是，所述步骤(4)中，光伏逆变器功率优化问题建模通过以下公式得到：

弃光功率表达式为：

其中，n为光伏逆变器数量，为最大功率跟踪技术确定的光伏逆变器最大有功功率，单位为MW，为光伏逆变器有功功率实际出力值，单位为MW，为待优化的变量；

有功功率网络损耗表达式为：

其中r_i为第i条线路对应的电阻，单位为Ω，P_i、Q_i为第i条线路上传输的有功功率、无功功率，单位为MW、Mvar，V_i为线路i首端节点上的电压，单位为kV。

以最小弃光功率目标函数、最小有功功率网络损耗目标函数的加权为目标函数：

min k₁F₁+k₂F₂ (3)

其中k₁、k₂为加权系数。函数F₁、F₂的表达式如式(1)、(2)所示。

3.如权利要求2所述的一种配电网中分布式光伏电源功率快速优化

方法，其特征是，其中有功功率P_i由以下公式得到：

其中为节点负荷有功功率，单位为MW，对于线路传输的有功功率和无功功率，变量的下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量；

无功功率Q_i由以下公式得到：

其中为光伏逆变器无功功率实际出力值，单位为Mvar，为节点负荷无功功率，单位为Mvar，x_i为第i条线路对应的电抗,单位为Ω；对于线路传输的有功功率和无功功率，下标i和i-1分别代表任一线路及其靠近根节点一侧的相邻线路上的变量，以及任一线路首端节点及其靠接根节点一侧的相邻线路的首端节点的变量；

首端节点上的电压约束通过以下公式得到：

其中 V为设定的节点电压上下限,单位为kV；

p_i ^g通过以下公式得到：

q_i ^g通过以下公式得到：

其中分别为光伏逆变器无功功率出力值上限、下限,单位为Mvar；由于光伏逆变器有功功率与无功功率之间受逆变器视在功率限制，因此无功功率出力范围由有功功率实际出力决定：

其中为光伏逆变器视在功率,单位为MVA；

对于目标函数式(3)，通过在电压、有功功率、无功功率量测值附近作泰勒展开并忽略一阶以上的项，可得

其中是变量取当前时刻量测值时表达式F₂的值；

ΔP、ΔQ、ΔV，单位分别为MW、Mvar和kV，分别表示线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压与当前时刻量测值基础上的微增量，即：

ΔP_i＝P_i-P_i ^t-1 (12)

ΔV_i＝V_i-V_i ^t-1 (14)

其中为上一时刻的线路传输有功功率、线路传输无功功率、节点电压量测值，单位分别为MW、Mvar和kV。

其中变量的上标t-1表示该变量为上一时刻的量测值；

定义功率方程：

其中，有功功率方程式f_p,i为：

无功功率方程式f_q,i为：

对有功功率方程式、无功功率方程式利用泰勒展开进行线性化处理，得到：

其中是变量取当前时刻量测值时表达式f_p,i、f_q,i的值；单位分别为MW、Mvar，表示同上，即：

其中为上一时刻的光伏逆变器有功功率、无功功率量测值，单位分别为MW、Mvar。

经泰勒展开线性化之后，以微增量ΔP、ΔQ、ΔV、为优化问题的变量，上述优化问题变为线性规划模型，此时的目标函数为：

约束条件：

优化完成后，更新变量，得到光伏逆变器有功功率、无功功率的决策结果，进一步得到功功率、无功功率的最优控制值：

式(27)、式(28)得到的即为光伏逆变器在经济目标函数下的最优有功功率、无功功率控制值。按此数值控制光伏逆变器的有功功率、无功功率出力，即可让配电网在最经济的前提下运行，达到降低网损、控制电压波动等有益技术效果。