CN109274135B - 基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法，属于光伏电站运行控制技术领域。本发明的方法包括：获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*以及电网调度中心下达的并网点电压控制指令计算得到光伏电站的无功补偿量Q^*；计算光伏电站的无功容量Q_max、Q_min；以各组PVGU和SVG的无功出力为控制对象，以光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小为优化目标，并采用模糊理论转化为单目标优化问题，建立基于光伏电站有功出力的无功优化控制模型；采用差分进化算法对模型进行求解。

Description

基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法

技术领域

本发明属于光伏电站运行控制技术领域，具体地，涉及一种基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法。

背景技术

光能的随机性和波动性造成光伏电站有功出力不稳定，进而引起并网点电压的波动，严重危及电力系统的安全稳定运行，因此大型光伏电站必须具备无功电压控制能力。

传统的光伏电站无功控制以并网点电压偏差最小为控制目标，没有考虑站内电压偏差和光伏电站运行的经济性问题，也没有计及随着光照强度变化的有功出力波动情况。因此，本发明考虑多种因素，提出了一种基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法，充分利用光伏逆变器和SVG的无功调节能力，在稳定并网点电压的同时，改善站内电压分布，降低站内有功损耗以提高光伏电站的运行经济性。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法，主要包括：

步骤1：获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*以及电网调度中心下达的并网点电压控制指令

步骤2：计算得到光伏电站的无功补偿量Q^*；

步骤3：计算光伏电站的无功容量Q_max、Q_min；

步骤4：建立基于光伏电站有功出力的无功优化控制模型，以各组PVGU和SVG的无功出力为控制对象，以光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小为优化目标，并采用模糊理论转化为单目标优化问题；

步骤5：采用差分进化算法进行求解。

进一步地，所述步骤1包括，获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*以及电网调度中心下达的并网点电压控制指令

进一步地，所述步骤2包括，计算光伏电站的无功补偿量Q^*：

其中，U为电网电压；Z_L＝R_L+jX_L为高压输电线路的阻抗；

进一步地，所述步骤3包括，

步骤31：当采用恒电压控制模式运行时，光伏逆变器的无功容量不仅受到其额定容量的限制，还与功率因数密切相关，可表示为：

其中，Q_jmax、Q_jmin分别表示光伏逆变器的感性、容性无功容量；S_N为光伏逆变器的额定容量；P_j表示第j个光伏逆变器发出的有功功率(j＝1,2,…,N)；光伏逆变器功率因数的允许变化范围为[-λ,λ]。

则PVGUi的无功容量为：

其中，n为PVGU中光伏逆变器的数目；

步骤32：光伏电站大多在主变压器低压侧配置无功补偿装置SVG进行无功补偿，以满足白天辐照强度很强时光伏电站的无功需求，光伏电站总的无功容量为：

进一步地，所述步骤4包括，

步骤41：优化目标为光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小，其目标函数为：

min F₂＝min P_loss

其中，U_{pcc_ref}、U_{i_ref}分别表示并网点电压、PVGUi出口电压的参考值，一般取1pu；U_i为PVGUi的出口电压；P_loss为光伏电站的有功损耗。

步骤42：潮流方程约束为：

其中，M为光伏电站内节点数，m、n∈M；P_m、Q_m为各节点注入有功、无功；U_m、U_m为各节点电压幅值；G_mn、B_mn分别为m、n节点之间的互电导、互电纳；δ_mn为m、n节点之间的电压相角差；

控制变量约束为：

步骤43：两个目标函数的量纲不同，可以采用模糊理论进行处理：

其中，F_i(x)为第i个优化目标，x为控制变量(即Q_SVG、Q_j，j＝1,2,…,N)；F_imax、F_imin分别为可以接受第i个优化目标的最大、最小值，可根据需要进行设置；

步骤44：将各优化目标的隶属度函数乘相应权重后相加，整合为一个优化目标，单优化目标为：

其中，λ为权重系数,且λ∈[0,1]；

步骤45：基于光伏电站有功出力的无功优化模型为：

进一步地，所述步骤5包括，采用差分进化算法进行求解。

本发明提出的基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法，通过控制PVGUi和SVG的无功出力，使并网点电压满足电网调度中心的要求，改善了光伏电站内部电压分布，降低了站内有功损耗，提高了光伏电站运行的经济性。

附图说明

通过附图加深对本发明的理解，与本发明的优选实施例一起用于说明和解释本发明并构成说明书的一部分，但不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所述基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法流程图；

图2是光伏电站拓扑结构图；

图3是夏季某日辐照强度曲线；

图4是不同控制方案下并网点电压曲线；

图5是不同控制方案下PVGU出口电压情况；

图6是不同控制方案下光伏电站有功损耗曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

图1是基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法流程图，具体包括：

步骤1：获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*和电网调度中心下达的并网点电压控制指令

步骤2：计算光伏电站的无功补偿量Q^*：

其中，U为电网电压；Z_L＝R_L+jX_L为高压输电线路的阻抗。

步骤3：计算光伏电站的无功容量Q_max、Q_min。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤31：PVGUi的无功容量。

当采用恒电压控制模式运行时，光伏逆变器的无功容量不仅受到其额定容量的限制，还与功率因数密切相关，可表示为：

其中，Q_jmax、Q_jmin分别表示光伏逆变器的感性、容性无功容量；S_N为光伏逆变器的额定容量；P_j表示第j个光伏逆变器发出的有功功率((j＝1,2,…,N)；光伏逆变器功率因数的允许变化范围为[-λ,λ]。

则PVGUi的无功容量为：

其中，n为PVGU中光伏逆变器的数目；

步骤32：光伏电站的无功容量Q_max、Q_min。

对于有N组PVGU、配置SVG的大型光伏电站，其总的无功容量为：

步骤4：建立基于光伏电站有功出力的无功优化控制模型，以各组PVGU和SVG的无功出力为控制对象，以光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小为优化目标，并将多目标优化转化为单目标优化问题。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤41：优化目标。

优化目标为光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小，其目标函数为：

min F₂＝min P_loss

其中，U_{pcc_ref}、U_{i_ref}分别表示并网点电压、PVGUi出口电压的参考值，一般取1pu；U_i为PVGUi的出口电压；P_loss为光伏电站的有功损耗。

步骤42：约束条件。

潮流方程约束为：

其中，M为光伏电站内节点数，m、n∈M；P_m、Q_m为各节点注入有功、无功；U_m、U_m为各节点电压幅值；G_mn、B_mn分别为m、n节点之间的互电导、互电纳；δ_mn为m、n节点之间的电压相角差。

控制变量约束为：

步骤43：目标函数模糊化处理。

其中，F_i(x)为第i个优化目标，x为控制变量(即Q_SVG、Q_j，j＝1,2,…,N)；F_imax、F_imin分别为可以接受第i个优化目标的最大、最小值，可根据需要进行设置。

步骤44：多目标问题转化为单目标问题。

单优化目标为：

其中，λ为权重系数,且λ∈[0,1]。

步骤45：建立基于光伏电站有功出力的无功优化模型。

步骤5：采用差分进化算法进行求解。

以下结合附图2对本发明实施例做进一步的详细说明。

实施例方案参数说明：

如图2所示，本实施例中，光伏电站总装机容量为40MW，共有4回集电线路，每回集电线路上并联10组相距1.2km、容量为1MW的PVGU，经0.29/10kV升压变压器汇入集电线路；SVG容量为-4～6MVar；经121/10.5kV主变压器升压，通过40km输电线路并网。

为了更明确地展现本文提出的无功优化控制方案的控制效果，分别采取以下两种不同的无功控制方法行对比。

方案一：光伏逆变器单位功率因数运行，仅SVG参与无功补偿；

方案二：光伏逆变器与SVG均参与无功补偿，并采用本发明所述基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法进行无功补偿。

并网点电压。仿真结果如图4所示。随着光伏电站有功出力增加，并网点电压呈现先上升后下降的趋势。采用方案一时，由于光伏电站的无功容量小，有功出力较大时，SVG无法完全补偿下降的并网点电压，U_pcc发生较大波动；采用方案二时，电站无功容量显著增加，无功功率可调范围较大，能够基本维持并网点电压稳定，控制效果更好。

光伏电站PVGU出口电压。仿真结果如图5所示。光伏电站规模较大，站内电压呈现较大的时空分散特性，因此通过站内各组PVGU出口电压的最大值和最小值来表现站内电压分布。采用方案一时，PVGU出口电压随着辐照强度的增加先升后降，在10:15达到最大值1.082pu，在14:15达到最小值0.96pu，站内电压分布不平衡，不利于光伏电站的稳定运行，且最大值和最小值之差与辐照强度正相关，在12:00达到0.088pu；采用方案二时，站内各组PVGU出口电压随辐照强度变动的幅度很小，且最大值和最小值之差不超过0.027pu，与方案一相比显著下降，明显改善了站内电压分布。

光伏电站有功损耗。仿真结果如图6所示。当辐照强度较弱时，采用两种无功补偿方案的站内有功损耗非常接近；当辐照强度较强时，光伏电站有功出力增加，相比于方案一，方案二的有功损耗明显降低。

通过与其他无功控制方法的对比，本发明所述基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法通过协调光伏逆变器和SVG的无功出力，不仅使并网点电压U_pcc保持稳定，改善了站内电压分布，还可以在光伏电站有功出力较大时显著降低站内有功损耗，减少电站的运行成本，从而保证光伏电站稳定经济运行，具有很大的优越性。

最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于光伏电站有功出力的无功优化控制方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1：获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*以及电网调度中心下达的并网点电压控制指令

步骤2：计算得到光伏电站的无功补偿量Q^*；具体包括：计算光伏电站的无功补偿量Q^*：

其中，U为电网电压；Z_L＝R_L+jX_L为高压输电线路的阻抗；

步骤3：计算光伏电站的无功容量Q_max、Q_min；

步骤4：建立基于光伏电站有功出力的无功优化控制模型，以各组PVGU和SVG的无功出力为控制对象，以光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小为优化目标，并采用模糊理论转化为单目标优化问题；步骤4具体包括：

步骤41：优化目标为光伏电站电压偏差最小、有功损耗最小，其目标函数为：

其中，U_{pcc_ref}、U_{i_ref}分别表示并网点电压、PVGUi出口电压的参考值，取1pu；U_i为PVGUi的出口电压；P_loss为光伏电站的有功损耗；

步骤42：潮流方程约束为：

其中，M为光伏电站内节点数，m、n∈M；P_m、Q_m为各节点注入有功、无功；U_m、U_m为各节点电压幅值；G_mn、B_mn分别为m、n节点之间的互电导、互电纳；δ_mn为m、n节点之间的电压相角差；

控制变量约束为：

步骤43：两个目标函数的量纲不同，可以采用模糊理论进行处理：

其中，F_i(x)为第i个优化目标，x为控制变量，即Q_SVG、Q_j，j＝1,2,…,N；F_imax、F_imin分别为可以接受第i个优化目标的最大、最小值，可根据需要进行设置；

步骤44：将各优化目标的隶属度函数乘相应权重后相加，整合为一个优化目标；单优化目标为：

步骤45：基于光伏电站有功出力的无功优化模型为：

步骤5：采用差分进化算法进行求解。

2.根据权利要求1所述的无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：获取光伏电站内各台光伏逆变器和SVG的参数、光伏电站的有功出力P^*以及电网调度中心下达的并网点电压控制指令

3.根据权利要求1所述的无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31：当采用恒电压控制模式运行时，光伏逆变器的无功容量不仅受到其额定容量的限制，还与功率因数密切相关，可表示为：

其中，Q_jmax、Q_jmin分别表示光伏逆变器的感性和容性无功容量；S_N表示光伏逆变器的额定容量；P_j表示第j台光伏逆变器发出的有功功率(j＝1,2,…,N)；光伏逆变器功率因数的允许变化范围为[-λ,λ]；

则PVGUi的无功容量为：

其中，n为PVGU中光伏逆变器的数目；

步骤32：光伏电站在主变压器低压侧配置无功补偿装置SVG进行无功补偿，以满足白天辐照强度很强时光伏电站的无功需求，光伏电站总的无功容量为：

4.根据权利要求1所述的无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：采用差分进化算法进行求解。