CN109802396B - 一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，包含一个光储充一体机，以及多个关键位置分布放置的智能电容单元，光储充一体机内的通讯管理机与放置在关键节点的分布式智能电容单元通过电力线载波通讯，光储充一体机为控制核心，定时检测关键节点的电压，同时完成台区潮流计算并下发智能电容器无功补偿指令。本发明通过部分光伏接入光储充一体机，依靠有功调节和无功补偿控制并网点的电压，并通过光储充一体机内通讯管理机发送载波信号询问智能电容器的控制器，实时监测每个分支母线的电压情况，根据收集的智能电容器反馈信息实现整体配电网的监控与电压控制，非常适合于含光伏农村配电网的电能质量治理领域。

Description

一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统

技术领域

本发明涉及一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，属于光伏电力系统调控技术领域。

背景技术

近年来，光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分，其高效并网利用技术的研究意义重大。此外，对我国这样一个人口基数大，人均资源少，环境问题严峻的国家来说，大力发展光伏发电系统是解决中国能源问题，环保问题及社会问题的有效选择。有数据表明，近年来的扶贫光伏是农村居民收入增加的有效手段，但是，农村配电网相对比较薄弱，高渗透率分布式光伏的无序接入将引起低压配电网电压大波动和潮流反转等现象，严重影响了居民生活，也干扰了电力工业的正常生产。针对上述这些问题，通过一定手段对整个光伏发电系统进行检测管理，优化各个单元间的能量流转，制定合理的能量管理策略是十分有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，利用部分光伏接入的光储充一体机，可以通过有功和无功联合调节有效控制并网点的电压，通过在线潮流计算调整各装置的补偿量，维持台区电压稳定。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，包括一个光储充一体机，以及多个关键节点放置的分布式智能电容单元；所述光储充一体机内置通讯管理机，所述通讯管理机与所述分布式智能电容单元通过电力线载波通讯；所述光储充一体机定时检测关键节点的电压，进行潮流计算并下发分布式智能电容单元无功补偿指令；

所述光储充一体机包括一个光伏BOOST变流器，一个DC-AC并网逆变器，一个BUCK-BOOST电池变流器，以及一个隔离DC-DC柔性直流负载模块；所述光伏BOOST变流器通过MPPT控制策略跟踪光伏最大功率；所述BUCK-BOOST电池变流器实现蓄电池储能系统内蓄电池的充放电和电压变换，同时根据自身SOC和能量流向的约束，实现光储充一体机内部的能量平衡；所述隔离DC-DC柔性直流负载模块根据光伏功率、并网有功和蓄电池SOC的差，实现有序的对柔性负载供电；

所述光储充一体机内包含一个潮流计算程序，所述潮流计算程序根据各关键节点的电压和功率信息，实时计算各关键节点的电压分布情况，进行潮流计算得到分布式智能电容单元的无功补偿量。

前述的分布式智能电容单元的放置位置由台区电压灵敏度参数决定，按照台区电压灵敏度参数从高至低的节点选取。

前述的光伏BOOST变流器的输入端连接光伏电池阵列，输出连接公共直流母线；所述BUCK-BOOST电池变流器的输入连接蓄电池的正负极，输出连接公共直流母线；所述隔离DC-DC柔性直流负载模块的输入为公共直流母线，另一端连接直流负载；所述公共直流母线连接至DC-AC并网逆变器的直流端口。

前述的光储充一体机内部的能量平衡满足：

P_PV,t+P_ESS,t+P_G,t＝P_load,t+P_loss,t

其中，P_PV,t表示t时刻的PV出力，P_ESS,t表示t时刻蓄电池储能系统的出力，正值对应放电功率，负值对应充电功率，P_G,t表示t时刻与配电网的交换功率，P_load,t表示t时刻直流负载的功率，P_loss,t表示t时刻系统的损耗；

需满足的约束条件为：

其中，E_B表示蓄电池储能系统的额定容量，E_t表示t时刻的蓄电池储能系统的容量，E_t+1表示t+1时刻的蓄电池储能系统的容量，Δt表示t+1时刻和t时刻之间的时间差，表示t时刻的蓄电池储能系统的充电功率，/>表示t时刻的蓄电池储能系统的放电功率，η_C表示充电效率，η_D表示放电效率，D表示最大放电深度，δ_S表示自放电率。

前述的节点电压计算如下：

电压灵敏度矩阵如下：

其中，V_i表示节点i的电压，V_i ⁰表示节点i的初始电压，表示节点电压-有功灵敏度矩阵中第j个节点的有功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔP_j表示节点j的有功变化量，/>表示节点电压-无功灵敏度矩阵中第j个节点的无功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔQ_j表示节点j的无功变化量，ΔU_iP表示有功功率引起的节点i的电压变化量，ΔU_iQ表示无功功率引起的节点i的电压变化量，i＝1,2,…,N，N表示配电网系统节点个数，j＝1,2,…,N_PV，N_PV表示配电网系统中PV节点个数。

前述的光储充一体机和分布式智能电容单元的接入位置及容量，采用以下方式确定：

1)确定配电系统中已安装光伏母线集合：确定接入光伏的节点集合元素数目N_T；

2)确定光伏接入位置，从N_T个可接入光伏母线集合B_PV中选取N_PV个母线用于实际光伏接入，建立配电网参数，建立统一的配电网模型；

3)对N_PV个节点的光伏接入容量按照光伏渗透率百分比R_PV依次增加，即各节点光伏安装容量为：

其中，L_j为节点j的有功负荷，j＝1,2,…,N_PV；

然后按照接入位置形成光伏接入有功增量序列ΔP，通过一次潮流计算得到电压灵敏度矩阵，计算系统在不同光伏渗透率下各节点电压，得到不同场景下在电压安全约束范围内允许的可安装光伏的最大容量；

4)针对不同的电压越限情况，重复步骤1)—3)，记录并保存各场景下对应的光伏安装点接入容量及电压幅值；然后不断的模拟光储充一体机和分布式智能电容单元补偿后的情况，形成控制策略分析表，进行控制参数整定；

5)制定分布式智能电容单元和光储充一体机的控制策略，以及配置分布式智能电容器和光储充一体机的接入位置及容量。

前述的光储充一体机采用隐式Zbus高斯算法进行潮流计算，具体步骤如下：

a)初始化各节点电压；

b)根据各节点的负载、PV的有功和无功功率，以及电压形成导纳矩阵；

c)分离配电网的有源节点和其他节点，形成其他节点对应的Y₂₂及其因子表；所述有源节点为含PV和光储充一体机的节点；

d)根据各关键节点的电压和功率信息，计算其他节点电流注入向量I₂以及电压向量U₂；

e)判断各节点电压是否收敛，如果否的话，返回步骤d)重新计算；如果收敛，则判断各节点电压是否越限；

f)如果电压越限，则将所述步骤d)计算的其他节点的电压向量作为源节点的电压向量；然后返回步骤d)重新计算；直到满足电压约束的功率情况，形成光储充一体机上网有功和无功功率，以及分布式智能电容单元的无功补偿量。

前述的步骤d)中，其他节点电流注入向量I₂和电压向量计算如下：

其中，I₁、U₁为有源节点的电流向量和电压向量，I₂、U₂为其他节点的电流注入向量和电压向量，Y₁₁，Y₁₂，Y₂₁，Y₂₂为导纳矩阵元素。

前述的光储充一体机上午10点至下午14点，每个小时进行一次潮流计算，其余时间每隔2小时进行一次潮流计算。

本发明所达到的有益效果为：

1)、充分利用部分光伏接入的光储充一体机，可以通过有功和无功联合调节有效控制并网点的电压；

2)、利用电压灵敏度参数配置方法，可以优化各装置补偿容量；

3)、通过在线潮流计算调整各装置的补偿量，维持台区电压稳定；

4)、利用有序的柔性负载控制，同时实现电能质量治理和能量平衡；

5)、所有控制依靠电力线载波自动完成，配电网动态过程平稳。

附图说明

图1为本发明的电能质量管理系统图；

图2为本发明的光储充一体机原理图；

图3为本发明的光储充一体机功率流图；(a)为光伏的发电功率小于直流负载功率情况一，(b)为光伏的发电功率小于直流负载功率情况二，(c)为光伏的发电功率大于直流负载功率情况一，(d)为光伏的发电功率大于直流负载功率情况二；

图4为本发明的隐式Zbus高斯算法的原理图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，包含一个光储充一体机，以及多个关键节点分布放置的智能电容单元。关键节点是指电压灵敏度系数较高的位置。光储充一体机内置通讯管理机，所述通讯管理机与放置在关键节点的分布式智能电容单元通过电力线载波通讯。光储充一体机为控制核心，定时检测关键节点的电压，同时完成潮流计算并下发智能电容单元无功补偿指令。

如图2所示，光储充一体机包括一个光伏BOOST变流器，一个DC-AC并网逆变器，一个BUCK-BOOST电池变流器，以及一个隔离DC-DC柔性直流负载模块。光伏BOOST变流器的输入端连接光伏电池阵列，输出连接公共直流母线；BUCK-BOOST电池变流器的输入连接蓄电池的正负极，输出连接公共直流母线；隔离DC-DC柔性直流负载模块的输入为公共直流母线，另一端连接直流负载；此外，公共直流母线还连接至DC-AC并网逆变器的直流端口。

光伏BOOST变流器通过MPPT控制策略跟踪光伏最大功率，实现最大可能的发电。BUCK-BOOST电池变流器实现储能系统内蓄电池的充放电和电压变换，同时根据自身SOC和能量流向的约束式(1)，实现光储充一体机内部的能量平衡式(2)。

其中，E_B表示蓄电池储能系统的额定容量；E_t表示t时刻的蓄电池储能系统的容量；E_t+1表示t+1时刻的蓄电池储能系统的容量；Δt表示t+1时刻和t时刻之间的时间差；表示t时刻的蓄电池储能系统的充电功率；/>表示t时刻的蓄电池储能系统的放电功率；η_C表示充电效率；η_D表示放电效率；D表示最大放电深度；δ_S表示自放电率。

P_PV,t+P_ESS,t+P_G,t＝P_load,t+P_loss,t (2)

其中，P_PV,t表示t时刻的PV出力；P_ESS,t表示t时刻蓄电池储能系统的出力，正值对应放电功率，负值对应充电功率；P_G,t表示t时刻与配电网的交换功率；P_load,t表示t时刻直流负载的功率；P_loss,t表示t时刻系统的损耗。

隔离DC-DC柔性直流负载模块则根据光伏功率、并网有功和储能电池SOC的差，实现有序的对柔性负载供电，平衡功率差，其核心目的是在配电网电能质量约束下，保持光伏最大功率发电，维持电池SOC正常，满足经济性和电能质量双重目标。在上述目标确定前提下，光储充一体机最终通过DC-AC并网逆变器有功和无功的联合控制节点电压，维持光储充一体机公共直流母线电压稳定，保证台区交流电压在安全范围内。

光储充一体机内包含一个潮流计算程序，首先根据收集的各关键节点的电压和功率信息，实时计算各关键节点的电压分布情况；然后通过不断的迭代演算，制定光储充一体机上网有功和无功功率，智能电容器的无功补偿量，实现满足约束条件对节点电压的控制，保证电压限制在安全范围内。

各智能电容单元的无功补偿量由光储充一体机核心单元计算，并通过电力线载波通讯下发，各智能电容单元的MCU根据下达指令实现无功补偿；同时，该智能电容单元的MCU采集智能电容单元的电压电流信号，并回传上述信息至光储充一体机通讯管理机，最终传送至光储充一体机潮流计算程序。

光储充一体机和分布式智能电容单元的放置位置由配电网固定参数形成的台区电压灵敏度参数决定，并根据现有光伏并网逆变器的容量、智能电容器容量和配电网电压范围等约束条件确定最优的光储充一体机位置和容量配置。

在包含分布式能源的配电网，如下式(3)、(4)所示，配电网节点电压和配电网的参数与运行参数有关，因此，通过控制光伏逆变器的并网功率和无功补偿，可有效地抑制电网电压的波动范围。

其中，V_i表示节点i的电压，V_i ⁰表示节点i的初始电压，表示节点电压-有功灵敏度矩阵中第j个节点的有功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔP_j表示节点j的有功变化量，/>表示节点电压-无功灵敏度矩阵中第j个节点的无功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔQ_j表示节点j的无功变化量，ΔU_iP表示有功功率引起的节点i的电压变化量，ΔU_iQ表示无功功率引起的节点i的电压变化量，i＝1,2,…,N，N表示配电网系统节点个数，j＝1,2,…,N_PV，N_PV表示配电网系统中PV节点个数。

为有效地确定实际光伏接入案例下，光储充一体机最优的位置和容量配置，本发明根据光伏节点个数、接入位置及光伏安装容量模拟不同的光伏渗透率场景，通过电压灵敏度系数制定智能电容器和光储充一体机的控制策略，以及配置智能电容器和光储充一体机的接入位置及容量，具体步骤如下：

1)根据系统情况确定配电系统中已安装光伏母线集合确定接入光伏的节点集合元素数目N_T(N_T为常数)。

2)确定光伏接入位置，从N_T个可接入光伏母线集合B_PV中选取N_PV(N_PV∈[1,N_T])个母线用于实际光伏接入，建立配电网参数，建立统一的配电网模型。

3)对这N_PV个节点的光伏接入容量按照光伏渗透率百分比R_PV(0-100％)依次增加，即各节点光伏安装容量为L_j为节点j的有功负荷，j＝1,2,…,N_PV。并按照接入位置形成光伏接入有功增量序列ΔP，通过一次潮流计算得到电压灵敏度矩阵式(4a)和(4b)，根据式(3)计算系统在不同光伏渗透率下各节点电压幅值，得到不同场景下在电压安全约束范围内允许的可安装光伏的最大容量。

4)针对不同的电压越限情况，重复步骤1)—3)，进行多个场景模拟。即重复抽样确定智能电容器接入和光储充一体机补偿容量，计算不同光伏安装场景下系统电压水平，记录并保存各场景下对应的光伏安装点接入容量及电压幅值；然后不断的模拟光储充一体机和智能电容器补偿后的情况，形成控制策略分析表，进行控制参数整定。

5)根据上述结论，制定智能电容器和光储充一体机的控制策略，以及配置智能电容器和光储充一体机的接入位置及容量。

如图3(a)-(d)所示，实际运行的光储充一体机共有4种功率流模式：1)光伏的发电功率小于直流负载功率，且此时电网仅通过无功调节能满足电压质量要求，剩余功率由电网提供；2)光伏的发电功率小于直流负载功率，但此时的配电网电能质量较差，此时并网逆变器主要通过无功调节满足电压质量要求，在电池容量充裕的前提下，剩余功率由电池提供；3)光伏的发电功率大于直流负载功率，但此时的配电网电能质量较差，此时并网逆变器主要通过无功调节满足电压质量要求，在电池容量较低的前提下，剩余功率由电池吸收；4)光伏的发电功率大于直流负载功率，且此时电网通过有功和无功同时调节能满足电压质量要求，剩余功率上传电网，该模式为光储充一体机的主要运行模式。

I＝YU(5)

其中，I₁、U₁为源节点的电流和电压向量，I₂、U₂为其他节点的电流和电压向量。

光储充一体机内的潮流计算程序，上午10点至下午14点，每个小时计算一次，形成光储充一体机上网有功和无功功率，以及智能电容器的无功补偿量；其余时间每隔2小时计算一次，夜间可忽略光伏的发电功率。

本发明采用隐式Zbus高斯算法进行潮流计算，具体步骤如图4所示：

41)初始化各节点电压；

42)根据各节点的负载、PV的有功和无功功率，以及电压形成导纳矩阵；

43)分离配电网的有源节点和其他节点，形成其他节点对应的Y₂₂及其因子表；定义含PV和一体机的节点为有源节点；

44)根据收集的各关键节点的电压和功率信息，根据式(5)至式(7)计算其他节点电流注入向量I₂，实时计算各节点电压分布情况；

45)判断各节点电压是否收敛，如果否的话，返回步骤44)重新计算；如果收敛，则判断各节点电压是否越限；电压大于120％或小于80％为越限；

46)如果电压越限，用t时刻式(7)的计算结果修正源节点的电压向量U₂；然后返回步骤44)重新计算；直到满足电压约束的功率情况，制定光储充一体机上网有功和无功功率，以及智能电容单元的无功补偿量，实现满足约束条件对节点电压的控制，保证电压限制在安全范围内。

上述光伏台区电能质量治理方案，通过柔性直流负荷和储能的协调控制，不仅提高了光伏消纳能力和配电网运行效率，而且有效的控制了储能的配置成本；同时还实现了配电网网络的电压控制，非常适合于含光伏的农村配电网电能质量治理领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，包括一个光储充一体机，以及多个关键节点放置的分布式智能电容单元；所述光储充一体机内置通讯管理机，所述通讯管理机与所述分布式智能电容单元通过电力线载波通讯；所述光储充一体机定时检测关键节点的电压，进行潮流计算并下发分布式智能电容单元无功补偿指令；

所述光储充一体机包括一个光伏BOOST变流器，一个DC-AC并网逆变器，一个BUCK-BOOST电池变流器，以及一个隔离DC-DC柔性直流负载模块；所述光伏BOOST变流器通过MPPT控制策略跟踪光伏最大功率；所述BUCK-BOOST电池变流器实现蓄电池储能系统内蓄电池的充放电和电压变换，同时根据自身SOC和能量流向的约束，实现光储充一体机内部的能量平衡；所述隔离DC-DC柔性直流负载模块根据光伏功率、并网有功和蓄电池SOC的差，实现有序的对柔性负载供电；

所述光储充一体机内包含一个潮流计算程序，所述潮流计算程序根据各关键节点的电压和功率信息，实时计算各关键节点的电压分布情况，进行潮流计算得到分布式智能电容单元的无功补偿量；

所述实时计算各关键节点的电压分布情况如下：

电压灵敏度矩阵如下：

其中，V_i表示节点i的电压，V_i ⁰表示节点i的初始电压，表示节点电压-有功灵敏度矩阵中第j个节点的有功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔP_j表示节点j的有功变化量，表示节点电压-无功灵敏度矩阵中第j个节点的无功功率对第i节点电压变化的一个系数，ΔQ_j表示节点j的无功变化量，ΔU_iP表示有功功率引起的节点i的电压变化量，ΔU_iQ表示无功功率引起的节点i的电压变化量，i＝1,2,…,N，N表示配电网系统节点个数，j＝1,2,…,N_PV，N_PV表示配电网系统中PV节点个数；

所述进行潮流计算得到分布式智能电容单元的无功补偿量如下：

a)初始化各节点电压；

b)根据各节点的负载、PV的有功和无功功率，以及电压形成导纳矩阵；

c)分离配电网的有源节点和其他节点，形成其他节点对应的Y₂₂及其因子表；所述有源节点为含PV和光储充一体机的节点；Y₂₂为导纳矩阵元素；

d)根据各关键节点的电压和功率信息，计算其他节点电流注入向量I₂以及电压向量U₂；

e)判断各节点电压是否收敛，如果否的话，返回步骤d)重新计算；如果收敛，则判断各节点电压是否越限；

f)如果电压越限，则将所述步骤d)计算的其他节点的电压向量作为源节点的电压向量；然后返回步骤d)重新计算；直到满足电压约束的功率情况，形成光储充一体机上网有功和无功功率，以及分布式智能电容单元的无功补偿量。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述分布式智能电容单元的放置位置由台区电压灵敏度参数决定，按照台区电压灵敏度参数从高至低的节点选取。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述光伏BOOST变流器的输入端连接光伏电池阵列，输出连接公共直流母线；所述BUCK-BOOST电池变流器的输入连接蓄电池的正负极，输出连接公共直流母线；所述隔离DC-DC柔性直流负载模块的输入为公共直流母线，另一端连接直流负载；所述公共直流母线连接至DC-AC并网逆变器的直流端口。

4.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述光储充一体机内部的能量平衡满足：

P_PV,t+P_ESS,t+P_G,t＝P_load,t+P_loss,t

其中，P_PV,t表示t时刻的PV出力，P_ESS,t表示t时刻蓄电池储能系统的出力，正值对应放电功率，负值对应充电功率，P_G,t表示t时刻与配电网的交换功率，P_load,t表示t时刻直流负载的功率，P_loss,t表示t时刻系统的损耗；

需满足的约束条件为：

其中，E_B表示蓄电池储能系统的额定容量，E_t表示t时刻的蓄电池储能系统的容量，E_t+1表示t+1时刻的蓄电池储能系统的容量，Δt表示t+1时刻和t时刻之间的时间差，表示t时刻的蓄电池储能系统的充电功率，/>表示t时刻的蓄电池储能系统的放电功率，η_C表示充电效率，η_D表示放电效率，D表示最大放电深度，δ_S表示自放电率。

5.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述光储充一体机和分布式智能电容单元的接入位置及容量，采用以下方式确定：

1)确定配电系统中已安装光伏母线集合：确定接入光伏的节点集合元素数目N_T；

2)确定光伏接入位置，从N_T个可接入光伏母线集合B_PV中选取N_PV个母线用于实际光伏接入，建立配电网参数，建立统一的配电网模型；

3)对N_PV个节点的光伏接入容量按照光伏渗透率百分比R_PV依次增加，即各节点光伏安装容量为：

其中，L_j为节点j的有功负荷，j＝1,2,…,N_PV；

然后按照接入位置形成光伏接入有功增量序列ΔP，通过一次潮流计算得到电压灵敏度矩阵，计算系统在不同光伏渗透率下各节点电压，得到不同场景下在电压安全约束范围内允许的可安装光伏的最大容量；

4)针对不同的电压越限情况，重复步骤1)-3)，记录并保存各场景下对应的光伏安装点接入容量及电压幅值；然后不断的模拟光储充一体机和分布式智能电容单元补偿后的情况，形成控制策略分析表，进行控制参数整定；

5)制定分布式智能电容单元和光储充一体机的控制策略，以及配置分布式智能电容器和光储充一体机的接入位置及容量。

6.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述步骤d)中，其他节点电流注入向量I₂和电压向量计算如下：

其中，I₁、U₁为有源节点的电流向量和电压向量，I₂、U₂为其他节点的电流注入向量和电压向量，Y₁₁，Y₁₂，Y₂₁，Y₂₂为导纳矩阵元素。

7.根据权利要求1所述的一种基于电压灵敏度配置的光伏台区电能质量治理系统，其特征在于，所述光储充一体机上午10点至下午14点，每个小时进行一次潮流计算，其余时间每隔2小时进行一次潮流计算。