CN110311374B - 泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法 - Google Patents

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Abstract

泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，包括以下步骤：步骤1：建立基于泛在电力物联网的电能质量PQ运行架构；步骤2：建立基于设备改进的混合动力系统，对电能质量PQ扰动进行治理；步骤3：建立基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法。该方法提出了PQ扰动经济评估，对三类典型电能质量问题进行建模分析，PQ治理经济评估对设备的初始投资及后期维护费用进行了估计，且在线路侧降低了常见扰动发生的概率。同时，该方法以净现值为目标函数，为用户提供了自主选择用能套餐的标准。

Description

泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法
技术领域
本发明涉及电能质量扰动治理及经济运行方法，具体是一种泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法。
背景技术
随着全球能源转型，新能源将逐步取代传统能源发电，清洁、可再生能源是降低用能成本的重要因素。在大幅度降低开发成本的同时，通过新的技术和先进交易方式，提高新能源利用率，提供低成本、高质量电能。为此，国家电网有限公司提出建设“泛在电力物联网”，将传统电网向能源互联网转型。电能质量技术经济运行的基础建立在提供不同水平的电能质量给用户选择，故而电能质量治理尤为重要，电能质量的治理主要分为：通过算法优化系统参数适用于针对某一类PQ扰动的治理改善，难以对多类PQ扰动同时改善。硬件拓扑设计改善电能质量通过将输出电压和频率保持在较为满足的范围内，缺点是硬件设计实现较难。优化的PQ缓解策略对电能质量进行治理，从多方面考虑由不同扰动带来的PQ问题的解决方案。
发明内容
本发明提供一种泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，基于用户侧的PQ经济运行方法，该方法提出了PQ扰动经济评估，对三类典型电能质量问题进行建模分析，PQ治理经济评估对设备的初始投资及后期维护费用进行了估计，且在线路侧降低了常见扰动发生的概率。同时，该方法以净现值为目标函数，为用户提供了自主选择用能套餐的标准。
本发明采取的技术方案为：
泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于泛在电力物联网的电能质量PQ运行架构；
步骤2：建立基于设备改进的混合动力系统，对电能质量PQ扰动进行治理；
步骤3：建立基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法。
步骤1中，所述电能质量PQ运行架构包括：
感知层，进行信息采集；
网络层，进行信息传输；
平台层，建立常态数据治理平台；
应用层，对信息整合、管理、分析；
运行架构还包括：
网络侧，对设备进行电能质量PQ扰动治理；
用户侧，自主选择用能套餐、自主选择治理方案。
步骤2中，混合动力系统为包含光伏、风能的单机母线系统，该系统的切断和连接利用公共连接点PCC处岛互连装置。
该混合动力系统包含风能及光伏系统，其中混合动力系统中DVR、SAPF将治理后的信号通过PCC连接点处的岛互连装置与负载侧连接作为整个系统的输出信号。其中岛互连装置为：允许分布式能源与电力系统分离的设备。该装置提供正常并联装置的功能，使得分布式能源与系统重新连接。岛互连装置为IEEE std 1547.4-2011标准中所述。
步骤2中，混合动力系统连接有并联型有源滤波器SAPF、动态电压调节器DVR；
并联型有源滤波器SAPF，用于对光伏产生的电能质量PQ扰动进行治理；
将谐波控制器通过脉冲宽度调制作为SAPF的输入端信号，对光伏系统输出电能质量进行改善。
动态电压调节器DVR，用于风能系统产生的电能质量PQ扰动进行治理。
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机(PMSG)转子相连，通过调节螺旋角和确定叶尖速比提取最大功率，输出依次接入发电机侧整流器，升压降压转换器，负载侧转换器与动态电压调节器DVR连接。
步骤2中，风能采用叶尖速比、光伏采用扰动观测技术，应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率；
由光伏系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为谐波，由风能系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为电压波动和三相不平衡；
风能采用叶尖速比,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
涡轮从风力中获取的机械功率由式(1)给出：
式(1)中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，v为风速(m/s)，Cp(β,λ)为风力发电机的功率系数。叶尖速比λ如式(2)所示：
其中，Ωt为涡轮转速(rad/s)，R为涡轮叶片半径(m)，v为风速(m/s)，e为自然对数。此外，风力系数主要取决为螺旋角β和叶尖速比λ，如式(3)所示：
其中λi代表i时刻叶尖速比。
为确保最大功率点跟踪控制，涡轮转速必须随风速变化，使得最佳叶尖速比(λopt)保持在最佳值，为此，涡轮机的最大跟踪功率Pm.max如式(4)所示：
其中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，R为涡轮叶片半径(m)，CP.max为风力发电机的最大功率系数，Ωt.opt为最佳涡轮转速，λopt为最佳叶尖速比。
最大转矩Γm.max如式(5)所示：
其中Ωt.opt为最佳涡轮转速，Pm.max为最大跟踪功率。
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机PMSG转子相连，变速箱使风机的低转速Ωt与永磁同步发电机PMSG的快速驱动轴Ωg相适应。变速箱模型如式(6)所示：
Ωg＝GΩt (6)
式(6)中，G为齿轮箱的传动比，Ωt为风机的低转速，Ωg为PMSG的高转速。为了提取最大功率，在可变风速情况下，调节发动机的转速，使叶尖比速保持在最佳值λopt＝8.1，螺旋角β为零。
光伏采用扰动观测技术,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
光伏阵列块由光伏组件构成。阵列由串并联的模块组成，单个的光伏电池电气模型如附图1所示。电流源Iph表示电池的光电流，Rsh和rs分别是电池的并联电阻和串联电阻。
在二极管等效模型中电流和电压之间的数学关系如式(7)所示：
二极管热电压如式(8)所示：
对于串联的Ns模块和并联Np模块组成的光伏阵列，PV电流(Ipv)和PV电压(Vpv)如式(9)和式(10)所示：
Rse和Rpe分别是等效串联电阻和并联电阻，NS为二极管的理想因子。
光伏采用扰动观测的MPPT是通过将光伏板的终端电压调整到最大功率点电压(Vmpp)来实现的，当光照强度为200-1000W/m2时,Vmpp变化范围为718-733V。
步骤3中，基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法包含PQ扰动经济评估、PQ治理经济评估、PQ经济运行方法三部分；
所述PQ扰动经济评估包括电压暂降、三相不平衡、谐波经济损失评估；
电压暂降经济损失评估为：
电压暂降给用户带来的经济损失主要是后续工艺跳闸造成，在评估发生工艺跳闸的可能性时，通过对范围内工业跳闸失败的次数估计跳闸失败的概率，以及跳闸失败造成的经济损失。由电压暂降造成的经济损失为工艺跳闸损失与跳闸过程失败的风险乘积。
电压暂降经济损失＝跳闸失败损失×过程失败概率；
三相不平衡经济损失评估包括：
热应力引起的设备老化评估：
由式(11)中得到：
L＝L0'e-(Bcθ) (11)
其中L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命，B表示为B＝E/K的材料的常数，E为老化反应的活化能(焦耳/摩尔)，K为气体常数，cθ＝1/θ0-1/θ，θ为不平衡时的工作温度，θ0为参考温度。由于三相电压不平衡Vas造成的感应电机绕组温度变化近似可以看做由于设备更换和设备损坏造成的工艺中断，电机使用寿命的降低会导致经济损失。由设备老化而产生的成本损失由式(12)给出。其中C为设备费用损失，Cre为更换电机的成本，L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命。
C＝(L'0-L)/L'0×Cre (12)
谐波经济损失评估包括：
波形畸变造成的经济损失评估标准.由谐波引起的电机损耗如式(13)所示。
式(13)中，Vh为h阶电压谐波，和分别表示电机在h次谐波处的等效阻抗和电阻，为基频处的铁芯损耗，mM是数值系数。谐波畸变还会在电气设备的绝缘材料中引起额外的电应力和热应力，电热寿命模型可以用式(14)表示。
其中L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命，Kp是电压波形的峰值因数，Vp为畸变电压值，为基本电压峰值，np为畸变波形形状相关系数，cθ＝1/θ0-1/θ。θ为不平衡时的工作温度，θ0为参考温度，e为自然对数。
所述PQ治理经济评估包括：
对设备的成本包括投资成本和建造成本进行估计，如式(15)-(17)所示。
其中，￥为花费金额(人民币)，MVAr为无功功率，SSTAT、SDVR、SSAPF分别代表STATCOM、DVR、SVC的大小。
所述PQ经济运行方法包括：
以净现值NPV为目标函数，针对不同需求的用户，提供了收益-时间曲线，使得用户在有限的使用寿命周期内选择收益最大的套餐。
净现值法考虑评价货币时间价值所需的通货膨胀(以i表示)、贴现率(以r表示)和升级率(以e表示)等因素，净现值(NPV)可用式(18)计算。
其中，CI表示初始资本投入(通常为负数)，Ctb表示在t时段开始时发生的效益成分(解决方案安装后的原始成本与剩余成本之差)，Ctc表示在时间段开始时发生的成本构成(年度维护成本，通常为负数)。
本发明一种泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，技术效果如下：
1)、提出一种电能质量PQ运行架构，为泛在电力物联网的运行提供了一定的思路。
2)、设计了一种基于设备改进的混合动力系统，对新能源接入产生的电能质量扰动进行治理，在负荷侧提供高水平的电能质量，总谐波畸变率低至2.05％，符合IEEE-519对于电能质量的要求。
3)、建立了典型电能质量PQ扰动的成本模型，以层次分析为手段，对PQ扰动、治理、运行进行经济性评估，提供不同等级的PQ套餐供用户选择。
4)、该方法旨在根据不同区域不同用户选择更优方案。从而促进新能源消纳，为电网及用户双方带来收益。
5)、本发明提出一种泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，旨在解决由新能源接入情况下产生的多类PQ扰动问题，为用户提供不同等级PQ套餐。
附图说明
图1为二级管光伏电池模型图。
图2为本发明的电能质量经济技术运行框图。
图3为发明的混合动力系统模型示意图。
图4为发明的混合动力系统PQ扰动曲线图。
图5为发明的非线性负载侧电流谐波畸变率曲线图。
图6为发明的线性负载侧电流谐波畸变率曲线图。
图7为发明的PQ经济运行方法示意图。
图8为湖北省电网互联结构示意图。
具体实施方式
一种泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，在该方法下，能够促进新能源消纳，节约资源，保护环境。在提供优质电能质量的基础上满足用户自主选择用能套餐，实现电网侧与用户侧的互动互联。首先，在泛在电力物联网下建立了电能质量运行机制，设计了基于风能和光伏的混合动力系统PQ治理方案，通过SAPF对光伏产生的谐波进行滤波，通过DVR针对风能系统产生的电压波动和三相不平衡进行治理。仿真结果表明，该方案能够针对新能源及传统非线性负载带来的PQ扰动进行有效的治理，在负荷侧提供高水平的电能质量，总谐波畸变率低至2.05％，符合IEEE-519对于电能质量的要求。
泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于泛在电力物联网的电能质量PQ运行架构；
步骤2：建立基于设备改进的混合动力系统，对电能质量PQ扰动进行治理；
步骤3：建立基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法。
步骤1中，所述电能质量PQ运行架构包括：
感知层，进行信息采集：
感知层主要以智能传感设备为基础，将泛在电力物联网的末端信息进行采集和上传。包括设备运行环境、设备运行状态、设备自身信息等，是实现平台层处理和应用层服务的数据基础来源。随着技术更新，传感设备未来将朝着小型化、集成化、高安全、抗干扰方向继续发展。
网络层，进行信息传输：
网络层是泛在电力物联网业务数据传输的通道。泛在电力物联网建设网络层的重点将落在提高网络覆盖，提高网络资源调配能力，增强网络带宽。面向发电、输电、变电、配电等环节，进一步提升电网设备精细化管理水平，提升电网末端设备的接入能力，以及提升电网时间同步的可靠性。
平台层，建立常态数据治理平台：
建设一体化平台是平台层的关键步骤，能够促进实现设施、数据、服务、应用一体化，使得资源利用率提升，运维成本降低。而全业务统一数据中心则为数据的进一步发展和完善提供了一种途径.包括数据处理域、数据分析域和数据管理域三部分，通过强化数据模型、丰富数据资源、提升数据质量建立常态数据治理机制，促进数据分析应用。
应用层，对信息整合、管理、分析：
应用层在提升客户服务水平、提升企业经营绩效、提升电网安全经济运行水平、促进清洁能源消纳、打造智慧能源综合服务平台、培育发展新兴业务、构架能源生态体系、打造数据共享服务、夯实基础支撑能力等方面具有明显的提升效果
运行架构还包括：
网络侧，对设备进行电能质量PQ扰动治理；
网络侧通过对电能质量的治理改善，为用户侧自主选择不同等级PQ套餐提供了基础。本发明提出了针对风能系统和光伏系统的PQ扰动改善措施，具体表现为利用DVR改善由风能系统产生的电压波动及三相不平衡，SAPF改善由光伏系统产生的谐波，设计了改进的混合动力系统模型，同时对包含风能及光伏能源的单机系统进行治理，使得输出负载侧具有良好的电能质量。
用户侧，自主选择不同等级电能质量PQ套餐、自主选择电能质量PQ治理方案：
基于用户侧的PQ经济运行方法旨在提供不同的PQ套餐，供用户根据自身需求进行选择，不同PQ等级的套餐对应的电价也会有所差异.差异化的电价完全取决于PQ评估的费用以及网络侧治理PQ所花费的费用，将提供各类套餐的收益作为最终用户选择的依据。
步骤2中，混合动力系统为包含光伏、风能的单机母线系统，该系统的切断和连接利用公共连接点PCC处岛互连装置。
该混合动力系统包含风能及光伏系统，其中混合动力系统中DVR、SAPF将治理后的信号通过PCC连接点处的岛互连装置与负载侧连接作为整个系统的输出信号。其中岛互连装置为：允许分布式能源与电力系统分离的设备。该装置提供正常并联装置的功能，使得分布式能源与系统重新连接。岛互连装置为IEEE std 1547.4-2011标准中所述。
步骤2中，混合动力系统连接有并联型有源滤波器SAPF、动态电压调节器DVR；
并联型有源滤波器SAPF，用于对光伏产生的电能质量PQ扰动进行治理；
将谐波控制器通过脉冲宽度调制作为SAPF的输入端信号，对光伏系统输出电能质量进行改善。动态电压调节器DVR，用于风能系统产生的电能质量PQ扰动进行治理。
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机(PMSG)转子相连，通过调节螺旋角和确定叶尖速比提取最大功率，输出依次接入发电机侧整流器，升压降压转换器，负载侧转换器与动态电压调节器(DVR)连接。
设计的混合动力系统加入了并联型有源滤波器SAPF和动态电压调节器DVR，对电能质量进行改进。
混合动力系统包含风能及光伏系统，其中，风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机(PMSG)转子相连，通过调节螺旋角和确定叶尖速比提取最大功率，输出依次接入发电机侧整流器，升压降压转换器，负载侧转换器与动态电压调节器(DVR)连接。将谐波控制器通过脉冲宽度调制作为SAPF的输入端信号，对光伏系统输出电能质量进行改善。混合动力系统中DVR、SAPF将治理后的信号通过PCC连接点处的岛互连装置与负载侧连接作为整个系统的输出信号。其中岛互连装置为：允许分布式能源与电力系统分离的设备。该装置提供正常并联装置的功能，使得分布式能源与系统重新连接。
并联型有源滤波器SAPF通过谐波控制器利用脉冲宽度调制作为SAPF的输入端信号，输出端连接电感以提高信号稳定性。整个光伏系统作为混合动力系统的电源连接在一次侧，并于PCC处与负载侧连接。
其中，并联型有源滤波器SAPF利用直流侧电压测量传感器和大电容，可以避免两个级联控制回路的组合。如图3所示，在单机混合动力系统中，必须使用储能装置，以保持发电和负载功率之间的功率平衡，非线性负载的谐波电流仅占总功率的一小部分，为了避免使用另一个储能系统和额外的升压降压转换器增加系统的成本，将并联型有源滤波器SAPF输出端子直接连接到混合动力系统的PCC处直流母线上，并与非线性负载侧电压测量传感器和大电容相连。不仅增加SAPF直流侧功率还可以减小电容直流电压的叠加纹波，提高补偿性能。
动态电压调节器DVR处于混合动力系统的风能系统负载转换器与PCC处负荷侧中间。通过风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机(PMSG)转子相连，通过调节螺旋角和确定叶尖速比提取最大功率，输出依次接入发电机侧整流器，升压降压转换器，负载侧转换器与动态电压调节器(DVR)连接。
动态电压调节器DVR控制系统通过计算所需电压来保护敏感负载电压，而敏感负载是由具有正确幅值和相位角的正弦脉宽调制技术来调节的。
利用并联型有源滤波器SAPF对光伏产生的PQ扰动进行治理。
为了消除由光伏系统带来的谐波污染，并联型有源滤波器SAPF采用时域同步坐标系，也称为d-q坐标系理论方法来识别谐波电流。采用Park变换将非线性负载电流inl_abc转换为其d-q分量即inl_dq，为了将谐波电流与基本分量分离，并联型有源滤波器SAPF采用二阶低通滤波器，将得到的参考谐波电流分量转换为三相等效分量为了减小直流环节电压偏差，采用电容和电压传感器分离控制谐波，SAPF相位的控制减小了谐波电流，直流侧电压由降压变换器来调节。
动态电压调节器DVR对风能系统产生的PQ扰动进行治理。
DVR的主要目的是在电压恒定值下保护敏感负载电压VL的大小。矢量VL和VS存在θ夹角，因此，在给定源电压VS上注入一定的电压VC，关键在于如何确定敏感负载电压的大小和合适的相角θ。
公式(19)描述了注入到变压器与线路的串联注入电压，而系统阻抗(Zth＝Rth+jXth)取决于负载总线的故障类型。当系统电压Vth下降时，DVR通过反相器注入一个串联电压VDVR，从而保持敏感负载所需的电压幅值VL。
VDVR＝VL+ZthIL-Vth (19)
式中，IL为负载电流。
从公式(20)可以看出当Ф＝θ时，PC取最小值.极性由VL和VS的值决定.
PC＝IL·[VL cos(Φ)-VScos(Φ-θ)] (20)
步骤2中，风能采用叶尖速比、光伏采用扰动观测技术，应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率；
由光伏系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为谐波，由风能系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为电压波动和三相不平衡；
风能采用叶尖速比,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
涡轮从风力中获取的机械功率由式(1)给出：
式(1)中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，v为风速(m/s)，Cp(β,λ)为风力发电机的功率系数。叶尖速比λ如式(2)所示：
其中，Ωt为涡轮转速(rad/s)，R为涡轮叶片半径(m)，v为风速(m/s)，e为自然对数。此外，风力系数主要取决为螺旋角β和叶尖速比λ，如式(3)所示：
其中λi代表i时刻叶尖速比。
为确保最大功率点跟踪控制，涡轮转速必须随风速变化，使得最佳叶尖速比(λopt)保持在最佳值，为此，涡轮机的最大跟踪功率Pm.max如式(4)所示：
其中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，R为涡轮叶片半径(m)，CP.max为风力发电机的最大功率系数，Ωt.opt为最佳涡轮转速，λopt为最佳叶尖速比。
最大转矩Γm.max如式(5)所示：
其中，Ωt.opt为最佳涡轮转速，Pm.max为最大跟踪功率。
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机PMSG转子相连，变速箱使风机的低转速Ωt与永磁同步发电机PMSG的快速驱动轴Ωg相适应。变速箱模型如式(6)所示：
Ωg＝GΩt (6)
式(6)中，G为齿轮箱的传动比，Ωt为风机的低转速，Ωg为PMSG的高转速。为了提取最大功率，在可变风速情况下，调节发动机的转速，使叶尖比速保持在最佳值λopt＝8.1，螺旋角β为零。
光伏采用扰动观测技术,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
光伏阵列块由光伏组件构成。阵列由串并联的模块组成，单个的光伏电池电气模型如附图1所示。电流源Iph表示电池的光电流，Rsh和rs分别是电池的并联电阻和串联电阻。
在二极管等效模型中电流和电压之间的数学关系如式(7)所示：
二极管热电压如式(8)所示：
对于串联的Ns模块和并联Np模块组成的光伏阵列，PV电流(Ipv)和PV电压(Vpv)如式(9)和式(10)所示：
Rse和Rpe分别是等效串联电阻和并联电阻，NS为二极管的理想因子。
光伏采用扰动观测的MPPT是通过将光伏板的终端电压调整到最大功率点电压(Vmpp)来实现的，当光照强度为200-1000W/m2时,Vmpp变化范围为718-733V。
步骤3中，基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法包含PQ扰动经济评估、PQ治理经济评估、PQ经济运行方法三部分；所述的PQ扰动经济评估对不同的PQ扰动建立独特的分析模型来评估其相应的经济损失。
所述PQ扰动经济评估包括电压暂降、三相不平衡、谐波经济损失评估。
电压暂降经济损失评估为：
电压暂降给用户带来的经济损失主要是后续工艺跳闸造成，在评估发生工艺跳闸的可能性时，通过对范围内工业跳闸失败的次数估计跳闸失败的概率，以及跳闸失败造成的经济损失。由电压暂降造成的经济损失为工艺跳闸损失与跳闸过程失败的风险乘积。
电压暂降经济损失＝跳闸失败损失×过程失败概率
三相不平衡经济损失评估包括：
热应力引起的设备老化评估：
由式(11)中得到：
L＝L0'e-(Bcθ) (11)
其中，L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命，B表示为B＝E/K的材料的常数，E为老化反应的活化能(焦耳/摩尔)，K为气体常数，cθ＝1/θ0-1/θ，θ为不平衡时的工作温度，θ0为参考温度。由于三相电压不平衡Vas造成的感应电机绕组温度变化近似可以看做由于设备更换和设备损坏造成的工艺中断，电机使用寿命的降低会导致经济损失。由设备老化而产生的成本损失由式(12)给出。其中C为设备费用损失，Cre为更换电机的成本，L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命。
C＝(L'0-L)/L'0×Cre (12)
谐波经济损失评估包括：
根据CIGRE/CIRED C4.107的波形畸变造成的经济损失评估标准。由谐波引起的电机损耗如式(13)所示。
式(13)中，Vh为h阶电压谐波，和分别表示电机在h次谐波处的等效阻抗和电阻，为基频处的铁芯损耗，mM是数值系数.谐波畸变还会在电气设备的绝缘材料中引起额外的电应力和热应力，CIGRE/CIRED C4.107推荐的简单电热寿命模型可以用式(14)表示。
其中，L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命，Kp是电压波形的峰值因数，Vp为畸变电压值，为基本电压峰值，np为畸变波形形状相关系数，cθ＝1/θ0-1/θ。θ为不平衡时的工作温度，θ0为参考温度，e为自然对数。
电机使用寿命的降低会导致经济损失。由设备老化而产生的成本损失由式(12)给出。其中C为设备费用损失，Cre为更换电机的成本，L0'为参考温度θ0下设备的使用寿命。
C＝(L'0-L)/L'0×Cre (12)
谐波扰动的经济损失评估参照公式(12)，与上述三相不平衡经济损失评估相同。
PQ扰动经济评估将上述各种PQ扰动造成的经济损失求和，并计算其净现值，CPQt为t时段不同的PQ扰动造成的成本之和，e、i、r分别为之前的升级率、通货膨胀率、贴现率。通过对不同地区发生不同扰动后给电网及用户侧造成的经济损失进行概算。
所述PQ治理经济评估包括：
对设备的成本包括投资成本和建造成本进行估计，如式(12)-(14)所示。
其中，￥为花费金额(人民币)，MVAr为无功功率，SSTAT、SDVR、SSAPF分别代表STATCOM、DVR、SVC的大小。
假设SAPF在设备使用周期内每年发生的维护费为其投资成本的5％，DVR、STATCOM维修费都为投资成本的10％。并提出基于线路侧的PQ治理方案。通过降低故障的严重程度，不仅能够降低故障率，还可以减轻电压暂降现象。通过减少故障清除时间可以降低故障的严重程度，即断路器的响应时间，或通过在网络周围设置故障电流限制器，包括滤波器，还可以通过布置线路电抗器，选择适当的变压器绕组连接，使用锯齿形和接地连接或变压器移相变压器来降低谐波。
所述PQ经济运行方法包括：
以净现值NPV为目标函数，针对不同需求的用户(普通居民、炼钢厂、行政机关)，提供了收益-时间曲线，使得用户在有限的使用寿命周期内选择收益最大的套餐。
净现值法考虑评价货币时间价值所需的通货膨胀(以i表示)、贴现率(以r表示)和升级率(以e表示)等因素，净现值(NPV)可用式(15)计算。
其中，CI表示初始资本投入(通常为负数)，Ctb表示在t时段开始时发生的效益成分(解决方案安装后的原始成本与剩余成本之差)，Ctc表示在时间段开始时发生的成本构成(年度维护成本，通常为负数)。
步骤4中，湖北电网模型计算中，仅将具有新能源发电的市区列举出来作为研究的主体。从8类指标对各区域进行模拟，其中，Ce为设备花费，仿真中以每类设备单机投资进行估计，Cl为线路侧花费。为了减少故障发生概率，所有区域均需花费。BPI和VUF均采用标幺值进行核算。UBPI为综合治理性能指标，若为1则代表治理效果最佳，即将所有扰动清除。UBPI为市调度处的平均值，阈值为1。
下面结合附图，对优选实例进行详细说明:
本发明光伏电池电气模型如图1所示，电能质量技术经济运行方法如图2所示，混合动力系统模型如图3所示，混合动力系统PQ扰动如图4所示，非线性负载侧电流谐波畸变率如图5所示，线性负载侧电流谐波畸变率如图6所示，PQ经济运行方法如图7所示，湖北省电网互联结构如图8所示。
本发明电能质量扰动治理的实现方式为：
由光伏系统带来的扰动特征主要表现为谐波，SAPF在本结构中将实现对谐波的治理效果，而风能系统给电网带来的PQ扰动主要变现为电压波动和三相不平衡，该混合动力系统中DVR部分将针对风能系统带来的扰动进行改善。将改进的混合动力系统作为网络侧基于设备的电能质量治理测试平台，以模拟新能源接入和常规PQ扰动情况下治理效果。
改进后的结构方案如图3所示。采用SAPF和DVR对包含光伏和风机的混合动力系统进行了设计。该系统由一台风力发电机驱动永磁同步发电机作为主要动力源，在转速为178rad/s，额定转矩为67.27N·m情况下，可产生12千瓦的电力，而最大光伏发电量约为5.3kW，光伏板串联的最大功率点电压(Vmpp)从718V到733V，光照强度从200到1000W/m2。直流母线电压为725V，三相线性负载和非线性负载与PCC连接，系统参数见表1所示。如图4所示，系统的总仿真时长为1.2s，主要涉及的PQ扰动为两部分，分别是风机和光伏所带来的。通过对PCC处的岛互连装置进行接入和断开操作，来模拟光伏和风机各自的扰动特征，以及所设计的不同技术对不同的故障进行诊断和治理。0.2s时刻光伏接入系统，SAPF进行工作。随后0.7s时刻风机在接入系统，DVR工作，总仿真时长为1.2s。
光伏系统与PCC处连接，作为混合动力系统的第二大电源，由于光伏的随机性和不稳定性，其产生的电能质量必定产生一些问题。在本部分中，光伏系统于0.2s时通过PCC处岛互连装置与系统连接，为敏感负荷提供电能。0.2s处光伏与系统连接瞬间电压发生抖动，随后产生大量谐波，谐波的含量已覆盖基波含量，通过对0.3s处的电压波形进行傅里叶变换，提取电压幅值畸变具体含量及相位偏差。结果如表2所示，采样间隔为5e-6s，基波为50Hz，总谐波畸变率(Tolal Harmonic Distortion,THD)为183.23％，主要分布在以25Hz、125Hz、200Hz、225Hz左右，含量最大的125Hz间谐波为144.97％，25Hz和225Hz含量分别为49.56％、40.79％。在谐波产生的瞬间，SAPF立即进入工作状态，减轻非线性负载引起的谐波电流，该滤波器在PCC基频处注入以谐波电流大小相同，但方向相反的电流，以保证输出以三相正弦形式。在该仿真中，DVR通过向PCC处注入功率来提供固定的电压和电流，使得风力发电机的功率变得稳定。风能系统在0.7s时刻接入测试系统，风能系统与PCC处连接的瞬间由于无功功率的需求变大。0.7s到1.0s之间电压信号发生了波动。可以发现，风能系统的突然接入为电网带来的影响包括电压暂降和三相不平衡。其中A相电压下降约为额定电压的60％，影响最大，B相电压幅值降低约为额定电压的40％，影响最小，C相电压的幅值在0.7s至0.8s下降70％，0.8s至1.0s电压值略微恢复总电压幅值下降约为25％，且系统中明显发生三相不平衡，可以看出风能系统的接入给系统带来的PQ扰动很大。通过DVR设备的介入，对于不同类型的PQ扰动，敏感负载的相角跳变或幅值变化，通过DVR不断地对敏感负载的电压暂降进行补偿。可以看出从1.0s后，电压幅值基本恢复正常水平。最后，通过对混合动力系统PCC的母线侧即线性负载的电流il和非线性负载电流inl做傅里叶变换求其相应的电流谐波畸变率THD。如图5所示，非线性负载侧的总电流谐波畸变率为2.05％，如图6所示，线性负载侧的总电流谐波畸变率为0.20％，可以从结果看出，总谐波畸变率非常低，符合IEEE-519标准要求，完全满足电网对于不同的敏感负荷变化量的需求，将输出的电能质量保持在期望值，从而验证了所提基于设备的网络侧治理方案在风能和光伏的混合动力系统下的有效性。
本发明中基于用户侧的PQ经济运行方法实现方式为：
1、PQ扰动经济评估：
在考虑PQ投资时，详细分析电压下降、三相不平衡和谐波对经济的影响是最为重要的，因为事实上电网侧发生这三类故障的概率最高，诸如上述的光伏风能系统为电网带来的PQ问题也是如此。经济影响可以通过确定由于各种PQ现象造成的损失来评估，考虑到现有的PQ问题的多样性，用户可根据以前发生不同类型PQ问题的概率以及由于设备的敏感性遭受的经济损失进行分类。因此需要对不同的PQ扰动建立独特的分析模型来评估其相应的经济损失。
2、PQ治理经济评估：
利用已有的成本记录，采用曲线拟合的方法得到相关设备包括静止无功补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)、DVR、SAPF等PQ治理设备的成本。配电网中发生的电压波动(包括电压暂降和中断)主要源自输配电网络中的短路故障。因此，可以通过降低故障发生的可能性来减轻这种类型的PQ扰动。表3提供了可以在关键位置(发生概率大的节点处)实现的PQ缓解方案，通过降低故障的严重程度，不仅能够降低故障率，还可以减轻电压暂降现象。通过减少故障清除时间可以降低故障的严重程度，即断路器的响应时间，或通过在网络周围设置故障电流限制器，包括滤波器，还可以通过布置线路电抗器，选择适当的变压器绕组连接，使用锯齿形和接地连接或变压器移相变压器来降低谐波。
3、PQ经济运行方法：
如图6所示为A、B两种不同PQ套餐的时间与未来收益曲线。其中早期投资E0包括设备购置费、后期维修费、线路侧提供的技术保护费用，收益为负数，PQ评价费用均针对三类主要扰动建模，花费一致。设备投入费用存在差异，不同技术则提供不同的PQ质量。由图7可知，收益曲线上升的速度与PQ扰动发生的概率相关，对于套餐A，前期PQ扰动发生的概率比后期大，而B则相反。故而在时间t1处套餐A达到收支平衡，套餐B收支平衡时间更晚为t2。当时间到达t3处时，套餐A和套餐B的收益一致，超过t3时，套餐B未来的收益将反超A套餐，属于长期类优化套餐。因此，针对不同需求的用户，可以根据使用年限确定选择适合自身的优化套餐。提供了收益-时间曲线，使得用户在有限的使用寿命周期内选择收益最大的套餐。
对湖北电网模型进行仿真分析有：
图8中展示为湖北省电网新能源发电分布图，将具有光伏和风能发电的市区标记出来。将新能源视为负荷扰动，采用随机脉冲负荷扰动(振幅:1000MW；脉冲宽度:600s；检测周期:600s；)和随机白噪声(噪声功率:10000；检测周期:60s；)来模拟电网中负荷扰动和不确定性。采用本发明所提电能质量技术经济运行方法对该模型进行仿真测试。
湖北电网模型在新能源接入和随机白噪声扰动下的仿真结果如表4所示。仅将具有新能源发电的市区列举出来作为研究的主体。从8类指标对各区域进行模拟，其中Ce为设备花费，仿真中以每类设备单机投资进行估计。Cl为线路侧花费，如表3所提，为了减少故障发生概率，所有区域均需花费。BPI和VUF均采用标幺值进行核算。UBPI为综合治理性能指标，若为1则代表治理效果最佳，即将所有扰动清除。所列UBPI为市调度处的平均值，阈值为1。
仿真结果表明，在采用本发明所提PQ技术经济运行方法后，具有光伏发电的市区其总谐波畸变率大约维持在2.39％-3.43％，而同时具备光伏和风能发电的区域其谐波畸变率较高为5.98％-7.32％，与实际情况相符，新能源将会给电网带来更为不利的影响。由风能带来的扰动主要为电压波动和三相不平衡，BPI采用标幺值，偏离越大则电压幅值波动越大，VUF为不平衡度，若为1则无不平衡发生。具有风能的区域其指标如表4所示。以净现值作为衡量本发明所提运行模式有效性的评价指标。所列市区分为两类，在仅含光伏的市区内采用相应治理策略，得到的年收益为19624万元，而对于既包含光伏又存在风能的区域，采用更多的治理设备及策略，在同等情况下能够治理更多的扰动，收益相对前者更高。故而，本发明所提PQ技术经济运行方法，旨在根据不同区域不同用户选择更优方案。从而促进新能源消纳，为电网及用户双方带来收益。
表1系统参数设置
表2FFT分析
表3线路侧PQ缓解方案
表4湖北电网模型下技术经济评定指标

Claims (3)

1.泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：建立基于泛在电力物联网的电能质量PQ运行架构；
步骤2：建立基于设备改进的混合动力系统，对电能质量PQ扰动进行治理；
步骤2中，混合动力系统为包含光伏、风能的单机母线系统，该系统的切断和连接利用公共连接点PCC处岛互连装置；
其中，混合动力系统中动态电压调节器DVR、并联型有源滤波器SAPF将治理后的信号，通过PCC连接点处的岛互连装置与负载侧连接，作为整个系统的输出信号；
其中，岛互连装置为允许分布式能源与电力系统分离的设备，该装置提供正常并联装置的功能，使得分布式能源与系统重新连接；
步骤2中，混合动力系统连接有并联型有源滤波器SAPF、动态电压调节器DVR；
并联型有源滤波器SAPF，用于对光伏产生的电能质量PQ扰动进行治理，将谐波控制器通过脉冲宽度调制，作为SAPF的输入端信号，对光伏系统输出电能质量进行改善；
动态电压调节器DVR，用于风能系统产生的电能质量PQ扰动进行治理；
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机PMSG转子相连，通过调节螺旋角和确定叶尖速比提取最大功率，输出依次接入发电机侧整流器，升压降压转换器，负载侧转换器与动态电压调节器DVR连接；
步骤3：建立基于用户侧的电能质量PQ经济运行方法。
2.根据权利要求1所述泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，其特征在于：
步骤1中，所述电能质量PQ运行架构包括：
感知层，将泛在电力物联网的末端信息进行采集和上传，末端信息包括设备运行环境、设备运行状态、设备自身信息，是实现平台层处理和应用层服务的数据基础来源；
网络层，进行信息传输，是泛在电力物联网业务数据传输的通道；
平台层，建立常态数据治理平台；
应用层，对信息整合、管理、分析；
运行架构还包括：
网络侧，对设备进行电能质量PQ扰动治理，为用户侧自主选择不同等级PQ套餐提供了基础；
用户侧，自主选择不同等级电能质量PQ套餐、自主选择电能质量PQ治理方案。
3.根据权利要求1所述泛在电力物联网电能质量技术经济运行方法，其特征在于：
步骤2中，风能采用叶尖速比、光伏采用扰动观测技术，应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率；
由光伏系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为谐波，由风能系统产生的电能质量PQ扰动主要表现为电压波动和三相不平衡；
风能采用叶尖速比,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
涡轮从风力中获取的机械功率由式(1)给出：
式(1)中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，v为风速(m/s)，Cp(β,λ)为风力发电机的功率系数；叶尖速比λ如式(2)所示：
其中，Ωt为涡轮转速(rad/s)，R为涡轮叶片半径(m)，v为风速(m/s)，e为自然对数；此外，风力系数主要取决为螺旋角β和叶尖速比λ，如式(3)所示：
其中λi代表i时刻叶尖速比；
为确保最大功率点跟踪控制，涡轮转速必须随风速变化，使得最佳叶尖速比(λopt)保持在最佳值，为此，涡轮机的最大跟踪功率Pm.max如式(4)所示：
其中，Pm为机械功率，ρ为空气密度(kg/m3),β为螺旋角，A为覆盖面积(m2)，R为涡轮叶片半径(m)，CP.max为风力发电机的最大功率系数，Ωt.opt为最佳涡轮转速，λopt为最佳叶尖速比；
最大转矩Γm.max如式(5)所示：
其中Ωt.opt为最佳涡轮转速，Pm.max为最大跟踪功率；
风力涡轮机轴通过变速箱与永磁同步发电机PMSG转子相连，变速箱使风机的低转速Ωt与永磁同步发电机PMSG的快速驱动轴Ωg相适应；变速箱模型如式(6)所示：
Ωg＝GΩt (6)
式(6)中，G为齿轮箱的传动比，Ωt为风机的低转速，Ωg为PMSG的高转速；为了提取最大功率，在可变风速情况下，调节发动机的转速，使叶尖比速保持在最佳值λopt＝8.1，螺旋角β为零；
光伏采用扰动观测技术,应用最大功率点跟踪MPPT控制策略提取可用的最大功率步骤如下：
光伏阵列块由光伏组件构成；阵列由串并联的模块组成，单个的光伏电池电气模型中，电流源Iph表示电池的光电流，Rsh和rs分别是电池的并联电阻和串联电阻；
在二极管等效模型中电流和电压之间的数学关系如式(7)所示：
二极管热电压如式(8)所示：
对于串联的Ns模块和并联Np模块组成的光伏阵列，PV电流(Ipv)和PV电压(Vpv)如式(9)和式(10)所示：
Rse和Rpe分别是等效串联电阻和并联电阻，NS为二极管的理想因子；
光伏采用扰动观测的MPPT是通过将光伏板的终端电压调整到最大功率点电压Vmpp来实现的。
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