CN110661288B - 一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，属于电力系统分析控制技术领域。该方法首先定义了含有高渗透率光伏发电的配电网电压控制的目标函数；接着确定目标函数的约束条件，之后对目标函数中的权重进行惩罚式的自适应调整，最后求解目标函数并进行控制，从而实现对光伏发电量和电压控制的优化和公平控制。本发明方法解决了含有大量光伏发电系统的配电网中电压安全问题，同时保证了系统的电压调节的责任的公平分配问题，能够最大化光伏发电的有功输出，易于推广应用。

Description

一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法

技术领域

本发明属于电力系统分析控制技术领域，具体涉及一种含有高渗透率光伏发电的配电网中兼顾经济性和公平性的电压控制方法。

背景技术

光伏发电在配电网中过高的渗透性会对配电网的安全和可靠运行带来一些挑战，其中比较常见的就是过电压问题。如何解决配电网中的过电压问题是提升配电网中分布式发电渗透率的关键，这一问题近年来也越来越多的受到专家的关注和研究。

根据美国电工电子工程师协会(IEEE)关于分布式发电管理的标准IEEE1547的规定，解决过压问题的一种直接方法就是在发生过电压问题的地方将本地的光伏发电系统立即从配电网中切除。然而，在太阳辐照度的高峰时段以及太阳能注入量大的区域，简单的遵循IEEE1547标准的对太阳能发电系统的控制虽然能有效的解决过电压问题，但一方面可能导致太阳能系统频繁的开关切换操作，从而影响光伏系统的寿命并增加光伏发电系统所有者的操作和维护成本，另一方面也会降低光伏系统的效率，减少光伏的发电量。

另一个调节电压的方法是通过消减光伏系统的有功功率输出来完成的。但是，通过成比例的消减光伏系统发电量的方法会造成光伏发电量的浪费，所以他们根据光伏系统对电压变化的灵敏度来最小化光伏发电量的消减，从而得到最经济的效果。

此外，当一个配电网中安装有多个分布式发电系统时，由于每一个分布式系统对产生过电压问题的影响不一，因此需要研究如何公平地消减每一个分布式系统的有功输出。

因此，需要开发一种基于优化的兼顾经济性和公平性的有功功率发电量消减的算法，能够控制在配电网中大量光伏发电设备，同时保证电力系统的电压安全和调节电压的责任的公平分配。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种含有高渗透率光伏发电的配电网中兼顾经济性和公平性的电压控制方法，该方法一方面能够控制大量光伏发电系统注入的配电网的电压安全，另一方面在保证电压调控责任的公平分配，还可以最大化光伏发电的有功输出，易于推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)，定义目标函数f_min：

式(1)中，

是基于预测的第1个光伏系统的所消减的发电量；

是基于预测的第n个光伏系统的所要消减的发电量；w₁，…，w_n是各个光伏系统的消减权重；n为光伏系统总个数；f_min为目标函数；

步骤(2)，确定目标函数的约束条件：

确定目标函数的约束条件包括功率平衡约束、光伏发电量约束和电压安全限制约束；

步骤(3)，自适应调整惩罚权重：

对各个光伏系统的消减权重进行线性惩罚调整：

w_n＝1+k_n·ΣE_n，curt (6)

式(6)中，w_n为第n个光伏系统的惩罚后的消减权重；k_n为第n个光伏系统的线性系数，0＜k_n＜1；∑E_n，curt为第n个光伏的发电累积消减的发电量；

步骤(4)，求解目标函数并进行控制：

根据步骤(2)的约束条件和步骤(3)的式(6)求解步骤(1)的目标函数，得到各个光伏系统提供的有功功率

之后，按照式(7)进行判断，并将计算得到的

作为该第n个光伏系统的有功功率，进行输出；

式(7)中，

为第n个光伏系统实际辐照度的实际最大发电量；

为基于预测的第n个光伏系统的最大发电量；

为第n个光伏系统最终的有功功率。

进一步，优选的是，所述的功率平衡约束具体为：电网和光伏发电系统的有功功率和无功功率之和必须等于负荷需求以及系统的功率损耗之和，即：

ΣQ_load+ΣQ_loss＝Q_trans (3)；

式(2)中，P_load、P_loss、

P_trans分别是实际负载的有功功率、实际有功损耗、基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率、电网提供的有功功率；

式(3)中，Q_load、Q_loss、Q_trans分别是负载的无功功率、损耗的无功功率、电网提供的无功功率。

进一步，优选的是，所述的光伏发电量约束是指光伏实际发电量和所削减有功功率的总和应等于预测到的最大功率：

式(4)中，

分别是基于预测的第n个光伏系统的最大发电量和所消减的发电量；

是基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率。

进一步，优选的是，电压安全限制约束是指每个母线的电压必须在安全范围内；

V_min≤V_k≤V_max (5)

式(5)中，V_k是母线k处的电压；V_min是电压的安全下限，V_max是电压的安全上限。

进一步，优选的是，V_min为0.90p.u.，V_max为1.05p.u.。

进一步，优选的是，步骤(4)求解采用内点法。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

为了解决大量注入的光伏发电造成的过电压问题，可以遵循IEEE 1547标准的对光伏发电系统的控制，即在发生过电压问题的地方将本地的光伏发电设备立即从配电网中切除。这样做虽然能有效的解决过电压问题，但一方面可能导致太阳能系统频繁的开关切换操作，从而影响光伏系统的寿命并增加光伏发电系统所有者的操作和维护成本，另一方面也会降低光伏系统的效率，减少光伏的发电量。

此外，当一个配电网中安装有多个分布式发电系统时，由于每一个分布式发电设备对产生过电压问题的影响不一，因此需要研究如何公平地消减每一个分布式发电的有功输出。文献[1]的作者为了能够公平的减消光伏发电的有功输出，采取了改进的下垂控制策略。每一个光伏发电的下垂控制参数都是根据其对应光伏设备对电压变化的灵敏度而调节的，而调节的目的就是为了绝对公平的限制每一个光伏发电的输出。这个方法虽然能够保证绝对的公平，但是会造成光伏发电能力的浪费。文献[2]中，作者首先假设电压的变化与光伏发电量的变化是成正比关系的，而这个比例系数在较短时间内又是稳定不变的。通过这一假设以及对光伏发电量和电压变化的检测，就能够预测并计算将会引起过电压的额外的功率，当把这一功率消减之后过电压问题也就随之解决了。另外，对于配电网中的其他光伏发电设备的有功输出也会被相应的减少，从而让每个光伏发电设备都承担相同的电压调节责任。但是，该方法也着重于平等地减少光伏系统的有功输出，忽略了光伏发电系统的效率提升问题。

本发明专利提出了一种基于优化的兼顾经济性和公平性的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，该方法首先对太阳光照的辐照度和负荷的变化进行预测。基于预测的结果对光伏发电量进行短期的调配，调配的目标包括保证电压的安全和最小化光伏发电量的消减。因此，该方法不仅能够最大化光伏发电设备的利用效率，同时确保电压的变化不会超过安全阈值。此外，此算法能够自适应地调整每一次的光伏发电量的消减，使多个光伏发电系统在中长期内具有相似的累积消减量，从而确保每一个光伏发电系统在保证系统电压安全方面公平的承担责任。本方法一方面解决了含有高渗透率光伏发电系统的配电网的过电压问题，另一方面在保证电压调控责任的公平分配，还可以最大化光伏发电的有功输出。

与现有的技术和标准的比较发现，本专利提出的方法在能够保证电力系统的电压安全的前提下，比文献[2]中的方法每年能够增加约10％左右的光伏发电量。

文献[1]R.Tonkoski,L.Lopes and T.El-Fouly,"Coordinated active powercurtailment of grid connected PV inverters for overvoltage prevention,"IEEETrans.Sustainable Energy,vol.2,no.2,pp.139-147,2011.

文献[2]S.Alyaam,Y.Wang,C.Wang,J.Zhao and Bo Zhao,“Adaptive real powercapping method for fair overvoltage regulation of distribution networks withhigh penetration of PV systems,”IEEE Trans.Smart Grid,Vol.5,No.6,pp.2729-2738,2014.

附图说明

图1是中央控制器的算法流程图；

图2是本地控制器的算法流程图；

图3为IEEE的69节点配电网测试系统；

图4为四个光伏系统的功率消减比较。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明专利的目的是提出一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，一方面保证配电网的电压安全，另一方面在保证电压调控责任的公平分配并且能够最大化光伏发电的有功输出。具体按以下步骤实施：

一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，它包括：

步骤(1)，定义目标函数f_min：通过最小化f_min来尽可能减小配电网中的总的光伏分布式发电量的减少(公式(1)所示)：

公式(1)中，

是基于预测的第n个PV的消减量；w₁，…，w_n是每个PV的消减权重，其计算方式会在下文进行详细阐述。w₁，…，w_n初始值都是1；但如果w₁，…，w_n一直都是1，那么目标函数就不考虑公平削减的而只是为了保障电压的安全性，所以对于消减权重采用式(6)的方式进行调整；

步骤(2)，确定目标函数的约束条件：

确定目标函数的约束条件包括功率平衡约束、光伏发电量约束和电压安全限制约束；

(a)功率平衡方程：电网和光伏发电系统的有功功率和无功功率之和必须等于负荷需求以及系统的功率损耗之和：

∑Q_load+ΣQ_loss＝Q_trans (3)；

式(2)中，P_load、P_loss、

P_trans分别是实际负载的有功功率、实际有功损耗、基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率、电网提供的有功功率(通过变电站提供)；

式(3)中，Q_load、Q_loss、Q_trans分别是负载的无功功率、损耗的无功功率、电网提供的无功功率。本发明中，所有的光伏发电系统都假设以单位功率因数运行。

(b)光伏发电量的限制：光伏实际发电量和所削减有功功率的总和应等于预测到的最大功率：

式(4)中，

分别是基于预测的第n个光伏系统的最大发电量和所消减的发电量。

(c)电压安全限制：每个母线的电压必须在安全范围内：

V_min≤V_k≤V_max (5)

式(5)中，V_k是母线k处的电压；V_min是电压的安全下限，V_max是电压的安全上限。

步骤(3)，自适应调整惩罚权重

每个分布式光伏发电的权重设置对于公平分配过电压管理的职责至关重要。减少的累积能量用于调节每个分布式光伏的权重w₁，…，w_n。自适应调节惩罚权重的公式如下：

W_n＝1+k_n·ΣE_n，curt (6)

式(6)中，k_n为第n个光伏系统的线性系数，由光伏设备的地理位置、安装容量和对配电网的电压影响程度所决定，一般0＜k_n＜1；∑E_n，curt第n个光伏的发电累积消减的发电量(本发明对于这个累积消减的发电量所累积的时长没有限制，根据实际需要进行调整即可)；wn作为权重与PV的累积消减的发电量在相同方向变化。累积消减的发电量的增大会带来也会相应地增大wn，然后在下一个周期的最优调度中，具有高权重的PV将减慢其削减的增量；相反，具有较小惩罚权重的PV会在下一个周期的最优调度中加大其削减的增量，承担更多的调节电压的责任。

步骤(4)：求解目标函数并进行控制：

根据步骤(2)的约束条件和步骤(3)的式(6)求解步骤(1)的目标函数，得到各个光伏系统提供的有功功率

之后，按照式(7)进行判断，并将计算得到的

作为该第n个光伏系统的有功功率，进行输出。

式(7)中，

为第n个光伏系统实际辐照度的实际最大发电量；

为基于预测的第n个光伏系统的最大发电量；

为第n个光伏系统最终的有功功率；

其中，基于预测的第n个光伏系统的最大发电量

可以采用现有方法进行计算，优选采用支持向量机(SVM)算法对负载和太阳辐照强度进行短期预测求得。SVM是一种常用的的基于统计学习理论的时间序列预测方法。

步骤(4)求解采用内点法，内点法对于此类非线性优化问题显示出了相当的求解性能。

根据步骤(2)的约束条件和步骤(3)的式(6)求解步骤(1)的目标函数，得到各个光伏系统提供的有功功率

这个步骤可以在中央控制器进行计算；之后将计算得到的

和

传递到其光伏系统的本地控制器中，然后在本地控制器执行式(7)的判断，并将得到的

作为该光伏系统的有功功率，进行输出；如图1和图2所示；但不限于此。

做式(7)判断的目的是：由于负荷和太阳辐照强度预测的误差，应根据实际太阳辐射进一步调整上限，以保证电压安全。

应用实例

采用本发明方法在IEEE的69节点配电网测试系统中进行验证，如图3所示。该系统含有峰值为5.6兆瓦的负荷以4.80兆瓦额定功率的光伏系统。光伏系统分别安装在编号为19，27，61和69的母线上。针对四个母线上的k_n取值分别为0.013，0.018，0.014和0.016。

仿真结果如图4所示。在该试验中，基于累积的缩减能量自适应地更新惩罚权重。

如图4所示，四个光伏系统消减的发电量在一个星期内非常相似。四个光伏系统的实际功率削减量在交替平衡，以保持整体能量削减比较小的差别。例如，对于母线69和27上的光伏，其缩减在仿真开始时是比较高，但在一周结束时反而比较小，这是因为递增的惩罚权重有助于减少光伏发电的减少。与此同时，母线19和61的光伏削减量反映出一种相反的趋势，从比较小到比较大。然而，四个光伏发电设备的比较来看，整体削减的差异都保持在一个很小的范围内。这意味着，在自适应惩罚权重的辅助下，本发明提出的方法达到并保持光伏设备之间的公平且有效的功率削减。因此，可以预测，随着时间的推移，虽然四个光伏发电设备的功率缩减量的变化可能有些不同，但它们的累积的发电量削减将保持一致。

同时本专利方法和文献[2]中的方法还进行了比较，在一个星期内，本发明方法大概需要消减34MWh的光伏发电量，而文献[2]的方法需要消减37.2MWh左右的发电量，验证里本发明方法能够增加3.2MWh的发电量，也就是10％左右的提升，效率提升明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，定义目标函数f_min：

式(1)中，

是基于预测的第1个光伏系统的所消减的发电量；

是基于预测的第n个光伏系统的所要消减的发电量；w₁，…，w_n是各个光伏系统的消减权重；n为光伏系统总个数；f_min为目标函数；

步骤(2)，确定目标函数的约束条件：

确定目标函数的约束条件包括功率平衡约束、光伏发电量约束和电压安全限制约束；

步骤(3)，自适应调整惩罚权重：

对各个光伏系统的消减权重进行线性惩罚调整：

w_n＝1+k_n·∑E_n，curt (6)

式(6)中，w_n为第n个光伏系统的惩罚后的消减权重；k_n为第n个光伏系统的线性系数，0＜k_n＜1；∑E_n，curt为第n个光伏的发电累积消减的发电量；

步骤(4)，求解目标函数并进行控制：

根据步骤(2)的约束条件和步骤(3)的式(6)求解步骤(1)的目标函数，得到基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率

之后，按照式(7)进行判断，并将计算得到的

作为该第n个光伏系统的有功功率，进行输出；

式(7)中，

为第n个光伏系统实际辐照度的实际最大发电量；

为基于预测的第n个光伏系统的最大发电量；

为第n个光伏系统最终的有功功率。

2.根据权利要求1所述的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，所述的功率平衡约束具体为：电网和光伏发电系统的有功功率和无功功率之和必须等于负荷需求以及系统的功率损耗之和，即：

∑Q_load+∑Q_loss＝Q_trans (3)；

式(2)中，P_load、P_loss、

P_trans分别是实际负载的有功功率、实际有功损耗、基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率、电网提供的有功功率；

式(3)中，Q_load、Q_loss、Q_trans分别是负载的无功功率、损耗的无功功率、电网提供的无功功率。

3.根据权利要求1所述的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，所述的光伏发电量约束是指光伏实际发电量和所削减有功功率的总和应等于预测到的最大功率：

式(4)中，

分别是基于预测的第n个光伏系统的最大发电量和所消减的发电量；

是基于预测的第n个光伏系统提供的有功功率。

4.根据权利要求1所述的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，电压安全限制约束是指每个母线的电压必须在安全范围内；

V_min≤V_k≤V_max (5)

式(5)中，V_k是母线k处的电压；V_min是电压的安全下限，V_max是电压的安全上限。

5.根据权利要求4所述的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，V_min为0.90p.u.，V_max为1.05 p.u.。

6.根据权利要求4所述的含有高渗透率光伏发电的配电网的电压控制方法，其特征在于，步骤(4)求解采用内点法。

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