CN112751370B - 一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法。为了现有技术无功控制粗放的问题；本发明包括以下步骤：S1：利用历年的光伏功率样本，通过k均值聚类算法还原线路的日光伏出力曲线，获取无功调节的时间段；S2：通过k均值聚类算法还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算春节前后每日的光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值；S3：根据采集得到的光伏和并网点电压、有功功率和无功功率，以计算出来的功率因数设定值群调光伏电站进相功率因数。精细化地计算不同光伏电站每天所需的功率因数，精细化控制，实现分布式光伏动态群调操作，预防主变无功倒送，快速实现光伏进相运行。

Description

一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率因数控制方法领域，尤其涉及一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法。

背景技术

在国家大力扶持绿色能源和电网发展需求推动的背景下，近年来光伏发展迅猛。春节期间，电网负荷降至全年最低水平，容性无功过剩，通常是电网无功管控最困难时段。按照春节无功电压控制要求，对于分布式光伏用户，均须退出用户侧电容器，并要求光伏发电系统功率因数在超前0.96(吸收无功)运行，即发出有功功率的同时，吸收系统无功功率。相关研究表明：分布式光伏发电系统的无功调节能力超过传统无功补偿装置调压3倍以上，特别是其优越的毫秒级动态无功响应和无静稳定极限限制的进相能力远优于传统的同步发电机，为电网无功电压控制与安全稳定运行起到重要的调节作用。

现有的无功运行控制大多采用粗放型控制，例如，一种在中国专利文献上公开的“含分布式光伏的低压配电台区无功控制方法”，其公告号CN110011329A，包括以下过程：S1，根据台区电压、功率因数范围，划分无功控制区间；S2，采集低压配电台区内低压侧电压和功率因数，根据电压和功率因数所属范围，确定当前台区无功控制区间，根据无功控制区间相应的控制策略调节光伏逆变器和电容器的无功输出，实现低压配电台区无功调节。本发明依据台区电压及功率因数情况，划分台区的运行区间，并根据控制策略，对台区内电容器、SVG、光伏逆变器等设备实时控制，保证台区电压及功率因数的合理调度。该方案对分布式光伏进行粗放地运行控制，无法精细化进相运行模式。

发明内容

本发明主要解决现有技术无功控制粗放的问题；提供一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，优化光伏电站恒定功率因数进相运行模式，避免出现光伏电站吸收无功不足或过多的情形，同时降低线损。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明包括以下步骤：

S1：利用历年的光伏功率样本，通过k均值聚类算法还原线路的日光伏出力曲线，获取无功调节的时间段，日光伏出力曲线包括日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线；

S2：通过k均值聚类算法还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算春节前后每日的光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值；

S3：根据采集得到的光伏和并网点电压、有功功率和无功功率，以计算出来的功率因数设定值群调光伏电站进相功率因数。

本方案利用k均值聚类算法得到的线路还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算光伏完全吸收主变倒送无功时，光伏电站功率因数设定值，以此群调光伏电站进相功率因数，精细化地计算不同光伏电站每天所需的功率因数，精细化控制，实现分布式光伏动态群调操作，预防主变无功倒送，快速实现光伏进相运行，避免出现光伏电站吸收无功不足或过多的情形，同时降低线损。

作为优选，所述的步骤S1包括以下步骤：

S11：以钟点为单位，将历年春节前后一周中每日的光伏功率样本分为24个集合；

S12：将集合中的光伏无功数据和光伏有功出力输出分别通过k均值聚类算法还原成日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线；

S13：结合光伏曲线中的日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线的起止时间，获取日光伏参与无功调节的时间段。

拟合每日的光伏曲线，为后续精细化地计算功率因数提供基础。

作为优选，所述的步骤S2包括以下步骤：

S21：以春节前后一周中每一天的光伏功率样本为一个集合，通过k均值聚类算法还原春节前后一周的光伏无功曲线和光伏出力曲线；

S22：根据计算得到的无功调节的时间段，结合该时间段的光伏有功出力曲线，分别计算每一天光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值。

精细化地计算每天的功率因数设定值，实现分布式光伏动态群调操作，预防主变无功倒送，快速实现光伏进相运行。

作为优选，所述的k均值聚类算法为改进的k均值聚类算法，其基本过程如下：

①每个集合中随机选取k个点，作为初始类质心；

②遍历所有点数据，将每个点数据划分到最近的质心类中；

③计算每个类的平均值，并作为新的类质心；

④重复步骤②-③，直到k个类质心不再发生变化或执行的迭代次数达到阈值；

⑤计算每个类中各数据到类质心的平均距离，若每个类的平均距离均小于距离阈值，则结束聚类过程，否则令k值增加n，返回①，其中，n为平均距离超过距离阈值的类的个数。

使用改进的k均值聚类算法，使得拟合还原的曲线更加可靠。

作为优选，所述的步骤S3包括一下步骤：

S31：采集光伏和并网点的电压、有功功率和无功功率；

S32：判断采集的电压是否超越设定的电压上限值，若是，则进入步骤S33，若否，则进入步骤S34；

S33：判断光伏无功功率是否到达设定的光伏无功下限，若是，则进行有功-电压控制，使用有功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31；

S34：判断采集的电压是否越过设定的电压下限值，若是，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进入步骤S35；

S35：通过采集的有功功率和无功功率计算实际功率因数，判断实际功率因数是否超过功率因数设定值，若是，则执行功率因数控制并返回步骤S31，若否，则直接返回步骤S31。

将电压控制置于较高的优先级，当电压超限时有限控制电压，只有挡电压在正常范围内且功率因数超标时才调节功率因数。当并网点电压升高越上限时，首先调节分布式光伏发出的无功功率来降低并网点电压；当分布式光伏发出感性无功达到最大值后并网点电压仍然不满足要求时，降低光伏发出的有功功率，直至电压满足要求。当并网点电压降低超出下限时，增大分布式光伏发出的无功功率，直至电压满足要求或分布式光伏发出容性无功达到最大值。光伏发出的有功、无功功率与并网点电压呈线性关系，可采用比例积分控制器实现并网点电压幅值的无差控制。

作为优选，所述的有功-电压控制的表达式为：

其中，k_p1、k_p2为比例积分控制器的比例参数；k_i1、k_i2为比例积分控制的积分参数；P_{PV_ref}为分布式光伏发出的无功上限值；P_ref为将并网点电压维持在目标值所需的有功参考值；P_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配；

无功-电压控制的表达式为：

其中，k_p3、k_p4为比例积分控制器的比例参数；k_i3、k_i4为比例积分控制的积分参数；Q_{PV_ref}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

将电压控制置于较高的优先级，当电压超限时有限控制电压，只有挡电压在正常范围内且功率因数超标时才调节功率因数。

作为优选，所述的功率因数控制的表达式为：

其中，k_p5为比例积分控制器的比例参数；k_i5为比例积分控制的积分参数；

为功率因数目标值；P_PCC为公共连接点处有功功率；Q_{PV_ref}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

调节分布式光伏出的无功功率，将公共连接点处的功率因数控制在合格范围内。

本发明的有益效果是：

利用k均值聚类算法得到的线路还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算光伏完全吸收主变倒送无功时，光伏电站功率因数设定值，以此群调光伏电站进相功率因数，精细化地计算不同光伏电站每天所需的功率因数，精细化控制，实现分布式光伏动态群调操作，预防主变无功倒送，快速实现光伏进相运行，避免出现光伏电站吸收无功不足或过多的情形，同时降低线损。

附图说明

图1是本发明的一种功率因数控制方法流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：利用历年的光伏功率样本，通过k均值聚类算法还原线路的日光伏出力曲线，获取无功调节的时间段，日光伏出力曲线包括日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线。

在本实施例中，k均值聚类算法为改进的k均值聚类算法，其基本过程如下：

①每个集合中随机选取k个点，作为初始类质心；

②遍历所有点数据，将每个点数据划分到最近的质心类中；

③计算每个类的平均值，并作为新的类质心；

④重复步骤②-③，直到k个类质心不再发生变化或执行的迭代次数达到阈值；

⑤计算每个类中各数据到类质心的平均距离，若每个类的平均距离均小于距离阈值，则结束聚类过程，否则令k值增加n，返回①，其中，n为平均距离超过距离阈值的类的个数。

S11：以钟点为单位，将历年春节前后一周中每日的光伏功率样本分为24个集合。

S12：将集合中的光伏无功数据和光伏有功出力输出分别通过k均值聚类算法还原成日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线。

S13：结合光伏曲线中的日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线的起止时间，获取日光伏参与无功调节的时间段。

S2：通过k均值聚类算法还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算春节前后每日的光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值。

21：以春节前后一周中每一天的光伏功率样本为一个集合，通过k均值聚类算法还原春节前后一周的光伏无功曲线和光伏出力曲线。

S22：根据计算得到的无功调节的时间段，结合该时间段的光伏有功出力曲线，分别计算每一天光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值。

S3：根据采集得到的光伏和并网点电压、有功功率和无功功率，以计算出来的功率因数设定值群调光伏电站进相功率因数。

S31：采集光伏和并网点的电压、有功功率和无功功率。

S32：判断采集的电压是否超越设定的电压上限值，若是，则进入步骤S33，若否，则进入步骤S34。

S33：判断光伏无功功率是否到达设定的光伏无功下限，若是，则进行有功-电压控制，使用有功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31。

有功-电压控制的表达式为：

其中，k_p1、k_p2为比例积分控制器的比例参数；k_i1、k_i2为比例积分控制的积分参数；P_{PV_ref}为分布式光伏发出的无功上限值；P_ref为将并网点电压维持在目标值所需的有功参考值；P_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

无功-电压控制的表达式为：

其中，k_p3、k_p4为比例积分控制器的比例参数；k_i3、k_i4为比例积分控制的积分参数；Q_{PV_ref}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

S34：判断采集的电压是否越过设定的电压下限值，若是，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进入步骤S35。

S35：通过采集的有功功率和无功功率计算实际功率因数，判断实际功率因数是否超过功率因数设定值，若是，则执行功率因数控制并返回步骤S31，若否，则直接返回步骤S31。

功率因数控制的表达式为：

其中，k_p5为比例积分控制器的比例参数；k_i5为比例积分控制的积分参数；

为功率因数目标值；P_PCC为公共连接点处有功功率；Q_{PV_rei}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

本实施例利用k均值聚类算法得到的线路还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算光伏完全吸收主变倒送无功时，光伏电站功率因数设定值，以此群调光伏电站进相功率因数，精细化地计算不同光伏电站每天所需的功率因数，精细化控制，实现分布式光伏动态群调操作，预防主变无功倒送，快速实现光伏进相运行，避免出现光伏电站吸收无功不足或过多的情形，同时降低线损。

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用历年的光伏功率样本，通过k均值聚类算法还原线路的日光伏出力曲线，获取无功调节的时间段，日光伏出力曲线包括日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线；

S2：通过k均值聚类算法还原光伏无功曲线，结合光伏有功出力曲线，计算春节前后每日的光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值；

S3：根据采集得到的光伏和并网点电压、有功功率和无功功率，以计算出来的功率因数设定值群调光伏电站进相功率因数；

所述的步骤S3包括以下步骤：

S31：采集光伏和并网点的电压、有功功率和无功功率；

S32：判断采集的电压是否超越设定的电压上限值，若是，则进入步骤S33，若否，则进入步骤S34；

S33：判断光伏无功功率是否到达设定的光伏无功下限，若是，则进行有功-电压控制，使用有功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31；

S34：判断采集的电压是否越过设定的电压下限值，若是，则进行无功-电压控制，使用无功调节并网电压，并返回步骤S31；若否，则进入步骤S35；

所述的有功-电压控制的表达式为：

其中，k_p1、k_p2为比例积分控制器的比例参数；k_i1、k_i2为比例积分控制的积分参数；P_{PV_ref}为分布式光伏发出的无功上限值；P_ref为将并网点电压维持在目标值所需的有功参考值；P_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配；

无功-电压控制的表达式为：

其中，k_p3、k_p4为比例积分控制器的比例参数；k_i3、k_i4为比例积分控制的积分参数；Q_{PV_ref}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配；

S35：通过采集的有功功率和无功功率计算实际功率因数，判断实际功率因数是否超过功率因数设定值，若是，则执行功率因数控制并返回步骤S31，若否，则直接返回步骤S31；

所述的功率因数控制的表达式为：

其中，k_p5为比例积分控制器的比例参数；k_i5为比例积分控制的积分参数；

为功率因数目标值；P_PCC为公共连接点处有功功率；Q_{PV_ref}为分布式光伏应发出的无功功率；Q_ref为将并网点电压维持在目标值所需的无功参考；Q_{PV_ref}按不同逆变器额定容量等比例分配。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，其特征在于，所述的步骤S1包括以下步骤：

S11：以钟点为单位，将历年春节前后一周中每日的光伏功率样本分为24个集合；

S12：将集合中的光伏无功数据和光伏有功出力输出分别通过k均值聚类算法还原成日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线；

S13：结合光伏曲线中的日光伏无功曲线和日光伏有功出力曲线的起止时间，获取日光伏参与无功调节的时间段。

3.根据权利要求2所述的一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，其特征在于，所述的步骤S2包括以下步骤：

S21：以春节前后一周中每一天的光伏功率样本为一个集合，通过k均值聚类算法还原春节前后一周的光伏无功曲线和光伏出力曲线；

S22：根据计算得到的无功调节的时间段，结合该时间段的光伏有功出力曲线，分别计算每一天光伏完全吸收主变倒送无功时的光伏电站功率因数设定值。

4.根据权利要求2或3所述的一种分布式光伏多源性无功吸收的功率因数控制方法，其特征在于，所述的k均值聚类算法为改进的k均值聚类算法，其基本过程如下：

①每个集合中随机选取k个点，作为初始类质心；

②遍历所有点数据，将每个点数据划分到最近的质心类中；

③计算每个类的平均值，并作为新的类质心；

④重复步骤②-③，直到k个类质心不再发生变化或执行的迭代次数达到阈值；

⑤计算每个类中各数据到类质心的平均距离，若每个类的平均距离均小于距离阈值，则结束聚类过程，否则令k值增加n，返回①，其中，n为平均距离超过距离阈值的类的个数。

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