CN113972665A - 一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法 - Google Patents

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CN113972665A CN202010720521.XA CN202010720521A CN113972665A CN 113972665 A CN113972665 A CN 113972665A CN 202010720521 A CN202010720521 A CN 202010720521A CN 113972665 A CN113972665 A CN 113972665A
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Abstract

本发明公开了一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，根据待优化时段的光伏电站有功出力信息和区域电网负荷信息，计算光伏电站无功出力容量、电站负载率、区域电网负载率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标，基于光伏电站参数最小建立优化模型，计算出光伏电站参与电网主动调压的最优方案。配合光伏电站参与电网主动调压，实现光伏电站无功电压的精细化控制，提高电网动态无功调节能力，提高光伏电站运行的稳定性和经济性。

Description

一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法
技术领域
本发明涉及光伏电站无功电压控制技术领域，尤其是涉及一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法。
背景技术
目前，针对光伏电站无功优化控制的研究，多集中于光伏电站子站层级，仅从光伏电站的角度出发，考虑光伏电站内部的电压分布，以电压偏差最小、有功损耗最小或者无功裕度最大为控制目标，制定了光伏电站内部多无功源协调控制策略。
光伏电站一般建立在太阳能资源充沛的偏远地区，针对大规模光伏电站接入系统，输电线路较长、出力波动幅度较大，随着光伏发电渗透率的增加以及电能质量要求的提高，系统对光伏电站的要求已经不仅限于完成自身的电压控制，还有光伏出力波动对电网电压的影响，对于光伏电站参与电网主动调压控制，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，利用光伏电站内部的无功调节能力，减小光伏出力波动对电网电压的影响，必要时给电网提供一定的无功支撑。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，根据待优化时段的光伏电站有功出力信息和区域电网负荷信息，计算光伏电站无功出力容量、电站负载率、区域电网负载率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标，基于光伏电站参数建立优化模型，计算出光伏电站参与电网主动调压的最优方案。
本发明进一步设置为：包括以下步骤：
S1、获取待优化时段光伏电站有功出力信息和光伏电站所在区域电网的电网负荷信息；
S2、根据所述有功出力信息，计算无功出力容量；
S3、根据所述有功出力信息和所述区域电网负荷信息，计算电站负载率、区域电网负载率；
S4、根据电站负载率和区域电网负荷率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标；
S5、以并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型；
S6、以电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型；以电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型；
S7、基于所述第一优化模型、第二优化模型、第三优化模型，计算得到电站的一组无功出力参考值在各光伏发电单元之间的优化分配方案；
S8、计算优化分配方案中的每个解的满意度值，得到最优折衷解。
本发明进一步设置为：步骤S1中，所述有功出力信息，包括电站内各光伏发电单元的单元有功出力值、光伏电站总的电站有功出力值；区域电网负荷信息包括区域电网有功负荷值。
本发明进一步设置为：步骤S2中，根据各光伏发电单元的有功出力，计算各光伏发电单元的无功出力上下限，确定无功出力容量；计算电站内静止无功发生器容量、电站无功出力上下限。
本发明进一步设置为：步骤S3中，根据电站额定有功出力与待优化时段电站有功出力，计算电站负载率；根据区域电网最大有功负荷值与待优化时段区域电网有功负荷值，计算区域电网负载率。
本发明进一步设置为：步骤S4中，根据光伏大发时段电站负载率阈值βmax、光伏少发时段电站负载率阈值βmin、高峰时段区域电网负荷率阈值ηmax、低谷时段区域电网负荷率阈值ηmin，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标UPCC-obj，如下式所示：
Figure BDA0002599805340000031
其中，a、b为相应的权重系数，且a+b＝0.08。
本发明进一步设置为：步骤S5中，基于电站并网点电压上限UPCC-max、电站并网点电压下限UPCC-min、待优化时段电站无功出力参考值Qset、电站内部总的容性无功和感性无功上限QPV-max、电站内部总的容性无功和感性无功下限QPV-min，以光伏电站并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000032
对公式(2)进行求解，得到待优化时段光伏电站无功出力参考值。
本发明进一步设置为：步骤S6中，包括以下步骤：
S601、基于电站内各光伏发电单元的接入点电压，以光伏电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000041
式中，Ui表示第i个光伏发电单元接入点电压，Ui_max表示第i个光伏发电单元接入点电压上限，Ui_min表示第i个光伏发电单元接入点电压下限；
S602、基于集电线路损耗、各光伏发电单元无功出力，以光伏电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000042
其中，M表示光伏电站内相邻光伏发电单元节点之间集电线路总段数；ΔPj，loss表示第j段集电线路损耗；Ploss表示集电线路总损耗；QPV_i表示第i个光伏发电单元的无功出力；QSVG表示静止无功发生器的无功出力。
本发明进一步设置为：结合第一优化模型的求解结果，求解第二、第三优化模型，得到一组光伏电站的无功出力参考值在各光伏发电单元之间的优化分配方案集；采用模糊隶属度函数，对每个优化分配方案，求解其标准化满意度值，以满意度值最大的解为最优折衷解。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有能够被所述处理器加载并执行的无功优化控制方法的计算机程序。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1.本申请通过设置优化模型，计算出最优折衷解，配合光伏电站参与电网主动调压，实现光伏电站无功电压的精细化控制，提高电网动态无功调节能力，提高光伏电站运行的稳定性和经济性；
2.进一步地，本申请以电压偏差最小、电压均方差最小、集电线路有功损耗最小为目标，保证了站内电压对电网电压的影响最小，实现了对电网电压的主动调压。
附图说明
图1是现有光伏电网结构示意图；
图2是现有光伏发电单元结构示意图；
图3是本发明的一个具体实施例的方法流程结构示意图；
图4是本发明的一个具体实施例的Pareto最优解分布示意图；
图5是本发明的一个具体实施例的不同控制方式下光伏电站集电线路电压分布情况示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
光伏电网的结构，如图1所示，包括E*N个光伏发电单元(PVGU)，由E行N列个光伏发电单元组成，各光伏发电单元产生的电量，经过集电线路后进入升压站进行升压，再通过高压送出线路汇集到330KV汇集站，然后进入总传输电网。
升压站包括升压变压器、静止无功发生器(SVG)，在升压站内设置并网点，用于将各光伏发电单元组的进行汇总并网。
汇总并网后的电量，经过高压送出线路的滤波处理，发送到集群点上。
各光伏发电单元的结构，如图2所示，包括光伏阵列A11、光伏逆变器A101，光伏阵列产生的电量经过逆变器后，传输到集电线路上。
具体实施例一
本申请的一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、获取待优化时段光伏电站有功出力信息和光伏电站所在区域电网的电网负荷信息；
S2、根据所述有功出力信息，计算无功出力容量；
S3、根据所述有功出力信息和所述区域电网负荷信息，计算电站负载率、区域电网负载率；
S4、根据电站负载率和区域电网负荷率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标；
S5、以并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型；
S6、以电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型；以电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型；
S7、基于所述第一优化模型、第二优化模型、第三优化模型，计算得到电站的一组无功出力参考值在各光伏发电单元之间的优化分配方案；
S8、计算优化分配方案中的每个解的满意度值，得到最优折衷解。
具体地，步骤S1中，有功出力信息包括电站内各光伏发电单元的单元有功出力值PPV_i、光伏电站总的电站有功出力值PPV_Σ；区域电网负荷信息包括区域电网有功负荷值PL_Σ。
步骤S2中，具体包括以下子步骤：
S201、根据当前时刻第i个光伏发电单元的单元有功出力值PPV_i，第i个光伏发电单元的视在功率为SPV_i；计算所述单元的无功出力上限QPV_i_max、下限QPV_i_min，作为优化过程中自变量的约束条件。
第i个光伏发电单元的无功出力上限、下限，由下式计算：
Figure BDA0002599805340000071
根据国标规定，光伏逆变器应满足额定有功出力下功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调，即SPV_i＝PPV_max÷0.95；其中，PPV_max表示光伏电站额定有功出力。
S202、根据国标规定，设置光伏电站内部静止无功发生器(SVG)的容量为：
Figure BDA0002599805340000072
式中，QSVG_max表示SVG无功出力上限，QSVG_min表示SVG无功出力下限。
S203、光伏电站的无功出力上限、下限，由下式表达：
Figure BDA0002599805340000081
式中，QPV_max表示光伏电站内总的容性无功和感性无功上限，QPV_min表示光伏电站内总的容性无功和感性无功下限。
步骤S3中，具体包括以下子步骤：
S301、根据电站额定有功出力PPV_max与待优化时段电站有功出力PPV_Σ，由下式计算电站负载率β：
Figure BDA0002599805340000082
S302、根据区域电网有功负荷值PL_Σ、区域电网最大有功负荷PL_max，由下式计算区域电网负荷率η：
Figure BDA0002599805340000083
步骤S4中，根据光伏大发时段电站负载率阈值βmax、光伏少发时段电站负载率阈值βmin、高峰时段区域电网负荷率阈值ηmax、低谷时段区域电网负荷率阈值ηmin，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标UPCC-obj，如下式所示：
Figure BDA0002599805340000084
其中，a、b为相应的权重系数，且a+b＝0.08。
即根据区域电网负荷率η、电站负载率β的大小范围，分别设定并网点电压控制目标UPCC-obj，在二端采用固定值，在中间采用线性方式。
步骤S5中，基于电站并网点电压上限UPCC-max、电站并网点电压下限UPCC-min、待优化时段电站无功出力参考值Qset、电站内部总的容性无功和感性无功上限QPV-max、电站内部总的容性无功和感性无功下限QPV-min，以光伏电站并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000091
其中，UPCC表示并网点电压实际值，
设定了Qset、UPCC的限定条件，对公式(2)进行求解，得到待优化时段光伏电站无功出力参考值Qset。
步骤S6中，包括以下子步骤：
S601、基于电站内各光伏发电单元的接入点电压，以光伏电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000092
式中，Ui表示第i个光伏发电单元接入点电压，Ui_max表示第i个光伏发电单元接入点电压上限，Ui_min表示第i个光伏发电单元接入点电压下限；N表示光伏电站内光伏发电单元的数量。
S602、基于集电线路损耗、各光伏发电单元无功出力，以光伏电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型如下式：
Figure BDA0002599805340000101
其中，M表示光伏电站内相邻光伏发电单元节点之间集电线路总段数；ΔPj，loss表示第j段集电线路损耗；Ploss表示集电线路总损耗；QPV_i表示第i个光伏发电单元的无功出力；QSVG表示静止无功发生器的无功出力。
步骤S7中，将第一优化模型的求解结果作为已知量，转入第二、第三优化模型，采用NSGA-II算法求解第二、第三优化模型，得到一组Pareto最优解集，即光伏电站的无功出力参考值Qset在各光伏发电单元之间的优化分配方案集。
步骤S8中，采用模糊隶属度函数来分别表示每个Pareto解中各个优化模型对应的满意度，对于最小化优化模型，定义模糊隶属度函数为：
Figure BDA0002599805340000102
其中，fk为第k个优化模型值，fk_max和fk_min分别为第k个优化模型值的上、下限。当μk＝0时表示对该优化模型值完全不满意，而当μk＝1时表示对该目标函数值完全满意。
对于Pareto最优解集中的每个解，求解其标准化满意度值，选取Pareto最优解集中满意度值最大的解，作为最优折衷解。
标准化满意度由下式表示：
Figure BDA0002599805340000111
其中，μ表示标准化满意度值，m为待优化模型的个数，在本申请中，m＝2。
对每个优化分配方案，求解其标准化满意度值，以满意度值最大的解为最优折衷解。
通过满意度比较，选出满足光伏电站参与电网主动调压且能兼顾光伏电站电压质量和有功损耗的最优折衷解，作为光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方案。
具体实施例二
本申请的一个具体实施例中，光伏电站总装机容量为50MW，包括50组额定容量为1MW的PVGU，每组PVGU由2组500kW的光伏逆变器并联而成，经1台0.29kV/10kV双分裂绕组变压器升压后接入10kV集电线路。集电线路母线处装有SVG，容量为-10～10Mvar，经10kV/110kV主变压器升压后，经50km远距离输电线路送出。计算光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，步骤如下：
步骤1：获取待优化时段光伏电站有功出力信息和光伏电站所在区域电网的负荷信息。
与常规电源不同，光伏电站有功出力的大小与电网负荷的变化不存在相关性。负荷高峰时段主要出现在上午8:00～12:00、下午16:00～22:00；光电大发时段主要出现在中午12:00～16:00。为方便分析，这里选取典型时刻光伏电站及电网的运行情况进行分析，时刻的选取参考表1。
表1光伏电站有功出力信息和电网负荷信息
Figure BDA0002599805340000121
步骤2：结合光伏电站有功出力信息，计算典型时刻光伏电站无功容量。
计算公式如下：
Figure BDA0002599805340000122
计算结果如表2所示。
表2典型时刻光伏电站无功容量
Figure BDA0002599805340000123
步骤3：结合光伏电站有功出力信息和区域电网的负荷信息，计算典型时刻光伏电站负载率和区域电网的负荷率，计算结果如表3所示。
表3，典型时刻光伏电站上层无功优化结果：
Figure BDA0002599805340000131
步骤4：计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标。
根据该地区实际电网的负荷信息，计算得到负荷高峰、低谷时段电网负荷率分别为ηmax＝0.85、ηmin＝0.56。根据光伏电站满发、退出运行方式下的运行情况，分别计算得到光伏电站的负载率为βmax＝0.9、βmin＝0。将典型时刻光伏电站负载率和区域电网负荷率代入公式(1)，
Figure BDA0002599805340000132
求解得到典型时刻光伏电站并网点电压控制目标如表3中所示。
步骤5：以光伏电站并网点电压偏差最小为目标建立第一优化模型，即上层无功优化模型，通过GA算法进行求解，得到典型时刻光伏电站无功出力参考值如表3中所示。
步骤6：以光伏电站有功损耗最小和各组PVGU接入点电压均方差最小为目标建立下层无功优化模型，即第二优化模型、第三优化模型。
步骤7中，将上层优化结果作为已知量下发至下层无功优化模型，采用NSGA-II算法进行求解；
为了验证本文所提光伏电站站内无功优化控制效果，取14:00时运行数据作为基础数据，在光伏电站参与电网主动调压控制的基础上进行仿真分析。14:00时光伏电站运行数据如表4所示。
表4 14:00时光伏电站运行数据
参数 参数值
光伏电站有功出力/MW 44.25
PVGU有功出力/MW 0.885
并网点10kV侧电压/kV 1.038
光伏电站无功需求/Mvar 21.1
PVGU无功容量/Mvar 0.57
SVG无功容量/Mvar 10
光伏电站无功容量/Mvar 38.5
为简化计算，取其中一回集电线路进行分析。按照本文所提光伏电站下层无功优化模型进行建模，并采用NSGA-II进行求解，种群大小设置为100，最优个体系数为0.3，最大迭代次数为200，经计算得到一组分布均匀的Pareto最优解，如图4所示。
采用上层、下层的双层优化模型，上层用于确定光伏电站总的无功补偿量，下层用于将该补偿量在各组PVGU里进行优化分配。
步骤8：通过模糊隶属度函数进行处理，选出光伏电站参与电网主动调压的最优折衷解。
分别以光伏电站内部电压均方差最小和有功损耗最小为目标搜索极端解，并构建模糊隶属度函数，从Pareto最优解集中选出最优折中解，如表5所示。
表5 Pareto最优解集中的极端值和最优解
优化目标 电压均方差/V 有功损耗/W
电压均方差最小 59.72 94 457
有功损耗最小 62.61 93 861
最优折中解 60.74 94 067
为验证本文所提方法的有效性，另取等无功裕度分配方法进行仿真计算，并对电压控制效果及站内降损效果进行比较分析。
方法1：采用本文所提方法，以站内电压均方差最小和有功网损最小为优化目标，将优化结果作为各组PVGU和SVG的无功出力方案。
方法2：采用等无功裕度分配原则，按照各组PVGU和SVG的无功裕度进行等比例分配。
在方法1和方法2中，SVG的优化分配结果分别为10Mvar和5.48Mvar，将不同控制方法下各组PVGU和SVG的无功出力下发执行，得到集电线路有功损耗分别为470.34kW和508.65kW，单条集电线路上PVGU接入点电压变化情况如图4所示。
表6不同控制方法下PVGU无功出力：
Figure BDA0002599805340000151
Figure BDA0002599805340000161
由以上分析可知，相比于等无功裕度分配法，采用本文所提控制方法后，光伏电站内部各节点电压均方差显著减小，最大节点电压偏差减小118V，集电线路有功损耗降低7.53％。说明本申请所提优化控制方法能够很好地配合光伏电站参与电网主动调压，实现光伏电站无功电压的精细化控制，对于提高电网动态无功调节能力、提高光伏电站运行的稳定性和经济性具有重要意义。
具体实施例三
本申请的一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有能够被所述处理器加载并执行的如具体实施例一所述方法的计算机程序。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：根据待优化时段的光伏电站有功出力信息和区域电网负荷信息，计算光伏电站无功出力容量、电站负载率、区域电网负载率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标，基于光伏电站参数建立优化模型，计算出光伏电站参与电网主动调压的最优方案。
2.根据权利要求1所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获取待优化时段光伏电站有功出力信息和光伏电站所在区域电网的电网负荷信息；
S2、根据所述有功出力信息，计算无功出力容量；
S3、根据所述有功出力信息和所述区域电网负荷信息，计算电站负载率、区域电网负载率；
S4、根据电站负载率和区域电网负荷率，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标；
S5、以并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型；
S6、以电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型；以电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型；
S7、基于所述第一优化模型、第二优化模型、第三优化模型，计算得到电站的一组无功出力参考值在各光伏发电单元之间的优化分配方案；
S8、计算优化分配方案中的每个解的满意度值，得到最优折衷解。
3.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述有功出力信息，包括电站内各光伏发电单元的单元有功出力值、光伏电站总的电站有功出力值；区域电网负荷信息包括区域电网有功负荷值。
4.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S2中，根据各光伏发电单元的有功出力，计算各光伏发电单元的无功出力上下限，确定无功出力容量；计算电站内静止无功发生器容量、电站无功出力上下限。
5.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S3中，根据电站额定有功出力与待优化时段电站有功出力，计算电站负载率；根据区域电网最大有功负荷值与待优化时段区域电网有功负荷值，计算区域电网负载率。
6.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S4中，根据光伏大发时段电站负载率阈值βmax、光伏少发时段电站负载率阈值βmin、高峰时段区域电网负荷率阈值ηmax、低谷时段区域电网负荷率阈值ηmin，计算光伏电站参与电网主动调压的并网点电压控制目标UPCC-obj，如下式所示：
Figure FDA0002599805330000021
其中，a、b为相应的权重系数，且a+b＝0.08。
7.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S5中，基于电站并网点电压上限UPCC-max、电站并网点电压下限UPCC-min、待优化时段电站无功出力参考值Qset、电站内部总的容性无功和感性无功上限QPV-max、电站内部总的容性无功和感性无功下限QPV-min，以光伏电站并网点电压偏差最小为目标，建立第一优化模型如下式：
Figure FDA0002599805330000031
对公式(2)进行求解，得到待优化时段光伏电站无功出力参考值。
8.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：步骤S6中，包括以下步骤：
S601、基于电站内各光伏发电单元的接入点电压，以光伏电站内各光伏发电单元接入点电压均方差最小为目标，建立第二优化模型如下式：
Figure FDA0002599805330000032
式中，Ui表示第i个光伏发电单元接入点电压，Ui_max表示第i个光伏发电单元接入点电压上限，Ui_min表示第i个光伏发电单元接入点电压下限；
S602、基于集电线路损耗、各光伏发电单元无功出力，以光伏电站内集电线路有功损耗最小为目标，建立第三优化模型如下式：
Figure FDA0002599805330000041
其中，M表示光伏电站内相邻光伏发电单元节点之间集电线路总段数；ΔPj，loss表示第j段集电线路损耗；Ploss表示集电线路总损耗；QPV_i表示第i个光伏发电单元的无功出力；QSVG表示静止无功发生器的无功出力。
9.根据权利要求2所述光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制方法，其特征在于：结合第一优化模型的求解结果，求解第二、第三优化模型，得到一组光伏电站的无功出力参考值在各光伏发电单元之间的优化分配方案集；采用模糊隶属度函数，对每个优化分配方案，求解其标准化满意度值，以满意度值最大的解为最优折衷解。
10.一种光伏电站参与电网主动调压的无功优化控制装置，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器存储有能够被所述处理器加载并执行的如权利要求1-9任意一项所述方法的计算机程序。
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