CN114844052A - 一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法 - Google Patents
一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,采用了基于二次约束二次优化的松弛化电压无功优化算法,在优化过程中,将数学问题通过直角坐标描述成二次约束二次优化问题,并且引入电压的松弛化变量,使用内点法进行求解目标函数;通过本发明方法为改善各负荷节点的电压,补偿各节点的无功缺额,同时减少系统无功损耗,促进主动配电网节能、稳定运行提供了一种更加优化的控制方法。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,具体涉及一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法。
背景技术
随着全球工业化进程的加快,传统化石能源的大量开采和利用导致了资源利用紧张和环境恶化等问题。可再生能源,如风能、太阳能,逐步成为人类可持续发展的重要选择。分布式电源大量接入配电网,在不断满足电网能量需求的同时,由于其出力的不确定性以及与负荷的负相关性,往往会引起配电网电压问题,因此,传统被动配电网已经不再满足分布式电源接入配电网的实际需求,主动配电网因为其调节灵活、响应速度、网络可视性以及网络灵活性较高、供电可靠性高、更容易地接入分布式电源的特点开始受到广泛关注。
在主动配电网的电压无功控制中,一般是利用配电网的无功补偿装备,在满足系统运行约束的前提下,通过调节各种无功补偿设备和其他可以改变系统无功潮流的手段,确定未来某一时刻或某一时段内配电网设备的运行状态,从而保证整个系统电压运行在合理的范围。分布式电源并入配电网后的节点电压控制问题是当下研究的重点和关键。
针对分布式电源接入配电网的节电压控制方法主要分为两类:集中式的协同控制方法和分层分布式主动配电网电压控制方法,这两种方式都存在一定的优势和缺点。
集中式的协同控制方法通过对配电网各个节点的电气量进行测量,然后运用数学算法对数据进行分析计算,最后通信各个节点的电压控制设备投入或退出运行,从而达到控制电压的目的。其特点是通过集中测量、计算和通信来控制电压,自动化程度要求高。分布式电源接入后,分布式电源有功出力的增加使得功率因数过低,容易导致电压无功控制装置误动作。这种控制方法适用于小规模电力系统和分布式能源接入不多的情况下。这种方法的优点是原理简单、易于操作,缺点是当系统变得复杂后,可靠性不高,实用化程度不理想。
分层分布式主动配电网电压控制方法采用多代理系统通过自我管理和协作的方式控制电压水平。其中每个代理系统都具有电气量采集处理和控制无功补偿设备的能力。就目前来说,而纯分层分布式的电压控制虽具有不依赖于通信,控制计算量小等优点,但是这类策略往往没有考虑全网的协调控制,无法充分利用分布式电源的调节能力。同时,分层分布式电压控制方式电网运行人员无法事先参与,没有对分布式电源进行接入评估和分级,而是统一地配置相同的控制设备和相同容量占比的无功补偿装置,这就造成了控制设备与补偿装置的冗余配置。
发明内容
发明目的:为了解决分布式电源并入配电网后的节点电压控制问题,本发明提出了一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,适用于大规模分布式电源并网接入配电网。
技术方案:一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,包括以下步骤:
步骤1:获取主动配电网的相关参数,所述配电系统的相关参数包括配电系统的线路参数、配电系统的负荷水平、系统运行电压水平和支路电流限制、分布式电源接入位置、分布式电源类型、分布式电源容量、分布式电源参数、分布式无功补偿装置的接入位置、分布式无功补偿装置的容量、分布式无功补偿装置参数、系统基准电压和系统基准功率初值;
步骤2:依据步骤1提供的主动配电网的相关参数,同时考虑有功网损、电压质量和控制阶段的运行效果,建立基于主动配电网的电压无功优化算法的数学模型,包括:选取根节点为平衡节点,最小化主动配电网系统的网损量作为目标函数,分别考虑系统的潮流约束、节点电压约束、分布式电源注入母线的无功功率约束、分布式电源端电压约束、分布式无功补偿装置的无功功率约束;
步骤3:采用直角坐标将步骤2建立的数学模型描述为二次约束二次松弛化电压无功优化模型;具体描述步骤包括:
引入反映节点的电压越限量的人工变量,引入反映节点的电压裕度的人工变量,并通过在目标函数中引入对节点的电压越限量的惩罚和对节点的电压裕度的奖励;
引入反映关口的无功越限量的人工变量,引入反映关口的无功裕度的人工变量,并通过在目标函数中引入对关口的电压越限量的惩罚和对关口的无功裕度的奖励;
步骤4:采用内点法对二次约束二次松弛化电压无功优化模型进行计算,得到配网优化控制策略,包括各系统节点的电压运行值和无功运行值;
步骤5:按照步骤4得到的配网优化控制策略,对主动配电网进行控制。
本发明还公开了一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,包括以下步骤:
S100:获取主动配电网的相关参数;
S200:基于主动配电网的相关参数,进行电压无功裕度检测,判断是否存在系统节点电压无功裕度小于0的情况,若存在,则认定有越限状态存在,进入S300;否则不做任何处理;
S300:利用灵敏度系数对并联补偿设备、分布式电源设备调节后裕度进行排序,选择调节后裕度最大的设备作为电压无功校正控制策略;
S400:判断当前基态潮流是否收敛,若收敛,则在电压无功校正控制策略基础上,采用如权利要求1至8任意一项所述的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,得到配网电压无功优化策略;若不收敛,则启用后备校正控制方法,得到配网电压无功优化策略;
S500:将配网电压无功优化策略输出给EMS平台执行。
进一步的,所述的后备校正控制方法为线性电压校正控制方法。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)电压无功优化问题一般描述为非线性规划问题,采用内点法等非线性规划方法求解时需要计算目标函数的梯度及海森矩阵等,编程实现的难度较大,而本发明在优化过程中,采用直角坐标将复杂的电网电压无功优化问题描述为二次约束二次规划模型,目标函数的梯度向量及海森矩阵的求解均很方便,大大降低了编程实现的难度,以提高算法实现的效率;
(2)为了解决电网的局部无功调节能力不足时,会出现电压越限、优化算法求解不收敛或者无可行解的问题,本发明通过在目标函数中引入电压的松弛化变量,可以满足无功调节能力相对不足时的电压控制需要;
(3)通过本发明方法可以调节各负荷节点的电压,补偿各节点的无功缺额,减少系统无功损耗,促进主动配电网节能、稳定运行,并满足使系统网损最小的目标函数。
附图说明
图1为本发明的计算流程示意图;
图2为本发明的引入的松弛量说明示意图;
图3为本发明的电压无功控制方法流程图;
图4为标准IEEE33节点配电系统标准算例拓扑图;
图5为改进主动配电网IEEE33节点系统图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示,本发明提出的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,包括如下步骤:
步骤1:输入选定的配电系统的相关参数,该相关参数包括但不限于:线路参数、负荷水平,系统运行电压水平和支路电流限制,分布式电源接入位置、类型、容量和参数,分布式无功补偿装置接入的位置、容量与参数,系统基准电压和基准功率初值。
步骤2:依据步骤1提供的配电系统的相关参数,选取根节点为平衡节点,设定配电系统的最小化配电线路的功率损耗作为目标函数,分别考虑系统的潮流约束、系统运行约束、分布式无功补偿装置的无功功率约束,建立基于主动配电网的电压无功优化算法的数学模型。
其中,最小化配电线路的功率损耗作为目标函数,表示为:
式中,Ploss为配电线路的功率损耗,NL为传输线路的数量,Gk(i,j)表示以系统节点i和系统节点j为首末端节点的第k条支路,θij为系统节点i与系统节点j之间的电压相角差,目标函数越小,无功优化的效果越明显。
除了网络损耗外,电压质量对配电网稳定性和用电设备至关重要。因此,为了同时兼顾电压质量,普遍采用罚函数的形式,将目标函数改写为:
其中,α为节点电压越线惩罚因子;ΔVi为系统节点i的电压越限偏差量;当Vi≤Vimin时,ΔVi=Vimin-Vi;当Vimin≤Vi≤Vimax时,ΔVi=0;当V≥Vimax时,ΔVi=Vi-Vimax,Vimax和Vimin表示所允许的电压最大运行值和电压最小运行值。
无功优化阶段在考虑有功网损以及电压质量的同时,也要考虑控制阶段的运行效果,具体体现在分布式电源无功出力的控制上。为了使分布式电源在控制阶段能尽可能地应对有功输出和负荷波动的动态性,无功优化阶段要尽可能的利用传统设备的无功调节能力来优化网损与电压质量,而给分布式电源足够的无功裕量进入控制阶段。因此,本发明无功优化阶段最终采用的目标函数表示如下:
其中,N表示系统节点的个数,Vilim和Qilim分别为系统节点i的电压和无功越限偏差量,β为总无功输出放缩系数,Vi为系统节点i的电压幅值,Qimax和Qimin表示所允许的无功最大运行值和无功最小运行值。
其中,该配电系统的约束条件包括如下:
功率平衡约束:满足电网潮流平衡
式(4)和式(5)分别代表潮流约束里的有功功率和无功功率平衡约束,表示在每条母线上的有功和无功功率平衡,其中,PGi和QGi分别为系统节点i注入的有功功率和无功功率,Gij与Bij分别表示系统节点i和系统节点j之间的电导值和导纳值,Vi、Vj分别为系统节点i和系统节点j的电压,θij为系统节点i和系统节点j之间的电压相角差。
系统节点电压约束:
Vi min≤Vi≤Vi max i=1,...,N (6)
其中,Vi min、Vi max分别为系统节点i的最小电压幅度限制和最大电压幅度限制。
因变量约束。为了系统的安全运行,因变量应该保持在其限制范围内,如式(7)中分布式电源注入母线的无功功率约束,具体所述如下:
控制变量约束。为了优化式(3)所述的目标,需要使用分布式无功补偿装置以及分布式电源来调整网络的无功潮流。控制变量包括分布式电源端电压,分布式无功补偿装置的无功功率,具体所述如下:
步骤3:步骤2建立的基于主动配电网的无功优化算法的数学模型,本质上是一个混合整数非线性规划问题,在本发明中,采用直角坐标将该电压无功优化问题描述为二次约束二次松弛化电压无功优化模型,再采用内点法进行求解,目标函数的梯度向量及海森矩阵的求解均很方便,大大降低了编程实现的难度,以提高算法实现的效率。
该配电网电压无功优化数学问题在直角坐标系中描述如下:
引入人工变量Ovi以反映节点i的电压越限量,引入人工变量Mvi以反映节点i的电压裕度,并通过在目标函数中引入对电压越限量的惩罚和对裕度的奖励,以体现对电网电压品质的要求。相似地,引入人工变量OWw以反映关口w的无功越限量,引入人工变MWw以反映关口w的无功裕度,并通过在目标函数中引入对电压越限量的惩罚和对裕度的奖励,以体现对电网电压品质的要求。
配电网电压无功优化数学问题可描述如下:
式中:SG表示所有平衡机端拓扑点的集合;WGb表示平衡机端拓扑点b处的无功量超出期望运行区的惩罚代价;OGb表示平衡机端拓扑点b处的电压无功越出期望运行区的量;SN表示所有系统节点i的集合;Wvz表示在目标函数中对系统节点i处电压越限进行惩罚的权重;Ovz为反映系统节点i的电压越限的人工变量;Mvi为反映系统节点i的电压裕度的人工变量;SW表示所有关口w的集合;WWw表示在目标函数中对关口w处无功裕度进行惩罚的权重;OWw表示关口w的无功越限的人工变量;MWw表示关口w的无功裕度的人工变量;SC表示并联补偿设备的集合;WCp表示并联补偿设备p的调节代价;和Cp分别表示并联补偿设备p优化前后的运行状态,0表示退出,1表示运行;ST表示变压器有载调压抽头q的集合;WTq表示变压器有载调压抽头q调整的权重;在计算前需要根据电网当前的无功电压运行状态预先选择抽头的期望调整方向,并进而确定WTq的符号;和tq分别表示变压器有载调压抽头q优化前后的抽头位置;PLd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路有功负荷;QLd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路无功负荷;Pd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路有功值;Qd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路无功值;e表示电流相量的实部的集合;f表示电流向量的虚部的集合;U表示电压幅值的集合;C表示无功补偿设备的集合;t表示变压器分接头调节档位的集合;Ui表示系统节点i的电压幅值的平方;ei表示电压相量实部;fi表示电压相量虚部;表示压缩后的电压下限;OVi表示系统节点i处电压无功越出期望运行区的量。MVi表示反映系统节点i的电压裕度的人工变量;表示压缩后的电压上限;βV表示电压裕度缩放系数;表示压缩后的无功下限;表示压缩后的无功下限;βW表示无功裕度缩放系数;QGbdown表示平衡机无功出力下限;QGbup表示平衡机无功出力上限;表示压缩后平衡机无功出力下限;表示平压缩后衡机无功出力上限;Cpdown表示并联补偿设备p的优化投入数量下限;Cpup表示并联补偿设备p的优化投入数量上限;Cp表示并联补偿设备p的优化投入数量;tq表示变压器有载调压抽头q调节档位下限;表示变压器有载调压抽头q调节档位上限;Mq表示变压器有载调压抽头q的档距;ecq表示变压器有载调压抽头q q处电压相量实部值;fcq表示变压器有载调压抽头q处电压相量虚部值;表示分接头的初始状态。
图2是模型中引入的松弛量说明示意图。根据压缩后的电压限值,对电压违反量进行惩罚,由于压缩带宽的存在,通过设置适当的惩罚系数,可以有效避免不必要的电压靠边界或越限运行。根据上述分析可以将电压的可能运行区间划分为安全区、预警区及警戒区,安全区是期望的电压运行区,故不必施加任何惩罚,预警区则应给予一定的惩罚,警戒区则给予较大的惩罚。
图3是本发明的电压无功控制方法流程图。系统从EMS平台通过接口获取电网模型及实时数据、AVC自身参数,并进行AVC策略计算。
第一步,电压无功裕度检测,通过检测判断是否有电压无功处于越限状态(存在监控点电压无功裕度小于0),若有越限状态存在,则进行第二步;若没有越限状态存在,则不做任何处理;
第二步,利用灵敏度系数对设备调节后裕度进行排序,选择调节后裕度大的设备作为校正策略;
第三步,检查当前基态潮流是否收敛,若基态潮流收敛,则在校正策略的基础上,使用本发明的优化算法计算配网优化策略;若基态潮流不收敛,则启用后备校正控制策略,即线性电压校正控制策略进行计算,得到配网优化策略;
第四步,将配网优化策略输出给EMS平台执行。现在将标准IEEE33节点测试系统和改进IEEE33节点测试系统进行仿真并进行对比。
标准IEEE33节点测试系统如图4所示。改进IEEE33节点测试系统是在IEEE33节点测试系统的基础上在2、19、24、4、7、12、17、21、30、32等节点处添加分布式电源,使其变成主动配电网,如图5所示。现对不同类型的线路负荷及分布式电源进行仿真计算。
根据图4及功率基准值求得的电压幅值结果如表1所示。
表1标准模型计算结果(精确到1.0*10^-4)
节点编号 | 电压幅值/p.u | 节点编号 | 电压幅值/p.u | 节点编号 | 电压幅值/p.u |
1 | 1.0000 | 12 | 0.9268 | 23 | 0.9794 |
2 | 0.9971 | 13 | 0.9208 | 24 | 0.9727 |
3 | 0.9828 | 14 | 0.9185 | 25 | 0.9694 |
4 | 0.9765 | 15 | 0.9171 | 26 | 0.9477 |
5 | 0.9641 | 16 | 0.9157 | 27 | 0.9452 |
6 | 0.9476 | 17 | 0.9137 | 28 | 0.9337 |
7 | 0.9452 | 18 | 0.9131 | 29 | 0.9255 |
8 | 0.9413 | 19 | 0.9965 | 30 | 0.9220 |
9 | 0.9351 | 20 | 0.9929 | 31 | 0.9178 |
10 | 0.9285 | 21 | 0.9922 | 32 | 0.9167 |
11 | 0.9274 | 22 | 0.9915 | 33 | 0.9164 |
在未考虑到分布式电源控制的情况下,会有13、14、15等多个节点越限的情况。
现采用本发明方法进行仿真,仿真结果如表2所示。从计算结果可以看出,分布式电源的节点电压在合格范围内,原先的越限节点均转为合格电压范围内,主动配电网的无功电压得到了有效控制。
表2带分布式电源的模型计算结果(精确到1.0*10^-4)
Claims (10)
1.一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:获取主动配电网的相关参数,所述配电系统的相关参数包括配电系统的线路参数、配电系统的负荷水平、系统运行电压水平和支路电流限制、分布式电源接入位置、分布式电源类型、分布式电源容量、分布式电源参数、分布式无功补偿装置的接入位置、分布式无功补偿装置的容量、分布式无功补偿装置参数、系统基准电压和系统基准功率初值;
步骤2:依据步骤1提供的主动配电网的相关参数,同时考虑有功网损、电压质量和控制阶段的运行效果,建立基于主动配电网的电压无功优化算法的数学模型,包括:选取根节点为平衡节点,最小化主动配电网系统的网损量作为目标函数,分别考虑系统的潮流约束、节点电压约束、分布式电源注入母线的无功功率约束、分布式电源端电压约束、分布式无功补偿装置的无功功率约束;
步骤3:采用直角坐标将步骤2建立的数学模型描述为二次约束二次松弛化电压无功优化模型;具体描述步骤包括:
引入反映节点的电压越限量的人工变量,引入反映节点的电压裕度的人工变量,并通过在目标函数中引入对节点的电压越限量的惩罚和对节点的电压裕度的奖励;
引入反映关口的无功越限量的人工变量,引入反映关口的无功裕度的人工变量,并通过在目标函数中引入对关口的电压越限量的惩罚和对关口的无功裕度的奖励;
步骤4:采用内点法对二次约束二次松弛化电压无功优化模型进行计算,得到配网优化控制策略,包括各系统节点的电压运行值和无功运行值;
步骤5:按照步骤4得到的配网优化控制策略,对主动配电网进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,其特征在于:步骤2中,所述的系统节点电压约束表示为:
Vi min≤Vi≤Vi max i=1,...,N (6)
式中,Vi min、Vi max分别为系统节点i的最小电压幅度限制和最大电压幅度限制。
8.根据权利要求2所述的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,其特征在于:步骤3中,所述的采用直角坐标将步骤2建立的数学模型描述为二次约束二次松弛化电压无功优化模型,表示为:
其中:
式中:
SG表示所有平衡机端拓扑点的集合;WGb表示平衡机端拓扑点b处的无功量超出期望运行区的惩罚代价;OGb表示平衡机端拓扑点b处的电压无功越出期望运行区的量;
SN表示所有系统节点i的集合;Wvz表示在目标函数中对系统节点i处电压越限进行惩罚的权重;Ovz为反映系统节点i的电压越限的人工变量;Mvi为反映系统节点i的电压裕度的人工变量;
SW表示所有关口w的集合;WWw表示在目标函数中对关口w处无功裕度进行惩罚的权重;OWw表示关口w的无功越限的人工变量;MWw表示关口w的无功裕度的人工变量;
PLd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路有功负荷;
QLd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路无功负荷;
Pd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路有功值;
Qd(i,j)表示系统节点i到系统节点j的支路无功值;
e表示电流相量的实部的集合;
f表示电流向量的虚部的集合;
U表示电压幅值的集合;
C表示无功补偿设备的集合;
t表示变压器分接头调节档位的集合;Ui表示系统节点i的电压幅值的平方;
ei表示电压相量实部;
fi表示电压相量虚部;
OVi表示系统节点i处电压无功越出期望运行区的量;
MVi表示反映系统节点i的电压裕度的人工变量;
βV表示电压裕度缩放系数;
βW表示无功裕度缩放系数;
QGbdown表示平衡机无功出力下限;
QGbup表示平衡机无功出力上限;
Cpdown表示并联补偿设备p的优化投入数量下限;
Cpup表示并联补偿设备p的优化投入数量上限;
Cp表示并联补偿设备p的优化投入数量;
t q表示变压器有载调压抽头q调节档位下限;
tq表示变压器有载调压抽头q调节档位上限;
Mq表示变压器有载调压抽头q的档距;
ecq表示变压器有载调压抽头q处电压相量实部值;
fcq表示变压器有载调压抽头q处电压相量虚部值;
9.一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
S100:获取主动配电网的相关参数;
S200:基于主动配电网的相关参数,进行电压无功裕度检测,判断是否存在系统节点电压无功裕度小于0的情况,若存在,则认定有越限状态存在,进入S300;否则不做任何处理;
S300:利用灵敏度系数对并联补偿设备、分布式电源设备调节后裕度进行排序,选择调节后裕度最大的设备作为电压无功校正控制策略;
S400:判断当前基态潮流是否收敛,若收敛,则在电压无功校正控制策略基础上,采用如权利要求1至8任意一项所述的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,得到配网电压无功优化策略;若不收敛,则启用后备校正控制方法,得到配网电压无功优化策略;
S500:将配网电压无功优化策略输出给EMS平台执行。
10.根据权利要求9所述的一种基于主动配电网的电压无功优化控制方法,其特征在于:所述的后备校正控制方法为线性电压校正控制方法。
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