CN116054210A - 基于f-sop的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法 - Google Patents

基于f-sop的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法 Download PDF

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Abstract

基于F‑SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，先拟合F‑SOP负载率与传输效率的函数关系以及变压器负载率与运行效率的函数关系；再实时采集配电网稳定运行时的工作参数，计算柔性互联低压配电台区未经F‑SOP互联时各变压器负载率与输出功率的不平衡度；接着判断负载率和输出功率不平衡度是否同时达标，如不能同时达标，则启动F‑SOP，如能同时达标，则关闭F‑SOP；启动F‑SOP后，对构建的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型进行求解，得到F‑SOP最优功率指令结果，配电网控制系统根据该指令结果控制各F‑SOP对对应台区三相的输出功率进行调控，实现柔性互联低压配电台区三相不平衡的优化。

Description

基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法
技术领域
本发明涉及电力电网控制技术领域，尤其指一种基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法。
背景技术
在国家大力推进新能源供给消纳体系的背景下，大量风电、光伏等分布式电源并入配电网，使得配电台区的优化调度方式更加复杂多样。随着电动汽车、变频空调、分布式电源等随机负荷接入的比例逐步提高，配电台区三相负荷不平衡、变压器轻重载运行等问题逐渐凸显。
近年来，智能软开关(Soft Open Switch，SOP) 作为一种具备功率连续调控功能的新型电力电子设备，在配电网潮流优化、电压治理、提高新能源消纳率等多个领域表现突出。目前，相关学者围绕SOP在配电网互联的应用上已开展大量研究工作，提出了多种潮流调控策略、SOP控制结构与控制方案，进一步提高了配电网互联系统的经济性和稳定性。
然而，目前关于SOP的研究多针对于传统中压配电场景（10-35kV），鲜有分析低压配电台区（380V）中SOP互联特性。相对于传统中压配电网络，当SOP应用于低压配电台区柔性互联时，其接线方式与接入位置存在差异。因此，既有针对中压配电网络的潮流调控策略、SOP控制结构与控制方案难以适用低压配电台区柔性互联场景。另一方面，在互联低压配电台区的研究中，虽然已在馈线负荷均衡、电网电压调节等方面取得了显著的成果，但是鲜有考虑在三相不平衡情况下，三相不平衡治理、设备损耗特性、变压器带轻重载运行等问题，既有SOP调控策略的效果有待提升。
发明内容
为了解决低压配电台区变压器输出功率不平衡、轻重载的问题，本发明提供一种基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，各配电台区经多端口的F-SOP互联，所述F-SOP由多个三相四桥臂变换器共直流侧并联而成，每一个三相四桥臂变换器的输出端作为F-SOP的一个端口与一个配电台区的母线连接，由F-SOP控制各配电台区三相输出功率，控制时采用如下步骤：
步骤S1，根据F-SOP和变压器的损耗特性，拟合F-SOP负载率与传输效率的函数关系以及变压器负载率与运行效率的函数关系；
步骤S2，实时采集配电网稳定运行时的工作参数，计算柔性互联低压配电台区未经F-SOP互联时各变压器负载率与输出功率的不平衡度，所述工作参数包括变压器二次侧三相电压与三相电流、各条母线上的三相负荷功率；
步骤S3，判断步骤S2中计算得到的负载率和输出功率不平衡度是否同时达标；如不能同时达标，则启动F-SOP，进入步骤S4；如能同时达标，则关闭F-SOP，返回步骤S2；
步骤S4，构建柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型，该模型以配电网综合损耗最小为目标函数，F-SOP调度功率为决策变量；
步骤S5，对步骤S4构建的模型求解，得到F-SOP最优功率指令结果，配电网控制系统根据该指令结果控制各F-SOP对对应台区三相的输出功率进行调控，实现柔性互联低压配电台区三相不平衡的优化。
进一步地，在步骤S1中：
1）F-SOP负载率与传输效率的函数关系如下式（1）：
(1)
式中，分别表示F-SOP 桥臂、桥臂、桥臂、第四桥臂的负载率，表示F-SOP三相桥臂的传输效率，表示F-SOP第四桥臂的传输效率，、分别表示三相桥臂与第四桥臂的拟合系数，；
2）变压器负载率与运行效率的函数关系如下式（2）：
(2)
式中，表示变压器的运行效率；表示变压器负载率；表示变压器额定容量，单位为kVA；表示变压器功率因数；为变压器综合功率空载损耗，单位为千瓦；为变压器综合功率额定负载功率损耗，单位为千瓦；表示变压器运行电压标幺值；表示带不平衡负载时变压器产生的零序损耗。
进一步地，在步骤S2中：
1）变压器负载率的计算公式如下式（3）：
 (3)
式中，为变压器实际承担的负荷。
2）变压器输出功率的不平衡度的计算公式如下式（4）：
 (4)
式中，为变压器输出功率的不平衡度；、分别表示变压器输出的最大相电流、最小相电流。
再进一步地，在步骤S3中：
1）变压器负载率满足下式（5）为达标：
(5)
2）变压器输出功率的不平衡度满足下式（6）为达标：
(6)。
更进一步地，所述柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型的目标函数如下式：
(7)
式中，表示目标函数；表示F-SOP功率传输损耗；表示变压器损耗；其中，F-SOP功率传输损耗包括三相桥臂损耗和第四桥臂损耗；变压器损耗包括带载运行损耗和零序损耗；、的计算公式如下：
(8)
式中，表示F-SOP第个端口桥臂的功率传输效率；为F-SOP第个端口桥臂传输的视在功率；为第个端口连接的变压器产生的零序损耗；为第个端口连接的变压器负载率。
更进一步地，在步骤S4中，还设立柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型目标函数的约束条件，如下：
1）F-SOP约束：包括F-SOP有功功率平衡约束与F-SOP容量约束；
(9)
式中，表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的有功功率；表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的视在功率；表示F-SOP端口视在功率最大值;
2）变压器约束：同时满足式（5）和式（6）。
优选地，在步骤S5中，对步骤S4构建的模型求解后得到F-SOP最优功率指令结果包括每个端口的F-SOP三相桥臂各自传输的有功功率和无功功率。
优选地，在F-SOP负载率与传输效率的函数关系式中：
1）三相桥臂的拟合系数如下：
；
2）第四桥臂的拟合系数如下：
。
本发明提出的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，各配电台区采用三相四桥臂结构的F-SOP互联，可传输补偿台区不平衡功率，且本发明从实际的互联台区运行特性出发，充分考虑F-SOP和变压器的损耗特性，并以系统损耗最小的目标对互联台区调度进行优化，使得优化策略更贴合现实需要，符合工程实际。整体而言，本发明在台区经F-SOP互联的基础上，有效降低了变压器运行输出功率不平衡度，消除了变压器带轻重载问题，同时降低了系统的综合损耗，保障了低压配电台区变压器的可靠、经济运行。
附图说明
图1是是本发明所涉基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法的流程图；
图2是本实施方式中基于两端口F-SOP的柔性互联台区示意图；
图3是本实施方式中F-SOP的结构拓扑示意图；
图4是本实施方式中F-SOP负载率与传输效率的曲线图；
图5是本实施方式中变压器负载率与运行效率的曲线图；
图6是本实施方式中优化前后系统综合损耗对比图，其中，（a）为优化前系统综合损耗示意图，（b）为优化后系统综合损耗示意图；
图7是本实施方式中优化前后变压器负载率对比图，其中，（a）为优化前变压器负载率曲线图，（b）为优化后变压器负载率曲线图；
图8是本实施方式中优化前后变压器输出功率不平衡度对比图，其中，（a）为优化前变压器输出功率不平衡度曲线图，（b）为优化后变压器输出功率不平衡度曲线图；
图9是本实施方式中F-SOP输出的有功功率图，其中，（a）为F-SOP第一个端口输出的有功功率图，（b）为F-SOP第二个端口输出的有功功率图；
图10是本实施方式中F-SOP输出的无功功率图，（a）为F-SOP第一个端口输出的无功功率图，（b）为F-SOP第二个端口输出的无功功率图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
为满足柔性互联低压配电台区三相不平衡调控的需求，本发明提出一种基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，该方法针对低压台区三相四线制的接线特点，选用三相四桥臂SOP拓扑结构（Four-leg SOP , F-SOP），以单独控制各相输出功率，实现柔性互联台区三相不平衡功率灵活调控，减小变压器输出不平衡功率引起的损耗、降低三相不平衡负荷对系统设备的影响。
具体而言，如图1所示，本发明提出的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法包括五大步骤。
步骤S1，根据变压器和F-SOP的损耗特性，拟合变压器负载率与输出功率的函数关系以及F-SOP负载率与输出功率的函数关系。
本实施方式以两端口的F-SOP柔性互联台区为例，分别分析F-SOP与变压器的损耗特性，两端口的F-SOP柔性互联台区如图2所示。图2中DN1、DN2表示10kV配电台区，T1、T2表示变比为10/0.4kV的配电变压器；每个配电台区的母线上连接一个F-SOP，如图2和3所示，F-SOP为三相四桥臂的SOP，各F-SOP相并联；图2中、 分别表示变压器输出的有功功率与无功功率，均以流入母线的方向为正方向；、 分别表示F-SOP传输的有功功率与无功功率，均以流入母线的方向为正方向。、 分别表示母线上的负荷，均以流出母线的方向为正方向。
S101，F-SOP损耗特性分析。基于目标柔性互联低压配电台区运行时的实际数据分析F-SOP损耗特性，以50kVA为三相额定容量，拟合得出F-SOP负载率与传输效率的函数关系如下式（1）：
 (1)
式中，分别表示F-SOP 桥臂、桥臂、桥臂、第四桥臂的负载率，表示F-SOP三相桥臂的传输效率，表示F-SOP第四桥臂的传输效率，F-SOP损耗由各桥臂损耗加和可得。
根据式（1）得到本实施方式中各个桥臂的损耗特性函数如图4所示，由图4易知，F-SOP传输效率与其负载率（也即与传输功率）紧密相关。
S102，变压器损耗特性分析。基于目标柔性互联低压配电台区运行时的实际数据分析变压器损耗特性，变压器负载率与运行效率的函数关系如下式（2）：
(2)
式中，表示变压器的运行效率；表示变压器负载率；表示变压器额定容量，单位为kVA；表示变压器功率因数；为变压器综合功率空载损耗，单位为千瓦；为变压器综合功率额定负载功率损耗，单位为千瓦；表示变压器运行电压标幺值；表示带不平衡负载时变压器产生的零序损耗。
根据式（2）得到本实施方式中变压器运行效率曲线如图5所示，可以看出，变压器负载过小或过大都会使变压器运行效率下降，从而导致变压器运行损耗增加。同时，变压器负载不平衡度越高，零序损耗越大，也会导致变压器整体运行损耗增大。
步骤S2，实时采集配电网稳定运行时的变压器二次侧三相电压与三相电流、各条母线上的三相负荷功率，计算柔性互联低压配电台区未经F-SOP互联时各变压器负载率与输出功率的不平衡度。
S201，数据采集。通过现有的数据采集装置以及自动化设备实时采集两个台区各自的三相负荷量。
S202，数据计算。本实施方式以变压器负载率、台区负荷不平衡度为系统关键运行数据，以判断变压器是否处于经济运行的状态。通过现有的数据采集装置以及自动化设备实时检测变压器各相输出功率，并计算出各端口变压器的负载率与不平衡度。
1）变压器负载率的计算公式如下式（3）：
 (3)
式中，为变压器实际承担的负荷。
2）变压器输出功率的不平衡度的计算公式如下式（4）：
 (4)
式中，为变压器输出功率的不平衡度；、分别表示变压器输出的最大相电流、最小相电流。
步骤S3，F-SOP工作启动状态判断
本实施方式设置某一端口同时满足下式（5）与式（6），即认为该端口变压器处于经济运行状态，F-SOP无需工作，转至步骤S2，这一过程可以避免F-SOP设备长期工作降低寿命，减小其使用损耗；
(5)
(6)
若某一端口不能同时满足式（5）与式（6），则进入步骤S4。
步骤S4，构建柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型
S401，本发明以F-SOP调度功率为决策变量，配电网综合损耗最小为目标函数建立柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型，其目标函数如下式：
(7)
式中，表示目标函数；表示F-SOP功率传输损耗；表示变压器损耗；其中，F-SOP功率传输损耗包括三相桥臂损耗和第四桥臂损耗；变压器损耗包括带载运行损耗和零序损耗；、的计算公式如下：
(8)
式中， 表示F-SOP第个端口桥臂的功率传输效率； 为F-SOP第个端口桥臂传输的视在功率； 为第个端口连接的变压器产生的零序损耗； 为第个端口连接的变压器负载率。
S402，设立柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型目标函数的约束条件，如下：
1）F-SOP约束：包括F-SOP有功功率平衡约束与F-SOP容量约束；
(9)
式中，表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的有功功率；表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的视在功率；表示F-SOP端口视在功率最大值;
2）变压器约束：同时满足式（5）和式（6）。
步骤S5，采用Cplex商用求解器对步骤S4构建的模型求解，得到F-SOP最优功率指令结果（包括每个端口的F-SOP三相桥臂各自传输的有功功率和无功功率），将该功率指令输入配电网控制系统中，F-SOP快速跟随，对对应台区三相的输出功率进行调控，以控制潮流，从而实现柔性互联低压配电台区三相不平衡的优化。
为验证本发明所涉方法的有效性与优越性，接下来本实施方式设置了优化前和优化后两种情形，两个台区使用了不同的24h居民负荷进行验证。优化前：两个台区变压器各自带载运行，无F-SOP互联，该情形作为初始对照组；优化后：两个台区经F-SOP互联，同时引入了本发明即基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法。
两种场景比较，主要特点如下：
图6给出的是优化前、后下系统损耗的对比图，观察其优化前、后结果，优化前两台区无F-SOP互联，变压器承担所有负荷，但由于负载不平衡度较大，变压器产生的零序损耗很大。优化后两台区经F-SOP互联，虽然增加了F-SOP损耗，但在很大程度上消除了变压器输出功率的不平衡度，减小了变压器零序损耗，同时使得变压器在最优经济区间运行，减小了重载损耗，使得系统整体效率提高。
图7给出的是优化前、后下变压器负载率的对比图，2号变压器在负荷高时负载率超出了变压器经济运行区间。而在优化后，在变压器经济运行区间约束下，F-SOP能够跟随指令调度功率，使得变压器最终处在经济最优运行状态。
图8给出的是优化前、后下两台区变压器输出功率的不平衡度曲线。优化前，变压器输出功率的不平衡度最高达到了34%，而在优化后，两个台区的变压器输出功率不平衡度大幅度下降，F-SOP运行时，变压器输出功率的不平衡度小于1%。从整体上看，降低变压器输出功率不平衡度，能够减小零序损耗，进而减小系统损耗。
图9和图10给出的是F-SOP从母线1向母线2调度的功率曲线。由于F-SOP两端输出有功功率守恒，当母线2上负荷比母线1较重时，为减轻重载损耗，F-SOP从母线1向母线2注入有功功率，反之亦然。在用电量较大的时段下，如中午和晚上，F-SOP输出的无功功率较大，以减轻变压器输出的功率，进而使变压器在经济最优区间运行。同时，F-SOP各相发出的功率均有一定的差值，也可以减小变压器输出功率的不平衡度。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (8)

1.基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：各配电台区经多端口的F-SOP互联，所述F-SOP由多个三相四桥臂变换器共直流侧并联而成，每一个三相四桥臂变换器的输出端作为F-SOP的一个端口与一个配电台区的母线连接，由F-SOP控制各配电台区三相输出功率，控制时采用如下步骤：
步骤S1，根据F-SOP和变压器的损耗特性，拟合F-SOP负载率与传输效率的函数关系以及变压器负载率与运行效率的函数关系；
步骤S2，实时采集配电网稳定运行时的工作参数，计算柔性互联低压配电台区未经F-SOP互联时各变压器负载率与输出功率的不平衡度，所述工作参数包括变压器二次侧三相电压与三相电流、各条母线上的三相负荷功率；
步骤S3，判断步骤S2中计算得到的负载率和输出功率不平衡度是否同时达标；如不能同时达标，则启动F-SOP，进入步骤S4；如能同时达标，则关闭F-SOP，返回步骤S2；
步骤S4，构建柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型，该模型以配电网综合损耗最小为目标函数，F-SOP调度功率为决策变量；
步骤S5，对步骤S4构建的模型求解，得到F-SOP最优功率指令结果，配电网控制系统根据该指令结果控制各F-SOP对对应台区三相的输出功率进行调控，实现柔性互联低压配电台区三相不平衡的优化。
2.根据权利要求1所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在步骤S1中：
1）F-SOP负载率与传输效率的函数关系如下式（1）：
 (1)
式中，分别表示F-SOP 桥臂、桥臂、桥臂、第四桥臂的负载率，表示F-SOP三相桥臂的传输效率，表示F-SOP第四桥臂的传输效率，、分别表示三相桥臂与第四桥臂的拟合系数，；
2）变压器负载率与运行效率的函数关系如下式（2）：
(2)
式中，表示变压器的运行效率；表示变压器负载率；表示变压器额定容量，单位为kVA；表示变压器功率因数；为变压器综合功率空载损耗，单位为千瓦；为变压器综合功率额定负载功率损耗，单位为千瓦；表示变压器运行电压标幺值；表示带不平衡负载时变压器产生的零序损耗。
3.根据权利要求2所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在步骤S2中：
1）变压器负载率的计算公式如下式（3）：
 (3)
式中，为变压器实际承担的负荷;
2）变压器输出功率的不平衡度的计算公式如下式（4）：
 (4)
式中，为变压器输出功率的不平衡度；、分别表示变压器输出的最大相电流、最小相电流。
4.根据权利要求3所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在步骤S3中：
1）变压器负载率满足下式（5）为达标：
(5)
2）变压器输出功率的不平衡度满足下式（6）为达标：
(6)。
5.根据权利要求4所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：所述柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型的目标函数如下式：
(7)
式中，表示目标函数；表示F-SOP功率传输损耗；表示变压器损耗；其中，F-SOP功率传输损耗包括三相桥臂损耗和第四桥臂损耗；变压器损耗包括带载运行损耗和零序损耗；、的计算公式如下：
(8)
式中，表示F-SOP第个端口桥臂的功率传输效率；为F-SOP第个端口桥臂传输的视在功率；为第个端口连接的变压器产生的零序损耗；为第个端口连接的变压器负载率。
6.根据权利要求5所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在步骤S4中，还设立柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控模型目标函数的约束条件，如下：
1）F-SOP约束：包括F-SOP有功功率平衡约束与F-SOP容量约束；
(9)
式中，表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的有功功率；表示F-SOP第个端口四个桥臂发出的视在功率；表示F-SOP端口视在功率最大值;
2）变压器约束：同时满足式（5）和式（6）。
7.根据权利要求6所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在步骤S5中，对步骤S4构建的模型求解后得到F-SOP最优功率指令结果包括每个端口的F-SOP三相桥臂各自传输的有功功率和无功功率。
8.根据权利要求7所述的基于F-SOP的柔性互联低压配电台区三相不平衡优化调控方法，其特征在于：在F-SOP负载率与传输效率的函数关系式中：
1）三相桥臂的拟合系数如下：
；
2）第四桥臂的拟合系数如下：
。
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