计及分布式电源最优配置的配网无功电压控制方法

摘要

本发明公开了一种计及分布式电源最优配置的配网无功电压控制方法，涉及分布式电源接入的配电系统运行与控制技术领域。该方法首先计算各母线接入DG的最优接入容量及最优功率因数值；再进行间歇性DG的最优配置；对配置好的配网进行电压综合控制，首先确定调节到目标电压所需的无功补偿容量，根据不同情况下确定的无功补偿容量Q_iC的取值，进行逆变器功率因数调节优先、无功补偿装置调节做补充、主变分接头位置调节为最后保障的电压控制过程。本发明提供的计及分布式电源最优配置的配网无功电压控制方法充分利用逆变器功率因数的调节来调整配网节点电压，可靠、经济，既不影响分布式电源的有功输出，又不影响用户的经济效益。

主权项

一种计及分布式电源最优配置的配网无功电压控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)在DG为恒功率输出电源时，计算具有N条母线的配网中各母线接入DG的最优接入容量及最优功率因数值；母线i接入DG的最优接入容量P_DGi及最优功率因数opf_DGi的计算公式分别为$P_{DGi}=P_{Di}-\frac{\frac{{\sigma }_1}{P_L}{A}_i+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{C}_i}{\frac{{\sigma }_1}{P_L}{\alpha }_{ii}+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{\gamma }_{ii}}$和opf_DGi＝cos(tan^‑1(a_i))，$a_i=\frac{(\frac{{\sigma }_1}{P_L}{\alpha }_{ii}+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{\gamma }_{ii})Q_{Di}-(\frac{{\sigma }_1}{P_L}{B}_i+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{D}_i)}{(\frac{{\sigma }_1}{P_L}{\alpha }_{ii}+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{\gamma }_{ii})P_{Di}-(\frac{{\sigma }_1}{P_L}{A}_i+\frac{{\sigma }_2}{Q_L}{C}_i)},$其中，P_Di和Q_Di分别为所述母线i的有功负荷和无功负荷；P_L和Q_L分别为配网未接入DG的有功网损和无功网损，计算公式分别为$P_L=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}[{\alpha }_{ij}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\beta }_{ij}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)]$和$Q_L=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}[{\gamma }_{ij}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\xi }_{ij}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)],$其中，P_i和Q_i分别是母线i上注入的有功功率和无功功率，计算公式分别为P_i＝P_DGi‑P_Di和Q_i＝Q_DGi‑Q_Di＝a_iP_DGi‑Q_Di，P_DGi和Q_DGi分别为i母线DG的有功注入和无功注入，P_Di和Q_Di分别为母线i的有功负荷和无功负荷；α_ij、β_ij、γ_ij和ξ_ij为网损系数，四个所述网损系数的计算公式分别为：${\beta }_{ij}=\frac{r_{ij}}{v_i{v}_j}sin({\delta }_i-{\delta }_j),$${\gamma }_{ij}=\frac{x_{ij}}{v_i{v}_j}cos({\delta }_i-{\delta }_j),$和${\xi }_{ij}=\frac{x_{ij}}{v_i{v}_j}sin({\delta }_i-{\delta }_j),$其中，V_i∠δ_i为母线i的电压向量，r_ij+jx_ij＝z_ij是阻抗矩阵[Z_bus]中的第i行第j列元素；σ₁和σ₂分别为所述有功网损和无功网损的权重系数，且σ₁+σ₂＝1，σ_i∈[0，1]；A_i、B_i、C_i和D_i为功率因子，分别为$A_i=\underset{j\ne i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Sigma }}}({\alpha }_{ij}{P}_j-{\beta }_{ij}{Q}_j),$$B_i=\underset{j\ne i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Sigma }}}({\alpha }_{ij}{Q}_j-{\beta }_{ij}{P}_j),$$C_i=\underset{j\ne i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Sigma }}}({\gamma }_{ij}{P}_j-{\xi }_{ij}{Q}_j),$$D_i=\underset{j\ne i}{\overset{N}{\underset{j=1}{\Sigma }}}({\gamma }_{ij}{Q}_j-{\xi }_{ij}{P}_j);$2)在典型日负荷曲线情况下，间歇性DG的最优配置计算，按照以下方法进行：(1)判断接入DG的类型，为可调度DG或不可调度DG；若为可调度DG，计算峰荷情况下的配网潮流分布，若为不可调度DG，则计算平均负荷情况下的配网潮流分布，均计算未接入DG时的有功网损P_L和无功网损Q_L；(2)所述有功网损和无功网损的权重系数σ₁和σ₂按步长0.1在区间[0，1]内组合取值，并将各组取值带入步骤1)中的所述最优接入容量P_DGi及最优功率因数opf_DGi计算公式，得到各母线接入DG的最优接入容量和最优功率因数，以及权重系数σ₁和σ₂相应的最优取值；(3)根据各母线上的最优接入容量和最优功率因数，计算接入DG后的有功网损指标ILP和无功网损指标ILQ，ILP＝P_LDG/P_L，ILQ＝Q_LDG/Q_L，其中，P_LDG和Q_LDG分别为配网接入DG之后的有功网损和无功网损，分别用如下两式计算：$P_{LDG}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left[\begin{array}{c}{\alpha }_{ij}\left(\left(P_{DGi}-P_{Di}\right)P_j+\left(a_i{P}_{DGi}-Q_{Di}\right)Q_j\right)\\ +{\beta }_{ij}\left(\left(a_i{P}_{DGi}-Q_{Di}\right)P_j-\left(P_{DGi}-P_{Di}\right)Q_j\right)\end{array}\right]$和$Q_{LDG}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left[\begin{array}{c}{\gamma }_{ij}\left(\left(P_{DGi}-P_{Di}\right)P_j+\left(a_i{P}_{DGi}-Q_{Di}\right)Q_j\right)\\ +{\xi }_{ij}\left(\left(a_i{P}_{DGi}-Q_{Di}\right)P_j-\left(P_{DGi}-P_{Di}\right)Q_j\right)\end{array}\right],$(4)根据所述述步骤(2)中得到的权重系数σ₁和σ₂的最优取值和接入DG后的有功网损指标ILP和无功网损指标ILQ，计算各母线接入DG的有功网损无功网损组合的多目标指数IMO，IMO＝σ₁ILP+σ₂ILQ，并比较N条母线的多目标指数IMO，选取IMO最小的母线接入相应最优接入容量的DG，并以相应的最优功率因数运行；(5)判断配网接入DG是否结束，判断条件为：任一母线电压越限或任一支路潮流越限或DG接入容量达到上限，若不满足判断条件，则重复步骤(1)至(5)，若满足判断条件，则停止接入DG，完成间歇式DG的最优配置；3)在配网完成DG最优配置的基础上，进行电压综合控制；(6)确定调节到目标电压所需的无功补偿容量；设无功补偿前后首端电压保持不变，得到等式为${\left({\mathrm{kU}}_i+\frac{P_i{R}_i+Q_i{X}_i}{U_{i}k}\right)}^2+{\left(\frac{P_i{X}_i-Q_i{R}_i}{U_{i}k}\right)}^2={\left[U_i^{\prime }{k}^{\prime }+\frac{P_i{R}_i+\left(Q_i-Q_{iC}\right)X_i}{U_i^{\prime }{k}^{\prime }}\right]}^2+{\left[\frac{P_i{X}_i-\left(Q_i-Q_{iC}\right)R_i}{U_i^{\prime }{k}^{\prime }}\right]}^2,$得到母线i的电压调节到目标电压所需的无功补偿容量Q_iC为：$Q_{iC}=Q_i+\frac{U_i^{\prime 2}{k}^{\prime 2}}{z^2}{X}_i\pm \sqrt{\frac{X_i^2}{z^4}{U}_i^{\prime 4}{k}^{\prime 4}-\frac{U_i^{\prime 2}{k}^{\prime 2}}{z^2}(U_i^{\prime 2}{k}^{\prime 2}-k^2{U_i}^2-2Q_i{X}_i-\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2)-{P_i}^2},$其中，P_i为支路上i节点后的所有净有功负荷之和(除去DG发出的有功),Q_i为支路上i节点后的所有无功负荷之和，k为主变变压器分接头的原始位置，k′为主变变压器分接头的调整后位置，U_i为调节前节点i的电压，U′_i为节点i的目标电压，P_i、Q_i、U_i和k为电压超出用户端规定电压范围[U_imin，U_imax]时的实时潮流和电网参数，均为已知量，将U_imin和U_imax分别带入所述无功补偿容量Q_iC的计算公式，得到所述无功补偿容量Q_iC的最小值和最大值，记为Q_iCmin和Q_iCmax；(7)根据所述无功补偿容量Q_iC的最小值Q_iCmin和最大值Q_iCmax的范围，确定所述无功补偿容量Q_iC的具体取值；根据逆变器功率因数在滞后和超前情况下的调整范围，即和得到逆变器最大发出无功功率和最大吸收无功功率分别为和并设Q_iCC为节点i已安装无功补偿装置的无功补偿容量，则所述无功补偿容量Q_iC按以下情况进行取值：A、当Q_iCmin≥0且Q_iCmax≤Q_iCC+Q_LDGmax时，所述无功补偿容量Q_iC的取值为$Q_{iC}=\frac{Q_{iC\min }+Q_{iC\max }}{2};$B、当0≤Q_iCmin≤Q_iCC+Q_LDGmax且Q_iCmax≥Q_iCC+Q_LDGmax时，所述无功补偿容量Q_iC的取值为Q_iC＝Q_iCmin；C、当Q_iCmin＜0且0≤Q_iCmax≤Q_iCC+Q_LDGmax时，所述无功补偿容量Q_iC的取值为Q_iC＝Q_iCmax；D、当Q_iCmin≥Q_iCC+Q_LDGmax时，所述无功补偿容量Q_iC的取值为Q_iC＝Q_iCC；E、当Q_iCmax≤0时，无功需求为负值，无功过剩，所述无功补偿容量Q_iC的取值为$Q_{iC}=\frac{Q_{iC\min }+Q_{iC\max }}{2};$(8)根据步骤(7)中A、B、C和D四种需要无功补偿的情况下确定的所需无功补偿容量Q_iC的取值，按照以下方法进行电压控制：a、当0＜Q_iC≤Q_LDGmax时，通过调节逆变器功率因数使电压恢复到合格水平，所需的无功补偿容量Q_iC为其中，为调节前的功率因数角，为目标功率因数角，则逆变器功率因数需调节为b、当Q_LDGmax＜Q_iC≤Q_iCC时，投入无功补偿装置进行电压调整；c、当Q_iCC＜Q_iC≤Q_iCC+Q_LDGmax时，无功补偿装置和逆变器同时进行无功补偿，所需的无功补偿容量Q_iC为则逆变器功率因数需调节为d、当Q_iCC+Q_LDGmax＜Q_iC时，无功需求大于节点可提供的无功补偿，只能通过调节主变变压器分接头进行电压调整，由步骤(6)中的等式解得主变变压器分接头的位置需调节为：$k^{\prime }=\frac{1}{U_i^{\prime }}\sqrt{\frac{1}{2}(k^2{U_i}^2+\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2\pm \sqrt{M-N})},$其中，$M={(k^2{U_i}^2+\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2)}^2,$N＝4(P_i²+Q_i²)z²；(9)当无功功率为步骤(7)中的E所述的无功过剩时，无功需求为负值，需要对过剩的无功功率进行吸收，按照以下方法进行电压控制：e、当|Q_iCmax|≤Q_LDGmax时，通过调节逆变器功率因数吸收过剩无功功率，逆变器功率因数需调节为：f、当|Q_iCmax|≥Q_LDGmax时，逆变器无法吸收全部过剩无功，只能通过调节主变变压器分接头位置进行电压调整，由步骤(6)中的等式得到$U_i^{\prime 2}{k}^{\prime 2}+\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{U_i^{\prime 2}{k}^{\prime 2}}{z}^2=k^2{U_i}^2+\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2,$解得主变变压器分接头的位置需调节为：$k^{\prime }=\frac{1}{U_i^{\prime }}\sqrt{\frac{1}{2}[k^2{U_i}^2+\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2\pm (k^2{U_i}^2-\frac{{P_i}^2+{Q_i}^2}{k^2{U_i}^2}{z}^2)]},$得到两个解，即$k_{\left(1\right)}^{\prime }=\frac{U_i}{U_i^{\prime }}k,$$k_{\left(2\right)}^{\prime }=\frac{\sqrt{{P_i}^2+{Q_i}^2}}{U_i^{\prime }{U}_{i}k}z.$