一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法

摘要

本发明公开了一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，从电力系统规划部门获取微网系统的信息，微网系统的包括系统的规模和结构、电源装机情况、负荷容量分布及负荷性质信息，以馈线为单位，基于就地平衡和便于调整电压原则，提出并联电容器和SVG的混合无功最优配置方案；在无功容量配置过程中采用不同运行方式、不同负荷水平下的潮流断面数据进行多次计算，对规划结果进行复核校验，使规划出的无功补偿容量在实际运行中能够应对不同情况。本发明涉及面向工程需求的微网无功配置问题，有效提高无功补偿配置的经济性与灵活性，为实际工程中微网安全稳定经济运行提供了新的思路和技术路线。

说明书

技术领域

本发明属于微网规划技术领域，具体涉及一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法。

背景技术

微网作为分布式发电资源的有效管理形式，具有装机灵活、有功/无功分别可调、主动功率响应等优点。微网能够通过储能装置以及全局控制器解决单个微源间歇性不稳定性的问题，使多个微源以整体可调度的方式并入配电系统，从而提高供电可靠性和电能质量。虽然微网中装设的大量电力电子接口(如整流、逆变装置)具有无功输出能力，但在现有标准下仍不允许采用微源端口进行无功补偿。为了避免无功缺额对微网电压质量造成不利影响，需要装设额外无功源。此外，由于微网内分布式电源逆变电路和控制电路的钳制作用以及储能装置难以迅速响应，当上级电网发生扰动时，微网不能提供瞬间的电压支撑。通过合理装设无功补偿装置可以较好地解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，提高无功补偿配置的经济性与灵活性，为实现微网无功优化配置提供决策依据。

本发明采用以下技术方案：

一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，从电力系统规划部门获取微网系统的信息，微网系统的包括系统的规模和结构、电源装机情况、负荷容量分布及负荷性质信息，以馈线为单位，基于就地平衡和便于调整电压原则，提出并联电容器和SVG的混合无功最优配置方案；在无功容量配置过程中采用电力系统潮流计算方法，对配置方案进行校验，选择最优无功容量配置方案满足实际运行需求。

具体的，统计馈线上接入的负荷与分布式电源总容量，分别计算负荷和净负荷的功率因数，根据并网功率因数计算需要补偿的无功容量

进一步的，馈线负荷所需的无功补偿容量计算如下：

其中，和为馈线下方最大有功和无功负荷分别，该馈线与上级电网并网点的功率因数限制在-λ～λ之间。

具体的，无功容量配置方法包括以下步骤：

S301、根据获取的微网馈线下方负荷容量的组成情况，计算普通负荷与敏感负荷的容量占比ω₁和ω₂；

S302、利用两类负荷的比例和总的无功补偿容量计算需要装设的并联电容器组和SVG各自的补偿容量Q_FC和Q_SVG。

进一步的，普通负荷与敏感负荷的容量占比ω₁和ω₂计算如下：

其中：表示微网馈线下的各个普通负荷的容量，表示各个敏感负荷的容量，N₁为该馈线下的普通负荷数量，N₂为该馈线下的敏感负荷数量。

进一步的，并联电容器组和SVG的补偿容量Q_FC和Q_SVG计算如下：

其中，为馈线负荷所需的无功补偿容量。

具体的，将计算得到的无功补偿装置分别按照集中补偿的方式安装在变压器低压侧和分散补偿的方式SVG布置在敏感负荷处，电容器布置在按照负荷容量布置在常规负荷处，接入原则为：针对敏感负荷配置SVG；将并联电容器直接接入馈线所属的根节点，若采用集中补偿方式，将SVG接入到与电容器相同的位置；若采用分散补偿方式，根据馈线下每一类敏感负荷的比例，对配置的SVG容量按比例平摊，然后分别将其接入到对应敏感负荷所在的节点位置。

具体的，基于叠加原理的Zbus潮流计算方法，采用迭代法进行潮流验证，利用模拟运行得到的节点电压结果对各种配置方案进行评估，孤岛模式和并网模式分别采用电压上下限要求，综合比较后择出最优方案。

进一步的，具体步骤如下：

S501、读入微网系统的基本参数，包括微网的网络拓扑的线路阻抗参数，各节点的负荷以及分布式电源的注入功率；

S502、根据拓扑信息，形成不包含接地支路的节点导纳阵Y_n和接地支路的导纳对角阵Y_n0，同时置迭代次数为1，给定电压迭代初值；

S503、计算各节点注入电流和迭代计算后的节点电压；

S504、进行收敛性判断，如果满足收敛条件则转入S506，否则转入S505；

S505、修正节点电压，更新迭代次数；

S506、整理系统潮流计算结果并输出；

S507、在通过校验的无功补偿方案中，选择无功补偿容量最小的方案作为最优方案。

更进一步的，S503中，第k+1次迭代结束后的电压矢量向量计算如下：

第k次迭代结束后节点注入电流矢量向量的第i分量计算如下：

其中：Y_n为不包含接地支路的节点导纳阵，为第k次迭代结束后节点注入电流矢量向量，Y_n0为接地支路的导纳对角阵，E为元素值全为1的列向量，为平衡节点电压，表示电压矢量向量中的第i分量；为电流矢量向量中的第i个分量；S_i表示节点i的注入功率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，提供了综合考虑调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置的实用方法，能有效的解决微网无功优化配置的问题，提高微网的电能质量和投资效益，遵循“就地平衡”和“便于调整电压”两项基本原则，以馈线为单位进行无功容量配置；在无功容量配置过程中采用不同运行方式、不同负荷水平下的潮流断面数据进行多次计算，对规划结果进行复核校验，使规划出的无功补偿容量能够在实际运行中灵活应对不同情况。

进一步的，根据并网功率因数计算需要补偿的无功容量，遵循“就地平衡”原则，是对于微网无功容量配置的合理简化方法。在进行优化配置前需要对负荷曲线进行调研，即已知其有功功率，根据并网功率因数的限制要求，则可根据有功-无功的关系确定需要补偿的无功容量。

进一步的，无功容量配置方法的步骤设置是按照总-分结构进行的，首先根据整个微网的结构和需求计算需要配置的无功总容量；其次根据负荷特性对总容量进行合理性分配，产生不同方案；再次对不同方案进行潮流安全校核，剔除影响系统安全的方案，在剩余方案中选取最优解。这样的设置兼顾了安全性和经济性，具有很好的工程指导价值。

进一步的，按照集中补偿的方式安装在变压器低压侧，是参考变电站无功配置原则的结果，对整个馈线进行统一的无功补偿；按照分散补偿的方式SVG布置在敏感负荷处，是基于敏感负荷对电压质量的高要求和辐射型馈线末端电压容易越下限的特征，从而进行的有针对性的定点补偿。

进一步的，微电网的运行方式相对于大电网而言更加灵活多变，因此配置的无功容量需要满足更多运行方式下的运行要求，这就要求在无功规划的过程中利用不同运行方式、不同负荷水平下的潮流断面数据进行多次计算，并对规划结果进行复核校验，力求规划方案中所给出的无功补偿容量能够满足在今后实际运行中灵活应对不同情况下的无功需求，便于实现对系统电压的调整，故而本发明采用迭代法进行潮流验证，筛选无功配置方案。

综上所述，本发明涉及面向工程需求的微网无功配置问题，有效提高无功补偿配置的经济性与灵活性，为实际工程中微网安全稳定经济运行提供了新的思路和技术路线。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明配置方法流程图。

具体实施方式

为了提高微网的电能质量和投资效益，针对无功补偿装置的形式、容量及特性要求计算方法展开研究，本发明提出一种综合考虑调节特性和经济性的微网无功补偿装置实用配置方法，旨在通过对无功补偿装置的配置方法分析为智能微网规划的科学决策提供有效的数据支撑与实践依据。依据本发明的配置方法，已在设计院得到实际的应用。

本发明一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，以馈线为单位，基于“就地平衡”和“便于调整电压”的两项原则，提出并联电容器和SVG的混合无功最优配置方案。同时，在无功容量配置过程中采用不同运行方式、不同负荷水平下的潮流断面数据进行多次计算，对规划结果进行复核校验，使规划出的无功补偿容量能够在实际运行中灵活应对不同情况。本发明可以极大的提高无功补偿配置的经济性与灵活性，为智能微网规划的科学决策提供有效的数据支撑与实践依据。

请参阅图1，本发明一种基于调节特性和经济性的微网无功补偿装置配置方法，包括以下步骤：

S1、从电力系统规划部门获取微网系统的信息，包括系统的规模和结构、电源装机情况、负荷容量分布及负荷性质，以馈线为单位组织好上述相关信息；

S2、按照“就地平衡”的无功规划原则，以馈线为单位分别进行研究，分别统计馈线上接入的负荷与分布式电源总容量，分别计算负荷和净负荷的功率因数，然后分别按照0.95、0.97和0.99三个并网功率因数计算需要补偿的无功容量；

其计算方法如(1)所示：

其中，该馈线下方最大有功和无功负荷分别为和该馈线与上级电网并网点的功率因数限制在-λ～λ之间(对应0.95、0.97和0.99等)，表示馈线负荷所需的无功补偿容量。

在实际的应用过程中不按照0.95、0.97和0.99三个功率因数进行，用户可以根据变压器的容量和上级电网的情况灵活调整该设定值。通过就地平衡原则配置得到无功容量配置后，分别采用集中补偿和分散补偿两种原则进行无功配置，之后分别对并网和孤岛运行典型日的运行情况进行模拟，在对典型日进行无功优化的过程中可以适当改变电压运行的边界值，统计不同方案下系统在典型日下的运行情况，从中择出能够保证典型日全时段安全运行的方案，如果全部方案均满足要求，则选择无功补偿容量最小的方案。

S3、在步骤S2完成总的无功补偿容量基础上，考虑其中不同类型无功补偿装置各自的容量占比；

对各馈线上的负荷性质和分布式电源的类型进行分析，计算馈线上敏感负荷的比重，并且按照此比值分配SVG容量和电容器组容量，敏感负荷配置静止无功发生器(SVG)而非敏感负荷配置电容器(FC)，通过调整敏感负荷占总负荷的比重更改SVG和电容器的配比；

基于负荷结构特性的无功容量分配方法如下：

S301、根据步骤S1所获取的微网馈线下方负荷容量的组成情况，计算普通负荷与敏感负荷的容量占比ω₁和ω₂如下

其中：表示微网馈线下的各个普通负荷的容量，表示各个敏感负荷的容量，N₁为该馈线下的普通负荷数量，N₂为该馈线下的敏感负荷数量。

S302、利用两类负荷的比例和总的无功补偿容量计算需要装设的并联电容器组和SVG各自的补偿容量Q_FC和Q_SVG。

S4、将步骤S3中计算得到的无功补偿装置分别按照集中补偿的方式全部安装在变压器低压侧和分散补偿的方式SVG布置在敏感负荷处，电容器布置在按照负荷容量布置在常规负荷处，形成多种无功配置方案；

其接入原则为：敏感负荷的运行受接入点电压的影响大，应当最大限度维持相应接入点电压的稳定，因此针对敏感负荷配置SVG；将并联电容器直接接入馈线所属的根节点，如果采用集中补偿方式，可以将SVG也接入到与电容器相同的位置；如果采用分散补偿方式，还可根据馈线下每一类敏感负荷的比例，对配置的SVG容量按比例平摊，然后分别将其接入到对应敏感负荷所在的节点位置。

S5、在典型日的运行场景下，分别对步骤S4中形成的无功配置方案进行潮流校验核算，并且利用模拟运行得到的节点电压结果对各种配置方案进行评估，孤岛模式和并网模式分别采用电压上下限要求，对孤岛模式的无功电压要求有所放宽，综合比较后择出最优方案；

借助步骤S1中所获取的各线路的基本信息计算形成微网系统的节点导纳矩阵，结合典型日各时段的相关运行数据完成潮流计算。

本发明在潮流验证中用到的潮流计算方法为基于叠加原理的Zbus潮流计算方法，采用迭代法进行计算，电压的迭代公式为：

其中：表示第k+1次迭代结束后的电压矢量向量，表示电压矢量向量中的第i分量；表示第k次迭代结束后节点注入电流矢量向量，为电流矢量向量中的第i个分量；Y_n为不包含接地支路的节点导纳阵，Y_n0表示接地支路的导纳对角阵，E为元素值全为1的列向量，为平衡节点电压，S_i表示节点i的注入功率。

主要步骤包括：

S501、读入微网系统的基本参数，包括微网的网络拓扑的线路阻抗参数，各节点的负荷以及分布式电源的注入功率；

S502、根据拓扑信息，形成不包含接地支路的节点导纳阵Y_n和接地支路的导纳对角阵Y_n0，同时置迭代次数为1，给定电压迭代初值；

S503、利用式(7)计算各节点注入电流，利用式(6)计迭代计算后的节点电压；

S504、进行收敛性判断，如果满足收敛条件则转入S506，否则转入S505；

S505、修正节点电压，更新迭代次数；

S506、整理系统潮流计算结果并输出；

S507、在通过校验的无功补偿方案中，选择无功补偿容量最小的方案作为最优方案。

在工程应用中，相关技术人员可以根据微网中接入负荷对电能质量的要求不同，采用本发明提供的方法选择与之相匹配的无功补偿装置使得无功补偿的经济性和运行特性满足设计要求。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

1)算例结构

无功容量优化配置就是要在一定的拓扑结构上进一步规划出无功补偿装置的容量及其接入位置。本算例选取的网架结构有2条馈线，其馈线节点数分别为6和4。根据前面介绍的方法，首先需要将各馈线作为研究对象，根据各馈线负荷的组成，计算各馈线上配备FC与SVG的比重，然后利用典型日的最大负荷信息，根据设定的并网功率因数确定馈线上的无功补偿装置总容量，结合前述比重进一步确定FC和SVG各自的装配容量。

2)集中补偿方式配置结果

集中补偿模式将电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)安装在各个辐射型馈线的根节点下，这与传统配电网变电站无功容量配置方式类似，具有很强的工程实用性。按照集中补偿原则，选择不同补偿度下进行无功补偿，所配备的无功补偿容量结果如表1所示，随着补偿功率因数的增加，FC和SVG的配置容量也不断增加，SVG的配置容量和系统中的敏感负荷容量直接相关，馈线2中没有敏感负荷所以其SVG的配置容量为0，无功补偿都由电容器承担。

当补偿度为0.95～0.99时，各节点电压标幺值均在1附近，没有出现电压越限的情况，补偿度越高，电压波动越小，补偿效果越好，但无功补偿容量也相应提高，经济性变差。在工程应用中，由于三种补偿度下节点电压都处于限制范围内，考虑到经济性因素，采用无功补偿容量最小的方案，即选择补偿度为0.95的无功补偿配置方案。

表1不同补偿度下各馈线无功补偿容量计算结果(单位：kVar)

3)分散补偿方式配置结果

由于电压问题是局部问题，辐射型馈线最容易出现电压越界的位置是辐射型馈线的末端，同时结合敏感负荷的位置。分散补偿时将电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)分别安装在馈线的末端和敏感负荷所在节点，实现无功的定点、定量补偿，提高补偿的效果。按照分散补偿原则，选择不同补偿度下进行无功补偿，将SVG分散到敏感负荷处，所配备的无功补偿容量结果如表2所示。

与分散补偿的结果类似，当补偿度不同时，三者的节点电压均未越限，在保证电压安全的情况下选择补偿容量最小的方案以确保经济性。若在某些场合下对电压有更高要求，可以适当提高补偿度。

表2不同补偿度下各馈线无功补偿容量计算结果(单位：kVar)

4)比较与结论

集中补偿方式和分散补偿方式的补偿容量都是基于0.95、0.97、0.99三种功率因数和各个馈线的有功负荷、无功负荷的统计，对于SVG选择和容量配置都参考了各个馈线的敏感负荷量。所以，两种补偿方式在各个功率因数下电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)的补偿容量是相同的。

两种补偿模式的区别主要是安装位置的差异，集中补偿模式下参考变电站无功配置的原则将FC和SVG安装在各馈线根节点下，对整个馈线进行统一的无功补偿。而分散式补偿模式，针对辐射型馈线末端电压容易越下限和敏感负荷对电压质量要求高的前提，有针对性的定点补偿。

如果集中补偿模式能够满足整个系统电压质量的要求，且敏感负荷的电压高要求也能通过系统配置的SVG得到满足，建议将电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)采用集中补偿模式进行安装，这样安装起来比较容易，设备占地和后期的运行维护也比较容易解决。如果集中安装之后，各个馈线末端电压和敏感负荷的电压质量不能得到满足，则建议采用分散补偿的方式对电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)进行安装，这样虽然运行维护会造成一定不便但是无功补偿的效果会更好，电压质量的要求会得到更好的满足。

总之，本发明针对微网无功优化配置这一核心问题，所提出的方法对提高微网的电能质量与运行经济性起到积极作用。通过综合比较并联电容器、静止无功发生器(SVG)等无功补偿装置的运行特性和经济特性，以馈线为单位，基于“就地平衡”和“便于调整电压”的两项原则，提出了并联电容器和SVG的混合无功最优配置方案。在工程应用中，相关技术人员可以根据微网中接入负荷对电能质量的要求不同，可以选择与之相匹配的无功补偿装置使得无功补偿的经济性和运行特性满足设计要求。针对孤岛运行中对无功电压要求有所放宽的实际需求，无功电压模块中的并网运行和孤岛运行两种场景采用不同的电压合格范围，这样可以显著降低电容器(FC)和静止无功发生器(SVG)投资总成本，保证无功补偿结果的经济性。

此外，在无功补偿配置方式的层面，优先考虑集中式补偿方式进行配置，如果馈线末端电压和敏感负荷的电压质量不能满足，需采用分散式补偿方式进行配置。该方法可以极大的提高无功补偿配置的经济性与灵活性，具有很好的工程指导价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。