分散式风电接入地区的无功优化方法

摘要

本发明公开了智能电网设计技术领域中的一种分散式风电接入地区的无功优化方法。包括确定分散式风电接入地区的投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件，并确定所述地区的配电网实时无功优化目标函数和约束条件；根据投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件，求取电容器组的投切时间；根据电容器组投切时间，投入和切除容器组；根据配电网实时无功优化目标函数和配电网约束条件，求取静态无功补偿装置的无功出力和风电机组的无功出力；根据静态无功补偿装置的无功出力和风电机组的无功出力，调节静态无功补偿装置和风电机组。本发明具有很好的适应性且可提升电网对分散风电的接纳能力。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网设计技术领域，尤其涉及一种分散式风电接入地区的无功优化方法。

背景技术

电力系统的核心作用是在保证电网安全经济运行的前提下，为现代社会的经济生产和人民生活提供充足且高质量的电能。系统中无功潮流分布是否合理直接决定了系统电压质量的好坏，这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，还直接影响到电网自身运行的安全性和经济性。如果电压偏差过大或者波动过大，不仅会直接影响电气设备的运行性能和使用寿命，而且还会给电力系统安全、稳定的运行带来困难，甚至会引起系统电压崩溃，造成大面积停电事故。

在电力系统运行阶段，通过无功优化对系统内现有的无功资源进行优化配置，其措施包括调节发电机机端电压、调整有载调压变压器分接头位置、改变无功补偿装置投切容量等，从而达到优化电网的无功潮流分布，降低电网有功损耗，改善系统电压水平，提高系统整体的安全性和经济性，并使得电气设备及用户负荷可以安全可靠地运行等目的，对电力系统有着十分重要的工程实践意义，会给电力企业带来显著的经济效益。

电力系统无功优化的数学模型较复杂，目标函数和约束条件均含有非线性方程，其控制变量常混杂有离散变量与连续变量，也往往需要同时考虑多个优化目标，并具有解空间复杂、多约束、多极值、多不确定性等特点。该问题本身属于NP-hard问题，对此类问题的求解是一项计算复杂度相当大的工作。随着电力系统规模的不断扩大，对求解无功优化问题的要求也越来越高，如能否可靠地求取最优解、能否尽快地收敛到最优解、能否解决解空间中可行子空间和不可行子空间交错的问题、能否实时动态地进行大规模电网的无功优化控制等，由此无功优化问题的求解难度进一步增大。因此，对无功优化问题进行深入的研究是十分必要的，不仅具有重要的实际意义，还具有十分重要的理论研究意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述背景技术中提到分散式风电接入存在的不足之处，提供一种分散式风电接入地区的无功优化方法，为提升电网对分散风电的接纳能力提供理论支持，为分散式风电的大规模开发提供有力的技术保障。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种分散式风电接入地区的无功优化方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：确定分散式风电接入地区的投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件，以及所述地区的配电网实时无功优化目标函数和约束条件；

步骤2：根据投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件，求取电容器组的投切时间；

步骤3：根据电容器组投切时间，投入和切除电容器组；

步骤4：根据配电网实时无功优化目标函数和配电网约束条件，求取静态无功补偿装置的无功出力和风电机组的无功出力；

步骤5：调节静态无功补偿装置，使其按照求取的静态无功补偿装置的无功出力输出无功功率；调节风电机组，使其按照求取的风电机组的无功出力输出无功功率。

所述投切电容器组的无功优化目标函数为

f₁为所述地区全天24小时总无功网损；

为所述地区第i小时的无功网损之和；

所述投切电容器组的约束条件为包括：

$>\Sigma P_G^i+\Sigma P_0^i=\Sigma P_{\mathrm{Loss}}^i+\Sigma P_L^i;$>

$>\Sigma Q_G^i+\Sigma Q_0^i=\Sigma Q_{\mathrm{Loss}}^i+\Sigma Q_L^i;$>

0.93≤U_k≤1.07；

1≤T₁≤T₂≤24；

为所述地区第i小时风电机组发出的有功功率之和；

为所述地区第i小时平衡节点的有功功率之和；

为所述地区第i小时的有功网损之和；

为所述地区第i小时负荷节点吸收的有功功率之和；

为所述地区第i小时风电机组发出的无功功率之和；

为所述地区第i小时平衡节点的无功功率之和；

为所述地区第i小时的无功网损之和；

为所述地区第i小时负荷节点吸收的无功功率之和；

U_k为所述地区第k个节点的电压标幺值；

T₁为电容器组投入时刻；

T₂为电容器组切除时刻。

所述配电网实时无功优化目标函数为

∑Q_Loss为配电网总实时无功网损；

所述配电网约束条件包括：

∑P_G+∑P₀＝∑P_Loss+∑P_L；

∑Q_G+∑Q₀＝∑Q_Loss+∑Q_L；

0.93≤U_k≤1.07；

Q_Smin≤Q_S≤Q_Smax；

-0.45P≤Q_G≤0.45P；

∑P_G为配电网风电机组发出的实时有功功率之和；

∑P₀为配电网平衡节点的实时有功功率之和；

∑P_Loss为配电网实时有功网损之和；

∑P_L为配电网负荷节点吸收的实时有功功率之和；

∑Q_G为配电网风电机组发出的实时无功功率之和；

∑Q₀为配电网平衡节点的实时无功功率之和；

∑Q_Loss为配电网的实时无功网损之和；

∑Q_L为配电网负荷节点吸收的实时无功功率之和；

Q_S为静态无功补偿装置的实时无功出力；

Q_Smax为静态无功补偿装置的无功出力上限；

Q_Smin为静态无功补偿装置的无功出力下限；

Q_G为配电网风电机组发出的实时无功功率；

P为风电机组额定有功容量。

本发明提出的优化方法根据实际电网的特点采用前推回代潮流计算算法计算电网潮流，使用内点法对电网的无功补偿设备进行优化，对实际电网的无功优化，具有很好的适应性；同时，本发明可提升电网对分散风电的接纳能力，为分散式风电的大规模开发提供有力的技术保障。

附图说明

图1是分散式风电接入地区的无功优化方法流程图；

图2是双馈风电机组无功功率出力范围示意图；

图3是无功优化的电容器组投切时间数据表；

图4是对配电网进行实时无功优化的无功补偿前后系统各节点电压以及SVC及双馈风电机组无功出力示意图；其中，(a)是配电网进行实时无功优化的无功补偿前系统各节点电压以及SVC及双馈风电机组无功出力示意图，(b)是配电网进行实时无功优化的无功补偿后系统各节点电压以及SVC及双馈风电机组无功出力示意图；

图5是对配电网进行实时无功优化的无功补偿前后系统各节点电压以及SVC及双馈风电机组无功出力数据表。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是分散式风电接入地区的无功优化方法流程图，如图1所示，本发明提供的分散式风电接入地区的无功优化方法包括：

步骤1：分别确定分散式风电接入地区的投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件以及所述地区的配电网实时无功优化目标函数和约束条件。

本发明的以图2所示的双馈风电机组无功出力为例，双馈风电机组无功功率出力应在图2所规定的范围内动态可调。

确定分散式风电接入地区的投切电容器组的无功优化目标函数为：

$>\min f_1=\underset{i=1}{\overset{24}{\Sigma }}\Sigma Q_{\mathrm{Loss}}^i---\left(1\right)$>

其中，f1为分散式风电^接入地区全天24小时总无功网损，为该地区第i小时的无功网损之和。

投切电容器组的约束条件为包括：

$>\Sigma P_G^i+\Sigma P_0^i=\Sigma P_{\mathrm{Loss}}^i+\Sigma P_L^i---\left(2\right)$>

$>\Sigma Q_G^i+\Sigma Q_0^i=\Sigma Q_{\mathrm{Loss}}^i+\Sigma Q_L^i---\left(3\right)$>

0.93≤U_k≤1.07   (4)

1≤T₁≤T₂≤24   (5)

其中，为所述地区第i小时风电机组发出的有功功率之和，为所述地区第i小时平衡节点的有功功率之和，为所述地区第i小时的有功网损之和，为所述地区第i小时负荷节点吸收的有功功率之和，为所述地区第i小时风电机组发出的无功功率之和，为所述地区第i小时平衡节点的无功功率之和，为所述地区第i小时的无功网损之和，为所述地区第i小时负荷节点吸收的无功功率之和。U_k为所述地区第k个节点的电压标幺值，T₁为电容器组投入时刻，T₂为电容器组切除时刻，i＝1,2,...,24。

配电网实时无功优化目标函数为：

minf₂＝∑Q_Loss   (6)

其中，∑Q_Loss为配电网总实时无功网损。

配电网约束条件包括：

∑P_G+∑P₀＝∑P_Loss+∑P_L   (7)

∑Q_G+∑Q₀＝∑Q_Loss+∑Q_L   (8)

0.93≤U_k≤1.07   (9)

Q_Smin≤Q_S≤Q_Smax   (10)

-0.45P≤Q_G≤0.45P   (11)

其中，∑P_G为配电网风电机组发出的实时有功功率之和，∑P₀为配电网平衡节点的实时有功功率之和，∑P_Loss为配电网实时有功网损之和，∑P_L为配电网负荷节点吸收的实时有功功率之和，∑Q_G为配电网风电机组发出的实时无功功率之和，∑Q₀为配电网平衡节点的实时无功功率之和，∑Q_Loss为配电网的实时无功网损之和，∑Q_L为配电网负荷节点吸收的实时无功功率之和。Q_S为静态无功补偿装置的实时无功出力，Q_Smax为静态无功补偿装置的无功出力上限，Q_Smin为静态无功补偿装置的无功出力下限，Q_G为配电网风电机组发出的实时无功功率，P为风电机组额定有功容量。

步骤2：根据投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件，求取电容器组的投切时间。

投切电容器组的无功优化目标函数和约束条件确定后，可以选择已有的求解算法进行解算，得到电容器组的投入时刻T₁和切除时刻T₂。

步骤3：根据电容器组的投入时间和切除时间，投入和切除电容器组。

步骤4：根据配电网实时无功优化目标函数和配电网约束条件，求取静态无功补偿装置的无功出力和风电机组的无功出力。

选择已有的求解算法进行解算，得到静态无功补偿装置的无功出力和风电机组的无功出力。

步骤5：调节静态无功补偿装置，使其按照求取的静态无功补偿装置的无功出力输出无功功率；调节风电机组，使其按照求取的风电机组的无功出力输出无功功率。本发明采用内点法进行分散式风电接入地区配电网的实时无功优化，实时数据为每小时采集一次。

如图3所示，为一例投切电容器组无功优化的电容器组投切时间，其特点表现为：进行无功补偿前，电网在一天24小时的总无功网损为1.95084175371926MWh，进行无功补偿后，系统在一天中的总无功网损为1.6782730768404MWh，可以看出补偿电容器组进行无功优化投入电网后，对电网的无功网损的降低有很大的作用。

如图4所示，为一例对配电网进行实时无功优化的无功补偿前后系统各节点电压以及SVC(静态无功补偿装置)及双馈风电机组无功出力，其数据结果如图5所示。图5表明：优化SVC及风电机组的无功出力可以很好的改善系统电压水平；使用内点法计算SVC及双馈机组的实时无功出力，可以很好满足系统对实时无功优化算法的要求。

无功优化问题是个极其复杂的非线性规划问题，其目标函数一般都与约束条件的非线性、控制变量的连续性与离散型相混合，到目前为止，尚没有一种快速而完善的无功优化计算方法。电力系统无功优化面临的关键问题是对非线性函数的处理、算法的收敛性以及如何优化问题中的离散变量。本发明根据实际电网的特点采用前推回代潮流计算算法计算电网潮流，使用内点法对电网的无功补偿设备进行优化。对实际电网的无功优化，具有很好的适应性。

本发明适用于分散式风电接入的地区，对其无功进行优化。本发明提出的分散式风电接入地区的无功优化策略物理概念明确，思路清晰，计算简便，实现了对任一分散式风电接入地区无功的优化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。