一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法

摘要

一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法，包括：根据选定的配电系统，输入线路参数、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，智能软开关接入位置、容量与参数，系统基准电压和基准功率等初值；依据提供的配电系统参数，建立基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型；将得到的基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型采用内点法进行求解。输出求解结果本发明通过IPOPT优化算法来确定SNOP的有功功率传输值与无功功率补偿值。采用的智能软开关装置能够灵活地控制功率，因此将其应用在改善有源配电网电压水平上，可以获得较好的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源配电网电压无功控制方法，特别是涉及一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法。

背景技术

分布式电源(DistributedGenerator，DG)的大量接入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。配电网电压无功控制旨在利用配电网无功补偿装备，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。目前已有的配电网无功控制策略，主要包括投切电容器组、静止无功补偿器和分布式电源无功调节。

智能软开关装置(SoftNormallyOpenPoint，SNOP)作为一种新型配电装置，能够准确控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率。SNOP的引入彻底改变了传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，大大提高了配网控制的实时性与快速性，同时给配电网的运行带来了诸多益处。其中，对配网无功的快速调节则可以有效解决分布式电源接入带来的电压波动问题，从而能够改善馈线电压水平，提高配电网对分布式电源的消纳能力。因此，本发明应用智能软开关装置作为一种新的控制手段来解决有源配电网电压无功控制问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对有源配电网的电压波动问题，以配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数，应用智能软开关解决有源配电网电压无功控制问题的基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、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，智能软开关接入位置、容量与参数，系统基准电压和基准功率等初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统参数，建立基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型；

3)将得到的基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型采用内点法进行求解。

4)输出步骤3)的求解结果，包括系统各电压水平、智能软开关有功传输值、智能软开关无功补偿值以及目标函数值。

步骤2)所述的基于智能软开关建立的有源配电网无功控制模型，包括：选取根节点为平衡节点，设定配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统运行约束、智能软开关运行与容量约束。

所述的配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数表示为：

>

式中，N为系统中的节点总数；v_i为节点i的电压幅值。

所述的系统潮流约束表示为：

P_i＝G_iiv_i²+∑_j∈Ω(i)[v_iv_j(G_ijcosθ_ij+B_ijsinθ_ij)](2)

Q_i＝-B_iiv_i²-∑_j∈Ω(i)[v_iv_j(B_ijcosθ_ij-G_ijsinθ_ij)](3)

P_i＝P_DG,i+P_SNOP,i-P_LOAD,i(4)

Q_i＝Q_DG,i+Q_SNOP,i-Q_LOAD,i(5)

$>i_{ij}^2=({G_{ij}}^2+{B_{ij}}^2)({v_i}^2+{v_j}^2-2v_i{v}_j{\mathrm{cos\theta }}_{ij})---\left(6\right)$>

式中，Ω(i)为节点i的相邻节点的集合；i_ij为节点i流向节点j的电流幅值；P_i为节点i上注入的有功功率之和，P_DG,i、P_SNOP,i、P_LOAD,i分别为节点i上分布式电源注入的有功功率、SNOP传输的有功功率、负荷消耗的有功功率；Q_i为节点i上注入的无功功率之和，Q_DG,i、Q_SNOP,i、Q_LOAD,i分别为节点i上分布式电源注入的无功功率、SNOP发出的无功功率、负荷消耗的无功功率；v_i、v_j和θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；G_ii、B_ii、G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳。

所述的系统运行约束表示为：

$>V_{i,min}^2\le {v_i}^2\le V_{i,max}^2---\left(7\right)$>

$>0\le i_{ij}^2\le I_{ij,max}^2---\left(8\right)$>

式中，V_i,min和V_i,max分别为节点i的最小允许电压值和最大允许电压值；I_ij,max为该支路的最大允许电流值。

所述的智能软开关运行与容量约束表示为

P_SNOP,i+P_SNOP,j+A_SNOP,i|P_SNOP,i|+A_SNOP,j|P_SNOP,j|＝0(9)

$>\sqrt{P_{SNOP,i}^2+Q_{SNOP,i}^2}\le S_{SNOP,i,max}---\left(10\right)$>

$>\sqrt{P_{SNOP,j}^2+Q_{SNOP,j}^2}\le S_{SNOP,j,max}---\left(11\right)$>

-Q_SNOP,i,max≤Q_SNOP,i≤Q_SNOP,i,max(12)

-Q_SNOP,j,max≤Q_SNOP,j≤Q_SNOP,j,max(13)

式中，P_SNOP,i和P_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的有功输出功率，A_SNOP,i和A_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的有功损耗系数；Q_SNOP,i和Q_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的无功输出功率；S_SNOP,i,max、S_SNOP,j,max、Q_SNOP,i,max、Q_SNOP,j,max分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的接入容量和所能输出的无功功率上限。

本发明的一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法，立足于解决有源配电网电压波动问题。建立了以配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数，以系统潮流约束、运行电压水平约束、支路电流约束、SNOP运行约束与容量约束等为约束条件的配电网电压无功控制模型，通过IPOPT优化算法来确定SNOP的有功功率传输值与无功功率补偿值。本发明采用的智能软开关装置能够灵活地控制功率，因此将其应用在改善有源配电网电压水平上，可以获得较好的效果。

附图说明

图1是IEEE33节点算例以及分布式电源、SNOP接入位置图；

图2是本发明一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法的流程图；

图3a是无分布式电源接入时优化前后电压水平情况；

图3b是有分布式电源接入时优化前后电压水平情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法做出详细说明。

本发明的一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法，应用智能软开关装置作为一种新的控制手段来解决有源配电网电压无功控制问题。用于配电系统电压无功控制研究，可以采用集成于MATLAB上的IPOPT优化工具进行求解，以图1所示的IEEE33节点测试系统为实施例。

如图2所示，本发明的一种基于智能软开关的有源配电网电压无功控制方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、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，智能软开关(SNOP)接入位置、容量与参数，系统基准电压和基准功率等初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统参数，建立基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型；所述的基于智能软开关建立的有源配电网无功控制模型包括：选取根节点为平衡节点，设定配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统运行约束、智能软开关运行与容量约束。其中，

(1)所述的配电系统各节点电压偏差之和最小为目标函数可表示为

>

式中，N为系统中的节点总数；v_i为节点i的电压幅值。

(2)所述的系统潮流约束表示为

P_i＝G_iiv_i²+∑_j∈Ω(i)[v_iv_j(G_ijcosθ_ij+B_ijsinθ_ij)](2)

Q_i＝-B_iiv_i²-∑_j∈Ω(i)[v_iv_j(B_ijcosθ_ij-G_ijsinθ_ij)](3)

P_i＝P_DG,i+P_SNOP,i-P_LOAD,i(4)

Q_i＝Q_DG,i+Q_SNOP,i-Q_LOAD,i(5)

$>i_{ij}^2=({G_{ij}}^2+{B_{ij}}^2)({v_i}^2+{v_j}^2-2v_i{v}_j{\mathrm{cos\theta }}_{ij})---\left(6\right)$>

式中，Ω(i)为节点i的相邻节点的集合；i_ij为节点i流向节点j的电流幅值；P_i为节点i上注入的有功功率之和，P_DG,i、P_SNOP,i、P_LOAD,i分别为节点i上分布式电源注入的有功功率、SNOP传输的有功功率、负荷消耗的有功功率；Q_i为节点i上注入的无功功率之和，Q_DG,i、Q_SNOP,i、Q_LOAD,i分别为节点i上分布式电源注入的无功功率、SNOP发出的无功功率、负荷消耗的无功功率；v_i、v_j和θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；G_ii、B_ii、G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳。

(3)所述的系统运行约束表示为

$>V_{i,min}^2\le {v_i}^2\le V_{i,max}^2---\left(7\right)$>

$>0\le i_{ij}^2\le I_{ij,max}^2---\left(8\right)$>

式中，V_i,min和V_i,max分别为节点i的最小允许电压值和最大允许电压值；I_ij,max为该支路的最大允许电流值。

(4)所述的SNOP运行与容量约束表示为

P_SNOP,i+P_SNOP,j+A_SNOP,i|P_SNOP,i|+A_SNOP,j|P_SNOP,j|＝0(9)

$>\sqrt{P_{SNOP,i}^2+Q_{SNOP,i}^2}\le S_{SNOP,i,max}---\left(10\right)$>

$>\sqrt{P_{SNOP,j}^2+Q_{SNOP,j}^2}\le S_{SNOP,j,max}---\left(11\right)$>

-Q_SNOP,i,max≤Q_SNOP,i≤Q_SNOP,i,max(12)

-Q_SNOP,j,max≤Q_SNOP,j≤Q_SNOP,j,max(13)

式中，P_SNOP,i和P_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的有功输出功率，A_SNOP,i和A_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的有功损耗系数；Q_SNOP,i和Q_SNOP,j分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的无功输出功率；S_SNOP,i,max、S_SNOP,j,max、Q_SNOP,i,max、Q_SNOP,j,max分别为SNOP在节点i与节点j的换流器的接入容量和所能输出的无功功率上限。

3)将得到的基于智能软开关的有源配电网电压无功控制问题的数学模型采用内点法进行求解。

4)输出步骤3)的求解结果，包括系统各电压水平、智能软开关有功传输值、智能软开关无功补偿值以及目标函数值。

下面给出具体实例：

对于本实施例，首先输入图1给出的IEEE33节点系统中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，详细参数见表1和表2；然后设定5台风电机组的接入位置为节点10、16、17、30、33，接入容量分别为1000kVA、600kVA、400kVA、400kVA、600kVA，3台光伏系统的接入位置为节点7、13、27，接入容量分别为500kVA、300kVA、400kVA，功率因数均为1.0；设定一组SNOP接入配电网的18节点与33节点之间，规定功率由33节点流向18节点为正方向，两个换流器的容量均为2500kVA，无功功率输出上限均为2000kVar，损耗系数均为0.01；最后设置系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA，算例结构如图1所示。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPUE5-1620，主频为3.70GHz，内存为32GB；软件环境为Windows7操作系统。

优化方案考虑SNOP传输功率过程中产生的损耗，对不含分布式电源与含分布式电源的配电网分别进行电压无功控制，SNOP在18节点与33节点的有功功率传输值与无功功率补偿值见表4。SNOP的接入，使含分布式电源的配电网各节点电压水平在一定程度上得到了改善，优化结果见表3，电压改善水平如图3所示。

合理调节配电网中的无功补偿是保证配电网电压水平的重要措施，本发明应用的SNOP便可作为配电网无功快速调节手段。SNOP能够准确控制其所连接两侧馈线的无功功率，改善馈线电压水平。

表1IEEE33节点算例负荷接入位置及功率

表2IEEE33节点算例线路参数

表3SNOP电压无功优化结果

表4SNOP有功传输量与无功补偿量