提高含分布式光伏电源配电网电压合格率的无功优化方法

摘要

一种提高含分布式光伏电源配电网电压合格率的无功优化方法，主要步骤为：光伏电源以MPPT方式工作时，以全网电压偏差最小为目标，用粒子群算法对光伏逆变器剩余容量进行无功优化；若优化结果仍有节点电压越限的情况，则采用改进优化方案：首先，在保证全网电压合格的前提下，以光伏电源总有功出力最大为目标进行优化，得出各光伏电源的最优有功值；然后将此结果作为各光伏电源的有功输出值，以全网电压偏差最小为目标，再次对光伏逆变器剩余容量进行无功优化。本发明方法综合考虑配电网运行经济性和可靠性，最优化分配光伏逆变器的有功和无功输出，有效提高含光伏电源配电网的电压合格率。

说明书

技术领域

本发明涉及配电网无功优化技术领域，尤其涉及一种提高含分布式光伏电源配电网电压合格率的无功优化方法。

背景技术

随着能源危机问题的日益突出，可再生能源越受到人们的青睐，尤其是清洁、无污染、资源分布广、开采方便的太阳能。光伏发电作为一种高效利用太阳能的形式在全球范围内迅速增长。光伏电源并入配电网后使原来的单电源辐射状结构变成了多电源结构，改变了原来的潮流方向和大小，随着光伏渗透率的提高，光伏并网对配电网电压的影响越来越大。目前一些学者提出光伏逆变器在输出有功功率的同时，也能输出一定的无功功率，可以将光伏逆变器的富余容量作为连续可调的无功电源参与到配电网的无功优化当中。另外，由于逆变器有功输出和无功输出在容量上有耦合作用，当光伏有功出力占用容量过大时，可能会出现调用所有剩余容量进行无功补偿无法将电压调整到规定范围内的情况。

但是，现有技术中，对光伏逆变器的有功输出和无功输出缺少最优化分配方法，无法实现光伏电源有功输出最大、全网电压偏差最小的目标。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够最优化分配光伏逆变器的有功输出和无功输出、实现光伏电源有功输出最大、全网电压偏差最小的提高含分布式光伏电源配电网电压合格率的无功优化方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法通过利用粒子群优化算法进行优化运算，求解出光伏逆变器有功无功输出最优值、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组数，使得配电网各节点电压偏差最小，提高配电网电压合格率；具体步骤如下：

步骤1，在光伏电源以MPPT输出的前提下，建立使全网电压偏差最小的目标函数；

步骤2，根据配电网结构参数进行潮流计算，建立含光伏电源的配电网无功优化等式约束；

步骤3，以光伏逆变器的剩余容量、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组为控制变量，配电网各节点电压为状态变量，建立含光伏电源的配电网无功优化不等式约束；

步骤4，根据所建立的目标函数、等式约束和不等式约束，利用粒子群算法进行优化运算，求解出各逆变器无功输出值、变压器分接头档位及电容器组投入组数；

步骤5，

5.1、在各控制变量调节范围内得到的优化结果中，若无节点电压越限情况出现，此时为最优方案，结束优化过程

5.2、在各控制变量调节范围内得到的优化结果中，若仍有节点电压越限情况出现，则继续进行优化方案；第一步优化，保证全网电压均合格前提下，以配电网所有光伏电源有功出力之和最大为目标，以当前光伏有功输出上限及步骤3中各控制变量调节范围为不等式约束，求解出各逆变器有功输出最优值；第二步优化，各光伏电源在有功输出最优值前提下，返回步骤1，以全网电压偏差最小为目标，并依次进行步骤2、3、4操作，最终求解出各逆变器有功无功输出值、变压器分接头档位及电容器组投入组数。

进一步的，在步骤1中建立使全网电压偏差最小的目标函数，如式(1)所示

$\min F=\min \left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\right|U_i-U_i^{spec}|+\lambda \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(\frac{{\mathrm{\Delta U}}_i}{U_{i\max }+U_{i\min }}\right)}^2\}---\left(1\right)$

其中

${\mathrm{\Delta U}}_i=\left(\begin{array}{cc}{U}_{imin}-U_i& U_i<U_{i\min }\\ 0& U_{imin}\le U_i\le U_{imax}\\ U_i-U_{imax}& U_i>U_{imax}\end{array}\right)$

式中，U_i为除平衡节点以外配电网各节点的电压，为各节点电压期望值，λ为节点电压越限惩罚系数，U_imax、U_imin分别为节点电压的上下限取值，n为除平衡节点外系统的节点数。

进一步的，在步骤2中建立含光伏电源的配电网无功优化等式约束，如式(2)所示

$\left(\begin{array}{c}{P}_{Zi}+P_{PVi}-P_{Li}=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})\\ Q_{Zi}+Q_{ci}+Q_{PVi}-Q_{Li}=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij})\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，G_ij、B_ij和θ_ij分别为节点i、j之间的电导、电纳和电压相角差，P_Zi、Q_Zi分别为节点i的注入有功功率和无功功率，P_PVi、Q_PVi分别为节点i接入光伏电源的有功功率和无功功率，P_Li、Q_Li分别为节点i处负荷的有功功率和无功功率，Q_Ci为节点i所接电容器组的无功出力值。

进一步的，在步骤3中建立含光伏电源的配电网无功优化不等式约束，如式(3)所示

$\left(\begin{array}{cc}-Q_{PVi.max}\le Q_{PVi}\le Q_{PVi.max}& i=1,2...,N_{PV}\\ 0\le Q_{Cj}\le L_j\times Q_{Cj0}& j=1,2...,N_C\\ T_{tk.\min }\le T_{tk}\le T_{tk.max}& k=1,2...,N_T\\ U_{i.\min }\le U_i\le U_{i.\max }& i\in N\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，Q_PVi为第i个光伏电源发出的无功功率，Q_PVi.max为第i个光伏电源所能发出的无功功率最大值且满足N_PV为光伏电源的数量，Q_Cj为第j台补偿电容器投入的容量，L_j为第j台补偿电容器最大组数，Q_Cj0为第j台补偿电容器单组电容器的容量，N_C补偿电容器组的台数，T_tk为第k台有载调压变压器的分接头位置，T_tk.min、T_tk.max分别为第k台有载调压变压器的分接头位置上下限值，N_T有载调压变压器的数量，N为系统节点数，U_i.min、U_i.max分别为第i个节点的电压上下限值。

进一步的，步骤5.2中所述的第一步优化具体方法如下：

在保证全网电压均合格前提下，以配电网所有光伏电源有功出力之和最大为目标建立目标函数，

$\max F=\max \{\underset{i=1}{\overset{N_{PV}}{\Sigma }}{P}_{PVi}+\lambda \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(\frac{{\mathrm{\Delta U}}_i}{U_{i\max }+U_{i\min }}\right)}^2\}$

其中

${\mathrm{\Delta U}}_i=\left(\begin{array}{cc}{U}_{imin}-U_i& U_i<U_{i\min }\\ 0& U_{imin}\le U_i\le U_{imax}\\ U_i-U_{imax}& U_i>U_{imax}\end{array}\right)$

式中，P_PVi为第i个光伏电源输出的有功功率，U_i为除平衡节点以外配电网各节点的电压，λ为节点电压越限惩罚系数(为负值)，U_imax、U_imin分别为节点电压的上下限取值，N_PV为配电网所接入的光伏电源的个数，n为除平衡节点外系统的节点数；

依次进行步骤2、3、4，求解出各光伏电源有功输出最优值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：在综合考虑配电网运行经济性和可靠性基础上，最优化分配光伏逆变器的有功输出和无功输出，在保证全网电压均合格的前提下，实现光伏电源有功输出最大、全网电压偏差最小的目标，有效提高含光伏电源配电网的电压合格率。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

附图标号：1为步骤5.2中的第一步优化、2为步骤5.2中的第二步优化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述方法通过利用粒子群优化算法进行优化运算，求解出光伏逆变器有功无功输出最优值、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组数，使得配电网各节点电压偏差最小，提高配电网电压合格率；具体步骤如下：

a，在光伏电源以MPPT输出的前提下，建立使全网电压偏差最小的目标函数；如式(1)所示

$\min F=\min \left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\right|U_i-U_i^{spec}|+\lambda \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(\frac{{\mathrm{\Delta U}}_i}{U_{i\max }+U_{i\min }}\right)}^2\}---\left(1\right)$

其中

${\mathrm{\Delta U}}_i=\left(\begin{array}{cc}{U}_{imin}-U_i& U_i<U_{i\min }\\ 0& U_{imin}\le U_i\le U_{imax}\\ U_i-U_{imax}& U_i>U_{imax}\end{array}\right)$

式中，U_i为除平衡节点以外配电网各节点的电压，为各节点电压期望值，λ为节点电压越限惩罚系数，U_imax、U_imin分别为节点电压的上下限取值，n为除平衡节点外系统的节点数。

b，根据配电网结构参数进行潮流计算，建立含光伏电源的配电网无功优化等式约束；如式(2)所示

$\left(\begin{array}{c}{P}_{Zi}+P_{PVi}-P_{Li}=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})\\ Q_{Zi}+Q_{ci}+Q_{PVi}-Q_{Li}=U_i\underset{j\in i}{\Sigma }{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij})\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，G_ij、B_ij和θ_ij分别为节点i、j之间的电导、电纳和电压相角差，P_Zi、Q_Zi分别为节点i的注入有功功率和无功功率，P_PVi、Q_PVi分别为节点i接入光伏电源的有功功率和无功功率，P_Li、Q_Li分别为节点i处负荷的有功功率和无功功率，Q_Ci为节点i所接电容器组的无功出力值。

c，以光伏逆变器的剩余容量、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组为控制变量，配电网各节点电压为状态变量，建立含光伏电源的配电网无功优化不等式约束；如式(3)所示

$\left(\begin{array}{cc}-Q_{PVi.max}\le Q_{PVi}\le Q_{PVi.max}& i=1,2...,N_{PV}\\ 0\le Q_{Cj}\le L_j\times Q_{Cj0}& j=1,2...,N_C\\ T_{tk.\min }\le T_{tk}\le T_{tk.max}& k=1,2...,N_T\\ U_{i.\min }\le U_i\le U_{i.\max }& i\in N\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，Q_PVi为第i个光伏电源发出的无功功率，Q_PVi.max为第i个光伏电源所能发出的无功功率最大值且满足N_PV为光伏电源的数量，Q_Cj为第j台补偿电容器投入的容量，L_j为第j台补偿电容器最大组数，Q_Cj0为第j台补偿电容器单组电容器的容量，N_C补偿电容器组的台数，T_tk为第k台有载调压变压器的分接头位置，T_tk.min、T_tk.max分别为第k台有载调压变压器的分接头位置上下限值，N_T有载调压变压器的数量，N为系统节点数，U_i.min、U_i.max分别为第i个节点的电压上下限值。

d，根据所建立的目标函数、等式约束和不等式约束，利用粒子群算法进行优化运算，求解出各逆变器无功输出值、变压器分接头档位及电容器组投入组数；

e，判断各控制变量调节范围内得到的优化结果是否仍有节点电压越限情况出现，若无电压越限情况则结束优化过程；若仍有节点出现电压越限情况，利用改进优化方案进行优化，改进优化方案优化过程分为两步，图1中标号1所指的虚线框中步骤f、g、h为改进优化方案第一步优化，图1中标号2所指的虚线框2中步骤i、j、k为改进优化方案第二步优化。

改进优化方案第一步优化：

f，在保证全网电压均合格前提下，以配电网所有光伏电源有功出力之和最大为目标建立目标函数，如式(4)所示

$\max F=\max \{\underset{i=1}{\overset{N_{PV}}{\Sigma }}{P}_{PVi}+\lambda \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(\frac{{\mathrm{\Delta U}}_i}{U_{i\max }+U_{i\min }}\right)}^2\}---\left(4\right)$

其中

${\mathrm{\Delta U}}_i=\left(\begin{array}{cc}{U}_{imin}-U_i& U_i<U_{i\min }\\ 0& U_{imin}\le U_i\le U_{imax}\\ U_i-U_{imax}& U_i>U_{imax}\end{array}\right)$

式中，P_PVi为第i个光伏电源输出的有功功率，U_i为除平衡节点以外配电网各节点的电压，λ为节点电压越限惩罚系数(为负值)，U_imax、U_imin分别为节点电压的上下限取值，N_PV为配电网所接入的光伏电源的个数，n为除平衡节点外系统的节点数；

g，根据配电网的结构参数进行潮流计算，建立含光伏电源的配电网无功优化的等式约束，如式(2)所示。

以光伏逆变器有功输出上限值、光伏逆变器剩余容量、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组为控制变量，配电网各节点电压为状态变量，建立含光伏电源的配电网无功优化不等式约束，如式(5)所示

$\left(\begin{array}{cc}0\le P_{PVi}\le P_{PVi.max}& i=1,2...,N_{PV}\\ -Q_{PVi.max}\le Q_{PVi}\le Q_{PVi.max}& i=1,2...,N_{PV}\\ 0\le Q_{Cj}\le L_j\times Q_{Cj0}& j=1,2...,N_C\\ T_{tk.min}\le T_{tk}\le T_{tk.max}& k=1,2...,N_T\\ U_{i.min}\le U_i\le U_{i.\max }& i\in N\end{array}\right)---\left(5\right)$

式中，P_PVi为光伏有功功率输出值，P_PVi.max为第i个光伏电源在当前时刻有功功率所能输出最大值，N_PV为光伏电源的数量，Q_PVi为第i个光伏电源发出的无功功率，Q_PVi.max为第i个光伏电源所能发出的无功功率最大值且满足Q_Cj为第j台补偿电容器投入的容量，L_j为第j台补偿电容器最大组数，Q_Cj0为第j台补偿电容器单组电容器的容量，N_C补偿电容器组的台数，T_tk.min、T_tk.max分别为第k台有载调压变压器的分接头位置上下限值，N_T有载调压变压器的数量，N为系统节点数，U_i.min、U_i.max分别为第i个节点的电压上下限值；

h，利用粒子群算法进行优化运算，求解出各逆变器有功输出最优值。

改进优化方案第二步优化：

i，在第一步优化中所得各光伏电源有功输出最优值前提下，以全网电压偏差最小为目标建立目标函数如式(1)所示；

g，根据配电网的结构参数进行潮流计算，建立含光伏电源的配电网无功优化的等式约束，如式(2)所示；

以光伏逆变器剩余容量、有载调压变压器分接头档位和无功补偿电容器组为控制变量，配电网各节点电压为状态变量，建立含光伏电源的配电网无功优化不等式约束，如式(6)所示

$\left(\begin{array}{cc}-Q_{PVi.max}\le Q_{PVi}\le Q_{PVi.max}& i=1,2...,N_{PV}\\ 0\le Q_{Cj}\le L_j\times Q_{Cj0}& j=1,2...,N_C\\ T_{tk.\min }\le T_{tk}\le T_{tk.max}& k=1,2...,N_T\\ U_{i.\min }\le U_i\le U_{i.\max }& i\in N\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，Q_PVi为第i个光伏电源发出的无功功率，Q_PVi.max为第i个光伏电源所能发出的无功功率最大值且满足N_PV为光伏电源的数量，Q_Cj为第j台补偿电容器投入的容量，L_j为第j台补偿电容器最大组数，Q_Cj0为第j台补偿电容器单组电容器的容量，N_C补偿电容器组的台数，T_tk.min、T_tk.max分别为第k台有载调压变压器的分接头位置上下限值，N_T有载调压变压器的数量，N为系统节点数，U_i.min、U_i.max分别为第i个节点的电压上下限值；

k，根据所述的含光伏电源的配电网无功优化数学模型运用粒子群算法进行寻优求解优化运算，最终求解出各逆变器有功无功输出值、变压器分接头档位及电容器组投入组数，结束优化过程。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。