一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法

摘要

随着“煤改电”工程的大力推进，电窑炉设备开始规模化接入配电网。为了解决电窑炉规模化接入配电网后的电压偏差和谐波畸变率高的问题，提出一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法，通过建立多目标优化数学模型实现配电网串联补偿装置和并联补偿装置的选址及定容，实现改善配网电压的目标，对谐波进行集中统一的治理，有效降低了配网损耗和配网谐波含量，明显改善配网电压。

说明书

技术领域

本发明涉及电窑炉负荷规模化应用后的电能质量分析与措施治理，特别涉及对电窑炉规模化应用后低电压问题和谐波问题的电能质量优化治理。

背景技术

由于经济的迅速发展和常规能源的消耗，环境污染和能源危机已经成为不可忽视的问题。电窑炉作为第一批电能替代产品在景德镇得到大量推广使用，与柴窑、煤窑和气窑相比，具有占地面积小、热效率高、产品烧成质量好等一系列优点。但是以电窑炉为代表的电能替代产品规模化接入电网，将引起配电网低电压、谐波畸变率高和无功损耗高等一系列电能质量问题，极大地影响配网的安全可靠运行。在这一背景下，需要对治理装置进行合理的应用规划，解决规模化接入后造成的谐波、无功和低电压等电能质量问题，以保证系统安全稳定运行以及用户端的电压质量在标准范围内。

目前，在实际运行过程中，电窑炉、电采暖等替代负荷规模接入后对配电网的供电能力有显著影响，但是，现有文献很少研究电窑炉大规模接入配电网后的无功优化问题和谐波抑制问题。在这一背景下，需要对治理装置进行合理的应用规划，解决规模化接入后造成的谐波、无功和低电压等电能质量问题，以保证系统安全稳定运行以及用户端的电压质量在标准范围内。

无功补偿治理装置分为并联补偿和串联补偿两种形式。并联补偿在馈线上接入补偿电容器，可以减少用户侧的感性无功功率流动，具有降低线损和减小电压降落的治理能力，但其提供的无功功率与电压的平方成正比，在负荷大幅度增加时，线路电压偏低达不到治理效果。串联补偿电容器能减小线路的电抗，提高线路末端电压改善电压质量，但是串补不能减小用户侧的无功功率，导致无功功率仍在线路中流动，仍有较大网损。本文拟在配网系统中采用并联补偿器和串联补偿器相结合的方式进行无功补偿。

谐波治理主要有两个方面，一方面针对谐波源本身加以限制，另一方面在电网中加装无源滤波器(Passive Power Filter,PPF)或有源滤波器 (Active Power Filter,APF)达到抑制谐波的目的，并使各次谐波含有率满足国家标准。其中无源滤波器虽然有成本低廉，结构简单以及便于实现的优点,但是其滤波特性不佳，故而本文在配电网中配置性能优越的有源滤波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法，能够解决电窑炉规模化接入后造成的谐波、无功和低电压等电能质量问题，是一种操作简单且容易实现的综合资源优化配置方法，为“煤改电”配套电网改造工程提供一定的理论依据。

本发明的技术方案：一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法，其特征在于它包括无功优化环节的配置与谐波治理环节的优化配置的两个部分；其中，所述无功优化环节用以从投资、网损和电压偏差三个方面建立优化模型，评估电窑炉接入配电网后对系统的影响，并利用粒子群优化算法(PSO，Particle Swarm Optimization)优化配电网串联补偿装置和并联补偿装置的选址及定容；所述谐波治理环节是指在配电网中配置滤波器消除谐波，用以对谐波进行集中统一的治理。

所述无功优化环节的配置，具体实现过程包括以下步骤：

(1-1)目标函数的选择：

当电窑炉规模化应用于配电网中时，配电网的等效模型由电窑炉负荷、无功补偿装置、有源电力滤波装置和上级电网系统组成；因此，将无功补偿装置投资最小、电压偏差最小、网络损耗最小作为3个目标函数，按照公式(1)-(4)对系统进行多目标无功优化；

F＝min[f

式中，f

(1-2)约束条件的确定：

不等式约束条件分为控制变量约束和状态变量约束，选取发电机节点电压、无功补偿装置容量为控制变量约束，选取负荷节点电压和配电网功率因数作为状态变量约束，分别如公式(5)和公式(6)所示：

式中，U

(1-3)归一化处理

由于电压偏差、有功损耗和投资成本的量纲和单位不同，不能简单地用权值进行连接，需要先进行权值的归一化处理，求取目标函数的最小值，成本型定量目标，归一化的过程如式(7)、(8)、(9)所示：

式中：ΔU

(1-4)权重的选择

无功补偿装置的优化配置应满足电压质量的要求，则电压偏差是无功补偿装置规划的重要考核标准，因此，将电压偏差作为第1等级权重W

F＝W

式中：W

所述步骤(1-4)的权重的选择采用专家决策法即德尔菲法(Delphi 法)确定；应用传统的层次分析法根据专家经验判断各个目标的重要性得出如公式(11)所示的指标判断矩阵J为一个3*3的矩阵：

根据流程图2计算得专家经验求出一级指标的权重W为：

W＝[0.071927 0.64912 0.27895] (12)

故而电窑炉规模化应用后的多目标优化的目标函数为：

min F＝0.071927f

所述谐波治理环节的优化，具体实现过程包括以下步骤：

(2-1)有源滤波器等效模型的建立

有源滤波器APF的实质是一个具有电流反馈控制的受控电流源，其等效模型应包含三电平逆变器和电网两部分；其中，三电平逆变器部分包括指令电流I

I

(2-2)滤波器APF优化配置的数学模型的建立

滤波器的优化配置是指装设滤波器之后，网络各节点的谐波含有率、谐波电压畸变率以及各次谐波电流的允许值满足国标的要求，保证滤波器安全运行的同时，使得滤波器的初期投资最小，达到最大经济效益；因此，滤波器优化配置模型以配电网中在变压器低压侧安装的电力有源滤波器的造价为目标函数，如公式(15)和公式(16)所示，以注入公共联接点的谐波电流允许值、谐波电压的畸变率和含有率为约束条件，如公式(17)-(19)所示；

S＝3I

HRU

I

式中，S为有源滤波器的额定容量，b

所述步骤(2-2)中的谐波电压含有率限定值为3.2％，谐波电压总畸变率限定值为4％，注入公共联接点的奇次谐波电流允许值(基准短路容量为100MVA)如表1所示，均适用于10kV配电网。

表1注入公共联接点的奇次谐波电流允许值

本发明的优越性：提出了对配网进行无功优化与谐波治理的两阶段电网综合资源优化配置模型及方法，解决了电窑炉规模化接入配电网后的电压偏差和谐波畸变率高的问题。通过建立多目标优化数学模型实现配电网串联补偿装置和并联补偿装置的选址及定容，实现改善配网电压的目标。其次，建立以有源滤波器的造价为目标函数的优化配置模型，在系统层面对谐波进行集中统一的治理。且能够有效降低配网损耗和配网谐波含量，明显改善配网电压。

附图说明

图1为本发明所涉一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法的MATLAB和OpenDSS联合仿真平台结构示意图。

图2为本发明所涉一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法的算法流程示意图。

图3为本发明所涉实施例中不同渗透率下无功优化前后节点电压对比图(其中，图3-a是渗透率为20％，图3-b是渗透率为30％，图3-c是渗透率为40％，图3-d是渗透率为50％)。

图4为本发明所涉实施例中不同渗透率下有源滤波器的最优配置图。

图5为本发明所涉的APF等效模型

具体实施方式

实施例：一种电窑炉规模化应用后的综合资源优化配置方法，如图1 所示，其特征在于它包括无功优化环节的配置与谐波治理环节的优化配置的两个部分；其中，所述无功优化环节用以从投资、网损和电压偏差三个方面建立优化模型，评估电窑炉接入配电网后对系统的影响，并利用粒子群优化算法优化配电网串联补偿装置和并联补偿装置的选址及定容；所述谐波治理环节是指在配电网中配置滤波器消除谐波，用以对谐波进行集中统一的治理。

无功优化环节的配置，如图2所示，具体实现过程包括以下步骤：

(1-1)目标函数的选择：

当电窑炉规模化应用于配电网中时，如图1所示，配电网的等效模型由电窑炉负荷、无功补偿装置、有源电力滤波装置和上级电网系统组成；因此，将无功补偿装置投资最小、电压偏差最小、网络损耗最小作为3个目标函数，按照公式(1)-(4)对系统进行多目标无功优化；

F＝min[f

式中，f

(1-2)约束条件的确定：

不等式约束条件分为控制变量约束和状态变量约束，选取发电机节点电压、无功补偿装置容量为控制变量约束，选取负荷节点电压和配电网功率因数作为状态变量约束，分别如公式(5)和公式(6)所示：

式中，U

(1-3)归一化处理

由于电压偏差、有功损耗和投资成本的量纲和单位不同，不能简单地用权值进行连接，需要先进行权值的归一化处理，求取目标函数的最小值，成本型定量目标，归一化的过程如式(7)、(8)、(9)所示：

式中：ΔU

(1-4)权重的选择

无功补偿装置的优化配置应满足电压质量的要求，则电压偏差是无功补偿装置规划的重要考核标准，因此，将电压偏差作为第1等级权重W

F＝W

式中：W

所述步骤(1-4)的权重的选择采用专家决策法即德尔菲法确定；应用传统的层次分析法根据专家经验判断各个目标的重要性得出如公式(11)所示的指标判断矩阵J为一个3*3的矩阵：

根据流程图2计算得专家经验求出一级指标的权重W为：

W＝[0.071927 0.64912 0.27895] (12)

故而电窑炉规模化应用后的多目标优化的目标函数为：

minF＝0.071927f

谐波治理环节的优化，如图2所示，具体实现过程包括以下步骤：

(2-1)有源滤波器等效模型的建立

有源滤波器APF的实质是一个具有电流反馈控制的受控电流源，如图 5所示，其等效模型应包含三电平逆变器和电网两部分；其中，三电平逆变器部分包括指令电流I

I

(2-2)滤波器APF优化配置的数学模型的建立

滤波器的优化配置是指装设滤波器之后，网络各节点的谐波含有率、谐波电压畸变率以及各次谐波电流的允许值满足国标的要求，保证滤波器安全运行的同时，使得滤波器的初期投资最小，达到最大经济效益；因此，滤波器优化配置模型以配电网中在变压器低压侧安装的电力有源滤波器的造价为目标函数，如公式(15)和公式(16)所示，以注入公共联接点的谐波电流允许值、谐波电压的畸变率和含有率为约束条件，如公式(17)-(19)所示；

S＝3I

HRU

I

式中，S为有源滤波器的额定容量，b

所述步骤(2-2)中的谐波电压含有率限定值为3.2％，谐波电压总畸变率限定值为4％，注入公共联接点的奇次谐波电流允许值(基准短路容量为100MVA)如表1所示，均适用于10kV配电网。

表1注入公共联接点的奇次谐波电流允许值

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图对本申请做进一步的详细说明。

如图1所示，为了对规模化电窑炉接入配电网后的电网进行综合资源优化配置，需要对多目标无功优化模型和滤波器优化配置模型进行有效求解，本文基于Matlab和OpenDSS平台搭建了如图1所示的计算平台。整个计算平台主要包括2个计算模块：1)配电网三相潮流计算模块，2)配电网谐波计算模块，3)综合资源优化配置模块。OpenDSS用来进行配电网三相潮流计算和各次谐波计算，综合资源优化配置在MATLAB平台实现。基于组件对象(OpenDSSEngine.DLL)可实现OpenDSS计算程序与MATLAB平台其他计算分析模块之间的数据通信。

搭建了OpenDSS/MATLAB联合仿真平台：首先在OpenDSS软件上搭建出台区配电网模型并进行快速潮流计算和各次谐波计算，其次在 MATLAB中完成治理装置模型的建立和参数的设定以及上文改进粒子群优化算法的建立，两个软件通过COM接口进行信息交互。在MATLAB 中实现对治理装置的直接控制，OpenDSS潮流计算得到的节点电压、功率损耗和谐波分量经由COM接口返回到MATLAB优化算法部分，判断是否符合约束条件，反复执行以上过程直至优化结束。

具体包括以下步骤：

步骤1，电窑炉规模化应用配网综合资源优化流程

如图2为电窑炉规模化应用后配网综合资源优化配置模型建立以及求解的整体流程图。具体的步骤如下所示：

1)在OpenDSS中搭建电窑炉规模化接入后的IEEE33节点的配电网模型，设置网络运行参数和谐波源频谱参数进行快速潮流计算，将节点电压、功率因数和有功功率通过COM接口在OpenDSS和MATLAB中实现数据传输；

2)进行阶段I的优化，在MATLAB中构建多目标无功优化模型，利用粒子群算法进行求解,确定并联和串联无功补偿装置的最优安装位置及容量；

3)对配电网进行谐波分析，将各节点的谐波分量通过COM接口在 OpenDSS和MATLAB中实现数据传输；

4)进行阶段II的优化，在MATLAB中构建有源滤波器优化配置模型，利用粒子群算法进行求解，确定APF的最优补偿容量。

5)输出阶段I和阶段II的优化结果。

步骤2，阶段I无功优化配置方案

如图3所示，以IEEE33节点网络为原型的电窑炉规模接入后的优化治理装置的安装位置与容量。将电窑炉的渗透率从20％开始，逐步增加为 30％、40％、50％，在配电网接入不同的渗透率电窑炉负荷的情况下，无功补偿的优化配置后电窑炉规模化接入后配电网的无功优化配置。优化前后配网节点电压幅值的对比如图3所示。

1)根据优化配置结果可得在电窑炉渗透率逐步增加的情况下，进行无功优化。在低渗透场景下可以通过单纯的并联补偿解决无功问题，但是随着渗透率的增加，单纯的进行并联无功优化不足以解决无功问题，采用串联补偿与并联补偿相结合的方式，能够快速明显的提升配网的电压水平。

2)由图3可得电窑炉负荷渗透率为20％-50％的配网在合理的配置无功补偿装置后，各节点的最低节点电压优化前后分别由0.8739p.u.、 0.8159p.u.、0.7366p.u.和0.5497p.u.增大到0.9552p.u.、0.9857p.u.、0.9853p.u. 和0.9346p.u.，最低节点电压均大于0.93p.u.电压合格率明显提高。补偿后功率因数能达到0.95以上，明显改善了用户供电质量。

步骤3，阶段II谐波治理装置优化配置方案

阶段II算例继续采用IEEE33节点的配电系统，系统基准电压为 10.5kV，基准容量10MVA，考虑谐波源电窑炉规模化应用的谐波治理，主要考虑渗透率为20％-50％的四种应用场景。对规模化接入电窑炉的 IEEE33配电网进行有源滤波器优化配置，有源滤波器的最优配置如图4 所示。

对配网进行有源滤波器的优化配置之后，不同渗透率下的各个场景配网的总谐波电压畸变率分别为0.42％、0.64％、0.89％和1.23％，均下降至 4％之内，公共联接点的各次谐波电流均小于国标规定的谐波电流允许值，改善了系统的运行条件。

综上所述，窑炉设备规模化接入后，针对电窑炉规模化应用后的四个场景考虑无功优化和谐波治理的两阶段电网综合资源优化配置模型，提出了基于Matlab和OpenDSS的联合仿真平台的多目标优化算法，解决了规模化电窑炉接入配电网后的配电网低电压问题、谐波问题和无功损耗高的问题，提高了配网的供电质量，并在经济方面取得了较好的效果。