基于三相模型的含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)過(guò)電壓預(yù)防控制

基于三相模型的含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)過(guò)電壓預(yù)防控制

0基于三元配電網(wǎng)模型的電壓動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題通過(guò)發(fā)展分布式能源（dg），我們可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái),配電網(wǎng)中DG的滲透率迅速增長(zhǎng),傳統(tǒng)配電網(wǎng)將逐步演變?yōu)榫哂斜姸嗫烧{(diào)可控資源的主動(dòng)配電網(wǎng)(activedistributionnetwork,ADN),其運(yùn)行管理也將遇到眾多挑戰(zhàn):①DG出力波動(dòng)引發(fā)的過(guò)電壓會(huì)觸發(fā)保護(hù)裝置將其從電網(wǎng)切除,限制DG的并網(wǎng)能力,浪費(fèi)電網(wǎng)資源和可再生能源;②如何高效合理地協(xié)調(diào)DG和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制的重要課題;③電動(dòng)汽車(chē)、電弧爐以及非全相并網(wǎng)的DG等不對(duì)稱設(shè)備日益增多,這使得配電網(wǎng)固有的三相負(fù)荷不平衡、線路參數(shù)不對(duì)稱、有功無(wú)功不解耦等特性日趨顯著,如果依舊采用單相模型計(jì)算,會(huì)引入很大誤差,因此配電網(wǎng)采用三相模型進(jìn)行分析決策已是共識(shí)。綜上所述,如何基于三相配電網(wǎng)模型,通過(guò)有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制電壓水平、提高DG的并網(wǎng)能力是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。針對(duì)問(wèn)題①,文獻(xiàn)[12-13]都以中低壓配電網(wǎng)中廣泛接入的光伏(PV)發(fā)電為研究對(duì)象,認(rèn)為光伏出力的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致機(jī)組頻繁投切,影響其并網(wǎng)能力、設(shè)備使用壽命和電能質(zhì)量。文獻(xiàn)采用了基于單相靈敏度的下垂控制策略決定棄光量,這種控制策略依賴于下垂系數(shù)的設(shè)定值。文獻(xiàn)通過(guò)基于戴維南等值降低光伏出力控制電壓以提高其利用率,是一種簡(jiǎn)單易行的預(yù)防過(guò)電壓的局部控制方法,其控制對(duì)象僅限于本地光伏發(fā)電的出力,未考慮DG間的協(xié)調(diào)以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。針對(duì)問(wèn)題②,現(xiàn)有研究認(rèn)為主動(dòng)配電網(wǎng)中DG出力及補(bǔ)償設(shè)備的投切均會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓水平、調(diào)節(jié)模式、潮流分布產(chǎn)生很大影響[15,16,17,18,19,20,21,22]。文獻(xiàn)基于一個(gè)小系統(tǒng)的靈敏度,提出通過(guò)協(xié)調(diào)調(diào)度DG有功出力和無(wú)功補(bǔ)償裝置可以更好地調(diào)節(jié)電壓。文獻(xiàn)提出了一種基于近似迭代的高效算法求解無(wú)功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題,但并未將DG考慮在內(nèi)。針對(duì)問(wèn)題③,文獻(xiàn)采用單相潮流模型,將DG作為功率注入,分析了DG出力對(duì)全網(wǎng)電壓的抬升作用。文獻(xiàn)為提高DG的并網(wǎng)能力和控制節(jié)點(diǎn)電壓水平建立了單相模型的有功無(wú)功聯(lián)合控制策略,但并未考慮離散和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。文獻(xiàn)建立了降低網(wǎng)損和三相不平衡度的多目標(biāo)三相無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型,控制電容器、電壓調(diào)節(jié)器和開(kāi)關(guān)等以滿足大量單相PV接入的配電網(wǎng)電壓要求?；谏鲜鰡?wèn)題,本文主要完成以下工作:①推導(dǎo)出三相配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度通用表達(dá)式,分析有功功率和無(wú)功功率對(duì)電壓調(diào)節(jié)的效果;②基于配電網(wǎng)三相模型,提出一種基于有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化的過(guò)電壓預(yù)防控制策略;③利用IPOPT求解上述模型,并在IEEE123節(jié)點(diǎn)三相標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試,以驗(yàn)證該過(guò)電壓預(yù)防控制策略提高DG并網(wǎng)能力的有效性;④利用光伏和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),測(cè)試了在光伏和負(fù)荷時(shí)變情況下本文方法的收斂性。1節(jié)點(diǎn)注入功率對(duì)電壓調(diào)節(jié)作用對(duì)于具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力網(wǎng)絡(luò),其節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度關(guān)系式為:式中:角標(biāo)A,B,C表示三相參數(shù);BA,B,C和GA,B,C分別為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣的實(shí)部和虛部;PA,B,C和QA,B,C均為對(duì)角陣,其對(duì)角元素分別為PiA,B,C/(ViA,B,C)2和QiA,B,C/(ViA,B,C)2;ΔPA,B,C和ΔQA,B,C為節(jié)點(diǎn)注入功率的變化量。上式詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄A。為驗(yàn)證文中所提靈敏度公式的有效性并說(shuō)明有功無(wú)功協(xié)調(diào)控制電壓的必要性,本節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)三相三節(jié)點(diǎn)輻射狀系統(tǒng),該系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)附錄B。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,節(jié)點(diǎn)1為參考節(jié)點(diǎn),電壓幅值恒為1(標(biāo)幺值),節(jié)點(diǎn)3的B相上掛接有DG。在基態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上,分別調(diào)節(jié)3B子節(jié)點(diǎn)上掛接的DG有功和無(wú)功注入,利用上述靈敏度公式,驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)注入功率對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用,如圖2和表1所示。圖中:實(shí)線表示攝動(dòng)法結(jié)果;虛線表示靈敏度結(jié)果。通過(guò)對(duì)比圖2中靈敏度公式與攝動(dòng)法潮流計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),本文提出的靈敏度公式能夠準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)注入對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響。根據(jù)圖2和表1,對(duì)于有功無(wú)功不解耦的配電網(wǎng),節(jié)點(diǎn)注入有功功率和無(wú)功功率均能影響節(jié)點(diǎn)電壓,特別是在線路參數(shù)R和X數(shù)值相當(dāng)?shù)闹械蛪壕W(wǎng)絡(luò),這一耦合關(guān)系更為明顯,單純的無(wú)功調(diào)節(jié)或者有功調(diào)節(jié)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用是有限的。換言之,主動(dòng)配電網(wǎng)應(yīng)充分利用電網(wǎng)中的DG和無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化以達(dá)到消除過(guò)電壓、提高可再生能源利用率的目的。2-無(wú)效虞和健康疾病的持續(xù)預(yù)防和控制2.1節(jié)點(diǎn)dg能力含DG的主動(dòng)配電網(wǎng)不僅要保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行,更重要的是提高DG利用率,為此定義目標(biāo)函數(shù):式中:NDG為電網(wǎng)中的DG數(shù)量;φ表示A,B,C三相,Pipr,De,Gφ為節(jié)點(diǎn)i上所掛接DG的各相有功出力預(yù)測(cè)值,Piφ,DG為第i個(gè)DG的各相有功出力控制目標(biāo)值。從耗量微增率角度可以看出,本文所采用的二次型目標(biāo)函數(shù)可以使得預(yù)測(cè)出力大的DG優(yōu)先盡可能滿發(fā),提高分布式電源利用率。2.2dg運(yùn)行參數(shù)約束模型為方便地描述三相模型,本文功率平衡約束采用了矩陣形式。1)功率平衡約束式中:Pφ和Qφ是由三相節(jié)點(diǎn)凈注入有功功率和無(wú)功功率Piφ和Qiφ構(gòu)成的列矢量;Vφ為三相節(jié)點(diǎn)電壓列矢量;Aφ為網(wǎng)絡(luò)的三相節(jié)點(diǎn)—支路關(guān)聯(lián)矩陣;Zφb為三相支路阻抗矩陣;·表征兩個(gè)矢量的對(duì)應(yīng)元素相乘;Re,Im,*分別為取對(duì)應(yīng)元素的實(shí)部、虛部、共軛;對(duì)于某一節(jié)點(diǎn),其凈注入功率Piφ,DG和Qiφ,DG分別為節(jié)點(diǎn)i上所掛接DG的三相有功和無(wú)功功率;Piφ,d和Qiφ,d為節(jié)點(diǎn)i上所掛接負(fù)荷的三相有功和無(wú)功功率;Qiφ,com為節(jié)點(diǎn)i上所掛接無(wú)功補(bǔ)償裝置的三相無(wú)功功率,例如分組投切電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)等。上述三相變量的具體形成過(guò)程詳見(jiàn)附錄A。2)節(jié)點(diǎn)電壓約束過(guò)電壓會(huì)觸發(fā)保護(hù)裝置將DG切除,因此滿足電壓不等式約束是控制模型的重心所在,即對(duì)于節(jié)點(diǎn)i,有式中:Viφ為節(jié)點(diǎn)i的各相電壓幅值;Viφ,min和Viφ,max分別為電壓幅值的最大和最小限值。3)關(guān)口功率約束為了抑制主動(dòng)配電網(wǎng)的功率波動(dòng)對(duì)輸電網(wǎng)的影響,需要將配電網(wǎng)根節(jié)點(diǎn)的關(guān)口交換功率約束考慮在內(nèi),即式中:P0φ為從根節(jié)點(diǎn)流入本級(jí)配電網(wǎng)的各相功率;P0φ,max,P0φ,min分別為調(diào)控中心設(shè)定的各相關(guān)口功率交換上下界,無(wú)功功率約束類同。4)離散無(wú)功補(bǔ)償裝置約束分組電容器是配電網(wǎng)重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,其投切狀態(tài)本質(zhì)上是離散決策變量,本文借鑒文獻(xiàn)提出的二進(jìn)制編碼和補(bǔ)充約束的形式將離散變量連續(xù)化。對(duì)于節(jié)點(diǎn)i,將離散擋位的電容器分組投切問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下形式:式中:Qiφ,com為第i個(gè)電容器組的各相投運(yùn)容量,Qiφ,,comstep為其各相每一擋位補(bǔ)償量,Qiφ,,0com為其當(dāng)前運(yùn)行容量;本約束中αiφ,j和tiφ均為待求變量,其中αiφ,j為一介于0與1之間的實(shí)數(shù),通過(guò)約束αiφ,j(αiφ,j-1)=0將其控制為0-1變量,進(jìn)而將tiφ控制為整數(shù),本文選擇電容器擋位為4檔,即tiφ∈int{0,1,2,3},如需擴(kuò)展擋位數(shù)量只需增加2進(jìn)制編碼數(shù)即可。5)連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置約束上式反映了功率連續(xù)獨(dú)立可調(diào)的補(bǔ)償裝置(SVC等)的無(wú)功補(bǔ)償容量約束。6)DG運(yùn)行約束另外,根據(jù)文獻(xiàn),本文DG穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)采用PQ類型。DG通過(guò)電力電子裝置或常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)接口并網(wǎng)且其并網(wǎng)功率已能實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功分別獨(dú)立調(diào)節(jié),為不失一般性,本文選擇定功率因數(shù)的DG功率控制策略,令Qiφ,DG=Piφ,DGtanφ。該模型中,控制變量為離散、連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的投運(yùn)容量Qiφ,com和DG的有功出力Piφ,DG,即有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。這是一個(gè)典型的二次約束二次規(guī)劃問(wèn)題,可以采用IPOPT進(jìn)行有效求解。3算例結(jié)果算例驗(yàn)證采用YALMIP建模平臺(tái)(由MATLAB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的優(yōu)化建模運(yùn)算庫(kù))開(kāi)發(fā)了上述有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型,然后調(diào)用IPOPT算法包(基于C++開(kāi)發(fā),其與MATLAB的接口由OPTIToolbox提供)求解該模型。測(cè)試系統(tǒng)的硬件環(huán)境為2.50GHz英特爾雙核i5-3210MCPU,8GB內(nèi)存,操作系統(tǒng)為Win764bit,開(kāi)發(fā)環(huán)境為MATLABR2012b,IPOPT版本為3.11.1,YALMIP版本為20131002,OPTIToolbox版本為V2.00。采用IEEE123節(jié)點(diǎn)三相測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證本文提出方法的有效性。該系統(tǒng)包含121條支路,輻射狀運(yùn)行,參數(shù)和負(fù)載三相不平衡現(xiàn)象普遍存在。系統(tǒng)根節(jié)點(diǎn)相電壓為2.042kV,負(fù)荷有功總和為3490kW,無(wú)功總和為1920kvar,詳見(jiàn)附錄C。光伏發(fā)電是接入中低壓配電網(wǎng)DG的主要形式,本文亦選擇PV作為典型DG。節(jié)點(diǎn)63,97,115分別掛接有3個(gè)逆變器接口的PV(下文用PV63,PV97,PV115表示)。根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷約為4MW這一情況,為滿足PV裝機(jī)容量的合理性,將每個(gè)PV裝機(jī)容量定為1.5MW,每相的功率為0.5MW,三相獨(dú)立可調(diào),功率因數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)取cosφ=0.95,考慮到各個(gè)PV處于同一區(qū)域,因此認(rèn)為3個(gè)PV預(yù)測(cè)功率相等。節(jié)點(diǎn)66,76分別掛接有2個(gè)三相聯(lián)動(dòng)電容器組(下文用CP66,CP76表示),每一相最大補(bǔ)償容量均為150kvar,每一擋位為50kvar。節(jié)點(diǎn)42掛接有SVC設(shè)備(下文用SVC42表示),三相獨(dú)立連續(xù)可調(diào),每相調(diào)節(jié)范圍為-300~300kvar?；谏鲜鰯?shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)算例驗(yàn)證如下運(yùn)行場(chǎng)景:①在正常和緊急兩種工況下出現(xiàn)電壓越上限值情況時(shí),驗(yàn)證本文方法提高電網(wǎng)消納PV出力的能力;②對(duì)比單獨(dú)調(diào)節(jié)有功、無(wú)功對(duì)電壓的調(diào)控能力,分析有功—無(wú)功協(xié)調(diào)控制模式的優(yōu)勢(shì)和必要性;③分析三相不對(duì)稱的配電網(wǎng)采用三相模型的必要性,以及本文所提方法得到優(yōu)化控制策略的有效性;④借助典型負(fù)荷曲線,測(cè)試該方法在多種數(shù)值條件下的穩(wěn)定性。針對(duì)場(chǎng)景①,對(duì)比以下幾種過(guò)電壓控制模式的控制效果。1)DG切機(jī)模式,即DG并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)將其從電網(wǎng)切除,如圖3所示。2)DG減半模式,即DG并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)將其出力削減為其當(dāng)前出力值的一半,見(jiàn)圖4。3)本文所提如圖5所示的協(xié)調(diào)過(guò)電壓控制方式。當(dāng)系統(tǒng)中所有PV按照額定功率滿發(fā)時(shí),分別測(cè)試上述3種方法消納光伏出力的能力。為不失一般性,將分組投切電容器組和SVC擋位均置為零,計(jì)算IEEE123節(jié)點(diǎn)三相測(cè)試系統(tǒng)的基態(tài)潮流,得到系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓如下(以根節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺化的結(jié)果),如圖6所示。當(dāng)PV出力增大時(shí)潮流流向改變,PV并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)相應(yīng)抬高,同時(shí)由于系統(tǒng)的三相不平衡特性嚴(yán)重,系統(tǒng)的三相電壓偏差較大。如圖6中的PV并網(wǎng)點(diǎn)及其附近節(jié)點(diǎn)的電壓均已超過(guò)了1.042的額定上限值(根據(jù)文獻(xiàn)將配電網(wǎng)正常和緊急運(yùn)行工況電壓上限值定為1.042和1.05)。下面分別測(cè)試在正常和緊急工況下上述3種過(guò)電壓控制方式的效果。1)正常工況,PV并網(wǎng)點(diǎn)電壓上限值為1.042,3種過(guò)電壓控制方法得到的光伏利用率見(jiàn)圖7,PV出力結(jié)果見(jiàn)表2。2)緊急工況,PV并網(wǎng)點(diǎn)電壓上限值為1.05,3種過(guò)電壓控制方法得到的PV出力結(jié)果如表3所示,光伏利用率見(jiàn)圖8。由表2、表3可以發(fā)現(xiàn),在正常工況和緊急工況下,本文提出的過(guò)電壓預(yù)防控制方法都能通過(guò)優(yōu)化調(diào)度PV的有功出力,控制其并網(wǎng)點(diǎn)電壓。同時(shí)該方法以減小棄光量為目標(biāo),在電壓限定范圍內(nèi)確定PV的最優(yōu)出力,較之傳統(tǒng)過(guò)電壓控制方法,本文提出的方法對(duì)于PV的利用率均達(dá)到95%以上,可以顯著提高配電網(wǎng)消納PV發(fā)電的能力。針對(duì)場(chǎng)景②,為測(cè)試節(jié)點(diǎn)注入有功和無(wú)功對(duì)電壓的影響以體現(xiàn)本文有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化的必要性,設(shè)計(jì)如下3種PV運(yùn)行工況:①所有PV有功功率為0,無(wú)功功率為0;②所有PV有功功率為1.5MW,無(wú)功功率為0;③所有PV有功功率為0,無(wú)功功率為1.5Mvar。潮流計(jì)算后的節(jié)點(diǎn)電壓如圖9所示,以B相為例。從圖9可以看出,在中低壓配電網(wǎng),節(jié)點(diǎn)注入的有功和無(wú)功功率的調(diào)整對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓的影響均是顯著的,這與本文上述靈敏度公式所得到的結(jié)論是一致的。本文基于此提出了有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化的過(guò)電壓預(yù)防控制方法,提高電網(wǎng)對(duì)高滲透率DG的消納能力。另外為測(cè)試有功—無(wú)功協(xié)調(diào)對(duì)于優(yōu)化控制結(jié)果、提高分布式電源利用率的能力,對(duì)比兩種工況:無(wú)協(xié)調(diào),只有PV并網(wǎng),調(diào)節(jié)其有功功率;有協(xié)調(diào),PV和SVC均并網(wǎng),協(xié)調(diào)優(yōu)化。控制效果見(jiàn)圖10。由上可見(jiàn),利用無(wú)功補(bǔ)償裝置和PV的聯(lián)合協(xié)調(diào)可以更好地控制電壓水平,消納PV出力。針對(duì)場(chǎng)景③,設(shè)計(jì)算例驗(yàn)證在該IEEE123節(jié)點(diǎn)負(fù)荷嚴(yán)重三相不平衡、線路參數(shù)不對(duì)稱系統(tǒng)中,本文方法求取優(yōu)化調(diào)度策略的能力。所有的PV、分組投切電容器組和SVC均投入運(yùn)行。圖11給出了本文控制方法的優(yōu)化控制策略,驗(yàn)證了該方法在負(fù)荷不平衡條件下的尋優(yōu)能力;本文方法的求解信息如下:棄光量0.0905MW;光伏利用率97.99%;50次求解平均時(shí)間1.78s。在上述計(jì)算環(huán)境下只需1.78s即可實(shí)現(xiàn)求解該連續(xù)QCQP問(wèn)題。本文方法能夠甄別系統(tǒng)三相參數(shù)不對(duì)稱,在負(fù)荷嚴(yán)重不平衡工況下依然能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)電壓控制在合理范圍之內(nèi),提高PV并網(wǎng)能力。另外,測(cè)試結(jié)果顯示所有節(jié)點(diǎn)電壓均在允許的1.042內(nèi)(限于篇幅未列出)。針對(duì)場(chǎng)景④,設(shè)計(jì)算例驗(yàn)證當(dāng)負(fù)荷和PV出力時(shí)變時(shí),本文方法在多種數(shù)值條件下的穩(wěn)定性。為不失一般性,本算例只將3個(gè)PV并網(wǎng),而未考慮其他設(shè)備影響。算例中以PV出力1.5MW為峰值,以基態(tài)負(fù)荷為當(dāng)日最大負(fù)荷,通過(guò)附加美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory,