基于三相模型的含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)過電壓預防控制

基于三相模型的含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)過電壓預防控制

0基于三元配電網(wǎng)模型的電壓動態(tài)優(yōu)化問題通過發(fā)展分布式能源（dg），我們可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，促進節(jié)能減排，實現(xiàn)可持續(xù)和可持續(xù)發(fā)展。近年來,配電網(wǎng)中DG的滲透率迅速增長,傳統(tǒng)配電網(wǎng)將逐步演變?yōu)榫哂斜姸嗫烧{(diào)可控資源的主動配電網(wǎng)(activedistributionnetwork,ADN),其運行管理也將遇到眾多挑戰(zhàn):①DG出力波動引發(fā)的過電壓會觸發(fā)保護裝置將其從電網(wǎng)切除,限制DG的并網(wǎng)能力,浪費電網(wǎng)資源和可再生能源;②如何高效合理地協(xié)調(diào)DG和無功補償設備是主動配電網(wǎng)運行控制的重要課題;③電動汽車、電弧爐以及非全相并網(wǎng)的DG等不對稱設備日益增多,這使得配電網(wǎng)固有的三相負荷不平衡、線路參數(shù)不對稱、有功無功不解耦等特性日趨顯著,如果依舊采用單相模型計算,會引入很大誤差,因此配電網(wǎng)采用三相模型進行分析決策已是共識。綜上所述,如何基于三相配電網(wǎng)模型,通過有功—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制電壓水平、提高DG的并網(wǎng)能力是一個具有現(xiàn)實意義的課題。針對問題①,文獻[12-13]都以中低壓配電網(wǎng)中廣泛接入的光伏(PV)發(fā)電為研究對象,認為光伏出力的波動性會導致機組頻繁投切,影響其并網(wǎng)能力、設備使用壽命和電能質(zhì)量。文獻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)的設定值。文獻通過基于戴維南等值降低光伏出力控制電壓以提高其利用率,是一種簡單易行的預防過電壓的局部控制方法,其控制對象僅限于本地光伏發(fā)電的出力,未考慮DG間的協(xié)調(diào)以及無功補償設備。針對問題②,現(xiàn)有研究認為主動配電網(wǎng)中DG出力及補償設備的投切均會對電網(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]。文獻基于一個小系統(tǒng)的靈敏度,提出通過協(xié)調(diào)調(diào)度DG有功出力和無功補償裝置可以更好地調(diào)節(jié)電壓。文獻提出了一種基于近似迭代的高效算法求解無功補償?shù)膭討B(tài)優(yōu)化問題,但并未將DG考慮在內(nèi)。針對問題③,文獻采用單相潮流模型,將DG作為功率注入,分析了DG出力對全網(wǎng)電壓的抬升作用。文獻為提高DG的并網(wǎng)能力和控制節(jié)點電壓水平建立了單相模型的有功無功聯(lián)合控制策略,但并未考慮離散和連續(xù)無功補償設備。文獻建立了降低網(wǎng)損和三相不平衡度的多目標三相無功補償優(yōu)化模型,控制電容器、電壓調(diào)節(jié)器和開關等以滿足大量單相PV接入的配電網(wǎng)電壓要求?；谏鲜鰡栴},本文主要完成以下工作:①推導出三相配電網(wǎng)中節(jié)點電壓對節(jié)點注入功率的靈敏度通用表達式,分析有功功率和無功功率對電壓調(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—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化的過電壓預防控制策略;③利用IPOPT求解上述模型,并在IEEE123節(jié)點三相標準系統(tǒng)上進行測試,以驗證該過電壓預防控制策略提高DG并網(wǎng)能力的有效性;④利用光伏和負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù),測試了在光伏和負荷時變情況下本文方法的收斂性。1節(jié)點注入功率對電壓調(diào)節(jié)作用對于具有N個節(jié)點的電力網(wǎng)絡,其節(jié)點電壓對節(jié)點注入功率的靈敏度關系式為:式中:角標A,B,C表示三相參數(shù);BA,B,C和GA,B,C分別為節(jié)點導納陣的實部和虛部;PA,B,C和QA,B,C均為對角陣,其對角元素分別為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)點注入功率的變化量。上式詳細推導過程見附錄A。為驗證文中所提靈敏度公式的有效性并說明有功無功協(xié)調(diào)控制電壓的必要性,本節(jié)設計了一個三相三節(jié)點輻射狀系統(tǒng),該系統(tǒng)參數(shù)見附錄B。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1,節(jié)點1為參考節(jié)點,電壓幅值恒為1(標幺值),節(jié)點3的B相上掛接有DG。在基態(tài)參數(shù)的基礎上,分別調(diào)節(jié)3B子節(jié)點上掛接的DG有功和無功注入,利用上述靈敏度公式,驗證節(jié)點注入功率對電壓的調(diào)節(jié)作用,如圖2和表1所示。圖中:實線表示攝動法結(jié)果;虛線表示靈敏度結(jié)果。通過對比圖2中靈敏度公式與攝動法潮流計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),本文提出的靈敏度公式能夠準確反映節(jié)點注入對節(jié)點電壓的影響。根據(jù)圖2和表1,對于有功無功不解耦的配電網(wǎng),節(jié)點注入有功功率和無功功率均能影響節(jié)點電壓,特別是在線路參數(shù)R和X數(shù)值相當?shù)闹械蛪壕W(wǎng)絡,這一耦合關系更為明顯,單純的無功調(diào)節(jié)或者有功調(diào)節(jié)對電壓的調(diào)節(jié)作用是有限的。換言之,主動配電網(wǎng)應充分利用電網(wǎng)中的DG和無功補償裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化以達到消除過電壓、提高可再生能源利用率的目的。2-無效虞和健康疾病的持續(xù)預防和控制2.1節(jié)點dg能力含DG的主動配電網(wǎng)不僅要保證電網(wǎng)的安全運行,更重要的是提高DG利用率,為此定義目標函數(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i上所掛接DG的各相有功出力預測值,Piφ,DG為第i個DG的各相有功出力控制目標值。從耗量微增率角度可以看出,本文所采用的二次型目標函數(shù)可以使得預測出力大的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)點凈注入有功功率和無功功率Piφ和Qiφ構(gòu)成的列矢量;Vφ為三相節(jié)點電壓列矢量;Aφ為網(wǎng)絡的三相節(jié)點—支路關聯(lián)矩陣;Zφb為三相支路阻抗矩陣;·表征兩個矢量的對應元素相乘;Re,Im,*分別為取對應元素的實部、虛部、共軛;對于某一節(jié)點,其凈注入功率Piφ,DG和Qiφ,DG分別為節(jié)點i上所掛接DG的三相有功和無功功率;Piφ,d和Qiφ,d為節(jié)點i上所掛接負荷的三相有功和無功功率;Qiφ,com為節(jié)點i上所掛接無功補償裝置的三相無功功率,例如分組投切電容器、靜止無功補償器(SVC)等。上述三相變量的具體形成過程詳見附錄A。2)節(jié)點電壓約束過電壓會觸發(fā)保護裝置將DG切除,因此滿足電壓不等式約束是控制模型的重心所在,即對于節(jié)點i,有式中:Viφ為節(jié)點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)關口功率約束為了抑制主動配電網(wǎng)的功率波動對輸電網(wǎng)的影響,需要將配電網(wǎng)根節(jié)點的關口交換功率約束考慮在內(nèi),即式中:P0φ為從根節(jié)點流入本級配電網(wǎng)的各相功率;P0φ,max,P0φ,min分別為調(diào)控中心設定的各相關口功率交換上下界,無功功率約束類同。4)離散無功補償裝置約束分組電容器是配電網(wǎng)重要的無功補償設備,其投切狀態(tài)本質(zhì)上是離散決策變量,本文借鑒文獻提出的二進制編碼和補充約束的形式將離散變量連續(xù)化。對于節(jié)點i,將離散擋位的電容器分組投切問題轉(zhuǎn)化為如下形式:式中:Qiφ,com為第i個電容器組的各相投運容量,Qiφ,,comstep為其各相每一擋位補償量,Qiφ,,0com為其當前運行容量;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之間的實數(shù),通過約束αiφ,j(αiφ,j-1)=0將其控制為0-1變量,進而將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},如需擴展擋位數(shù)量只需增加2進制編碼數(shù)即可。5)連續(xù)無功補償裝置約束上式反映了功率連續(xù)獨立可調(diào)的補償裝置(SVC等)的無功補償容量約束。6)DG運行約束另外,根據(jù)文獻,本文DG穩(wěn)態(tài)運行時采用PQ類型。DG通過電力電子裝置或常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機接口并網(wǎng)且其并網(wǎng)功率已能實現(xiàn)有功無功分別獨立調(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)無功補償裝置的投運容量Qiφ,com和DG的有功出力Piφ,DG,即有功—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。這是一個典型的二次約束二次規(guī)劃問題,可以采用IPOPT進行有效求解。3算例結(jié)果算例驗證采用YALMIP建模平臺(由MATLAB語言開發(fā)的優(yōu)化建模運算庫)開發(fā)了上述有功—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型,然后調(diào)用IPOPT算法包(基于C++開發(fā),其與MATLAB的接口由OPTIToolbox提供)求解該模型。測試系統(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)點三相測試系統(tǒng)驗證本文提出方法的有效性。該系統(tǒng)包含121條支路,輻射狀運行,參數(shù)和負載三相不平衡現(xiàn)象普遍存在。系統(tǒng)根節(jié)點相電壓為2.042kV,負荷有功總和為3490kW,無功總和為1920kvar,詳見附錄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63,97,115分別掛接有3個逆變器接口的PV(下文用PV63,PV97,PV115表示)。根據(jù)系統(tǒng)總負荷約為4MW這一情況,為滿足PV裝機容量的合理性,將每個PV裝機容量定為1.5MW,每相的功率為0.5MW,三相獨立可調(diào),功率因數(shù)根據(jù)文獻取cosφ=0.95,考慮到各個PV處于同一區(qū)域,因此認為3個PV預測功率相等。節(jié)點66,76分別掛接有2個三相聯(lián)動電容器組(下文用CP66,CP76表示),每一相最大補償容量均為150kvar,每一擋位為50kvar。節(jié)點42掛接有SVC設備(下文用SVC42表示),三相獨立連續(xù)可調(diào),每相調(diào)節(jié)范圍為-300~300kvar?；谏鲜鰯?shù)據(jù),本文設計算例驗證如下運行場景:①在正常和緊急兩種工況下出現(xiàn)電壓越上限值情況時,驗證本文方法提高電網(wǎng)消納PV出力的能力;②對比單獨調(diào)節(jié)有功、無功對電壓的調(diào)控能力,分析有功—無功協(xié)調(diào)控制模式的優(yōu)勢和必要性;③分析三相不對稱的配電網(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借助典型負荷曲線,測試該方法在多種數(shù)值條件下的穩(wěn)定性。針對場景①,對比以下幾種過電壓控制模式的控制效果。1)DG切機模式,即DG并網(wǎng)點出現(xiàn)過電壓時將其從電網(wǎng)切除,如圖3所示。2)DG減半模式,即DG并網(wǎng)點出現(xiàn)過電壓時將其出力削減為其當前出力值的一半,見圖4。3)本文所提如圖5所示的協(xié)調(diào)過電壓控制方式。當系統(tǒng)中所有PV按照額定功率滿發(fā)時,分別測試上述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,計算IEEE123節(jié)點三相測試系統(tǒng)的基態(tài)潮流,得到系統(tǒng)中各個節(jié)點電壓如下(以根節(jié)點電壓標幺化的結(jié)果),如圖6所示。當PV出力增大時潮流流向改變,PV并網(wǎng)點電壓會相應抬高,同時由于系統(tǒng)的三相不平衡特性嚴重,系統(tǒng)的三相電壓偏差較大。如圖6中的PV并網(wǎng)點及其附近節(jié)點的電壓均已超過了1.042的額定上限值(根據(jù)文獻將配電網(wǎng)正常和緊急運行工況電壓上限值定為1.042和1.05)。下面分別測試在正常和緊急工況下上述3種過電壓控制方式的效果。1)正常工況,PV并網(wǎng)點電壓上限值為1.042,3種過電壓控制方法得到的光伏利用率見圖7,PV出力結(jié)果見表2。2)緊急工況,PV并網(wǎng)點電壓上限值為1.05,3種過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,本文提出的過電壓預防控制方法都能通過優(yōu)化調(diào)度PV的有功出力,控制其并網(wǎng)點電壓。同時該方法以減小棄光量為目標,在電壓限定范圍內(nèi)確定PV的最優(yōu)出力,較之傳統(tǒng)過電壓控制方法,本文提出的方法對于PV的利用率均達到95%以上,可以顯著提高配電網(wǎng)消納PV發(fā)電的能力。針對場景②,為測試節(jié)點注入有功和無功對電壓的影響以體現(xiàn)本文有功—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化的必要性,設計如下3種PV運行工況:①所有PV有功功率為0,無功功率為0;②所有PV有功功率為1.5MW,無功功率為0;③所有PV有功功率為0,無功功率為1.5Mvar。潮流計算后的節(jié)點電壓如圖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)點注入的有功和無功功率的調(diào)整對于節(jié)點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—無功協(xié)調(diào)優(yōu)化的過電壓預防控制方法,提高電網(wǎng)對高滲透率DG的消納能力。另外為測試有功—無功協(xié)調(diào)對于優(yōu)化控制結(jié)果、提高分布式電源利用率的能力,對比兩種工況:無協(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。控制效果見圖10。由上可見,利用無功補償裝置和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。針對場景③,設計算例驗證在該IEEE123節(jié)點負荷嚴重三相不平衡、線路參數(shù)不對稱系統(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均投入運行。圖11給出了本文控制方法的優(yōu)化控制策略,驗證了該方法在負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次求解平均時間1.78s。在上述計算環(huán)境下只需1.78s即可實現(xiàn)求解該連續(xù)QCQP問題。本文方法能夠甄別系統(tǒng)三相參數(shù)不對稱,在負荷嚴重不平衡工況下依然能夠?qū)⒐?jié)點電壓控制在合理范圍之內(nèi),提高PV并網(wǎng)能力。另外,測試結(jié)果顯示所有節(jié)點電壓均在允許的1.042內(nèi)(限于篇幅未列出)。針對場景④,設計算例驗證當負荷和PV出力時變時,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PV并網(wǎng),而未考慮其他設備影響。算例中以PV出力1.5MW為峰值,以基態(tài)負荷為當日最大負荷,通過附加美國可再生能源國家實驗室(NationalRenewableEnergyLaboratory,