基于三相模型的含分布式发电的配电网过电压预防控制

基于三相模型的含分布式发电的配电网过电压预防控制

0基于三元配电网模型的电压动态优化问题通过发展分布式能源（dg），我们可以优化能源结构，促进节能减排，实现可持续和可持续发展。近年来,配电网中DG的渗透率迅速增长,传统配电网将逐步演变为具有众多可调可控资源的主动配电网(activedistributionnetwork,ADN),其运行管理也将遇到众多挑战:①DG出力波动引发的过电压会触发保护装置将其从电网切除,限制DG的并网能力,浪费电网资源和可再生能源;②如何高效合理地协调DG和无功补偿设备是主动配电网运行控制的重要课题;③电动汽车、电弧炉以及非全相并网的DG等不对称设备日益增多,这使得配电网固有的三相负荷不平衡、线路参数不对称、有功无功不解耦等特性日趋显著,如果依旧采用单相模型计算,会引入很大误差,因此配电网采用三相模型进行分析决策已是共识。综上所述,如何基于三相配电网模型,通过有功—无功协调优化控制电压水平、提高DG的并网能力是一个具有现实意义的课题。针对问题①,文献[12-13]都以中低压配电网中广泛接入的光伏(PV)发电为研究对象,认为光伏出力的波动性会导致机组频繁投切,影响其并网能力、设备使用寿命和电能质量。文献采用了基于单相灵敏度的下垂控制策略决定弃光量,这种控制策略依赖于下垂系数的设定值。文献通过基于戴维南等值降低光伏出力控制电压以提高其利用率,是一种简单易行的预防过电压的局部控制方法,其控制对象仅限于本地光伏发电的出力,未考虑DG间的协调以及无功补偿设备。针对问题②,现有研究认为主动配电网中DG出力及补偿设备的投切均会对电网的电压水平、调节模式、潮流分布产生很大影响[15,16,17,18,19,20,21,22]。文献基于一个小系统的灵敏度,提出通过协调调度DG有功出力和无功补偿装置可以更好地调节电压。文献提出了一种基于近似迭代的高效算法求解无功补偿的动态优化问题,但并未将DG考虑在内。针对问题③,文献采用单相潮流模型,将DG作为功率注入,分析了DG出力对全网电压的抬升作用。文献为提高DG的并网能力和控制节点电压水平建立了单相模型的有功无功联合控制策略,但并未考虑离散和连续无功补偿设备。文献建立了降低网损和三相不平衡度的多目标三相无功补偿优化模型,控制电容器、电压调节器和开关等以满足大量单相PV接入的配电网电压要求。基于上述问题,本文主要完成以下工作:①推导出三相配电网中节点电压对节点注入功率的灵敏度通用表达式,分析有功功率和无功功率对电压调节的效果;②基于配电网三相模型,提出一种基于有功—无功协调优化的过电压预防控制策略;③利用IPOPT求解上述模型,并在IEEE123节点三相标准系统上进行测试,以验证该过电压预防控制策略提高DG并网能力的有效性;④利用光伏和负荷统计数据,测试了在光伏和负荷时变情况下本文方法的收敛性。1节点注入功率对电压调节作用对于具有N个节点的电力网络,其节点电压对节点注入功率的灵敏度关系式为:式中:角标A,B,C表示三相参数;BA,B,C和GA,B,C分别为节点导纳阵的实部和虚部;PA,B,C和QA,B,C均为对角阵,其对角元素分别为PiA,B,C/(ViA,B,C)2和QiA,B,C/(ViA,B,C)2;ΔPA,B,C和ΔQA,B,C为节点注入功率的变化量。上式详细推导过程见附录A。为验证文中所提灵敏度公式的有效性并说明有功无功协调控制电压的必要性,本节设计了一个三相三节点辐射状系统,该系统参数见附录B。系统的拓扑结构见图1,节点1为参考节点,电压幅值恒为1(标幺值),节点3的B相上挂接有DG。在基态参数的基础上,分别调节3B子节点上挂接的DG有功和无功注入,利用上述灵敏度公式,验证节点注入功率对电压的调节作用,如图2和表1所示。图中:实线表示摄动法结果;虚线表示灵敏度结果。通过对比图2中灵敏度公式与摄动法潮流计算结果可以发现,本文提出的灵敏度公式能够准确反映节点注入对节点电压的影响。根据图2和表1,对于有功无功不解耦的配电网,节点注入有功功率和无功功率均能影响节点电压,特别是在线路参数R和X数值相当的中低压网络,这一耦合关系更为明显,单纯的无功调节或者有功调节对电压的调节作用是有限的。换言之,主动配电网应充分利用电网中的DG和无功补偿装置协调优化以达到消除过电压、提高可再生能源利用率的目的。2-无效虞和健康疾病的持续预防和控制2.1节点dg能力含DG的主动配电网不仅要保证电网的安全运行,更重要的是提高DG利用率,为此定义目标函数:式中:NDG为电网中的DG数量;φ表示A,B,C三相,Pipr,De,Gφ为节点i上所挂接DG的各相有功出力预测值,Piφ,DG为第i个DG的各相有功出力控制目标值。从耗量微增率角度可以看出,本文所采用的二次型目标函数可以使得预测出力大的DG优先尽可能满发,提高分布式电源利用率。2.2dg运行参数约束模型为方便地描述三相模型,本文功率平衡约束采用了矩阵形式。1)功率平衡约束式中:Pφ和Qφ是由三相节点净注入有功功率和无功功率Piφ和Qiφ构成的列矢量;Vφ为三相节点电压列矢量;Aφ为网络的三相节点—支路关联矩阵;Zφb为三相支路阻抗矩阵;·表征两个矢量的对应元素相乘;Re,Im,*分别为取对应元素的实部、虚部、共轭;对于某一节点,其净注入功率Piφ,DG和Qiφ,DG分别为节点i上所挂接DG的三相有功和无功功率;Piφ,d和Qiφ,d为节点i上所挂接负荷的三相有功和无功功率;Qiφ,com为节点i上所挂接无功补偿装置的三相无功功率,例如分组投切电容器、静止无功补偿器(SVC)等。上述三相变量的具体形成过程详见附录A。2)节点电压约束过电压会触发保护装置将DG切除,因此满足电压不等式约束是控制模型的重心所在,即对于节点i,有式中:Viφ为节点i的各相电压幅值;Viφ,min和Viφ,max分别为电压幅值的最大和最小限值。3)关口功率约束为了抑制主动配电网的功率波动对输电网的影响,需要将配电网根节点的关口交换功率约束考虑在内,即式中:P0φ为从根节点流入本级配电网的各相功率;P0φ,max,P0φ,min分别为调控中心设定的各相关口功率交换上下界,无功功率约束类同。4)离散无功补偿装置约束分组电容器是配电网重要的无功补偿设备,其投切状态本质上是离散决策变量,本文借鉴文献提出的二进制编码和补充约束的形式将离散变量连续化。对于节点i,将离散挡位的电容器分组投切问题转化为如下形式:式中:Qiφ,com为第i个电容器组的各相投运容量,Qiφ,,comstep为其各相每一挡位补偿量,Qiφ,,0com为其当前运行容量;本约束中αiφ,j和tiφ均为待求变量,其中αiφ,j为一介于0与1之间的实数,通过约束αiφ,j(αiφ,j-1)=0将其控制为0-1变量,进而将tiφ控制为整数,本文选择电容器挡位为4档,即tiφ∈int{0,1,2,3},如需扩展挡位数量只需增加2进制编码数即可。5)连续无功补偿装置约束上式反映了功率连续独立可调的补偿装置(SVC等)的无功补偿容量约束。6)DG运行约束另外,根据文献,本文DG稳态运行时采用PQ类型。DG通过电力电子装置或常规旋转电机接口并网且其并网功率已能实现有功无功分别独立调节,为不失一般性,本文选择定功率因数的DG功率控制策略,令Qiφ,DG=Piφ,DGtanφ。该模型中,控制变量为离散、连续无功补偿装置的投运容量Qiφ,com和DG的有功出力Piφ,DG,即有功—无功协调优化控制。这是一个典型的二次约束二次规划问题,可以采用IPOPT进行有效求解。3算例结果算例验证采用YALMIP建模平台(由MATLAB语言开发的优化建模运算库)开发了上述有功—无功协调优化调度模型,然后调用IPOPT算法包(基于C++开发,其与MATLAB的接口由OPTIToolbox提供)求解该模型。测试系统的硬件环境为2.50GHz英特尔双核i5-3210MCPU,8GB内存,操作系统为Win764bit,开发环境为MATLABR2012b,IPOPT版本为3.11.1,YALMIP版本为20131002,OPTIToolbox版本为V2.00。采用IEEE123节点三相测试系统验证本文提出方法的有效性。该系统包含121条支路,辐射状运行,参数和负载三相不平衡现象普遍存在。系统根节点相电压为2.042kV,负荷有功总和为3490kW,无功总和为1920kvar,详见附录C。光伏发电是接入中低压配电网DG的主要形式,本文亦选择PV作为典型DG。节点63,97,115分别挂接有3个逆变器接口的PV(下文用PV63,PV97,PV115表示)。根据系统总负荷约为4MW这一情况,为满足PV装机容量的合理性,将每个PV装机容量定为1.5MW,每相的功率为0.5MW,三相独立可调,功率因数根据文献取cosφ=0.95,考虑到各个PV处于同一区域,因此认为3个PV预测功率相等。节点66,76分别挂接有2个三相联动电容器组(下文用CP66,CP76表示),每一相最大补偿容量均为150kvar,每一挡位为50kvar。节点42挂接有SVC设备(下文用SVC42表示),三相独立连续可调,每相调节范围为-300~300kvar。基于上述数据,本文设计算例验证如下运行场景:①在正常和紧急两种工况下出现电压越上限值情况时,验证本文方法提高电网消纳PV出力的能力;②对比单独调节有功、无功对电压的调控能力,分析有功—无功协调控制模式的优势和必要性;③分析三相不对称的配电网采用三相模型的必要性,以及本文所提方法得到优化控制策略的有效性;④借助典型负荷曲线,测试该方法在多种数值条件下的稳定性。针对场景①,对比以下几种过电压控制模式的控制效果。1)DG切机模式,即DG并网点出现过电压时将其从电网切除,如图3所示。2)DG减半模式,即DG并网点出现过电压时将其出力削减为其当前出力值的一半,见图4。3)本文所提如图5所示的协调过电压控制方式。当系统中所有PV按照额定功率满发时,分别测试上述3种方法消纳光伏出力的能力。为不失一般性,将分组投切电容器组和SVC挡位均置为零,计算IEEE123节点三相测试系统的基态潮流,得到系统中各个节点电压如下(以根节点电压标幺化的结果),如图6所示。当PV出力增大时潮流流向改变,PV并网点电压会相应抬高,同时由于系统的三相不平衡特性严重,系统的三相电压偏差较大。如图6中的PV并网点及其附近节点的电压均已超过了1.042的额定上限值(根据文献将配电网正常和紧急运行工况电压上限值定为1.042和1.05)。下面分别测试在正常和紧急工况下上述3种过电压控制方式的效果。1)正常工况,PV并网点电压上限值为1.042,3种过电压控制方法得到的光伏利用率见图7,PV出力结果见表2。2)紧急工况,PV并网点电压上限值为1.05,3种过电压控制方法得到的PV出力结果如表3所示,光伏利用率见图8。由表2、表3可以发现,在正常工况和紧急工况下,本文提出的过电压预防控制方法都能通过优化调度PV的有功出力,控制其并网点电压。同时该方法以减小弃光量为目标,在电压限定范围内确定PV的最优出力,较之传统过电压控制方法,本文提出的方法对于PV的利用率均达到95%以上,可以显著提高配电网消纳PV发电的能力。针对场景②,为测试节点注入有功和无功对电压的影响以体现本文有功—无功协调优化的必要性,设计如下3种PV运行工况:①所有PV有功功率为0,无功功率为0;②所有PV有功功率为1.5MW,无功功率为0;③所有PV有功功率为0,无功功率为1.5Mvar。潮流计算后的节点电压如图9所示,以B相为例。从图9可以看出,在中低压配电网,节点注入的有功和无功功率的调整对于节点电压的影响均是显著的,这与本文上述灵敏度公式所得到的结论是一致的。本文基于此提出了有功—无功协调优化的过电压预防控制方法,提高电网对高渗透率DG的消纳能力。另外为测试有功—无功协调对于优化控制结果、提高分布式电源利用率的能力,对比两种工况:无协调,只有PV并网,调节其有功功率;有协调,PV和SVC均并网,协调优化。控制效果见图10。由上可见,利用无功补偿装置和PV的联合协调可以更好地控制电压水平,消纳PV出力。针对场景③,设计算例验证在该IEEE123节点负荷严重三相不平衡、线路参数不对称系统中,本文方法求取优化调度策略的能力。所有的PV、分组投切电容器组和SVC均投入运行。图11给出了本文控制方法的优化控制策略,验证了该方法在负荷不平衡条件下的寻优能力;本文方法的求解信息如下:弃光量0.0905MW;光伏利用率97.99%;50次求解平均时间1.78s。在上述计算环境下只需1.78s即可实现求解该连续QCQP问题。本文方法能够甄别系统三相参数不对称,在负荷严重不平衡工况下依然能够将节点电压控制在合理范围之内,提高PV并网能力。另外,测试结果显示所有节点电压均在允许的1.042内(限于篇幅未列出)。针对场景④,设计算例验证当负荷和PV出力时变时,本文方法在多种数值条件下的稳定性。为不失一般性,本算例只将3个PV并网,而未考虑其他设备影响。算例中以PV出力1.5MW为峰值,以基态负荷为当日最大负荷,通过附加美国可再生能源国家实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory,