本發明涉及電壓無功優化控制技術領域，尤其涉及一種光伏發電接入的電壓無功優化控制方法及系統。

背景技術：

隨著分布式光伏發電、風電發電、生物質發電等新能源發電的接入，以及電動汽車充放電站的逐漸普及，傳統配電網在運行的靈活性、安全性和經濟性等方面都面臨很大的挑戰。以光伏發電為例，其大規模的利用可極大減小電能的遠距離傳輸，不僅能節約輸電網絡等基礎設置的建設投資，也可大大降低化石能源的消耗，減小二氧化碳等溫室氣體的排放。但隨著越來越多的光伏發電不斷接入電網，其輸出功率的隨機性和不確定性，將會對電網的電壓質量產生很大的影響。

目前，對光伏發電接入的配電網電壓無功的控制，主要是利用傳統電壓-無功控制設備，同時通過光伏發電逆變器輸出的無功功率來進行快速的電壓-無功控制，以在光伏發電功率波動時減小電網電壓的波動。但目前尚沒有將傳統電壓-無功控制設備和光伏發電進行協調控制，以實現應對光伏發電輸出功率隨機性和不確定性的電壓-無功實時優化控制方法。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的問題，本發明提供了提供一種光伏發電接入的電壓無功優化控制技術方案。

本發明的技術方案提供一種光伏發電接入的電壓無功優化控制方法，建立以最小化電網損耗為目標的優化模型，以變壓器抽頭位置、無功補償電容器的開關位置、光伏發電注入系統的有功功率和光伏發電的功率因數為決策變量，通過機會約束方法處理光伏發電輸出功率隨機性和波動性，得到光伏發電有功注入機會約束條件，結合節點電壓調節約束條件、變壓器抽頭變化約束條件、無功補償電容器開關變化約束條件、光伏發電輸出功率因數約束條件、線路潮流約束條件和電網潮流約束條件，建立光伏發電接入的電壓無功優化控制模型；通過粒子群優化算法，得到變壓器抽頭位置，無功補償電容器的開關位置，光伏發電注入系統的有功功率和光伏發電的功率因數，實現光伏發電、變壓器抽頭控制、無功補償電容器的協調控制。

而且，所述以最小化電網損耗為目標，采用以下目標函數，

$\min f\left(X_n\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}(P_{loss,n}^{sys}\×\mathrm{\Δ}t)$

其中，f(X_n)是電網的有功電能損耗，是決策變量，Tap_n是第n個時間間隔內變壓器抽頭位置，S_n是第n個時間間隔內無功補償電容器開關位置，是第n個時間間隔內光伏發電注入系統的有功功率，PF_n是第n個時間間隔內的光伏發電功率因數；是電網第n個時間間隔內的有功功率損失，N為總的時間間隔數，Δt為一個時間間隔長度。

而且，所述光伏發電有功注入機會約束條件為，

當置信度為δ_pv時，機會約束表達式如下，

$\mathrm{Pr}ob(P_{pv,i,n}^{inj}\≤P_{pv,i,n}^{gen})\≥{\mathrm{\δ}}_{pv}$

其中，是光伏發電在時間間隔n內允許注入配電網的有功功率，是光伏發電在時間間隔n內隨機注入配電網的有功功率，i用于標識母線,Prob(·)為概率函數；

$P_{pv,i,n}^{inj}\≤F_{gen}^{-1}(1-{\mathrm{\δ}}_{pv})$

其中，為光發電發電的概率累積分布函數的逆函數。

而且，所述節點電壓調節約束條件為，

節點電壓有效值需滿足如下公式，

0.975≤V_i,n≤1.05i＝1,2,…,I

其中，V_i,n為電網第i個節點在第n個時間間隔內的電壓有效值，I為電網總節點數。

而且，所述變壓器抽頭變化約束條件為，

變壓器抽頭位置的變化不能超出允許的變化范圍要求，如下式，

${\mathrm{TC}}_{daily}=\underset{2}{\overset{N}{\Σ}}|{\mathrm{Tap}}_n-{\mathrm{Tap}}_{n-1}|\≤{\mathrm{Tap}}_{daily}^{\max }$

其中，TC_daily是變壓器抽頭每天動作的檔位和，是每天變壓器抽頭位置變化的最大允許值，Tap_n為改變后的抽頭位置，Tap_n-1為上一次的抽頭位置。

而且，所述無功補償電容器開關變化約束條件為，

無功補償電容器開關位置的變化不能超出允許的變化范圍要求，如下式，

${\mathrm{SC}}_{daily}=\underset{2}{\overset{N}{\Σ}}|S_n-S_{n-1}|\≤{\mathrm{SC}}_{daily}^{\max }$

其中，SC_daily是無功補償電容器每天動作的檔位和，是每天無功補償電容器位置變化的最大允許值，S_n和S_n-1分別是改變后和改變前的檔位。

而且，所述光伏發電輸出功率因數約束條件為，

-0.85≤PF_n≤0.85

其中，PF_n為光伏發電輸出功率因數。

而且，所述線路潮流約束條件為，

每條線路都有允許的最大運行功率限值，如下式，

$\left|P_{l,n}\right|\≤P_l^{\max }$

其中，是線路l允許的最大運行功率限值。

而且，所述粒子群優化算法中，

進行迭代求解目標函數的值，如果該當前目標函數值P_loss1小于上一次迭代的目標函數值P_loss2，將當前的解作為目前為止的最優解，否則繼續以上一次迭代的解作為最優解；根據迭代求出在滿足各種約束條件下的最優值，保證電力系統穩定性前提下，充分利用光伏發電，并使得系統的能量損耗最小。

本發明還相應提供一種光伏發電接入的電壓無功優化控制系統，包括電壓無功優化控制模塊，用于執行上述光伏發電接入的電壓無功優化控制方法。

本發明提供了一種光伏發電接入的電壓無功優化控制技術方案，通過對傳統電壓-無功控制設備和光伏發電的協調控制，使得電網電壓滿足規定的要求，同時提高光伏發電的利用效率，減小電網的損耗，對于實現光伏發電接入時的電網電壓無功優化控制具有重要現實意義和市場推廣前景。

附圖說明

圖1是本發明實施例的一種光伏發電接入的電壓無功優化控制方法的應用場景結構圖；

圖2是本發明實施例的一種光伏發電接入的電壓無功優化控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

本發明提供的光伏發電接入的電壓無功優化控制方法，可協調控制光伏發電和傳統電壓-無功控制設備，對電網電壓進行控制，提高光伏發電站的利用效率，減小電網電能損耗。具體實施時，可以采用模塊化方式實現該方法，提供電壓無功優化控制模塊。

在圖1提供的應用場景中，電壓無功優化控制模塊接收負荷發送來的實時負荷數據，接收來自光伏發電站的光伏發電的實時功率數據，通過優化算法，計算出變壓器抽頭位置，將其發送至變壓器進行抽頭位置控制；計算出無功補償電容開關位置，將其發送至無功補償電容進行投入的無功補償電容組數量的控制；計算出光伏發電的有功功率指令和功率因數指令，將其發送至光伏發電處，進行輸出有功功率和無功功率的控制。

本發明建立以最小化電網損耗為目標的優化模型，以變壓器抽頭位置，無功補償電容器的開關位置，光伏發電注入系統的有功功率和光伏發電的功率因數為決策變量，通過機會約束方法處理光伏發電輸出功率隨機性和波動性，得到光伏發電有功注入機會約束條件，結合節點電壓調節約束條件、變壓器抽頭變化約束條件、無功補償電容器開關變化約束條件、光伏發電輸出功率因數約束條件、線路潮流約束條件和電網潮流約束條件，建立光伏發電接入的電壓無功優化控制模型，線路潮流約束和電網潮流約束均屬于潮流約束；通過粒子群優化算法，得到變壓器抽頭位置，無功補償電容器的開關位置，光伏發電注入系統的有功功率和光伏發電的功率因數，實現光伏發電、變壓器抽頭控制、無功補償電容器的協調控制，確保節點電壓滿足規定的要求，提高光伏發電的利用效率和減小電網電能損失。

參見圖2，本發明實施例所提出的控制方法主要包括兩部分，第一部分是處理光伏發電功率輸出波動性的機會約束方法，機會約束是在一定的概率意義下達到最優的理論。它是一種隨機規劃方法，用于解決約束條件中含有隨機變量，且必須在觀測到隨機變量的實際值之前做出決策的問題。機會約束方法允許所做決策在一定程度上不滿足約束條件，但該決策使約束條件成立的概率不小于某個置信水平，本發明應用該方法來解決光伏發電輸出功率的波動性和隨機性。第二部分是粒子群優化算法，它屬于進化算法的一種，該方法從隨機解出發，通過迭代尋找最優解，通過適應度來評價解的品質，通過追隨當前搜索到的最優值來尋找全局最優。其優點是實現容易、精度高、收斂快，在解決實際問題中展示了其優越性。下面對本發明的目標函數和約束條件進行說明。

1.目標函數

一種光伏發電接入的電壓無功優化控制方法的目標函數是電網的有功電能損耗f(X_n)最小，即：

$\min f\left(X_n\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}(P_{loss,n}^{sys}\×\mathrm{\Δ}t)---\left(1\right)$

其中：

是決策變量，Tap_n是第n個時間間隔內變壓器抽頭位置，S_n是第n個時間間隔內無功補償電容器開關位置，是第n個時間間隔內光伏發電注入系統的有功功率，PF_n是第n個時間間隔內的光伏發電功率因數；是電網第n個時間間隔內的有功功率損失，N為總的時間間隔數，Δt為一個時間間隔長度。通常將一天時間等分為多個時間間隔，例如優選地，將24小時劃分為以15分鐘為長度的一個時間間隔時，則Δt＝15min，N＝24×4＝96。

由下式算出：

$P_{loss,n}^{sys}=\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}({\mathrm{\ΔV}}_{l,n}^p\×I_{l,n}^p\×cos({\mathrm{\α}}_{l,n}\left)\right)---\left(2\right)$

其中：是線路l在時間間隔n內的電壓降有效值，是線路l在時間間隔n內的電流有效值，α_l,n是線路l在時間間隔n內的電壓和電流之間的相位角；L是總線路數。目前都將時間間隔Δt內和α_l,n作為固定值處理，且可通過對各節點的電壓監測和各線路的電流監測得到，目前電網已安裝有相應的測量設備。本發明中的線路和節點是指光伏發電所接入的配電網中線路和節點，在這些節點和線路中，裝有電壓互感器和電流互感器，并通過通訊協議傳輸到主控室中進行實時監測。

2.約束條件

a)光伏發電有功注入機會約束條件

當置信度為δ_pv時，機會約束表達式如下：

$\mathrm{Pr}ob(P_{pv,i,n}^{inj}\≤P_{pv,i,n}^{gen})\≥{\mathrm{\δ}}_{pv}---\left(3\right)$

其中，是光伏發電在時間間隔n內允許注入配電網的有功功率，通常該值可通過考慮系統穩定性等因素由本領域技術人員預設設定；是光伏發電在時間間隔n內隨機注入配電網的有功功率，i用于標識第i條母線。Prob(·)為概率函數。

$P_{pv,i,n}^{inj}\≤F_{gen}^{-1}(1-{\mathrm{\δ}}_{pv})---\left(4\right)$

其中，為光發電輸出功率的概率累積分布函數的逆函數。

機會約束方法允許所做決策在一定程度上不滿足約束條件，但該決策使約束條件成立的概率不小于某個置信水平。正常運行時，需要小于但也允許光伏發電的功率大于即式(3)表示大于等于的概率應該小于置信度δ_pv。置信度δ_pv可根據經驗設置，具體實施時可由本領域技術人員預先設置，一般設置為0.9-0.95。

為光伏電站隨天氣，溫度等情況下的隨機出力，可根據歷史運行數據設置，而根據式(4)求解為光發電輸出功率的概率累積分布函數的逆函數。F_gen(·)為累計分布函數，同樣可根據歷史運行數據得到。小于時，表示光伏發電發的功率足夠，反之，表示光伏電站發的功率不夠，但是光伏電站出力不夠的情況應該小于置信度δ_pv。

b)節點電壓調節約束條件

根據ANSI C84.1中的規定，節點電壓有效值需滿足：

0.975≤V_i,n≤1.05i＝1,2,…,I (5)

其中：V_i,n為電網第i個節點在第n個時間間隔內的電壓有效值；I為電網總節點數。

c)變壓器抽頭變化約束條件

變壓器抽頭位置的變化不能超出允許的變化范圍要求，即：

${\mathrm{TC}}_{daily}=\underset{2}{\overset{96}{\Σ}}|{\mathrm{Tap}}_n-{\mathrm{Tap}}_{n-1}|\≤{\mathrm{Tap}}_{daily}^{\max }---\left(6\right)$

其中：TC_daily是變壓器抽頭每天動作的檔位和，是每天變壓器抽頭位置變化的最大允許值，考慮到抽頭的使用壽命，每天的檔位變化有限制，Tap_n為改變后的抽頭位置，Tap_n-1為上一次的抽頭位置。例如，如果改變后Tap_n為7檔，改變前Tap_n-1為5檔，則檔位變化了2檔，每天檔位的累計變化不超過

d)無功補償電容器開關變化約束條件無功補償電容器開關位置的變化不能超出允許的變化范圍要求，即：

${\mathrm{SC}}_{daily}=\underset{2}{\overset{96}{\Σ}}|S_n-S_{n-1}|\≤{\mathrm{SC}}_{daily}^{\max }---\left(7\right)$

其中：SC_daily是無功補償電容器每天動作的檔位和，是每天無功補償電容器位置變化的最大允許值，S_n和S_n-1分別是改變后和改變前的檔位。

e)光伏發電輸出功率因數約束條件

根據相關標準，光伏發電輸出功率因數PF_n允許范圍是在滯后0.85和超前0.85之間，即：

-0.85≤PF_n≤0.85 (8)

f)線路潮流約束條件

每條線路都有其允許的最大運行功率限值，當超出該功率限值時，將會嚴重發熱甚至造成線路燒毀，功率約束為：

$\left|P_{l,n}\right|\≤P_l^{\max }---\left(9\right)$

其中：是線路l允許的最大運行功率限值，|P_l,n|是通過第n條線路的功率。

g)電網潮流約束條件

電網潮流約束是根據電網拓撲結構、線路參數、光伏發電有功功率和負載等計算出各個節點的電壓和各條支路的有功功率和無功功率，電網潮流計算約束條件及潮流計算方法是目前成熟的技術，本發明不予贅述。

3.優化算法

電壓-無功優化是一個非線性，離散的組合優化問題，具有非線性的目標函數和離散的控制變量，粒子群算法可以有效的解決這類優化問題。

粒子群優化算法，輸入負荷曲線和光伏發電功率曲線(即光伏電站曲線)，產生隨機的粒子(即可能解，包括電壓調整器位置，變壓器抽頭位置，電容調整器位置，光伏電站輸出功率等約束條件的相應可能解)，然后求解目標函數的值，如果該當前目標函數值P_loss1小于上一次迭代的目標函數值P_loss2(差值ΔP_loss小于0)，即能量損耗小于上次計算的能量損耗，滿足式(10)，那么當前的解即作為目前為止的最優解，如果該目標函數的值小于上一次迭代的目標函數值，則繼續以上一次迭代的解作為最優解，通過多次迭代，即可求出在滿足各種約束條件下的最優值，即在保證電力系統穩定性前提下，使得充分利用光伏發電，并使得系統的能量損耗最小。

ΔP_loss＝(P_loss2-P_loss1)＜0 (10)

此處優化的目標函數是，配電網中的能量損耗最小，因此，在該式中，Plose2表示下一次迭代的目標函數值，Plose1表示本次的目標函數值，如果下一次迭代的目標函數值比本次小，說明在下一狀態下的解比本次的解更優，通過一次一次的迭代，目標函數值越來越小(能量損耗越來越少)，同時，相應的解越來越接近最優解。

根據迭代結果，可以得到控制輸出和狀態輸出，包括電壓調整器位置、開關電容器位置以及系統能量損耗。

具體實施時，以上方法可采用軟件方式實現自動運行。本發明還提供用于運行以上方法的系統，包括電壓無功優化控制模塊，該模塊執行以上方法。需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的。因此本發明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。