一种电力系统多源无功优化控制方法

一种电力系统多源无功优化控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种电力系统多源无功优化控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，风电作为清洁无污染的可再生能源，在世界范围内快速发展。截止到2014 年底，世界风电装机容量已达到360GW，中国、美国、德国、西班牙和印度五国占世界总装机 容量的72%。然而，风电随机性和弱可控性的特点，给电力系统薄弱环节的电压稳定产生了 深刻的影响。同时，大量异步风机发电时需要吸收无功功率，如果电网不能提供充足的无 功，将会造成风机的机端电压下降，严重时甚至有脱离电网的危险W。
[0003] 电动汽车W其节能减排的优势，成为交通低碳化发展的重要环节，目前有逐步取 代传统能源汽车的趋势。在V2G(Vehicle-t〇-Grid)概念下，电动汽车通过充电粧与电网互 动，既可W作为系统负荷，又可W分布式储能设备，同时，基于电力电子接口的充电粧可W 作为无功发生装置W，为系统提供无功支撑，通过与常规无功调压设备相配合，积极参与到 系统的无功电压优化运行中。
[0004] 目前，各国学者已经针对电动汽车有功功率的优化控制展开研究，充分利用电动 汽车的V2G有功响应能力，提高系统的电压稳定性、电能及频率质量等。然而，尚未有大量研 究针对电动汽车充电粧产生的无功参与系统优化运行进行探讨。文献[3]从技术控制层面 验证了电动汽车充电粧作为无功发生装置的可行性，电动汽车在充电过程中，可降低充电 时功率因数，为系统提供无功功率;文献[4]则在考虑用户交通行为的基础上，评估电动汽 车充电粧集群的无功响应能力。
[000引无功电压优化是保障电网安全运行，降低有功网损，改善电压分布，提高电能质量 的有效手段。文献[5] W有载调压变压器分接头档位、并联电容器组投切作为可控的无功电 压控制变量，实现对地区电网的无功优化控制，提高电网运行的经济性与可靠性。文献[6] 考虑同步发电机、并联电容器组、FACT装置等无功源，W发电机经济调度、电网经济运行和 离散无功源动作次数最少为优化多目标，提高系统的电压安全性与可靠性。
[0006] [参考文献]
[0007] [1]梁纪峰.基于大规模风电集中接入电网的无功电压特性及控制研究[D].华北 电力大学，2012.
[0008] [2]姚新丽.基于电动汽车换电站的D-STATC0M补偿系统的研究[D].湖南：湖南大 学，2012.
[0009] [3]C·Kisacikoglu Μ，Kesler M，M·Tolbert L·Single-phase on-board bidirectional PEV charger for V2G reactive power operation[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2015,6(2):767-775.
[0010] [4]Yu T，Yao X，Wang M.A Reactive power evaluation model for EV chargers considering travelling beh过viors[C].Proceedings of IEEE Electric Utility Deregulation and 民estructuring and Power Technologies,2015,Changsha, Qiina.
[0011] [5]潘蕾蕾，刘俊勇.考虑控制动作顺序影响的地区电网无功优化实时控制系统的 研究[J].电工技术学报，2005,20(2) :110-118.
[0012] [6]Rabiee A，Parniani Μ.Voltage security constrained multi-period optimal reactive power flow using benders and optimality condition decompositions^].IE邸 Transactions on Power System,2013,28(2):696-708.

【发明内容】

[0013] 在风电和负荷预测的基础上，利用并联电容器组投切和有载调压变压器分接头对 系统进行日前无功电压优化，充分考虑电动汽车充电粧的实时无功响应能力，对日内正常 运行情况下的无功电压优化进行实时修正，提高电网运行的经济性，而日内故障运行时则 主要考虑并联电容器组的投切，提出了考虑无功电压灵敏度和时序递进的无功源控制方 案，W达到快速恢复电压的目的。
[0014] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种电力系统多源无功优化控制方法，包 括日前优化调度和日内优化修正，其中：
[0015] 步骤一：日前优化调度包括W下步骤：
[0016] 步骤1-1:输入电力系统参数，至少包括输电线路特性参数、发电机日前有功调度 计划、风电有功出力预测值、负荷预测值；
[0017] 步骤1-2:利用步骤1-1获得的参数构建日前优化调度模型，模型的优化目标如式 (1)所示，约束条件如式(2)所示：
[001 引
（。
[0019]式（1)中，η为电网中节点的个数;Ui为节点i的电压幅值;U功节点j的电压幅值； Gi功节点巧日j之间的电导；θι功节点巧日j之间电压的相角差；
[0020]
(2)
[0021 ]式(2)中，Pi,g和化,g分别为电网中节点i发电机发出的有功和无功功率;Pi,1和化,1 分别为电网中节点i负荷消耗的有功和无功功率；t/,mm和?/Γ分别为电网中节点i电压的上 下限范围；谷T和往Γ分别为电网中节点i发电机无功出力的上下限范围；C巧""和Gsr为 电网中节点i并联电容器组投入数量的上下限范围；TAPu,h、?M^m和mfax分别为电网中节 点i变压器分接头档位h及其上下限范围；
[0022] 步骤1-3:利用步骤1-2建立的日前优化调度模型获得电网中并联电容器组和变压 器分接头日前无功调度计划，为日内优化修正提供电网中并联电容器组和变压器分接头的 日前无功调度计划；
[0023] 步骤二：日内优化修正包括W下步骤：
[0024] 步骤2-1:利用步骤1-3获得的日前无功调度计划实时更新电网中并联电容器组和 变压器分接头的调度信息；
[0025] 步骤2-2:进行电力系统实时潮流计算，获取各节点的电压值，判断电网中节点电 压是否发生越限，如果不发生，则进行步骤2-3;如果发生，则进行步骤2-6;
[0026] 步骤2-3:建立日内正常运行的优化模型，其中，优化目标如式(3)所示，约束条件 如式(4)所示：
[0029] 式(4)中，Qi,ev、巧r和錫：々别为电网中节点i电动汽车充电粧提供的无功及其 上下限范围；
[0030] 步骤2-4:利用步骤2-3建立的日内正常运行的优化模型获取电动汽车充电粧日内 正常运行的实时优化调度方案，对电动汽车充电粧的无功出力进行调节，从而实现对电力 系统日内无功调节的优化修正，返回步骤2-2,直到实现当日无功源的优化调控；
[0031] 步骤2-6:建立日内故障运行的优化模型，其中，优化目标如式(5)所示，约束条件 如式(6)所示：
[0032]
(5)
[0033] 式(5)中，CBi,k和CBi,k日分别为i节点并联电容器组控制的投入数量终值k和初值ko;
[0034]
(.6)
[0035] 步骤2-7:利用步骤2-6建立的日内故障运行的优化模型获取日内故障运行时并联 电容器组的无功电压优化控制方案，对并联电容器组进行调度控制，返回步骤2-2,直到实 现当日无功源的优化调控。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037] 日前优化调度为日内优化修正提供电网中并联电容器组和变压器分接头的日前 无功调度计划；日内优化修正包括不发生电压越限和发生电压越限两种运行方式，不发生 电压越限时充分利用电动汽车充电粧的无功响应能力，对日内无功优化进行修正，降低系 统的有功网损;发生电压越限时提出考虑无功电压灵敏度和时序 递进的无功源控制方案， 通过控制并联电容器组的投切快速恢复电压，减少电容器组的投切次数。
【附图说明】
[0038] 图1无功电压优化控制策略流程图；
[0039] 图2无功电压优化控制流程；
[0040] 图3 I邸E 30节点系统图；
[0041 ]图4风电出力预测值和实际值；
[0042] 图5不同区域负荷预测值和实际值；
[0043] 图6日前优化后有载变压器分接头位置；
[0044] 图7日前优化后并联电容器组投切信息；
[004引图8正常运行情况下电动汽车无功出力分布情况；
[0046] 图9正常运行情况下电网有功网损分布情况；
[0047] 图10正常运行情况下各节点电压优化效果；
[0048] 图11故障情况下优化控制顺序与反序控制效果对比。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体 实施例仅对本发明进行解释说明，并不用W限制本发明。
[0050] 本发明提出的一种电力系统多源无功优化控制方法，控制流程如图1所示，包括日 前优化调度和日内优化修正，其中：
[0051] 步骤一：日前优化调度包括W下步骤：
[0052] 步骤1-1:输入电力系统参数，至少包括输电线路特性参数、发电机日前有功调度 计划、风电有功出力预测值、负荷预测值；
[0053] 步骤1-2:利用步骤1-1获得的参数构建日前优化调度模型，模型W电网有功网损 最低为优化目标，如式(1)所示，约束条件包括等式约束和不等式约束如式(2)所示：
[0054]
(.1)
[0055] 式（1)中，η为电网中节点的个数;Ui为节点i的电压幅值;Uj为节点j的电压幅值； Gi功节点巧日j之间的电导；θι功节点巧日j之间电压的相角差；
[0056]
(2)
[0057] 式(2)中，Pi,g和化,g分别为电网中节点i发电机发出的有功和无功功率;Pi,1和化,1 分别为电网中节点i负荷消耗的有功和无功功率；ΙΓ"和ur分别为电网中节点i电压的上 下限范围；公7和公T分别为电网中节点i发电机无功出力的上下限范围；C公胃和巧max为 电网中节点i并联电容器组投入数量的上下限范围；TAPu,h、r作Γ"和7?巧胃分别为电网中节 点i变压器分接头档位h及其上下限范围；
[0058] 步骤1-3:利用步骤1-2建立的日前优化调度模型获得电网中并联电容器组和变压 器分接头日前无功调度计划，为日内优化修正提供电网中并联电容器组和变压器分接头的 日前无功调度计划；
[0059] 步骤二：日内优化修正包括W下步骤：
[0060] 步骤2-1:利用步骤1-3获得的日前无功调度计划实时更新电网中并联电容器组和 变压器分接头的调度信息；
[0061] 步骤2-2:进行电力系统实时潮流计算，获取各节点的电压值，判断电网中节点电 压是否发生越限，如果不发生，则进行步骤2-3;如果发生，则进行步骤2-6;
[0062] 步骤2-3:建立日内正常运行的优化模型，其中，模型W电网有功网损最低为优化 目标，如式(3)所示，约束条件包括等式约束和不等式约束，如式(4)所示：
[0063]
巧）
[0064]
(4>
[006引式(4)中，Qi,ev、谷::和0品;'分别为电网中节点i电动汽车充电粧提供的无功及其 上下限范围，本发明采用文献[4]中电动汽车无功响应能力评估模型；
[0066] 步骤2-4:利用步骤2-3建立的日内正常运行的优化模型获取电动汽车充电粧日内 正常运行的实时优化调度方案，对电动汽车充电粧的无功出力进行调节，从而实现对电力 系统日内无功调节的优化修正，返回步骤2-2,直到实现当日无功源的优化调控；
[0067] 步骤2-6:建立日内故障运行的优化模型，其中，模型W并联电容器组动作次数最 少为优化目标，如式(5)所示，约束条件包括等式约束和不等式约束，如式(6)所示：
[006引
巧
[0069] 式(5)中，CBi, k和CBi, k日分别为i节点并联电容器组控制的投入数量终值k和初值ko;
[0070]
(.6)
[0071] 步骤2-7:利用步骤2-6建立的日内故障运行的优化模型获取日内故障运行时并联 电容器组的无功电压优化控制方案，对并联电容器组进行调度控制，返回步骤2-2,直到实 现当日无功源的优化调控。
[0072] 如图2所示，所述日内故障运行时并联电容器组的无功电压优化控制方案，包括基 于无功电压灵敏度的控制顺序和基于时序递进的无功源投切的延迟时间：
[0073] 基于无功电压灵敏度的控制顺序的具体内容是：电力系统潮流方程如式(7)所示； 当ΔΡ = 〇时，无功功率和电网中节点电压的关系如式(8)所示;输电网中电抗远远大于电 阻，P-Q解禪时，简化后，无功功率和电网中节点电压的关系如式(9)所示，从而获取电力系 统的灵敏度矩阵S:
[0074]
(7)
[0075] 式(7)中，Δ P和Δ Q分别为节点的不平衡有功和无功功率向量；Δ θ和Δυ分别为节 点的电压相角和幅值的修正量向量;Jpe和Jpu分别为雅可比矩阵中有功功率对电压相角和 幅值的灵敏度矩阵;和Jqu分别为雅可比矩阵中无功功率对电压相角和幅值的灵敏度矩 阵；
[0078] 式(9)中，S为系统无功功率对电压的灵敏度矩阵。根据上述灵敏度矩阵S，按照电 网中各节点无功功率对电压的灵敏度的大小对各节点进行排序，获得电网中各节点基于无 功电压灵敏度的控制顺序。
[0079] 获取基于时序递进的无功源投切的延迟时间，包括：时序递进的投切模型如式 (10)所示，获得相邻两次无功源动作之间的时间间隔TD;
[0080]
(10)
[0081] 式（10)中，L为电压故障的节点数；巧为节点i要恢复到的电压值;K和α用于控制 延迟时间范围的参数;根据上述相邻两次无功源动作之间的时间间隔TD，获得无功源投切 的延迟时间，保障电压能够平稳和快速的恢复。
[008引实验例：
[0083] 本发明采用IEEE 30节点的算例材料对所提出的计及电动汽车充电粧的电力系统 无功电压优化控制方法进行验证，算例材料的系统图如图3所示。电网中负荷节点3、4、5、6、 7、8、9、10、11、12、14、15、16、17、18、19、20、21、24、25、26、28、29 和 30 的电压上下限约束为 [0.95，1.05]，电网中发电机节点1、2、13、22、23和27的电压上下限约束为[0.95，1.10];电 网中节点5、17和24配备有并联电容器组补偿装置，节点5和24的并联电容器数量为10,单体 补偿容量为IMvar，而节点17的并联电容数量为10,单体补偿容量为2Mvar;电网中线路6-9、 6-10、4-12和28-27之间接有有载调压变压器，分接头调节范围均为[0.9,1.1]，调节间隔为 0.025;电网中节点13和27为风电节点，风电出力的日前预测值和日内实际值如图4所示;根 据负荷类型的不同，系统分为工业区、商业区和居民区Ξ个负荷区域，各区域负荷的日前预 测值和日内实际值如图5所示。
[0084] 日前优化调度结果分析:利用本发明提出的计及电动汽车充电粧的电力系统无功 电压优化控制方法，日前优化调度后，电网中线路6-9、6-10、4-12和28-27的有载调压变压 器分接头位置调度信息如图6所示；日前优化调度后，电网中节点5、17和24的并联电容器组 投切数量的信息如图7所示。
[0085] 日前优化修正结果分析：日内优化修正后，电网中节点23的电动汽车充电粧无功 出力及其上下限范围在一天中的分布情况如图8所示，电动汽车充电粧产生的无功功率参 与到系统的优化运行中，而在17:00-20:00时段内，由于受到最大无功响应能力的限制，此 时实际无功出力被限制在响应能力边界范围W内；利用电动汽车的无功响应能力，对日前 的无功 优化调度结果进行实时修正，进一步降低系统有功网损，在一定程度上降低的并联 电容器组的操作次数。
[0086] 日前无功优化调度、日内优化修正正常运行时不考虑电动汽车无功响应能力和日 内优化修正正常运行时考虑电动汽车无功响应能力Ξ种情况下有功网损在一天中的分布 情况如图9所示，由于风电出力和负荷的日前预测值和日内实际值存在差异，采用日前的无 功源调度方案，不考虑电动汽车的无功响应能力时，日前有功网损的估计值和实际值存在 差异;而日内优化修正利用电动汽车的无功响应能力进行无功优化修正后，能够在一定程 度上降低电网的实际运行网损，提高充电粧的利用效率，有利于电网的经济运行。
[0087] 为了说明电网在日内优化修正后的无功电压优化效果，Woo : 00、05 :00、10: 00、 15:00和20:00为例，图10给出了日内优化修正后各节点的电压值及该节点电压的上下限范 围，由于各时刻电网运行状态不同，各节点在不同时刻优化修正后的电压不同，优化修正后 各节点的电压值均在其上下限范围内，满足系统的电压稳定要求。
[0088] 为了说明日内故障运行时并联电容器组的无功电压优化控制方案，算例材料假设 15:00节点22的发电机发生故障后脱离电网;根据无功电压灵敏度大小，各并联电容器组节 点基于无功电压灵敏度的控制顺序如表1所示;根据时序递进的投切模型，并联电容器组基 于时序递进的无功源投切的延迟时间如表2所示。
[0089] 为了说明日内故障运行时并联电容器组的无功电压优化控制方案，图11给出了采 用获得的控制方案顺序和反顺序后的控制效果对比图，可W看出，采用该顺序后，各节点的 电压能够较快的恢复到其上下限要求范围内。
[0090] 表1故障后并联电容器组节点基于无功电压灵敏度的控制顺序
[0091]
[0092] 表2故障后并联电容器组基于时序递进的无功源投切的延迟时间
[0093]
[0094] 综上，本发明提出的计及电动汽车充电粧的电力系统无功电压优化控制方法，其 中，日前优化调度利用并联电容器组和有载调压变压器W降低网损，为日内优化修正提供 电网中并联电容器组和变压器分接头的日前无功调度计划；日内优化修正包括日内正常运 行和日内故障运行，日内正常运行时利用电动汽车充电粧无功响应能力降低网损，日内故 障时则利用并联电容器组投切次数最少快速恢复电压;针对日内故障运行情况，提出并联 电容器组的无功电压优化控制方案，包括基于无功电压灵敏度的控制顺序和基于时序递进 的无功源投切的延迟时间。
[0095] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本 发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可W做出很多变形，运些均属于本发明的 保护之内。
【主权项】
1.一种电力系统多源无功优化控制方法，其特征在于，包括日前优化调度和日内优化 修正，其中： 步骤一：日前优化调度包括以下步骤： 步骤1-1:输入电力系统参数，至少包括输电线路特性参数、发电机日前有功调度计划、 风电有功出力预测值、负荷预测值； 步骤1-2:利用步骤1-1获得的参数构建日前优化调度模型，模型的优化目标如式（1)所 示，约束条件如式(2)所示：式(1)中，η为电网中节点的个数;Ui为节点i的电压幅值;Uj为节点j的电压幅值;G i j为节 点i和j之间的电导；Gij为节点i和j之间电压的相角差；式⑵中，Pi,g和Qi,8分别为电网中节点i发电机发出的有功和无功功率;Pi,1和Qi,1分别 为电网中节点i负荷消耗的有功和无功功率；口_和的#分别为电网中节点i电压的上下限 范围；和?Γ分别为电网中节点i发电机无功出力的上下限范围；和CS _为电网 中节点i并联电容器组投入数量的上下限范围；14?1^1、:7叫广1和1^_ !分别为电网中节点1 变压器分接头档位h及其上下限范围； 步骤1-3:利用步骤1-2建立的日前优化调度模型获得电网中并联电容器组和变压器分 接头日前无功调度计划，为日内优化修正提供电网中并联电容器组和变压器分接头的日前 无功调度计划； 步骤二：日内优化修正包括以下步骤： 步骤2-1:利用步骤1-3获得的日前无功调度计划实时更新电网中并联电容器组和变压 器分接头的调度信息； 步骤2-2:进行电力系统实时潮流计算，获取各节点的电压值，判断电网中节点电压是 否发生越限，如果不发生，则进行步骤2-3;如果发生，则进行步骤2-6; 步骤2-3:建立日内正常运行的优化模型，其中，优化目标如式(3)所示，约束条件如式 (4)所示：式(4)中，Qi, ev.分别为电网中节点i电动汽车充电粧提供的无功及其上下限 范围； 步骤2-4:利用步骤2-3建立的日内正常运行的优化模型获取电动汽车充电粧日内正常 运行的实时优化调度方案，对电动汽车充电粧的无功出力进行调节，从而实现对电力系统 日内无功调节的优化修正，返回步骤2-2,直到实现当日无功源的优化调控； 步骤2-6:建立日内故障运行的优化模型，其中，优化目标如式(5)所示，约束条件如式 (6)所示：式(5)中，CBi, k和CBi, k〇分别为i节点并联电容器组控制的投入数量终值k和初值k〇;步骤2-7:利用步骤2-6建立的日内故障运行的优化模型获取日内故障运行时并联电容 器组的无功电压优化控制方案，对并联电容器组进行调度控制，返回步骤2-2,直到实现当 日无功源的优化调控。2.根据权利要求1所述电力系统多源无功优化控制方法，其特征在于，步骤2-7中，所述 日内故障运行时并联电容器组的无功电压优化控制方案，包括基于无功电压灵敏度的控制 顺序和基于时序递进的无功源投切的延迟时间： 步骤一:按照以下步骤获得基于无功电压灵敏度的控制顺序： 步骤1-1:电力系统潮流方程如式(7)所示；当AP = O时，无功功率和电网中节点电压的 关系如式(8)所示;输电网中电抗远远大于电阻，P-Q解耦时，简化后，无功功率和电网中节 点电压的关系如式(9)所示，从而获取电力系统的灵敏度矩阵S:式(7)中，△ P和AQ分别为节点的不平衡有功和无功功率向量；ΔΘ和AU分别为节点的 电压相角和幅值的修正量向量;Jpe和Jpli分别为雅可比矩阵中有功功率对电压相角和幅值 的灵敏度矩阵;Jq0和Jqli分别为雅可比矩阵中无功功率对电压相角和幅值的灵敏度矩阵；式(9)中，S为系统无功功率对电压的灵敏度矩阵。 步骤1-2:根据步骤1-1中的灵敏度矩阵S，按照电网中各节点无功功率对电压的灵敏度 的大小对各节点进行排序，获得电网中各节点基于无功电压灵敏度的控制顺序； 步骤二:按照下述步骤获得基于时序递进的无功源投切的延迟时间： 步骤2-1:时序递进的投切模型如式（10)所示，获得相邻两次无功源动作之间的时间间 隔TD;式（10)中，L为电压故障的节点数；t/f为节点i要恢复到的电压值;K和α用于控制延迟 时间范围的参数； 步骤2-2:根据步骤2-1中的相邻两次无功源动作之间的时间间隔TD，获得无功源投切 的延迟时间。
【专利摘要】本发明公开了一种电力系统多源无功优化控制方法，主要包括日前优化调度和日内优化修正，所述日前优化调度是根据电力系统参数构建日前优化调度模型，并利用该模型获得电网中并联电容器组和变压器分接头日前无功调度计划，为日内优化修正提供电网中并联电容器组和变压器分接头的日前无功调度计划；所述日内优化修正是利用日前无功调度计划实时更新电网中并联电容器组和变压器分接头的调度信息；并通过所建立的日内正常运行的优化模型获得获取电动汽车充电桩日内正常运行的实时优化调度方案或根据日内故障运行的优化模型获得日内故障运行时并联电容器组的无功电压优化控制方案，最终实现当日无功源的优化调控。
【IPC分类】H02J3/50, H02J3/16
【公开号】CN105490312
【申请号】CN201510959320
【发明人】常喜强, 郭小龙, 张锋, 马晓磊, 王跃峰, 于汀, 穆云飞, 王明深
【申请人】国家电网公司, 国网新疆电力公司, 中国电力科学研究院, 天津大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月18日