基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法与流程

1.本发明涉及有源配电网无功电压协调控制，特别是一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法。


背景技术：

2.近几年可再生能源发电规模不断增大，为了实现“双碳目标”，国家大力推动整县光伏。各个地区分布式光伏渗透率不断增加，但同时给配电网带来过电压和线路过载等问题。
3.为了解决光伏接入配电网引起的电压越限问题，一般的做法有三种：集中式控制、本地控制、集中控制和本地控制相结合。在本地层面，本地控制器收集公共连接点(pcc)测量值信息并根据母线电压调整分布式发电单元的无功功率，而主站系统接收来自每个本地控制器的数据，并基于此数据给出最佳调节参数的设置信息。有学者为了减小主动配电网中的损耗，基于太阳辐照度、光伏渗透率的指数和日净度指数和天气状况，提出固定的无功电压控制参数，但其未考虑可再生能源的波动性。也有学者提出了无功电压控制的优化，其重点是最小化系统损耗，但是由于无功电压控制的无功功率输出是固定的，因此，当光伏(pv)输出功率较低时，无功电压控制设备不提供足够的无功功率。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法，从而最大限度地减少配电网中的损耗，改善电压分布，并提高其他无功补偿装置的运行裕度。
5.技术方案：本发明所述的一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法，其原理为：考虑可再生能源发电的间歇性和不确定性，在此基于随机潮流计算模型来确定多分段无功电压控制策略的最优参数。通过有载调压变(oltc)和光伏、静止无功补偿器(svg)不同的响应特性，提出小时级别和分钟级别的双时间尺度的协调控制方法，即集中控制器(即每小时时间刻度)和本地控制器(即15分钟时间尺度)相互协调。中央控制器调整oltc分接头档位并在多分段无功电压控制的分段表中提供每小时时间尺度的最佳控制参数。在15分钟的时间范围内，本地控制器调节svg和分布式光伏逆变器的无功功率以响应终端母线电压。负载需求和可再生能源发电遵循正太分布和beta分布函数，分别使用蒙特卡洛方法考虑随机变化。在15分钟的时间尺度内，蒙特卡洛生成了200个样本方法，即在1小时内生成800个样本。
6.本发明所述的控制方法包括以下步骤：
7.(1)负荷及分布式光伏发电的随机性建模。
8.(2)对光伏无功电压曲线进行多分段。
9.(3)基于多分段电压-无功曲线的无功电压协调控制。
10.所述步骤(1)具体为：
11.负荷及分布式光伏发电的随机性变化分别遵循正太分布和β分布，公式(1)为正太分布函数。
[0012][0013]
其中，μ和σ分别表示平均值和标准差。
[0014][0015]
公式(2)为β分布函数，其中α和β为超参数，平均值e[x]和方差σ2由α和β之间的关系定义如下：
[0016][0017][0018]
所述步骤(2)具体为：
[0019]
传统的无功电压控制是通过光伏输出的无功和母线电压的线性关系体现的，但本专利提出的多分段无功电压控制策略将无功电压曲线分为多段，以主动补偿无功功率。虽然采用常规无功电压控制的光伏逆变器可以根据母线电压补偿无功功率，但其没有目标函数。
[0020]
为了确定多分段无功电压曲线中分段表的优化参数，在负荷和光伏发电波动范围内，不仅要满足电压在合格范围内，配电网中总的功率损耗也要达到最小。因此建立如下的优化数学模型：
[0021][0022]
约束条件：
[0023][0024]v0
(t)＝v
sub
n
tap
(t)
×vtap
(7)
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]
式(6)是表示整个配电网中损耗最小的目标函数，其中br表示线路的总个数；式
(7)表示支路j的功率损耗，表示在一小时内一个15分钟的时间间隔(第t时间)第j条支路的功率损耗，v
sub
为变电站的一次电压，标幺值设定为1.0p.u.，变电站的二次电压v0(t)通过式(8)计算得到，其中v
tap
为每个抽头对应的电压步长，n
tap
表示有载调压变的抽头位置；式(9)-式(11)表示无功电压控制设备的运行限制条件，n
tap
(t)表示有载调压变的抽头位置，和分别表示svg和光伏输出的无功功率；式(11)和式(12)分别表示光伏无功出力的下限和上限，其中表示光伏的额定容量，表示光伏的有功功率；式(13)给出了各个节点的电压限制范围，其中和vi分别表示节点i的电压上、下限。
[0032]
式(5)中的决策变量是所提出的多分段无功电压曲线中分段表中y轴上的点，x轴上的点根据安装光伏电压的概率分布所确定。
[0033][0034][0035]
其中，p1和p2确定了x轴上及的电压值。
[0036]
f(v)表示核密度估计函数，即母线电压分布。由于负荷和光伏发电量的变化，母线电压也是一个分布函数。电压vm是核密度函数的模值，所以它有一个最大概率。因此，多分段无功电压曲线与传统的无功电压曲线相比，逆变器最多包括五个点，若x轴坐标值存在于死区(v2和v3之间的电压)，则y轴坐标值被忽略。
[0037]
所有x的值都能够由式(14)和式(15)确定，对应y轴上的值qm、能够由提出的优化方法来分别确定，随着公共母线连接点(pcc)电压的变化，为了按比例注入或吸收更多的无功功率，给出y轴各个值之间的约束关系，具体公式如下：
[0038][0039]
[0040][0041]
式(18)给出了所提出的多分段无功电压曲线x轴的值和y轴的值之间的对应关系，式中每个分段都有不同的斜率，斜率的大小取决于x的值和y的值，此外，如果所选电压值存在于死区(即v2和v3之间)范围，则此时没有无功补偿。
[0042]
所述步骤(3)具体为：
[0043]
在每小时的时间尺度上，调节无功电压动作比较缓慢的装置，如有载调压变和固定电容器用于调节缓慢的电压变化，多分段电压-无功曲线分段表的最佳参数由所提出的优化方法给出。在15分钟的时间尺度内，每个光伏逆变器根据多分段无功-电压曲线的输出调节无功功率。此外，svg基于电压设定点吸收或注入无功功率。具体优化过程如下：
[0044]
(3.1)考虑到负荷变化和光伏输出的不确定性，对负荷及光伏输出功率采用随机建模方法，且负荷变化和光伏输出功率分别服从正太分布和beta分布。
[0045]
(3.2)通过对负荷和光伏输出功率的潮流分析，通过核密度函数生成和拟合出电压分布。
[0046]
(3.3)确定多分段无功-电压曲线的x轴坐标及vm的值；为了确定x轴值，光伏逆变器不补偿无功功率，如公式(14)和(15)所示，其由概率p1和p2定义，且具有最大概率的电压被定义为最值vm。
[0047]
(3.4)通过所提出的优化方法来确定多分段无功-电压曲线上y轴的坐标值(如光伏逆变器输出的无功功率)，目标函数为全网中功率损失最小，其对应的约束条件如式(7)-式(13)所示，通过这样一系列流程，每小时生成一次多分段无功-电压曲线分段表。
[0048]
(3.5)分布式能源管理系统生成多分段无功电压曲线分段表，并每个小时调节oltc分接抽头一次，然后，光伏逆变器在15分钟时间尺度内使用多分段无功电压曲线补偿
无功功率；此外，svg补偿无功功率以保持母线电压为1.0p.u.。
[0049]
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法。
[0050]
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法。
[0051]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0052]
1、本发明通过集中控制器(即每小时时间刻度)和本地控制器(即15分钟时间尺度)相互协调的方法，分别实现无功电压设备有载调压变(oltc)的小时级别和光伏及svg的15分钟级别的双时间尺度协调控制，可最大限度地减少配电网中的损耗，改善电压分布，并提高其他无功补偿装置的运行裕度。
[0053]
2、本发明有助于光伏逆变器产生或吸收更多的无功功率，从而改善了配电网络中的电压分布，也具有更强的鲁棒性。
附图说明
[0054]
图1为传统无功电压曲线和多分段无功电压曲线。
[0055]
图2为确定多段电压-无功曲线中的x值示意图。
[0056]
图3为多分段无功电压曲线。
[0057]
图4为基于多分段电压-无功曲线的无功电压协调控制原理框图。
[0058]
图5为传统方法和本专利控制方法电压控制效果的对比示意图。
[0059]
图6为两种控制方法的有载调压变档位对比示意图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0061]
一种基于多分段无功电压曲线的光伏逆变器无功电压控制方法，包括以下步骤：
[0062]
(1)负荷及分布式光伏发电的随机性建模。
[0063]
(2)对光伏无功电压曲线进行多分段。
[0064]
(3)基于多分段电压-无功曲线的无功电压协调控制。
[0065]
所述步骤(1)具体为：
[0066]
负荷及分布式光伏发电的随机性变化分别遵循正太分布和β分布，公式(1)为正太分布函数。
[0067][0068]
其中，μ和σ分别表示平均值和标准差。
[0069][0070]
公式(2)为β分布函数，其中α和β为超参数，平均值e[x]和方差σ2由α和β之间的关系定义如下：
[0071][0072][0073]
所述步骤(2)具体为：
[0074]
如图1所示，传统的无功电压控制是通过光伏输出的无功和母线电压的线性关系体现的，但本专利提出的多分段无功电压控制策略将无功电压曲线分为多段，以主动补偿无功功率。虽然采用常规无功电压控制的光伏逆变器可以根据母线电压补偿无功功率，但其没有目标函数。
[0075]
为了确定多分段无功电压曲线中分段表的优化参数，在负荷和光伏发电波动范围内，不仅要满足电压在合格范围内，配电网中总的功率损耗也要达到最小。因此建立如下的优化数学模型：
[0076][0077]
约束条件：
[0078][0079]v0
(t)＝v
sub
n
tap
(t)
×vtap
(7)
[0080][0081][0082][0083][0084][0085][0086]
式(6)是表示整个配电网中损耗最小的目标函数，其中br表示线路的总个数；式(7)表示支路j的功率损耗，表示在一小时内一个15分钟的时间间隔(第t时间)第j条支路的功率损耗，v
sub
为变电站的一次电压，标幺值设定为1.0p.u.，变电站的二次电压v0(t)通过式(8)计算得到，其中v
tap
为每个抽头对应的电压步长，n
tap
表示有载调压变的抽头位置；式(9)-式(11)表示无功电压控制设备的运行限制条件，n
tap
(t)表示有载调压变的抽头位置，和分别表示svg和光伏输出的无功功率；式(11)和式(12)分别表示光伏无功出力的下限和上限，其中表示光伏的额定容量，表示光伏的有功功率；式(13)给出了各个节点的电压限制范围，其中和vi分别表示节点i的电压上、下限。
[0087]
式(5)中的决策变量是所提出的多分段无功电压曲线中分段表中y轴上的点，x轴上的点根据安装光伏电压的概率分布所确定。
[0088][0089][0090]
其中，p1和p2确定了x轴上及的电压值。
[0091]
如图2所示，f(v)表示核密度估计函数，即母线电压分布。由于负荷和光伏发电量的变化，母线电压也是一个分布函数。电压vm是核密度函数的模值，所以它有一个最大概率。因此，多分段无功电压曲线与传统的无功电压曲线相比，逆变器最多包括五个点，若x轴坐标值存在于死区(v2和v3之间的电压)，则y轴坐标值被忽略。
[0092]
如图3所示，所有x的值都能够由式(14)和式(15)确定，对应y轴上的值能够由提出的优化方法来分别确定，随着公共母线连接点(pcc)电压的变化，为了按比例注入或吸收更多的无功功率，给出y轴各个值之间的约束关系，具体公式如下：
[0093][0094][0095][0096]
式(18)给出了所提出的多分段无功电压曲线x轴的值和y轴的值之间的对应关系，式中每个分段都有不同的斜率，斜率的大小取决于x的值和y的值，此外，如果所选电压值存在于死区(即v2和v3之间)范围，则此时没有无功补偿。
[0097]
所述步骤(3)具体为：
[0098]
图4为基于多分段无功-电压曲线的无功电压协调控制原理框图，整体上是基于小时级别和15分钟级别的两个时间尺度的无功电压协调控制。在每小时的时间尺度上，调节无功电压动作比较缓慢的装置，如有载调压变和固定电容器用于调节缓慢的电压变化，多分段电压-无功曲线分段表(图4中所示的box)的最佳参数由所提出的优化方法给出。在15分钟的时间尺度内，每个光伏逆变器根据多分段无功-电压曲线的输出调节无功功率。此外，svg基于电压设定点吸收或注入无功功率。具体优化过程如下：
[0099]
(3.1)考虑到负荷变化和光伏输出的不确定性，对负荷及光伏输出功率采用随机建模方法，且负荷变化和光伏输出功率分别服从正太分布和beta分布。
[0100]
(3.2)通过对负荷和光伏输出功率数据的潮流分析，电压分布是通过核密度函数生成和拟合的，如上文中的图2。
[0101]
(3.3)确定多分段无功-电压曲线的x轴坐标及vm的值；为了确定x轴值，光伏逆变器不补偿无功功率，如公式(14)和(15)所示，其由概率p1和p2定义，且具有最大概率的电压被定义为最值vm。
[0102]
(3.4)通过所提出的优化方法来确定多分段无功-电压曲线上y轴的坐标值(如光伏逆变器输出的无功功率)，目标函数为全网中功率损失最小，其对应的约束条件如式(7)-式(13)所示，通过这样一系列流程，每小时生成一次多分段无功-电压曲线分段表。
[0103]
(3.5)分布式能源管理系统生成多分段无功电压曲线分段表，并每个小时调节oltc分接抽头一次，然后，光伏逆变器在15分钟时间尺度内使用多分段无功电压曲线补偿无功功率；此外，svg补偿无功功率以保持母线电压为1.0p.u.。
[0104]
本实施例以ieee33节点为测试模型，来验证本专利所提方法的有效性。变电站首端节点电压设置为1.0p.u.，oltc电压变化范围为
±
5％，并设置有20个抽头。表1给出了光伏(pv)和svg的位置及对应容量。
[0105]
表1 pv和svg的位置及对应容量
[0106] pvsvg节点位置7,9,11,13,19,21,22,25,27,306,10,26,32容量(kva)824
±
500最大有功功率p(kw)700-[0107]
式子(2)中的形状参数设置为α＝β＝6.06，每次蒙特卡洛抽样产生200个随机场景(时间长度为15分钟)，并进行潮流分析。因此，生成每15分钟时间尺度的200种电压组合。而多分段无功电压曲线分段表为每小时时间尺度，总共考虑800个采样数据来确定多分段无功电压曲线x轴的值。多分段无功电压曲线中x轴的值取决于p1和p2。本实施例中，概率p1和p2分别设置为0.8和0.5。另外，电压在与之间的概率为80％，在与之间的概率为50％。电压v1、v2、v3和v4的标幺值分别设置为0.92、0.99、1.01和1.08。
[0108]
基于panderpower库和粒子群优化算法库，以配电网中功率损失最小为目标函数，求解光伏和svg无功出力的非线性优化问题。本专利控制方法与传统控制方法对比结果如图5所示。
[0109]
分析图5和图6可知，当负荷和光伏出力发生变化时，若采用传统的线性无功电压控制方法，会出现电压越下限的问题，而采用多分段的无功电压控制曲线对有载调压变和
光伏及svg进行协调控制，可使得各个节点的电压都在允许的范围内。