抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法

摘要

本发明提供抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法，具体步骤如下：首先，收集配电网网架、调节设备参数和次日各小时负荷和光伏出力预测值和预测误差；然后，以配电网总运行成本最小为目标，建立基于机会约束规划的配电网日前无功优化调度模型；进而，采用灾变遗传算法求解配电网日前无功优化调度模型并下发调度计划指令；最后，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算光伏逆变器的实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来控制逆变器的实时无功出力。本发明提出了抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法，可有效抑制光伏并网点电压波动，并提高配电网运行的经济性。

权利要求

1.抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)收集配电网网架、调节设备参数和次日各小时负荷和光伏出力预测值和预测误差；

(2)计及有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，以配电网总运行成本最小为目标，以有载调压变压器变比、分组投切电容器无功补偿量和光伏并网点电压为决策变量，建立考虑节点电压机会约束的配电网日前无功优化调度模型；具体如下：

1)模型的目标函数如下：

式中， 为t时段有功网损期望值， 和 分别为t时段有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，其中：

式中，ΔPT、ΔPC分别为变压器、电容器的单位调节代价； 分别为t时段第f台变压器抽头档位和第g台电容器投放组数；nT、nC分别为变压器和电容器的总数；

2)模型的等式约束如下：

式中，Pis和Qis分别为节点i给定的有功功率注入量和无功功率注入量；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为线路Lij的电导和电纳；δij为节点i和节点j电压相角之差；Ω为配电网所有节点集合；

3)模型的不等式约束包括控制变量不等式约束和状态变量不等式约束：控制变量包括有载调压变压器变比TK、分组投切电容器无功补偿量QC和光伏并网点电压Vpv，状态变量为配电网中各节点电压，采用机会约束规划，各不等式约束如下：式中，ΩT、ΩC分别为变压器和电容器所在节点集合；Ωpv为光伏并网节点集合；

分别为t时段第f台有载调压变压器变比的上、下限值； 分别为t时段第g台电容器组无功补偿量的上、下限值； 分别为t时段第h个光伏并网点电压的上、下限值； 分别为t时段内节点i电压的上、下限值；βv为节点电压置信水平；

Pr{·}表示事件成立的概率；

(3)采用灾变遗传算法求解配电网日前无功优化调度模型并下发相应的调度计划指令；

(4)在日中自适应趋优控制过程中，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算光伏逆变器的实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来控制逆变器的实时无功出力；具体控制方法如下：首先，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算各光伏逆变器的实时无功可调容量范围：

式中， 分别为t时刻第h个光伏并网点无功可调容量的上、下限值；Spvh为第h个光伏并网逆变器的容量； 为t时刻第h个光伏的有功出力值；

然后，按照下发的调度计划指令确定当前时刻各有载调压变压器投切档位、电容器投切组数和光伏并网点电压，将有载调压变压器高压侧节点视为平衡节点、光伏并网点视为PV节点、其他负荷节点视为PQ节点，结合采集得到的负荷有功、无功和光伏有功出力数据，通过潮流计算求解各光伏并网点无功出力目标值；最后，比较当前时刻各光伏逆变器无功可调容量与其无功出力目标值的大小关系，若无功出力目标值处于无功可调容量范围内，则将逆变器实时无功出力控制为无功出力目标值，反之，当无功出力目标值大于无功可调容量上限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可调容量上限值，当无功出力目标值小于无功可调容量下限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可调容量下限值，具体控制逻辑如下：

式中， 分别为t时刻第h个光伏逆变器实时无功出力值和目标值；通过上述比较环节可实时校正光伏并网点的无功输出量，从而实现日中时段的自适应趋优控制。

说明书

抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光伏并网点电压波动抑制技术领域，特别涉及抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法，适用于解决高渗透率光伏接入配电网引起的电压剧烈
波动问题。

背景技术

[0002] 在当今全球能源枯竭和环境污染的大背景下，分布式电源(Distributed Generation,DG)凭借成本低廉、控制灵活、清洁环保等特点得以迅猛发展，尤其是分布式光
伏(Distributed Photovoltaic,DPV)，但其发电具有间歇性和随机性，给配电网的安全稳
定运行提出了新挑战。

[0003] 基于最优潮流的集中式优化调度能够有效解决配电网中各调节手段的协调控制问题，但现阶段配电网通信滞后、自动化水平低下，且集中式优化算法求解效率无法保证，
导致调度指令难以实时下发，各控制单元难以实时响应变化的运行工况。分散式就地控制
能够有效应对DG随机出力对配电网安全稳定的不利影响，但其依赖于控制参数的整定，控
制的经济性往往无法得到保证。

[0004] 基于此，本发明提出了抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法。日前考虑有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，以配电网总运行成本最小为
目标建立考虑节点电压机会约束的配电网无功优化调度模型，有利于减少离散设备的动作
次数，降低网损和电压越限概率；日中根据负荷和光伏出力的实时波动情况，以光伏并网点
电压优化值为追踪目标自适应控制光伏逆变器的实时无功出力，有利于抑制并网点电压的
剧烈波动，并使配电网运行的经济性趋向最优状态。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于利用多时间尺度的控制方法来协调配电网中离散设备和光伏逆变器的无功调节，以抑制高渗透率光伏并网引起的剧烈电压波动，确保系统运行的安全
性和经济性。

[0006] 本发明提出抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法，包括以下步骤：

[0007] (1)收集配电网网架参数，包括网络拓扑结构、线路电阻r、线路电抗x和对地电纳b；收集配电网调节设备参数，包括有载调压变压器所在的节点集合ΩT、每台变压器额定容
量ST、等效阻抗(RT+jXT)、高压侧额定电压VHN、低压侧额定电压VLN、档位数nT和档距αT，分组
投切电容器安装节点集合ΩC、各节点电容器组数nC和单组电容器补偿容量QC0，光伏发电系
统安装节点集合Ωpv和逆变器容量Spv；收集次日各小时负荷有功、无功预测的期望值
和标准差 光伏有功出力预测的期望值 和标准差

[0008] (2)计及有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，以配电网总运行成本最小为目标，以有载调压变压器变比、分组投切电容器无功补偿量和光伏并网点电压为决策
变量，建立考虑节点电压机会约束的配电网日前无功优化调度模型；

[0009] (3)采用灾变遗传算法求解配电网日前无功优化调度模型并下发相应的调度计划指令；

[0010] (4)在日中自适应趋优控制过程中，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算逆变器的实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来
控制逆变器的实时无功出力。

[0011] 上述的抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法中，所述的计及有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价指的是将有载调压变压器和分组投切电容
器的动作情况折算为功率损耗值，具体计算如下：

[0012]

[0013]

[0014] 式中， 和 分别为t时段有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价；ΔPT、ΔPC分别为变压器、电容器的单位调节代价； 分别为t时段第f台变压器抽头档位
和第g台电容器投放组数；nT、nC分别为变压器和电容器的总数。

[0015] 上述的抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法中，所述的考虑节点电压机会约束的配电网日前无功优化调度模型指的是协调配电网中有载调压变压器、
分组投切电容器和光伏逆变器调节能力的日前无功优化调度模型，具体如下：

[0016] 1)模型的目标函数如下：

[0017]

[0018] 式中， 为t时段有功网损期望值；

[0019] 2)模型的等式约束如下：

[0020]

[0021]

[0022] 式中，Pis和Qis分别为节点i给定的有功功率注入量和无功功率注入量；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为线路Lij的电导和电纳；δij为节点i和节点j电压
相角之差；Ω为配电网所有节点集合；

[0023] 3)模型的不等式约束包括控制变量不等式约束和状态变量不等式约束：

[0024] 控制变量包括有载调压变压器变比TK、分组投切电容器无功补偿量QC和光伏并网点电压Vpv，状态变量为配电网中各节点电压，采用机会约束规划，各不等式约束如下：

[0025]

[0026]

[0027] 式中，ΩT、ΩC分别为变压器和电容器所在节点集合；Ωpv为光伏并网节点集合；分别为t时段第f台有载调压变压器变比的上、下限值； 分别为
t时段第g台电容器组无功补偿量的上、下限值； 分别为t时段第h个光伏并网
点电压的上、下限值； 分别为t时段内节点i电压的上、下限值；βv为节点电压置
信水平；Pr{·}表示事件成立的概率；

[0028] 针对节点电压机会约束是否成立的判断，可先采用基于半不变量结合Gram-Charlier级数展开的概率潮流算法求解节点电压的概率分布情况，再计算其处于合格区间
内的概率。首先，采用半不变量概率潮流算法求解得到各节点电压的k阶半不变量 然后
结合Gram-Charier级数展开计算各节点电压的概率分布函数，最后计算其处于合格区间的
概率并判断是否大于机会约束置信水平，具体计算如下：

[0029]

[0030] Pr(Vmin≤v≤Vmax)＝FV(Vmax)-FV(Vmin)

[0031] 式中， 为节点电压V标准化后随机变量 的累积分布函数；φ(·)表示标准正态分布的概率密度函数；mk表示标准化后随机变量 的第k阶半不变量。

[0032] 上述的抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法中，所述的灾变遗传算法是一种常用于求解多变量、多约束非线性规划问题的智能优化算法。

[0033] 上述的抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法中，所述的日中自适应趋优控制的“自适应”体现在光伏逆变器根据采集的负荷有功、无功和光伏有功出力
数据实时调整无功出力，并配合有载调压变压器和分组投切电容器的动作情况实时跟踪日
前优化调度计划，有助于解决因日前负荷和光伏出力预测误差模型不准确导致的日中控制
无法跟踪日前优化调度计划的问题；“趋优”体现在由于日前调度模型未考虑光伏逆变器的
容量约束，所得结果是理想最优计划，日中控制时结合负荷和光伏的实时出力数据，在逆变
器无功充裕的情况下可实时追踪理想最优计划，在逆变器无功不足的情况下控制无功出力
处于极限状态，可趋向追踪理想最优计划。

[0034] 上述的抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法中，所述的“在日中自适应趋优控制过程中，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算逆变器的
实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来控制逆变器的实时
无功出力”中逆变器的实时无功可调容量和无功出力目标值计算方法如下：

[0035] 采集t时刻第h个光伏有功出力值 结合其并网逆变器容量Spvh可计算当前时刻光伏并网逆变器无功可调容量的上、下限值 具体如下：

[0036]

[0037] 然后，按照下发的日前调度计划指令确定m时刻各有载调压变压器投切档位、电容器投切组数和光伏并网点电压，将有载调压变压器高压侧节点视为平衡节点、光伏并网点
视为PV节点、其他负荷节点视为PQ节点，结合采集得到的负荷有功、无功和光伏有功出力数
据，通过潮流计算求解当前时刻第h个光伏并网点无功出力目标值 最后，比较当前时
刻光伏并网点无功出力目标值与其逆变器无功可调容量的大小关系，若无功出力目标值处
于无功可调容量范围内，则将逆变器实时无功出力控制为无功出力目标值，反之，当无功出
力目标值大于无功可调容量上限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可调容量上限
值，当无功出力目标值小于无功可调容量下限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可
调容量下限值，具体控制逻辑如下：

[0038]

[0039] 通过上述比较环节可实时校正光伏并网点的无功输出量，实现日中自适应趋优控制。

[0040] 与现有的含光伏配电网优化运行控制方法相比，本发明有以下优点：

[0041] (1)日前无功优化调度模型考虑了节点电压机会约束，有效解决了日中控制过程由于负荷和光伏出力波动性大造成的电压越限问题；

[0042] (2)日中自适应趋优控制策略以光伏并网点电压优化值为追踪目标，能够有效抑制高渗透率光伏接入引起的并网点电压剧烈波动问题。

附图说明

[0043] 图1是抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法流程图。

[0044] 图2是改进的IEEE33节点系统拓扑结构示意图。

[0045] 图3是次日各小时负荷有功、无功和光伏有功出力预测期望值时序图。

[0046] 图4是日前无功优化调度方案的电容器组预投切安排指令示意图。

[0047] 图5是日前无功优化调度方案的变压器预投档安排指令示意图。

[0048] 图6是日前无功优化调度方案的光伏并网点电压控制计划指令示意图。

[0049] 图7是日中光伏并网点电压全天模拟曲线对比图。

具体实施方式

[0050] 以下结合附图和实例对本发明的具体实施进一步说明，但本说明的实施和保护不限于此。

[0051] 图1反映了抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法的具体流程。抑制光伏并网点电压波动的配网多时间尺度无功控制方法包括：

[0052] (1)收集配电网网架参数，包括网络拓扑结构、线路电阻r、线路电抗x和对地电纳b；收集配电网调节设备参数，包括有载调压变压器所在的节点集合ΩT、每台变压器额定容
量ST、等效阻抗(RT+jXT)、高压侧额定电压VHN、低压侧额定电压VLN、档位数nT和档距αT，分组
投切电容器安装节点集合ΩC、各节点电容器组数nC和单组电容器补偿容量QC0，光伏发电系
统安装节点集合Ωpv和逆变器容量Spv；收集次日各小时负荷有功、无功预测的期望值
和标准差 光伏有功出力预测的期望值 和标准差

[0053] (2)计及有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，以配电网总运行成本最小为目标，以有载调压变压器变比、分组投切电容器无功补偿量和光伏并网点电压为决策
变量，建立考虑节点电压机会约束的配电网日前无功优化调度模型：

[0054] 1)模型的目标函数如下：

[0055]

[0056] 式中， 为t时段有功网损期望值， 和 分别为t时段有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价，其中：

[0057]

[0058]

[0059] 式中，ΔPT、ΔPC分别为变压器、电容器的单位调节代价； 分别为t时段第f台变压器抽头档位和第g台电容器投放组数；nT、nC分别为变压器和电容器的总数；

[0060] 2)模型的等式约束如下：

[0061]

[0062]

[0063] 式中，Pis和Qis分别为节点i给定的有功功率注入量和无功功率注入量；Vi和Vj分别为节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为线路Lij的电导和电纳；δij为节点i和节点j电压
相角之差；Ω为配电网所有节点集合；

[0064] 3)模型的不等式约束包括控制变量不等式约束和状态变量不等式约束，

[0065] 其中控制变量包括有载调压变压器变比TK、分组投切电容器无功补偿量QC和光伏并网点电压Vpv，状态变量为配电网中各节点电压，采用机会约束规划，各不等式约束如下：

[0066]

[0067]

[0068] 式中，ΩT、ΩC分别为变压器和电容器所在节点集合；Ωpv为光伏并网节点集合；分别为t时段第f台有载调压变压器变比的上、下限值； 分别为
t时段第g台电容器组无功补偿量的上、下限值； 分别为t时段第h个光伏并网
点电压的上、下限值； 分别为t时段内节点i电压的上、下限值；βv为节点电压置
信水平；Pr{·}表示事件成立的概率；

[0069] 采用基于半不变量结合Gram-Charlier级数展开的概率潮流算法求解节点电压的概率分布情况，再计算其处于合格区间内的概率，据此判断节点电压机会约束是否成立。首
先，采用半不变量概率潮流算法求解得到各节点电压的k阶半不变量 然后结合Gram-
Charier级数展开计算各节点电压的概率分布函数，最后计算其处于合格区间的概率并判
断是否大于机会约束置信水平，具体计算如下：

[0070]

[0071] Pr(Vmin≤v≤Vmax)＝FV(Vmax)-FV(Vmin)

[0072] 式中， 为节点电压V标准化后随机变量 的累积分布函数；φ(·)表示标准正态分布的概率密度函数；mk表示标准化后随机变量 的第k阶半不变量；

[0073] (3)采用灾变遗传算法求解配电网日前无功优化调度模型并下发相应的调度计划指令；

[0074] (4)在日中自适应趋优控制过程中，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算逆变器的实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来
控制逆变器的实时无功出力，具体控制方法如下：

[0075] 首先，采集t时刻第h个光伏有功出力值 结合其并网逆变器容量Spvh可计算当前时刻光伏并网逆变器无功可调容量的上、下限值 具体如下：

[0076]

[0077] 然后，按照下发的日前调度计划指令确定t时刻各有载调压变压器投切档位、电容器投切组数和光伏并网点电压，将有载调压变压器高压侧节点视为平衡节点、光伏并网点
视为PV节点、其他负荷节点视为PQ节点，结合采集得到的负荷有功、无功和光伏有功出力数
据，通过潮流计算求解当前时刻第h个光伏并网点无功出力目标值 最后，比较当前时
刻各光伏并网点无功出力计划值与其逆变器无功可调容量的大小关系，若无功出力目标值
处于无功可调容量范围内，则将逆变器实时无功出力控制为无功出力目标值，反之，当无功
出力目标值大于无功可调容量上限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可调容量上限
值，当无功出力目标值小于无功可调容量下限值时，将逆变器实时无功出力控制为无功可
调容量下限值，具体控制逻辑如下：

[0078]

[0079] 通过上述比较环节可实时校正光伏并网点的无功输出量，从而实现日中时段的自适应趋优控制。

[0080] 以下是本发明的一个仿真算例，选取IEEE33节点系统进行测试，如图2所示。

[0081] (1)收集配电网网架参数，包括各线路的连接方式、各线路的电阻、电抗和电纳参数，如表1所示；

[0082] 表1IEEE33节点系统线路参数(单位：Ω)

[0083]

[0084] 收集调节设备的参数：节点0、1之间接入一台有载调压变压器，型号为SFZ9-50000/110，额定容量ST为50kVA，等效电阻(RT+jXT)为(0.0008+j0.0353)Ω，高压侧额定电
压VHN为110kV，低压侧额定电压VLN为10.5kV，档位数nT为17，档距αT为1.25％，即高压分接范
围为±8×1.25％；分组投切电容器安装节点集合ΩC为节点4、10、16、22、25、28、33，各节点
电容器组数nC均为2组，单组电容器补偿容量QC0(单位：kvar)分别为25、10、10、15、10、10、
15；光伏发电系统安装节点集合Ωpv为节点17，逆变器容量Spv为2.21MVA；次日各小时负荷
有功、无功和光伏有功出力预测时序的期望值如图3所示，负荷预测时序的标准差为其预测
期望值的8％，光伏有功出力预测时序的标准差为其预测期望值的10％；

[0085] (2)建立有载调压变压器和分组投切电容器的调节代价模型，变压器ΔPT、电容器ΔPC的单位调节代价分别为1kW/次、0.2kW/次；

[0086] 建立考虑节点电压机会约束的配电网日前无功优化调度模型，模型不等式约束的上下限取值如下：

[0087] 控制变量中，节点4、10、16、22、25、28、33上电容器组的 (单位：kvar)分别为50、20、20、30、20、20、30， 均为0；有载调压变压器抽头档位上限 为17、下限
为1；光伏并网点电压上限 为1.07、下限 为0.93；状态变量中，节点电压上限
为1.07，下限 为0.93；

[0088] (3)采用灾变遗传算法求解配电网日前无功优化调度模型。为体现本发明所提模型控制效果的有效性，表2给出了两种调度方案的控制效果对比，方案1为本发明提出的以
光伏并网点电压为决策变量的调度方案，方案2为光伏逆变器单位功率因数控制的调度方
案；

[0089] 表2无功优化调度方案的控制效果

[0090]

[0091] 分析上表数据可知，相比方案2，方案1降损幅度提高了7.2％，离散设备动作次数减少了55％，电压越限概率降至为0，说明本发明所提的考虑节点电压机会约束的配电网日
前无功优化调度模型有利于系统运行的安全性和经济性。此外，调度方案下发的计划指令
如图4～图6所示；

[0092] (4)在日中自适应趋优控制过程中，实时采集负荷有功、无功和光伏有功出力数据，计算逆变器的实时无功可调容量，通过比较无功可调容量和无功出力目标值的大小来
控制逆变器的实时无功出力。为体现本发明所提的日中自适应趋优控制的有效性，图7给出
了两种控制方案下的光伏并网点全天电压模拟曲线对比，其中方案1为本发明所提的以光
伏并网点电压优化值为追踪目标的日中自适应趋优控制，方案2为根据光伏逆变器单位功
率因数控制时优化所得调度计划的日中控制。分析图7数据，方案1下全天电压波动最大值
为0.072kV，而方案2下全天电压波动最大值高达0.434kV，相比之下，方案1改善幅度高达
83.4％，说明本发明提供的日中自适应趋优控制能够有效抑制并网点电压波动，有利于全
网电压的稳定性。

[0093] 以上所述，仅为本发明专利的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换
或改变，都属于本发明专利的保护范围。