含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化的研究

李 超，趙志剛，王 亮，代相波

（沈陽工程學院電力學院，遼寧沈陽 110136）

近年來世界各國大力發(fā)展分布式發(fā)電（DG）技術(shù)，分布式發(fā)電的能量來源主要是太陽能和風能等可再生能源，它們對地球環(huán)境的改善具有很大的促進作用，將會成為世界能源的發(fā)展方向。我國也正大力發(fā)展并完善分布式發(fā)電的建設(shè)。在含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，需要進行無功功率控制來調(diào)節(jié)電壓質(zhì)量，大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)，將原有的單一網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺碗s的多源結(jié)構(gòu)，對配電網(wǎng)的節(jié)點電壓、線路潮流以及網(wǎng)絡損耗等均產(chǎn)生影響[1-2]。

在發(fā)展分布式發(fā)電的同時，也要保證電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，因此，要盡量使有功網(wǎng)損最小并且使電壓質(zhì)量更高。文獻[3]在風電出力出現(xiàn)波動時通過控制負荷調(diào)整電壓，但并沒有使用無功補償裝置。文獻[4]采用V/Q控制手段調(diào)整變壓器分接頭并加入并聯(lián)電容器，DG的出力情況分為零出力和滿出力兩種情況，但是出力情況單一，缺少靈活性。文獻[5]對某個時段的負荷和光伏發(fā)電的出力情況進行研究，通過一些無功補償裝置進行無功控制，調(diào)整各節(jié)點電壓值使其在期望值附近，但是只調(diào)整了補償裝置的無功，沒有與DG的無功出力相結(jié)合。

文獻[5]提出的方法一般只通過無功補償裝置或者只通過DG的無功進行調(diào)節(jié)，存在一些不足。該研究通過靜止無功補償裝置（SCV）與DG的無功出力相結(jié)合，使用改進的粒子群算法對配電網(wǎng)的無功進行調(diào)節(jié)，保證電壓在標準的范圍內(nèi)進行波動并且系統(tǒng)網(wǎng)損盡量達到最小。

1 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電一般視為在用戶側(cè)最大為幾十兆的發(fā)電機組，具有自發(fā)自用或者分散發(fā)電分散使用等特點，可以模塊化操作并且能夠起到清潔環(huán)保的作用，能夠經(jīng)濟、高效、可靠地進行發(fā)電[6]。隨著對節(jié)能和環(huán)保問題關(guān)注的增加，分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外能源電力領(lǐng)域的研究熱點，尤其是光伏發(fā)電和風力發(fā)電技術(shù)的日漸成熟，促進了分布式發(fā)電的發(fā)展。分布式發(fā)電接入大電網(wǎng)后會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，配電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和節(jié)點電壓都會發(fā)生一定的變化。因此，需要通過無功出力的調(diào)節(jié)和無功補償裝置來改善接入DG后電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

分布式發(fā)電在配電網(wǎng)系統(tǒng)中既能產(chǎn)生一定的有功功率也能產(chǎn)生一定的無功功率，并且DG也可以參與大電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)[7]。下面簡要說明一下風力發(fā)電和光伏發(fā)電參與無功調(diào)節(jié)的相關(guān)原理。

風力發(fā)電中以雙饋異步風電機組為例，此類發(fā)電機組利用交流勵磁發(fā)電，在風速一定的情況下，可以通過自我調(diào)節(jié)功能找到最合適的速度值，其轉(zhuǎn)動速度、相應速度對無功的控制具有一定的優(yōu)勢。對于光伏發(fā)電，需要通過控制逆變器來進行直流和交流之間的轉(zhuǎn)換，并且可以控制輸出電流的大小，達到控制有功和無功功率的目的，對電網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)[8]。

雖然分布式發(fā)電自身可以進行無功調(diào)節(jié)，但是，結(jié)合無功補償裝置才能更好地對電網(wǎng)的無功進行優(yōu)化，達到提高電能質(zhì)量的目的。所以，對此建立數(shù)學模型并進行優(yōu)化分析。

2 含DG的電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)學模型

含DG發(fā)電的電網(wǎng)無功優(yōu)化一般是通過控制DG發(fā)出的無功功率，對系統(tǒng)的有功損耗進行控制進而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。根據(jù)所要優(yōu)化的結(jié)果，制定相應數(shù)學模型。該模型是以網(wǎng)損最小和電壓波動最小為目標函數(shù)，以系統(tǒng)的有功、無功和節(jié)點電壓為約束條件。

2.1 目標函數(shù)

電網(wǎng)中的無功功率直接影響電網(wǎng)電壓。因此，優(yōu)化配電網(wǎng)的無功功率是提高電能質(zhì)量的重要手段。電網(wǎng)損耗的多少直接影響到電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，而且節(jié)點電壓的幅值是作為檢驗電能質(zhì)量的一個重要的標準。因此，將電網(wǎng)的網(wǎng)損最小和電網(wǎng)運行電壓與期望電壓值的偏差作為無功優(yōu)化的目標函數(shù)[8]。目標函數(shù)可以表示為

式中，Ploss為系統(tǒng)的有功網(wǎng)損；λ為節(jié)點電壓采用的懲罰系數(shù)；N為負荷的節(jié)點數(shù)目。

2.2 約束條件

約束條件一般包括系統(tǒng)節(jié)點的有功、無功以及節(jié)點電壓的約束，分為等式約束和不等式約束，約束方程為

式中，PGi、QGi分別為在節(jié)點i處電源的有功出力和無功出力；PLi、QLi分別為負荷在節(jié)點i的有功和無功的消耗；Gij、Bij分別為在節(jié)點i和j之間線路的電導、電納，并且它們電壓的相角差為θij。

3 改進的粒子群算法

3.1粒子群算法

粒子群優(yōu)化算法（PSO）是一種需要進行迭代的搜索算法，每進行一次迭代，粒子都會更新兩個極值，一個是個體極值，即個體自身經(jīng)驗的積累；另一個是全局極值，也被稱為粒子優(yōu)化值。PSO由于其計算簡單、收斂速度快，在許多優(yōu)化計算領(lǐng)域得到了廣泛應用。

設(shè)Xs為粒子s目前所在的位置；Vs為粒子s目前的飛行速度；Ps為s經(jīng)過的個體最好位置；Pg為粒子s在計算過程中群體經(jīng)過的最佳位置[9]。PSO的優(yōu)化方程為

式中，r表示粒子的第r維度；用t表示迭代的第t代；c1、c2表示粒子的加速度常數(shù)；λ1、λ2為2個相互獨立的隨機數(shù)，取值在0～1之間。

3.2 粒子群算法的改進

如果用于計算多維數(shù)和多峰值函數(shù)，該算法容易進入局部最優(yōu)解并出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，因此需要對PSO進行改進。文獻［10］中該算法通過引入自適應慣性系數(shù)和變異算子對粒子群算法進行了改進，并且取得了明顯效果。慣性權(quán)重可以控制早前速度對現(xiàn)有速度的一個沖擊，使全局搜索和局部搜索得到平衡，能夠避免該算法出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，提高了計算的精度。因此，可以在原有公式中加入慣性權(quán)重進行調(diào)節(jié)，改進后的公式如下：

式中，ω為慣性權(quán)重，它的最大和最小取值一般為0.9和0.4；kmax為計算過程的最大迭代次數(shù)；k為當前的迭代次數(shù)。

4 算例分析

本算例選取IEEE33節(jié)點進行仿真分析，可以參考在文獻[11]中的一些系統(tǒng)的節(jié)點參數(shù)和負荷參數(shù)。圖1為IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)網(wǎng)絡接線圖。

圖1 IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)接線

在原有系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下向系統(tǒng)中加入分布式電源和無功補償裝置SVC，分布式電源節(jié)點為10、17，無功補償節(jié)點為24、32。分布式電源和無功補償?shù)某隽η闆r如圖2、圖3所示。計算時將一天均勻劃分為24個時段，以便研究不同節(jié)點分布式電源和補償裝置的出力情況，并將系統(tǒng)每個時段無功出力情況和有功損耗情況用曲線表示出來。

圖2 分布式電源在系統(tǒng)第10節(jié)點出力情況

圖3 無功補償裝置在系統(tǒng)第24節(jié)點的出力情況

首先，要確定分布式電源和補償節(jié)點的節(jié)點位置；然后，采用改進后的PSO進行無功優(yōu)化計算。分布式電源DG在潮流計算時都按PQ節(jié)點進行處理，計算中的參數(shù)設(shè)置為λ=1 000，m=30，c1=c2=2，ωmax=0.9，ωmin=0.4，kmax=100。

無功優(yōu)化對系統(tǒng)節(jié)點電壓的電壓質(zhì)量有所提升，期望的輸出曲線為優(yōu)化后電壓幅值的波動小于優(yōu)化前的。系統(tǒng)無功優(yōu)化前后的系統(tǒng)節(jié)點電壓的對比情況如圖4所示。系統(tǒng)無功優(yōu)化前的節(jié)點電壓最小值為0.911 700 pu，系統(tǒng)進行無功優(yōu)化后的節(jié)點電壓最小值變?yōu)?.940 600 pu。整體的電壓波動減小，符合期望的輸出曲線情況，明顯提高了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。

圖4 IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)優(yōu)化前后節(jié)點電壓對比

對系統(tǒng)網(wǎng)損的期望曲線是優(yōu)化后的整體網(wǎng)損情況小于優(yōu)化前的。對系統(tǒng)進行無功優(yōu)化之后，24時段內(nèi)的網(wǎng)損發(fā)生了明顯變化，無功優(yōu)化前后的各個時段的網(wǎng)損曲線對比情況如圖5所示。

圖5 無功優(yōu)化前后的各個時段的網(wǎng)損曲線對比

由圖5可知，優(yōu)化后的有功損耗比優(yōu)化前的整體有所下降，優(yōu)化前有功網(wǎng)損的最大值和最小值分別為428 kW和206 kW，優(yōu)化后的有功網(wǎng)損的最大值和最小值分別為315 kW和128 kW。通過曲線比較圖可以看出，系統(tǒng)加入DG和無功補償裝置后，利用改進的PSO對電網(wǎng)進行無功優(yōu)化能夠起到顯著的降低網(wǎng)損的效果，滿足了期望輸出的曲線值，為分布式電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和安全穩(wěn)定發(fā)展提供了保障。

5結(jié) 語

通過改進的PSO對含有分布式電源的配電網(wǎng)做無功優(yōu)化處理，使DG和無功補償裝置相結(jié)合，選取IEEE33系統(tǒng)節(jié)點進行仿真計算。以配電網(wǎng)中有功網(wǎng)損最小和節(jié)點電壓偏差最小為目標，建立用于優(yōu)化含DG系統(tǒng)無功的數(shù)學模型，通過MATLAB進行算例仿真，得出相應的對比結(jié)果。從電網(wǎng)有功損耗和節(jié)點電壓幅值兩方面分析，優(yōu)化后比優(yōu)化前都有明顯的改善，節(jié)點電壓幅值在優(yōu)化后整體明顯提高，有功損耗在優(yōu)化后整體明顯下降，達到了減少網(wǎng)損和提高電能質(zhì)量的目的。通過改進后的PSO對含有分布式電源的電網(wǎng)進行無功優(yōu)化，這對電力系統(tǒng)的安全可靠性的提高和經(jīng)濟效益的增長具有重要意義。