考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹?高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制方法

毛彥偉,陳曉宇,吳佩瑩,陳佳明,鄭旭初

（1．紹興大明電力設(shè)計(jì)院，浙江紹興 321000；2．浙江優(yōu)能電力設(shè)計(jì)有限公司，浙江寧波 315000）

1 引言

最近幾年以來(lái)，配電網(wǎng)分布式電源中可再生資源滲透率以及電子設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加，如果大量的分布式電源接入配電網(wǎng)后，會(huì)導(dǎo)致接入點(diǎn)電壓持續(xù)下降，網(wǎng)損會(huì)隨著電壓的下降而增加，控制誤差也會(huì)隨之增加?，F(xiàn)階段，配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制問題已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。相關(guān)專家針對(duì)中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制技術(shù)方面展開研究，例如莊慧敏等人[1]設(shè)定網(wǎng)絡(luò)損耗為最小目標(biāo)函數(shù)，以此組建優(yōu)化模型，利用二階錐規(guī)劃算法對(duì)模型求解，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)外層控制；內(nèi)層控制以外部控制步長(zhǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行在線優(yōu)化控制，有效抑制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)。吳曉飛等人[2]分析通信網(wǎng)絡(luò)中光伏逆變器的無(wú)功電源，組建電壓區(qū)分以及主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇模型，設(shè)計(jì)上層全局優(yōu)化以及下層分區(qū)優(yōu)化的雙層協(xié)調(diào)控制策略。雖然以上方法取得了十分滿意的研究成果，但是由于沒有針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償方面的內(nèi)容展開研究，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓水平與網(wǎng)損不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用所需要的水平，控制誤差仍需大幅度降低。為了使上述問題得到有效解決，設(shè)計(jì)并提出一種考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹?高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制方法。

2 中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制

2.1 控制模型構(gòu)建

無(wú)功補(bǔ)償主要是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，采用并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)電能輸出。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，大部分通過無(wú)功補(bǔ)償方式確保系統(tǒng)的運(yùn)行[3-4]，但是這樣會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)負(fù)載經(jīng)常感覺到系統(tǒng)存在阻抗。

為了確保電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要使無(wú)功功率達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)還需要注意電網(wǎng)運(yùn)行過程中無(wú)功備用容量。以下分析無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)的作用：

(1)無(wú)功補(bǔ)償能夠穩(wěn)定電壓[5]，同時(shí)提升電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償前，電壓損耗△U為：

上式中，UN代表電力系統(tǒng)線路末端電壓值；R代表電力系統(tǒng)線路等值電阻值；X代表電力系統(tǒng)線路等值電阻；P代表電力系統(tǒng)線路末端有功負(fù)荷；Q代表電力系統(tǒng)線路末端無(wú)功負(fù)荷。由公式(1)可知，在求解出參數(shù)P、X后，能夠?qū)p耗問題轉(zhuǎn)換為有功功率或者無(wú)功功率問題，在此研究中將其設(shè)定為有功功率[6-7]。

上式中，PL、QL分別表示三相交流系統(tǒng)的有功功率與無(wú)功功率。在安裝電容之后進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，線路電壓損耗計(jì)算公式為：

上式中，QC表示無(wú)功補(bǔ)償容量。由公式(3)可知，電壓損耗的變化實(shí)質(zhì)就是通過降低無(wú)功功率完成電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償[8]。補(bǔ)償前后的電壓損耗對(duì)比值為：

從公式(4)可知，電壓損失的變化和無(wú)功補(bǔ)償量的大小是呈正相關(guān)的。

(2)提升功率因素，降低功率損耗：

采用公式(5)表示功率因數(shù)：

在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，電力負(fù)荷呈感性特性狀態(tài)，這主要是由于電壓分量高于電壓矢量造成的。為了有效解決該問題，需要提升功率因數(shù)，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償容量為QC時(shí)，功率因數(shù)的計(jì)算式如下：

對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，需要降低線路的負(fù)載損耗[9]。在配電的過程中，會(huì)出現(xiàn)電壓偏差大以及線路損耗較大等情況。為了保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定完成無(wú)功補(bǔ)償，需要優(yōu)化配電網(wǎng)無(wú)功功率，使中/高壓配電網(wǎng)的內(nèi)部功率達(dá)到均衡的狀態(tài)。

三相交流功率的計(jì)算式為：

上式中，S代表三相交流系統(tǒng)的無(wú)功功率；Pone代表三相交流系統(tǒng)的有功功率；I代表線電源。

在未進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償前，線路上的有功損耗為：

此時(shí)線路上的無(wú)功損耗△Q表示為：

在線路末端進(jìn)行容量為QC的無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，線路損耗△P＇為：

補(bǔ)償前后進(jìn)行對(duì)比，有功損耗的下降值為：

變壓器的有功損耗計(jì)算式為：

變壓器的無(wú)功損耗QT能夠表示為以下的形式：

PT和QT的后半部分為負(fù)載損耗，則補(bǔ)償之后的負(fù)載損耗可以表示為：

在配電網(wǎng)中，由于大部分線路在運(yùn)行的情況下是感性的，在只考慮電壓的條件下，需要通過潮流實(shí)現(xiàn)電壓在縱分量的損耗，具體的計(jì)算式如(16)所示：

變壓器的電壓損耗計(jì)算式為：

結(jié)合以上分析，獲取最佳無(wú)功補(bǔ)償方式。同時(shí)根據(jù)確定配電網(wǎng)無(wú)功電壓補(bǔ)償多種優(yōu)化指標(biāo)，構(gòu)建中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制模型，模型具體的表達(dá)式為：

2.2 中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制模型求解

分布式電源在接入配電系統(tǒng)后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到各種因素的影響。以實(shí)現(xiàn)最小電壓偏差為目標(biāo)，設(shè)定中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)函數(shù)為：

上式中，Vi表示節(jié)點(diǎn)電壓，VN表示節(jié)點(diǎn)平均電壓，Vilim代表節(jié)點(diǎn)電壓的期望值，即：

當(dāng)系統(tǒng)在接入電子設(shè)備以后，系統(tǒng)內(nèi)部功率波動(dòng)較為明顯。為了有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要綜合考慮狀態(tài)變量不等式約束：

聲吶分辨力是指在多目標(biāo)環(huán)境下對(duì)相鄰2個(gè)目標(biāo)的最小可分辨能力，一般按照目標(biāo)的方位、距離、速度和加速度等參數(shù)來(lái)分辨，其中距離分辨力和速度分辨力僅取決于信號(hào)的形式及其參數(shù)。在采用匹配濾波的條件下，模糊函數(shù)是與目標(biāo)距離和速度有關(guān)的信號(hào)回波通過匹配濾波器之后的輸出[2]，可用來(lái)衡量信號(hào)對(duì)具有不同距離和不同速度的2個(gè)目標(biāo)的分辨能力。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)，回波信號(hào)僅體現(xiàn)出時(shí)間延遲和衰減;當(dāng)目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移和時(shí)間上的壓縮或展寬。

在上述分析的基礎(chǔ)上，采用模擬退火粒子群算法對(duì)2．1小節(jié)所組建的模型進(jìn)行求解，具體的求解步驟如下所示：

(1)將算法中各個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行初始化處理，其中c1、c2為學(xué)習(xí)因子，Pc為算法中各個(gè)參數(shù)的交叉概率，Pm為變異概率，λ為粒子溫度冷卻系數(shù)，tmax為算法的最大迭代次數(shù)。

(2)由N個(gè)粒子隨機(jī)組成種群，同時(shí)對(duì)粒子的位置以及速度進(jìn)行初始化處理。

(3)計(jì)算粒子適應(yīng)度值，評(píng)價(jià)粒子適應(yīng)度值，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果放置于pibest中，對(duì)比不同粒子的適應(yīng)度值，將最優(yōu)適應(yīng)度值放置于pgbest中。

(4)分別計(jì)算不同的粒子的初始問題，具體的計(jì)算式如下：

(5)更新不同粒子的位置以及適應(yīng)度值。

(6)通過交叉概率對(duì)下一代種群中的粒子進(jìn)行交叉運(yùn)算，通過模擬退火思想判定是否接受新一代的粒子，對(duì)交叉計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，其中判定公式為：

(7)經(jīng)過步驟(6)進(jìn)行交叉運(yùn)算后，形成全新的粒子個(gè)體，利用變異概率進(jìn)行變異計(jì)算，結(jié)合模擬退火思想判定是否接受新一代的粒子。

(8)將公式(26)作為模擬退火算法判定過程的主要依據(jù)：

(9)當(dāng)算法沒有達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)時(shí)，進(jìn)入步驟(5)重新進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)算法達(dá)到迭代次數(shù)后，輸出優(yōu)化結(jié)果，獲取最優(yōu)中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制方案。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹?高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制方法的有效性，進(jìn)行仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在電力系統(tǒng)接入位置隨機(jī)選取15個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)定有功出力為0．1p．u，功率為1．0，初始電壓為1．0V。

(1)電壓/(V)：

利用表1給出三種不同方法的節(jié)點(diǎn)電壓變化情況。

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，所提方法在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，相比另外兩種方法，電壓水平得到明顯提升。

表1 不同方法節(jié)點(diǎn)電壓變化情況

(2)網(wǎng)損/(p．u)：

利用圖1給出三種控制方法的網(wǎng)損變化情況：

圖1 不同方法網(wǎng)損對(duì)比結(jié)果

分析圖1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與另外兩種方法相比，所提方法的網(wǎng)損明顯更低一些，主要原因是：所提方法在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償以后，有效提升高端電壓，當(dāng)電壓上升后，網(wǎng)損得到有效降低。

(3)控制誤差/(%)：

控制誤差指的是雙層配電網(wǎng)中，上、下層控制參數(shù)與雙層配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制規(guī)定參數(shù)的比值。將控制誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中控制誤差越低，則控制結(jié)果越理想；反之控制誤差越高，則控制結(jié)果較差?？刂普`差的計(jì)算公式為：

其中，Kχ表示上層配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)，Kμ表示下層配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)，Ks表示雙層配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制規(guī)定運(yùn)行參數(shù)。利用表2給出具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

表2 不同方法控制誤差對(duì)比結(jié)果

由表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在三種方法中，所提方法的控制誤差最低。當(dāng)所提方法的電壓水平得到有效提升以及網(wǎng)損得到有效降低后，促使所提方法的控制誤差得到明顯改善，能夠獲取最佳控制方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，設(shè)計(jì)并提出一種考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹?高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低控制誤差以及網(wǎng)損，提升系統(tǒng)電壓水平，有效實(shí)現(xiàn)中/高壓配電網(wǎng)雙層協(xié)調(diào)控制。