考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電網(wǎng)運(yùn)行配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法，包括：分析分布式電源的無(wú)功服務(wù)成本，收集分布式電源技術(shù)參數(shù)，建立分布式電源無(wú)功服務(wù)成本模型；計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓約束條件、可調(diào)變壓器變比約束條件，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性建立了以運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型；運(yùn)用非支配排序遺傳算法對(duì)無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，采用優(yōu)劣解距離法在最優(yōu)解集中求取分布式電源的最優(yōu)無(wú)功出力。本發(fā)明對(duì)分布式電源的無(wú)功服務(wù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，在增加運(yùn)營(yíng)商自身收益的同時(shí)，使電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度方式更加靈活，大大減小電網(wǎng)的有功網(wǎng)損和電壓偏差，有助于提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
【專利說(shuō)明】
考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電網(wǎng)運(yùn)行配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本 的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著分布式電源的快速發(fā)展，分布式電源已成為電網(wǎng)調(diào)度環(huán)節(jié)中不可或缺的角 色。在傳統(tǒng)的電力工業(yè)結(jié)構(gòu)模式下，發(fā)電商和電網(wǎng)公司有著共同的經(jīng)濟(jì)利益目標(biāo)，因此傳統(tǒng) 無(wú)功優(yōu)化模型中網(wǎng)損最小化目標(biāo)能夠滿足他們的共同利益要求，從而使傳統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化模型 具有現(xiàn)實(shí)的可行性。但是在智能電網(wǎng)架構(gòu)下，電力市場(chǎng)機(jī)制形成以后，能夠提供無(wú)功輔助服 務(wù)的分布式電源運(yùn)營(yíng)商和電網(wǎng)公司屬于不同的經(jīng)濟(jì)利益主體，具有不同的利益需求，無(wú)功 功率不再是有功功率的附屬品，而是和有功功率一樣成為可消費(fèi)的商品，需要電網(wǎng)公司向 分布式電源運(yùn)營(yíng)商支付無(wú)功服務(wù)的費(fèi)用。
[0003] 在不對(duì)分布式電源發(fā)出的無(wú)功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償時(shí)，分布式電源對(duì)電網(wǎng)提供無(wú)功支撐 不僅沒(méi)有利益，而且有時(shí)增發(fā)無(wú)功還會(huì)降低有功輸出從而影響有功收益，因此這種情況下 分布式電源運(yùn)營(yíng)商并不愿意參與到電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化中來(lái)。為了充分調(diào)動(dòng)分布式電源運(yùn)營(yíng)商 參與電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的積極性，有必要從市場(chǎng)的角度出發(fā)考慮對(duì)分布式電源運(yùn)營(yíng)商提供無(wú)功 服務(wù)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償問(wèn)題。由于分布式電源提供的無(wú)功功率不再是無(wú)償?shù)模虼穗m然分布式電 源多發(fā)無(wú)功可以減小網(wǎng)絡(luò)損耗，但是電網(wǎng)公司需要為多發(fā)的無(wú)功付費(fèi)，而且電網(wǎng)的電壓偏 移也跟無(wú)功分布情況息息相關(guān)。因此有必要研究電網(wǎng)公司在競(jìng)爭(zhēng)電力市場(chǎng)環(huán)境下，兼顧經(jīng) 濟(jì)性與安全性，購(gòu)買多種無(wú)功輔助服務(wù)的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度模型。
[0004] 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電力市場(chǎng)環(huán)境下的無(wú)功優(yōu)化研究基本分為兩類:一類是無(wú)功 輔助服務(wù)的定價(jià)研究，一類是考慮無(wú)功成本補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功優(yōu)化調(diào)度研究。關(guān)于第二類研究的 一些文獻(xiàn)側(cè)重于不同類型分布式發(fā)電機(jī)組的成本分析，然后在成本分析的基礎(chǔ)上建立電網(wǎng) 的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)模型，而忽視了優(yōu)化結(jié)果對(duì)電網(wǎng)安全性的影響。有些研究兼顧了無(wú)功 優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性和安全性，但其無(wú)功優(yōu)化模型并沒(méi)有考慮多種分布式電源的參與。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決目前電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法無(wú)法同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的問(wèn)題，本發(fā)明提 出了 一種考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1:分析分布式電源的無(wú)功服務(wù)成本，收集分布式電源技術(shù)參數(shù)，建立分布式 電源無(wú)功服務(wù)成本模型；
[0007] 步驟2:計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓約束條件、可調(diào)變壓器變比約束條件，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性 建立了以運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型；
[0008] 步驟3:運(yùn)用非支配排序遺傳算法(NSGA-II)對(duì)步驟2的無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，采 用優(yōu)劣解距離法(T0PSIS法)在最優(yōu)解集中求取分布式電源的最優(yōu)無(wú)功出力。
[0009] 所述步驟1建立分布式電源無(wú)功服務(wù)成本模型包括:光伏無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本和雙 饋風(fēng)機(jī)無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本，具體計(jì)算方法包括：
[0010] 1)光伏無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本的計(jì)算
[0011] 光伏電站無(wú)功運(yùn)行費(fèi)用以逆變器的有功功率損耗費(fèi)用為主，逆變器損耗可近似由 二階多項(xiàng)式函數(shù)表示：
[0012] Pl，pv(Spv) = lo+lvX Spv+IrX S2pv (I)
[0013] 式中：Spv是逆變器輸出的視在功率;1q、1v、1r分另U表不待機(jī)損耗、電壓相關(guān)損耗(與 電流I成比例)和電流相關(guān)損耗的損耗系數(shù)(與電流的平方I 2)，這些損耗系數(shù)可由逆變器廠 商提供的逆變器效率曲線估算得到；
[0014] 發(fā)出無(wú)功而增加的損耗可以由逆變器發(fā)出和不發(fā)出無(wú)功時(shí)的損耗差獲得：
[0015]
[0016] Ppv是逆變器輸出的有功功率，Qpv是逆變器輸出的無(wú)功功率；
[0017] 光伏電站日間既可發(fā)出有功又可發(fā)出無(wú)功，光伏電站夜間不發(fā)出有功但會(huì)由從電 網(wǎng)吸收無(wú)功而產(chǎn)牛損耗，_此對(duì)光伏電站無(wú)功服各的支付公式如下：
[0018]
(2)
[0019]式中Cff (仏,）為光伏電站無(wú)功服務(wù)費(fèi)用，F(xiàn)ITpv是光伏的上網(wǎng)電價(jià)，指每kWh可再生 能源發(fā)電獲得的收益；
[0020] 2)雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本的計(jì)算
[0021] 雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)運(yùn)行成本以機(jī)械和電力電子器件產(chǎn)生的額外有功損耗為主， 假設(shè)網(wǎng)側(cè)變換器始終工作在單位功率因數(shù)下，因此不考慮網(wǎng)側(cè)變換器的功率損耗;機(jī)側(cè)的 變換器的功率損耗函數(shù)為：
[0022]
[0023]
[0024] 式中：Pl, rotor為轉(zhuǎn)于側(cè)逆變器損耗、a3,r分別為逆變器的損耗系數(shù)；Sr 為轉(zhuǎn)子側(cè)的視在功率;和A分別為轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流；
[0025] 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗包括繞組的銅損和磁化損耗；
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 式中：PjPQs分別為定子側(cè)有功和無(wú)功功率；s為轉(zhuǎn)差率;Pr為轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率； P&。和Qa。分別為風(fēng)機(jī)的有功和無(wú)功輸出；
[0031 ]風(fēng)機(jī)輸出有功功率與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系：
[0032]
(9)
[0033] pu為標(biāo)幺值；
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 式中：轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效阻抗Z/ =R/+jsX/，R/為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子 等效電阻，X/為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效電抗;轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁阻抗2/ =Rm+ j SXm，Rm為勵(lì)磁電阻，Xm為勵(lì)磁電抗;定子側(cè)勵(lì)磁阻抗Zm = Rm+jXm ;定子側(cè)阻抗Zs = Rs+jXs，Rs 為定子側(cè)電阻，Xs為定子側(cè)電抗;U/和I/分別為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電壓和電流;仏和18分 別為定子側(cè)電壓和電流;PL,Cu為風(fēng)機(jī)銅損;Fe為風(fēng)機(jī)鐵損;為定子側(cè)復(fù)功率，匕為定子側(cè) 有功功率，Q s為定子側(cè)無(wú)功功率；
[0040] 因此整個(gè)雙饋機(jī)組由多發(fā)無(wú)功而產(chǎn)生的損耗為以上三部分的和：
[0041]
[0042]
[0043] Pwt是雙饋機(jī)組輸出的有功功率，Qwt是雙饋機(jī)組輸出的無(wú)功功率；
[0044] 配網(wǎng)需支付給雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用包括風(fēng)機(jī)提供無(wú)功的運(yùn)行成本，計(jì)算公式 如下式所示，
[0045]
[0046] 式中：為雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用，F(xiàn)ITwt是配網(wǎng)中的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)。
[0047] 所述步驟2中的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型包括：
[0048] 目標(biāo)函數(shù)1:電網(wǎng)運(yùn)行成本最??；
[0049] 運(yùn)行成本包括為購(gòu)買無(wú)功電量所支付的費(fèi)用以及系統(tǒng)的網(wǎng)損成本，從而獲得最大 的綜合0飲故於·
[0050] (18)
[0051] 式中Pp為有功清算價(jià)格，Plciss為配網(wǎng)有功損耗，為光伏電站無(wú)功服務(wù)費(fèi) 用?(0"τ)為雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用；
[0052]目標(biāo)函數(shù)2:電壓偏移最小
[0053]電壓偏移最小的目標(biāo)函數(shù)就是將各節(jié)點(diǎn)的電壓與理想電壓值范圍的偏移量總和 最小化，即提高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓水平：
[0056] 式中，Ui為i節(jié)點(diǎn)的電壓，為節(jié)點(diǎn)i的理想電壓值，Δ Ui為節(jié)點(diǎn)i可以接受的最大 電壓偏離范圍，△ U為各節(jié)點(diǎn)的電壓與理想電壓值范圍的偏移量總和，中間變量
[0054] (19)
[0055]
[0057]約束條件：
[0058] 1)潮流等式約束：
[0059]
(21)
[0060]式中，PGi為節(jié)點(diǎn)i的有功出力，PDi為節(jié)點(diǎn)i的有功負(fù)荷，QGi為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功出力，QDi 為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功負(fù)荷，Qw為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功功率補(bǔ)償，Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓，Gij JijJij 為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納和相角差；
[0061 ] 2)不等式約束：
[0062]
(22)
[0063] 式中，Uimax、Uimin為節(jié)點(diǎn)i電壓上下限，Q cmin、Qcmax為并聯(lián)電容器組的無(wú)功出力上下 限，Qc為并聯(lián)電容器組的無(wú)功出力；
[0064] 3)光伏電池的無(wú)功出力約束：
[0065]光伏電池的無(wú)功出力極限由并網(wǎng)逆變器的容量決定：
[0066]
(23)
[0067]式中，Qpv為光伏電池在有功出力為P的情況下能夠吸收和發(fā)出的最大無(wú)功功率，S 為光伏電池的視在功率；
[0068] 4)雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功出力約束：
[0069] 雙饋風(fēng)機(jī)能夠吸收的最大無(wú)功功率
取決于雙饋風(fēng)機(jī)的定子電流極限：
[0070]
(24)
[0071] 式中：U為雙饋風(fēng)機(jī)節(jié)點(diǎn)出口處電壓，/二為定子電流極限值，Pwt為風(fēng)機(jī)輸出的有功 功率，即為FW。，s為轉(zhuǎn)速差；
[0072]雙饋風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出的最大無(wú)功出力取決于轉(zhuǎn)子電流極限：
[0073]
(25)
[0074] 式中，Irmax為轉(zhuǎn)子電流極限值，γ為功率因數(shù)角，ZS為定子側(cè)阻抗，Zm為定子側(cè)勵(lì)磁 阻抗，L為蹄·由抗丄為審子個(gè)由抗，
[0075：
(26)
[0076] Rs為定子側(cè)電阻，Rm為勵(lì)磁電阻。
[0077] 所述步驟3中運(yùn)用非支配排序遺傳算法對(duì)步驟2的無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，具體步 驟如下：
[0078] 步驟301、輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)和分布式電源出力預(yù)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化 及種群初始化；
[0079] 步驟302、進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，以運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函 數(shù)，計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓約束條件、可調(diào)變壓器變比約束條件，求得帕累托最優(yōu)解集。
[0080] 步驟303、采用TOPSIS法求得最優(yōu)折衷解，選出最合適的分布式電源無(wú)功出力方 案。
[0081] 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu) 化方法，是在智能電網(wǎng)電力市場(chǎng)環(huán)境下，兼顧電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性，在分布式電源提供無(wú)功 輔助服務(wù)的前提下建立無(wú)功優(yōu)化模型，提高分布式電源運(yùn)營(yíng)商參與電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的積極 性，并改善電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0082] 圖1為求解無(wú)功優(yōu)化模型算法流程圖。
[0083]圖2為并入2個(gè)分布式電源的33節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0084]圖3為非支配排序遺傳算法得到帕累托解集示意圖。
[0085]圖4為兩種場(chǎng)景下雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功出力結(jié)果對(duì)比圖。
[0086]圖5為兩種場(chǎng)景下光伏無(wú)功出力結(jié)果對(duì)比圖。
[0087] 圖6為兩種場(chǎng)景下電壓水平對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0088] 下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施方案。
[0089] 本發(fā)明提供一種考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法，包括如下步 驟：
[0090] 步驟1:分析分布式電源的無(wú)功服務(wù)成本，收集分布式電源技術(shù)參數(shù)，建立分布式 電源無(wú)功服務(wù)成本模型；
[0091] 步驟2:計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓約束、可調(diào)變壓器變比約束等約束條件，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全 性建立了以運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型；
[0092] 步驟3:運(yùn)用非支配排序遺傳算法(NSGA-II)對(duì)步驟2的無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，采 用優(yōu)劣解距離法(T0PSIS法)在最優(yōu)解集中求取分布式電源的最優(yōu)無(wú)功出力。
[0093] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0094] 所述步驟1建立分布式電源無(wú)功服務(wù)成本模型，具體包括：
[0095] (1)光伏無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本
[0096] 光伏電站無(wú)功運(yùn)行費(fèi)用主要是逆變器的有功功率損耗費(fèi)用，逆變器損耗可近似由 二階多項(xiàng)式函數(shù)表示：
[0097] Pl，pv(Spv) = lo+lvX Spv+IrX S2pv (I)
[0098]式中：Spv是逆變器輸出的視在功率;1q、1v、1r分別表不待機(jī)損耗、電壓相關(guān)損耗(與 電流I成比例)和電流相關(guān)損耗的損耗系數(shù)(與電流的平方I2)。這些參數(shù)可由逆變器廠商提 供的逆變器效率曲線估算得到。
[0099] 由于發(fā)出無(wú)功而增加的損耗可以由逆變器發(fā)出和不發(fā)出無(wú)功時(shí)的損耗差獲得：
[0100]
[0101] 光伏電站在夜晚有功輸出為0,因此可以將光伏電站的運(yùn)行模式分為兩種：日間模 式和夜間模式。光伏電站處于日間模式時(shí)既可發(fā)出有功又可發(fā)出無(wú)功，增加的損耗為式(2) 中 Ppv#〇所對(duì)應(yīng)的損耗。光伏電站處于夜間模式時(shí)不發(fā)出有功，但是會(huì)由于從電網(wǎng)吸收無(wú)功 功率而產(chǎn)生損耗，如式(2)所示。
[0102] 因此，對(duì)光伏電站無(wú)功服務(wù)的支付公式如下：
[0103]
(28)
[0104] 式中FITpv是光伏的上網(wǎng)電價(jià)，指每kWh可再生能源發(fā)電獲得的收益?？稍偕茉吹?上網(wǎng)電價(jià)取決于很多因素，包括電廠類型和裝機(jī)容量、合同時(shí)間等。在本發(fā)明模型中采用的 是上網(wǎng)電價(jià)，功率損耗按照電能購(gòu)買價(jià)格報(bào)銷，從而反映從電網(wǎng)吸收功率的成本。式(3)中 還包含了光伏電站提供無(wú)功的運(yùn)行成本，當(dāng)光伏電站停產(chǎn)時(shí)(如處于夜晚時(shí))或者不允許向 電網(wǎng)注入無(wú)功時(shí)，對(duì)光伏電站的無(wú)功服務(wù)支付費(fèi)用則為0。
[0105] (2)雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本
[0106] 雙饋風(fēng)機(jī)的有功和無(wú)功輸出并不存在耦合關(guān)系，可各自獨(dú)立控制。雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú) 功服務(wù)運(yùn)行成本主要來(lái)源于機(jī)械和電力電子器件產(chǎn)生的額外有功損耗。假設(shè)網(wǎng)側(cè)變換器始 終工作在單位功率因數(shù)下，因此不考慮網(wǎng)側(cè)變換器的功率損耗。機(jī)側(cè)的變換器的功率損耗 函數(shù)為：
[0107]
(29)
[0108]
(30)
[0109] 式中：PL,Inv,rotor為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器損耗;ai,r、a2,r、a3,r分別為逆變器的損耗系數(shù);Sr 為轉(zhuǎn)子側(cè)的視在功率;氐和4分別為轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流。
[0110] 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗包括繞組的銅損和磁化損耗。
[0111] (31)
[0112] (32)
[0113] (33)
[0114] (34)
[0115]式中：PjPQs分別為定子側(cè)有功和無(wú)功功率；s為轉(zhuǎn)差率;Pr為轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率； P&。和Qa。分別為風(fēng)機(jī)的有功和無(wú)功輸出。
[0116] 輸出功率與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系：
[0117] (35)
[0118] PU為標(biāo)幺值；
[0119] (36)
[0120] (37)
[0121] (38)
[0122] Pl,cu = 3 · Rs · |Is|2+3 · R/ · 11/ |2 (39)
[0123] pL Fe = 3 · Rm. |IS+I/ I2 (40)
[0124] 式中：Z/ =Rr^jsX/，R/為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效電阻，X/為轉(zhuǎn)換到定子偵U的 轉(zhuǎn)子等效電抗;Zn/ = Rm+ j SXm，Rm為勵(lì)磁電阻，Xm為勵(lì)磁電抗;Zm = Rm+ j Xm; Zs = Rs+j Xs，Rs為定 子側(cè)電阻，Xs為定子側(cè)電抗;U/和I/分別為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電壓和電流;UjPI s分別為 定子側(cè)電壓和電流;PL, Cu為風(fēng)機(jī)銅損;Pla為風(fēng)機(jī)鐵損。
[0125] 因此整個(gè)雙饋機(jī)組由多發(fā)無(wú)功而產(chǎn)生的損耗為以上三部分的和：
[0126] (41)
[0127] (42)
[0128] 配網(wǎng)需支付給雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用包括風(fēng)機(jī)提供無(wú)功的運(yùn)行成本，計(jì)算公式 如下式所示：
[0129]
(43)
[0130] 式中:FIIVt是配網(wǎng)中的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)。
[0131] 所述步驟2中考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化模型的建立所涉及運(yùn) 行成本最小、電壓偏移最小的目標(biāo)函數(shù)以及一系列約束條件，以兼顧電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和 經(jīng)濟(jì)性：
[0132] 目標(biāo)函數(shù)1:電網(wǎng)運(yùn)行成本最小
[0133] 在電力市場(chǎng)化的環(huán)境下所進(jìn)行的無(wú)功優(yōu)化必須考慮無(wú)功補(bǔ)償所帶來(lái)的一系列費(fèi) 用，電網(wǎng)公司由原來(lái)所關(guān)注的系統(tǒng)網(wǎng)損最小轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合成本的最小化，所以本發(fā)明無(wú)功優(yōu) 化的第一個(gè)目標(biāo)是使電網(wǎng)公司運(yùn)行成本最小，運(yùn)行成本包括為購(gòu)買無(wú)功電量所支付的費(fèi)用 以及系統(tǒng)的網(wǎng)棉成太.從而莊潛晶女的綜合經(jīng)濟(jì)效益：
[0134]
(44)
[0135] 式中Pp為有功清算價(jià)格，Piciss為配網(wǎng)有功損耗。
[0136] 目標(biāo)函數(shù)2:電壓偏移最小
[0137] 電壓偏移最小的目標(biāo)函數(shù)就是將各節(jié)點(diǎn)的電壓與理想電壓值范圍的偏移量總和 最小化，即提高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓水平。
[0138] (45)
[0139]
[0140] 式中，Ui為i節(jié)點(diǎn)的電壓，為節(jié)點(diǎn)i的理想電壓值，Δ Ui為節(jié)點(diǎn)i可以接受的最大 電壓偏尚范圍。
[0141] 約束條件：
[0142] 1)潮流等式約束：
[0143]
(47)
[0144] 式中，Pci為節(jié)點(diǎn)i的有功出力，PDi為節(jié)點(diǎn)i的有功負(fù)荷，Qci為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功出力，Q Di 為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功負(fù)荷，Qw為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功功率補(bǔ)償，Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓，Gij JijJij 為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納和相角差；
[0145] 2)不等式約束：
[0146]
(48)
[0147] 式中，Uimax、Uimin為節(jié)點(diǎn)電壓上下限，Qcmin、Qcmax為并聯(lián)電容器組的無(wú)功出力上下 限。
[0148] 除此之外，還有光伏和雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力范圍約束。
[0149] 3)光伏電池的無(wú)功出力約束：
[0150]現(xiàn)有光伏電站一般按照單位功率因數(shù)運(yùn)行，忽略了光伏逆變器的無(wú)功出力能力。 光伏電池的無(wú)功出力極限由并網(wǎng)逆變器的容量決定：
[0151]
(49)
[0152] 式中，Qpv為光伏電池在有功出力為P的情況下能夠吸收和發(fā)出的最大無(wú)功功率。
[0153] 4)雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功出力約束：
[0154] 雙糖風(fēng)機(jī)能夠吸收的#女子功功率值取決于雙饋風(fēng)機(jī)的定子電流極限：
[0155]
(50)
[0156] 式中:U為雙饋風(fēng)機(jī)節(jié)點(diǎn)出口處電壓，CL為定子電流極限值，Pwt為風(fēng)機(jī)輸出的有功 功率，即為Pe3le3c。
[0157] 雙饋風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出的最大無(wú)功出力取決于轉(zhuǎn)子電流極限：
[0158]
[0159]
[0160]
[0161] 所述步驟3中運(yùn)用非支配排序遺傳算法(NSGA-II)求解無(wú)功優(yōu)化模型的優(yōu)化流程， 如圖1所示，具體步驟如下：
[0162] (1)輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)和分布式電源出力預(yù)測(cè)參數(shù)，參數(shù)初始化及種群初始 化。
[0163] (2)進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作，以運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì) 及節(jié)點(diǎn)電壓約束、可調(diào)變壓器變比約束等約束條件，由智能算法求得帕累托最優(yōu)解集。
[0164] (3)采用TOPSIS法求得最優(yōu)折衷解，選出最合適的分布式電源無(wú)功出力方案。
[0165] 具體算例如下：
[0166] 采用IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)作為算例，該配電系統(tǒng)共有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。參與 無(wú)功輔助服務(wù)市場(chǎng)的無(wú)功源包括風(fēng)機(jī)、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)和并聯(lián)電容器組，風(fēng)機(jī)安裝 位置為13節(jié)點(diǎn)，額定容量為2MW，光伏電站的安裝位置為31節(jié)點(diǎn)，安裝容量為IMff，并聯(lián)電容 器組安裝位置為3節(jié)點(diǎn)和26節(jié)點(diǎn)，每組額定容量為lOkvar，每個(gè)安裝位置各安裝30組。假設(shè) 分布式電源按照發(fā)多少用多少的原則進(jìn)行發(fā)電，本發(fā)明所做的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度是在有功調(diào)度 結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)現(xiàn)有國(guó)家規(guī)定，光伏上網(wǎng)價(jià)格0.92元/kW · h，風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格0.52 元/kW · h，有功清算的價(jià)格為0.44元/kW · h。
[0167] 光伏的有功損耗參數(shù)為 1q = 4· 5kW，Iv = O .00352kW/kVA，Ir = O · 0000125kW/kVA2。 雙饋風(fēng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)下表：
[0168] 表1風(fēng)機(jī)參數(shù)
[0170] 對(duì)于上述優(yōu)化模型，本發(fā)明使用MATLAB編程求解。NSGA-II算法中參數(shù)設(shè)置為:種 群數(shù)量50，最大迭代次數(shù)200，交叉率0.8，變異率0.3。
[0171] 表2給出了在考慮向分布式電源運(yùn)營(yíng)商提供無(wú)功經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償后各個(gè)時(shí)段的無(wú)功優(yōu)化 調(diào)度結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以看出，雙饋風(fēng)機(jī)以及光伏電池都向電網(wǎng)提供了較多的無(wú)功功率，為 電網(wǎng)電壓提供了支撐。
[0172] 表2含分布式電源的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

[0175] 圖3為使用NSGA-II在第21時(shí)段對(duì)本發(fā)明模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算所得到的Pareto前沿. 通過(guò)NSGA-II算法所得到的Pareto前沿分布均勻且穩(wěn)定，說(shuō)明了該算法對(duì)于求解本發(fā)明多 目標(biāo)優(yōu)化模型的可行性。Pareto前沿分布圖橫軸為計(jì)及分布式電源無(wú)功服務(wù)的電網(wǎng)的運(yùn)行 成本，縱軸為電網(wǎng)電壓偏差，隨著電網(wǎng)運(yùn)行成本的增加，電網(wǎng)的電壓偏差會(huì)逐漸減小，前沿 分布圖則為這兩個(gè)沖突的目標(biāo)函數(shù)的折衷提供了豐富的決策信息。同時(shí)也證明了本發(fā)明所 提出的成本計(jì)算方法能夠很好的描述無(wú)功輔助服務(wù)成本信息。
[0176] 為了研究不同分布式無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)結(jié)果影響，假設(shè)兩種場(chǎng)景對(duì)本發(fā)明所提模型 進(jìn)行分析：
[0177] 場(chǎng)景1:分布式電源按照恒定功率因數(shù)運(yùn)行（其中雙饋風(fēng)機(jī)功率因數(shù)范圍為土 0.95,光伏電池功率因數(shù)為1);
[0178]場(chǎng)景2:依照本發(fā)明模型，雙饋風(fēng)機(jī)以及光伏電池的無(wú)功出力在其無(wú)功出力極限范 圍內(nèi)波動(dòng)。
[0179] 同樣以有功損耗最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)上述兩種場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
[0180] 圖4和圖5分別給出了兩種場(chǎng)景下雙饋機(jī)組和光伏電池的無(wú)功出力結(jié)果對(duì)比圖。根 據(jù)圖中結(jié)果可以明顯看出將分布式電源按照無(wú)功出力極限參與無(wú)功調(diào)度時(shí)，分布式電源可 以發(fā)出更多的無(wú)功，更能有效的支撐電網(wǎng)的運(yùn)行。而且在本發(fā)明模型中還對(duì)分布式電源的 無(wú)功服務(wù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，在這種情況下分布式電源運(yùn)營(yíng)商更愿意參與到電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化 中來(lái)，從而充分利用了分布式電源的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，在增加分布式電源運(yùn)營(yíng)商自身收益的 同時(shí)，使電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化調(diào)度方式更加靈活。
[0181 ]優(yōu)化后兩個(gè)場(chǎng)景下各個(gè)目標(biāo)函數(shù)值的大小見(jiàn)表3:
[0182] 表3兩種場(chǎng)景下優(yōu)化目標(biāo)對(duì)比
[0184] 從表3可以看出，場(chǎng)景2的有功網(wǎng)損大小和電壓水平都要優(yōu)于場(chǎng)景1的優(yōu)化結(jié)果，說(shuō) 明調(diào)動(dòng)分布式電源運(yùn)營(yíng)商積極參與電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化后，可以大大減小電網(wǎng)的有功網(wǎng)損，同時(shí) 減小了電壓偏差，有助于提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
[0185] 兩種場(chǎng)景下電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓水平對(duì)比見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，場(chǎng)景2下的電 壓曲線明顯比場(chǎng)景1下的電壓曲線更平緩，各節(jié)點(diǎn)電壓基本在理想電壓附近波動(dòng)，分布更為 均勻。而場(chǎng)景1下的各節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)幅度較大，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0186] 對(duì)于表3中的第三個(gè)運(yùn)行成本目標(biāo)，雖然在場(chǎng)景2下電網(wǎng)需要向分布式電源運(yùn)營(yíng)商 多支付一部分的無(wú)功補(bǔ)償費(fèi)用，但與網(wǎng)損費(fèi)用中和后總費(fèi)用增加的并不多，因此相較于第 三個(gè)運(yùn)行成本的增加，場(chǎng)景2下在網(wǎng)損和電壓偏差方面的益處要更加突出，因此向分布式電 源運(yùn)營(yíng)商提供無(wú)功輔助服務(wù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，調(diào)動(dòng)其參與電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化是有必要且有益的。
[0187] 此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮分布式電源無(wú)功補(bǔ)償成本的電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1:分析分布式電源的無(wú)功服務(wù)成本，收集分布式電源技術(shù)參數(shù)，建立分布式電源 無(wú)功服務(wù)成本模型； 步驟2:計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓約束條件、可調(diào)變壓器變比約束條件，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性建立 了 W運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型； 步驟3:運(yùn)用非支配排序遺傳算法對(duì)步驟2的無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，采用優(yōu)劣解距離 法在最優(yōu)解集中求取分布式電源的最優(yōu)無(wú)功出力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟1建立分布式電源無(wú)功服務(wù)成本模 型包括:光伏無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本和雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本，具體計(jì)算方法包括： 1) 光伏無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本的計(jì)算 光伏電站無(wú)功運(yùn)行費(fèi)用W逆變器的有功功率損耗費(fèi)用為主，逆變器損耗可近似由二階 多項(xiàng)式函數(shù)表示：' Cl) 式中：Spv是逆變器輸出的視在功率；1o、1v、1r分別表示待機(jī)損耗、電壓相關(guān)損耗和電流 相關(guān)損耗的損耗系數(shù)，運(yùn)些損耗系數(shù)可由逆變器廠商提供的逆變器效率曲線估算得到； 發(fā)出無(wú)功而增加的損耗可W由逆變器發(fā)出和不發(fā)出無(wú)功時(shí)的損耗差獲得：(1) Ppv是逆變器輸出的有功功率，Qpv是逆變器輸出的無(wú)功功率； 光伏電站日間既可發(fā)出有功又可發(fā)出無(wú)功，光伏電站夜間不發(fā)出有功但會(huì)由從電網(wǎng)吸 收無(wú)功而產(chǎn)生損耗，因此對(duì)光伏電站無(wú)功服務(wù)的支付公式如下：饋 式中兀日yLW服分貝化I，ri IPV疋兀'LA的上網(wǎng)電價(jià)，指每kWh可再生能源 發(fā)電獲得的收益； 2) 雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功服務(wù)補(bǔ)償成本的計(jì)算 雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)運(yùn)行成本W(wǎng)機(jī)械和電力電子器件產(chǎn)生的額外有功損耗為主，假設(shè) 網(wǎng)側(cè)變換器始終工作在單位功率因數(shù)下，因此不考慮網(wǎng)側(cè)變換器的功率損耗;機(jī)側(cè)的變換 器的功率損耗函數(shù)為： PLInv'rotor = ai'r+a2'r?ISrl+a3'r|Sr|2 (3)州 式中：Pl,Inv,rotor為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器損耗;ai,r、a2,r、a3,r分別為逆變器的損耗系數(shù)；Sr為轉(zhuǎn) 子側(cè)的視在功率;(>，.和^分別為轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流； 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗包括繞組的銅損和磁化損耗； Pr = SPs (5) Pelec 二 Ps-Pr (6) 巧Qs - Qelec 式中：Ps和Qs分別為定子側(cè)有功和無(wú)功功率;S為轉(zhuǎn)差率;Pr為轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率;Pelec和 Qelec分別為風(fēng)機(jī)的有功和無(wú)功輸出； 風(fēng)機(jī)輸出有功功率與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系：掛 PU為 (10) (11) (1巧 Pl,01 = 3 ? Rs ? I Is I 2+3 ? Rr' ? Ilr' I 2 (13) Pl,F6 = 3 ? Rm* |ls+Ir' |2 (14) 式中：轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效阻抗Z/ =R/+jsX/，R/為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效電 阻，X/為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子等效電抗;轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁阻抗Zm^ =Rm+jsXm，Rm為 勵(lì)磁電阻，Xm為勵(lì)磁電抗;定子側(cè)勵(lì)磁阻抗Zm = Rm+jXm;定子側(cè)阻抗Zs = Rs+jXs，Rs為定子側(cè)電 阻，Xs為定子側(cè)電抗;U/和1/分別為轉(zhuǎn)換到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電壓和電流;Us和Is分別為定子側(cè) 電壓和電流;Pl,Cu為風(fēng)機(jī)銅損;Pl,Fe為風(fēng)機(jī)鐵損皆S為定子側(cè)復(fù)功率，Ps為定子側(cè)有功功率， Qs為定子側(cè)無(wú)功功率； 因此整個(gè)雙饋機(jī)組由多發(fā)無(wú)功而產(chǎn)生的損耗為W上=部分的和： Pl, WT(PwT , Qwt)二 Pl, Inv, rotor+PL, Cu+Pl, Fe ( 15 ) (16) Pwt是雙饋機(jī)組輸出的有功功率，Qwt是雙饋機(jī)組輸出的無(wú)功功率； 配網(wǎng)需支付給雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用包括風(fēng)機(jī)提供無(wú)功的運(yùn)行成本，計(jì)算公式如下 式所示：(17) 式中：端.胤T)為雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用，門Twt是配網(wǎng)中的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟2中的電網(wǎng)多目標(biāo)無(wú)功優(yōu)化模型包 括： 目標(biāo)函數(shù)1:電網(wǎng)運(yùn)行成本最小； 運(yùn)行成本包括為購(gòu)買無(wú)功電量所支付的費(fèi)用W及系統(tǒng)的網(wǎng)損成本，從而獲得最大的綜 合經(jīng)濟(jì)效益：(18) 式中Pp為有功清算價(jià)格，PlDSS為配網(wǎng)有功損耗，Cf,(&,)為光伏電站無(wú)功服務(wù)費(fèi)用， C島(0WI.)為雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功服務(wù)費(fèi)用； 目標(biāo)函數(shù)2:電壓偏移最小 電壓偏移最小的目標(biāo)函數(shù)就是將各節(jié)點(diǎn)的電壓與理想電壓值范圍的偏移量總和最小 化，即提高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓水平：(19) (20) 式中，Ui為i節(jié)點(diǎn)的電壓，巧為節(jié)點(diǎn)i的理想電壓值，A化為節(jié)點(diǎn)i可W接受的最大電壓 偏離范圍，A U為各節(jié)點(diǎn)的電壓與理想電壓值范圍的偏移量總和，中間變量N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)； 約束條件： 1) 潮流等式約束：(21) 式中，PGi為節(jié)點(diǎn)i的有功出力，PDi為節(jié)點(diǎn)i的有功負(fù)荷，舶i為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功出力，QDi為節(jié) 點(diǎn)i的無(wú)功負(fù)荷，Qci為節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功功率補(bǔ)償，Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓，Gij、Bij、Sij為節(jié) 點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納和相角差； 2) 不等式約束：巧巧 式中，Uimax、化min刃節(jié)點(diǎn)i電壓上M很，Qcmin、化max為并聯(lián)電容器組的無(wú)功出力上下限，Qc 為并聯(lián)電容器組的無(wú)功出力； 3) 光伏電池的無(wú)功出力約束： 光伏電池的無(wú)功出力極限由并網(wǎng)逆變器的容量決定：(23) 式中，QPV為光伏電池在有功出力為P的情況下能夠吸收和發(fā)出的最大無(wú)功功率，S為光 伏電池的視在功率； 4) 雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功出力約束： 雙饋風(fēng)機(jī)能夠吸收的最大無(wú)功功率值紹取決于雙饋風(fēng)機(jī)的定子電流極限：(24) 式中：U為雙饋風(fēng)機(jī)節(jié)點(diǎn)出口處電壓，端、_為定子電流極限值，Pwt為風(fēng)機(jī)輸出的有功功 率，即為Pelec，S為轉(zhuǎn)速差； 雙饋風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出的最大無(wú)功出力取決于轉(zhuǎn)子電流極限：(25) 式中，Irmax為轉(zhuǎn)子電流極限值，丫為功率因數(shù)角，Zs為定子側(cè)阻抗，Zm為定子側(cè)勵(lì)磁阻 抗，Xm為勵(lì)磁電抗，Xs為定子側(cè)電抗；(26) Rs為定子側(cè)電阻，Rm為勵(lì)磁電阻。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟3中運(yùn)用非支配排序遺傳算法對(duì)步 驟2的無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解，具體步驟如下： 步驟301、輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)和分布式電源出力預(yù)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化及種 群初始化； 步驟302、進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，W運(yùn)行成本最小和電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì) 及節(jié)點(diǎn)電壓約束條件、可調(diào)變壓器變比約束條件，求得帕累托最優(yōu)解集； 步驟303、采用TOPSIS法求得最優(yōu)折衷解，選出最合適的分布式電源無(wú)功出力方案。
【文檔編號(hào)】H02J3/18GK105914758SQ201610326301
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】陳奇芳, 馬世英, 張建華, 劉陽(yáng), 蒙園, 陳勇, 王丹
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué), 中國(guó)電力科學(xué)研究院