卜曉坤

（電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

0 引 言

在化石能源日漸枯竭的當(dāng)今社會(huì)，新能源已經(jīng)成為了一種應(yīng)用范圍極為廣泛的能源，大量新能源并入電網(wǎng)后卻給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大的阻礙。大量的新能源并網(wǎng)電站會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的潮流分布和暫態(tài)穩(wěn)定性變差，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)原有的運(yùn)行成本增加，輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，原有的繼電保護(hù)設(shè)施難以繼續(xù)保證新能源并網(wǎng)后的系統(tǒng)性能。為改善并網(wǎng)電站涉網(wǎng)性能，需要對(duì)其進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化。通過(guò)靈活多變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證可再生能源對(duì)并網(wǎng)電站的支撐作用。優(yōu)化無(wú)功潮流，在降低網(wǎng)損、提高電能質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)多種可控資源進(jìn)行調(diào)整與控制，進(jìn)而使所有已經(jīng)并網(wǎng)的新能源能夠獲得更積極的消納路徑。文獻(xiàn)[1]在分布式電源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)之間，設(shè)計(jì)了一種具備恒功率特性的無(wú)功優(yōu)化模型，該模型可以獲得更小的計(jì)算偏差，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)均衡方法滿足多時(shí)段的無(wú)功補(bǔ)償。文獻(xiàn)[2]所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)在風(fēng)電、光伏等新能源的加入下，建立了一個(gè)新能源電站集群的無(wú)功優(yōu)化模型，該模型使用二階錐凸松弛算法和分段線性化算法，解決了電壓控制不足、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較差的問(wèn)題。本文結(jié)合上述文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種新能源并網(wǎng)電站涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化方法。

1 設(shè)計(jì)新能源并網(wǎng)電站潮流計(jì)算方法

在新能源并網(wǎng)的潮流計(jì)算中，首先需要確定不同新能源電源的等效模型。普通異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是其在工作過(guò)程中不具備勵(lì)磁設(shè)備，因此需要通過(guò)在發(fā)電機(jī)一端安裝分組電容器的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。此時(shí)其等值電路可以表示為

式中：Pm表示新能源發(fā)電機(jī)在等值電路中的發(fā)電功率；Im表示電路電流；R表示電路電阻；Up表示電源電壓；Qm表示新能源發(fā)電機(jī)在等值電路中的輸出功率；Fs表示潮流計(jì)算的轉(zhuǎn)差率；Nx表示轉(zhuǎn)子的有功出力；Nd表示轉(zhuǎn)子的無(wú)功出力。在該等值電路下，傳統(tǒng)配電網(wǎng)在無(wú)新能源時(shí)的潮流計(jì)算一般使用前推后代法。第1步需要將配電網(wǎng)的平衡節(jié)點(diǎn)初始化，此時(shí)電壓的標(biāo)幺值可以表示為1 p.u.，且電壓的迭代次數(shù)為0。第2步開(kāi)始進(jìn)行電流的前推，根據(jù)計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)電壓以及國(guó)內(nèi)功率損耗，可以結(jié)合負(fù)荷功率獲取全網(wǎng)的功率分布情況，并完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)一端的功率計(jì)算。第3步需要對(duì)回代過(guò)程進(jìn)行處理，在等值網(wǎng)絡(luò)電路上計(jì)算支路功率，結(jié)合電壓的升降過(guò)程，獲取節(jié)點(diǎn)電壓的幅值與相位。前推回代結(jié)束后，需要在第4步中檢驗(yàn)潮流計(jì)算的整個(gè)過(guò)程是否收斂，通過(guò)判斷標(biāo)準(zhǔn)確定最終數(shù)值是否小于給定值[3]。若沒(méi)有達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，則需要在迭代中循環(huán)，直至達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。在新能源的潮流計(jì)算中，需要以上述前推回代為基礎(chǔ)，新增新能源節(jié)點(diǎn)。不同的新能源類型具備不同的隨機(jī)特性，其并網(wǎng)方式均不相同，具體如表1所示。

表1的并網(wǎng)方法中，分別列舉光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、潮汐能發(fā)電以及化學(xué)電池發(fā)電5個(gè)類型的新能源并網(wǎng)方法[4]。在新增節(jié)點(diǎn)中，需要分別建立新能源的隨機(jī)特性模型，在此過(guò)程中進(jìn)行等值化處理。在不斷迭代下獲取電壓相量，并計(jì)算新能源節(jié)點(diǎn)電流的無(wú)功功率為

式中：Qm表示DC/AC逆變器作用下電流的無(wú)功功率；Qn表示同步發(fā)電機(jī)作用下電流的無(wú)功功率；uk和uk+1分別表示2個(gè)緊鄰的迭代過(guò)程的電壓。在該等值化模型下，可以得到新能源潮流計(jì)算的具體流程如圖1所示。

圖1 算法流程

圖1中，通過(guò)是否收斂判斷算法是否結(jié)束，在此過(guò)程中需要使用電壓變化量作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為

2 建立涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化模型

結(jié)合潮流計(jì)算的結(jié)果，建立涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化模型，需要首先建立新能源接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)。在考慮經(jīng)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性和電壓穩(wěn)定性的同時(shí)，依據(jù)有功功率損耗的最小值和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏差的最小值得到目標(biāo)函數(shù)為

式中：fm(x,y)表示有功功率損耗的函數(shù)值；fn(x,y)表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏差的函數(shù)值；Pi表示有功功率；Ui表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)上的電壓值；Ui'表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓參考值。在這2個(gè)目標(biāo)函數(shù)中，結(jié)合不同節(jié)點(diǎn)的電壓以及有功功率，可以得到約束條件為

式中：Qi表示無(wú)功功率；Pi-min和Pi-max表示有功功率的下界與上界；Qi-min和Qi-max表示無(wú)功功率的下界與上界；Ui-min和Ui-max則分別表示節(jié)點(diǎn)電壓的下界與上界。根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電壓，可以得到負(fù)載電壓與傳輸負(fù)載的約束條件為

式中：Vi表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電壓；Fk表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的傳輸負(fù)載；Vi-min和Vi-max分別表示負(fù)載電壓的下界與上界；Fk-max則表示傳輸負(fù)載的上界。根據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，可以對(duì)新能源并網(wǎng)電站的涉網(wǎng)性能進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，并建立一個(gè)優(yōu)化模型[5]。通過(guò)有功功率損耗和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏差，優(yōu)化并網(wǎng)電站的性能。

3 算例分析

3.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)置

在配電網(wǎng)中，無(wú)功功率的影響非常大，本實(shí)驗(yàn)對(duì)上文設(shè)計(jì)的新能源并網(wǎng)電站涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化進(jìn)行仿真分析，并設(shè)置一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。以12節(jié)點(diǎn)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 12節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)配電系統(tǒng)模型

在圖2所示的配網(wǎng)系統(tǒng)模型中，共存在12個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)10處分別存在1個(gè)新能源并網(wǎng)DG。在該系統(tǒng)內(nèi)，并網(wǎng)DG的有功功率為250 kW，無(wú)功功率的范圍為0～1 000 kvar。

3.2 2種極端條件下電網(wǎng)工作狀態(tài)

在上述系統(tǒng)模型中，設(shè)定2種極端條件。第一，線路負(fù)荷調(diào)整為最大值，此時(shí)2個(gè)新能源并網(wǎng)電源會(huì)因?yàn)楣收匣蛘咂渌蚨顺龉ぷ鳡顟B(tài)，即此時(shí)DG1和DG2的有功與無(wú)功功率均為0。第二，線路負(fù)荷調(diào)整為輕載狀態(tài)，設(shè)定10%功率輸出為額定負(fù)荷，DG1和DG2這2個(gè)新能源系統(tǒng)運(yùn)行正常，有功出力達(dá)到最大，無(wú)功出力為0。在上述2個(gè)極端條件下，繪制配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型的初始電壓曲線如圖3所示。

圖3 初始電壓曲線

通過(guò)圖3所示的仿真結(jié)果可知，在條件1中，有一些節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)11）會(huì)越過(guò)電壓下限。在條件2中，也有少部分節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)10）越過(guò)了電壓上限。

3.3 極端條件優(yōu)化后效果

使用上述方法對(duì)2種極端工況的電壓進(jìn)行優(yōu)化，可以得到優(yōu)化效果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化效果圖

如圖4所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，2個(gè)極端條件下的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓均在2道界限之間。其中，條件1經(jīng)過(guò)無(wú)功優(yōu)化后的系統(tǒng)電壓偏差之和為0.52，條件2的電壓偏差之和則為0.88，二者均滿足新能源并網(wǎng)電站對(duì)電壓質(zhì)量的需求，且本文方法很好地解決了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)越過(guò)電壓上限與下限的問(wèn)題。

3.4 算法收斂特性對(duì)比

設(shè)置粒子規(guī)模為100，最大迭代次數(shù)為700。學(xué)習(xí)因子a1和a2相同，均為0.5；粒子速度的區(qū)間為[-5，5]，慣性權(quán)重的最大值與最小值分別為0.8和0.4，分檔系數(shù)則為300。分別使用本文方法、動(dòng)態(tài)均衡凸-凹步驟法、有功與無(wú)功耦合特性方法對(duì)上述系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代優(yōu)化，可以得到適應(yīng)度函數(shù)值如圖5所示。

圖5 算法收斂特性曲線

如圖5所示，在700次迭代中，3種方法均順利完成了對(duì)算法的尋優(yōu)。其中本文方法在300次時(shí)就得到了適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)值，動(dòng)態(tài)均衡凸-凹步驟法在500次迭代時(shí)尋優(yōu)結(jié)束，有功與無(wú)功耦合特性方法則在400次時(shí)迭代結(jié)束。這3種方法的對(duì)比中，本文方法的適應(yīng)度函數(shù)值明顯優(yōu)于其他2種算法。

由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的新能源并網(wǎng)電站涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化方法能夠解決極端條件下的電壓偏差過(guò)大問(wèn)題，且在與其他2種方法的對(duì)比中，明顯性能更好。

4 結(jié) 論

電壓越限問(wèn)題一直是新能源并網(wǎng)的重難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新能源并網(wǎng)電站涉網(wǎng)性能無(wú)功優(yōu)化方法，該方法可以較好地解決極端環(huán)境下的電壓越限問(wèn)題，同時(shí)在與其他方法的對(duì)比中可知其效果更好。通過(guò)該無(wú)功優(yōu)化方法，可以將新能源并網(wǎng)的電壓偏差約束在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，該范圍內(nèi)的電網(wǎng)電能質(zhì)量已經(jīng)能夠滿足新能源的穩(wěn)定使用。在接下來(lái)的研究中，可以繼續(xù)使用本文的方法，對(duì)串聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，探究沖擊電流與串聯(lián)方式的應(yīng)用環(huán)境，并對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化。