風光儲聯合發電系統主動配電網多時段動態無功優化研究

內蒙古龍源新能源發展有限公司 王 浩

風光儲聯合發電系統是風能、太陽能綜合利用的結果，所形成的分布式電源是主動配電網的關鍵組件。受到能源不確定因素的影響，電源電壓易出現畸形情況，不利于動態保持電路中的電流和電網頻率，進而帶來電能質量下降和網絡損耗增大的問題。為解決以上問題，引入主動配電網無功優化理論，充分考慮到負荷用電以及電源出力的隨機性和時序性，按照動態多時段優化形式對無功補償裝置和分布式電源出力予以協調優化，力求將節點電壓和配電網損耗降低，構建離散模型。將此模型作用于IEEE33節點系統中，將展現出控制電壓偏差和降損的突出性價值。

1 風光儲聯合發電系統數學模型構建

圖1為風光儲聯合發電系統的輻射狀配電網的基本模型結構[1]。

圖1 風光儲聯合發電系統的輻射狀配電網

1.1 儲能裝置

此類裝置是發電系統的協調結構，用PL、PG代表配電網可用出力和度和負荷用電，二者差值用表示PΔ[2]。在不同時間條件下，差值函數可表示為：PΔ（t）=PL（t）-PG（t）。儲能裝置功率約束方程為：

式中，PE.max為儲能裝置的最大充放電功率；

ηf、ηc為放電效率、充電效率；

δ 為自放電系數；E.max為最大儲能容量；

E（t）、E（t-1）為t、t-1時刻下儲能裝置的容量[3]。

1.2 風光機組

所建立的出力約束方程為：

式中，Pj.W.t、Qj.W.t和Pj.V.t、Qj.V.t分別為在t 時刻的風電、光伏發電量；

2 主動配電網多時段動態無功優化模型

2.1 配電網運行約束

支路潮流方程為：

一是節點處：

二是支路ij 處：

其中：

式中，Pj.E.t為t 時刻儲能裝置的有功出力；

Rij為t 時刻支路ij 的電阻；

Xij為t 時刻支路ij 的電抗；

Iij.t為t 時刻支路ij 的電流；

Uj.t為t 時刻支路ij 的節點j 電壓；

Pj.DG.t為系統有功功率；

Qj.DG.t為系統無功功率；

Pij.t為t 時刻支路ij 的有功功率；

Qij.t為t 時刻支路ij 的無功功率；

φ（j）為以j 為支路ij 首端節點的末端節點集合；

Ψ（j）為以j 為支路ij 末端節點與首端節點集合。

配電網運行安全約束表示為：

其中，Uj.min、Uj.max、Iij.max分別為節點電壓上限、電壓下限、支路電流限值。

主網關口約束：

其中，Ps.min、Ps.max、Qs.min、Qs.max為主網關口節點的有無功功率輸出最大、最小值。

分布式電源約束：

其中，Pj.E.max為儲能裝置的最大調節限值；

2.2 多時段動態無功優化裝置運行約束

分組投切變壓器運行約束為：

式中，T 為一天內的調度周期；

QCB.step為單組電容器的補償功率；

QcB,t為CB 在t 時刻發出的無功功率。

靜止無功補償裝置運行約束為：

其中，QSVC.min、Qsvc.max為補償下限和補償上限。

目標函數：

標準二階錐為：

旋轉二階錐為：

進行SOCP 松弛，得到：

經松弛后得到的多時段動態無功優化的目標函數以節點電壓和系統網絡損耗最小建立，具體為：

式中，UN為額定電壓；

ΔU 為系統某一運行周期的節點電壓偏差之和；

Rij為支路阻值；

Iij.t為時刻的支路電流；

Ui,t為時刻的節點電壓；

Ploss為系統某一調度周期的有功網損。

經歸一化處理后，得到的單目標優化函數為：

其中，η1、η2為權重系數，且η1=0.634、η2=0.366。

3 算例分析

3.1 參數

分析所給出的多時段動態無功優化函數是否可在主動配電網中發揮作用須設計模擬分析試驗，以IEEE33節點配電網作為分析對象，設定其具體參數見表1。

表1 節點配電網配置參數

按照SVC 接入節點3和33，CB 接入節點5和18的方式展開對比試驗，形成一天中24個時刻的總負荷用電、光伏出力和風電出力隨時間變化的曲線，展現出多時段動態無功優化效果。并設置4種不同情境，分別為：1為接入多時段動態無功優化的配電網；2為接入風光互補發電系統的配電網；3為接入風、光單獨發電系統的配電網；4為不接入分布式電源的配電網。

3.2 結果分析

得到以上4種情境的優化結果后，從降損率、節點電壓偏差、棄光、棄風和網絡損耗幾個角度進行比較，得到表2具體結果。

表2 情境比較結果

將情境4與情境3對比，發現節點電壓偏差和網損量分別降低0.9%、51.24%；將情境4與情境2對比，發現節點電壓偏差和網損量分別降低1.04%、58.67%。

可以看出，在主動配電網中電源存在將直接作用于饋線功率流動上，能夠在納入風電、光電機組后產出無功功率，一定程度上降低電壓偏差和網絡損耗。

將情境4與情境1對比，發現在節點電壓偏差和網損量方面分別降低1.09%、64.21%，數值上均超出情境2、3中的相應值。說明在引入無功優化后，系統的調壓降損性能有所提高。在尚未接入無功優化的系統中，因負荷輕無法使得光能和風能完全利用，出現棄光棄風的情況，負荷用電峰值和分布式電源峰值未在同一時刻達成。而經無功優化的系統因裝置具備的調節能力使得棄光和棄風現象不明顯，為此，降損調壓水平更優。對比優化前后的網損可得出前后電壓峰谷差分別為0.019、0.012，且在重負荷時段（07:00～21:00）表現出明顯的降損效果，說明經優化的主動配電網中電壓更平穩，波動幅度降低。

4 結語

綜上所述，本文提出多時段動態無功優化風電聯合發電系統主動配電網的具體策略，設計目標函數，并利用算例分析得到經優化后的主動配電網具備電壓平穩、降損調壓能力強的結論，證明所給出的多時段動態無功優化方法切實可行。