基于电子电力变压器的配电网优化研究

赵德骏，原晓阳

(国电山西洁能有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

电力系统的安全稳定一直是电力部门和相关工作者工作的目标。在过去，人们关注的重点是电力电能是否供应充足，但是，随着国民经济的发展，随着国民环保和节能意识的觉醒，如何在满足目前电负荷的基础上来保证系统的安全稳定，同时实现降低网损和提高电能质量，成为了目前电力工作者的研究目标。

配电网的优化就是在满足配电网无功和电压质量的前提下，通过调节变压器的可投切电容器和可调分接头，最终实现配电网中各节点电压保持在合格水平，达到减少网损的目标。关于配电网无功的优化研究是一个多约束和多变量混合的非线性规划问题。目前，我国关于该问题的研究主要体现在以下几个方面[1]：1) 基于数学规划问题的数值优化算法研究。数学规划问题的优化方法主要有线性规划方法、非线性规划方法、动态规划方法和混合整数规划方法等。该方法的优点是收敛性好，最优解有着良好的可靠性和运行的稳定性；缺点是计算量太大，计算时间比较长。2) 基于人工智能的优化算法。人工智能采用启发式计算，有神经元网络算法、遗传算法、模糊算法等方法[2]。该方法的优点是全局搜索的能力强；缺点是收敛速度比较慢，可能产生早熟的问题。因此，如何结合两种算法的优势，快速找到一种能够得到全局最优解的方法，是配电网优化研究中所面临的一个重要问题。

1 电子电力变压器

1.1 电子电力变压器的工作原理

电子电力变压器的工作原理[3]：在输入方，将工频信号通过电子电力变换器转化成各种高频信号，这个过程称之为“升频”；升频后的高频信号通过高频隔离变压器耦合，再通过电子电力变换器还原为工频交流信号，这个过程称之为“降频”。这个过程是通过一定的控制方案来控制电子电力装置的工作方式，将波形、电压和频率转换成电能。

据电子电力变换中是否有直流环节的存在，电子电力变换的实现方式又分为两种：1) 在变换中没有直流环节的存在。在该方式中，高频变压器在输入方进行“升频”，在输出方进行“降频”；2) 在变换中有直流环节的存在。在该方式中，高频变压器在输入方和输出方都采用AC/DC/AC变换。

1.2 电子电力变压器的结构

电子电力变压器采用的是一种三级结构[4]，包括输入、中间隔离和输出三级。在输入级，有多个功能相同的模块，这些模块是串联的；在中间隔离级，是由多输入且单输出的变压器组成；在输出级，也由功能模块组成，这些功能模块与输入级的结构相同。

输入级的电网提供高电压，这些高电压被平均地分配到各个功能模块上，这些模块再将输入方输入的工频信号由交流调制为直流，然后调制为中频信号输送给中间隔离级。隔离级将接收到的中频信号经过耦合，输送到输出方，输出方再将接收的信号转为直流信号，然后再逆变为工频交流信号进行输出。

1.3 电子电力变压器的稳态模型

为确保电子电力变压器的运行稳定，在输入方采用直流电压的控制策略，在输出方采用交流电压的控制策略。

在输入方，据调制的原理，则有公式：

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(1)

输出的高压功率如下：

Ps=UsU1sinδ1/X1.

(2)

Qs=Us(Us-U1cosδ1)/X1.

(3)

解得输入方的稳态模型如下：

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(4)

在输出方，U2(输出电压)和Udc(直流电压)的关系如下：

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(5)

输出方功率如下：

(6)

Q0=U0(U2cosδ2-U0)/X2.

(7)

解得输出方的稳态模型如下：

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(8)

2 配电网的优化

2.1 配电网的优化模型

配电网的优化问题并不仅仅是一个技术方面的问题，而是关联数学、运筹学等方面的一个综合问题。配电网优化问题的难点在于优化模型的建立和优化策略的改进。

配电网的优化问题实际上是一种特殊的最优解问题，目标函数如公式(9)，公式中参数δ代表电压的越界惩罚因子。

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(9)

目标函数的约束条件有等式约束和不等式约束两个。等式约束是平衡负荷节点功率的约束条件(如公式(10))，不等式约束则分为控制变量约束(如公式(11))和状态变量约束(如公式(12))。

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(10)

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(11)

(Ci：补偿装置的投入组数；Ti：变压器档位)

Vimin≤Vi≤Vimax

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(12)

(Vi：节点i的电压)

2.2 配电网优化的步骤

配电网优化的数学模型可以有多重计算方法，但大体的计算步骤都分为以下六步。

Step1：将系统网络节点的参数、变量参数、各个约束条件等初始数据读入。

Step2：产生一组控制变量的初始值。

Step3：根据当前的控制变量对原始数据当中的相应部分作出修改，计算出各个节点的无功值、有功值和电压值。

Step4：以适应函数为依据，评价每一个个体值。

Step5：根据优化模型，形成优化后的个体。

Step6：若结果满足收敛性，则结束优化算法，输出结果；否则返回第三步，再次计算。

3 结语

电压质量的稳定与否是衡量电力系统好坏的标准之一，而电压质量的好坏又取决于整个电力系统中无功分布的合理程度[5]。无功容量若是不足，电力系统运行的电压就不足，若这时调节各个分接头都有可能造成电压失去稳定，可能发生电压的崩溃。在此背景下提出的基于电子电力变压器的配电网优化算法，可以有效控制和改善电压在稳定性方面的性能。