风光储联合发电系统主动配电网多时段动态无功优化研究

内蒙古龙源新能源发展有限公司 王 浩

风光储联合发电系统是风能、太阳能综合利用的结果，所形成的分布式电源是主动配电网的关键组件。受到能源不确定因素的影响，电源电压易出现畸形情况，不利于动态保持电路中的电流和电网频率，进而带来电能质量下降和网络损耗增大的问题。为解决以上问题，引入主动配电网无功优化理论，充分考虑到负荷用电以及电源出力的随机性和时序性，按照动态多时段优化形式对无功补偿装置和分布式电源出力予以协调优化，力求将节点电压和配电网损耗降低，构建离散模型。将此模型作用于IEEE33节点系统中，将展现出控制电压偏差和降损的突出性价值。

1 风光储联合发电系统数学模型构建

图1为风光储联合发电系统的辐射状配电网的基本模型结构[1]。

图1 风光储联合发电系统的辐射状配电网

1.1 储能装置

此类装置是发电系统的协调结构，用PL、PG代表配电网可用出力和度和负荷用电，二者差值用表示PΔ[2]。在不同时间条件下，差值函数可表示为：PΔ（t）=PL（t）-PG（t）。储能装置功率约束方程为：

式中，PE.max为储能装置的最大充放电功率；

ηf、ηc为放电效率、充电效率；

δ 为自放电系数；E.max为最大储能容量；

E（t）、E（t-1）为t、t-1时刻下储能装置的容量[3]。

1.2 风光机组

所建立的出力约束方程为：

式中，Pj.W.t、Qj.W.t和Pj.V.t、Qj.V.t分别为在t 时刻的风电、光伏发电量；

2 主动配电网多时段动态无功优化模型

2.1 配电网运行约束

支路潮流方程为：

一是节点处：

二是支路ij 处：

其中：

式中，Pj.E.t为t 时刻储能装置的有功出力；

Rij为t 时刻支路ij 的电阻；

Xij为t 时刻支路ij 的电抗；

Iij.t为t 时刻支路ij 的电流；

Uj.t为t 时刻支路ij 的节点j 电压；

Pj.DG.t为系统有功功率；

Qj.DG.t为系统无功功率；

Pij.t为t 时刻支路ij 的有功功率；

Qij.t为t 时刻支路ij 的无功功率；

φ（j）为以j 为支路ij 首端节点的末端节点集合；

Ψ（j）为以j 为支路ij 末端节点与首端节点集合。

配电网运行安全约束表示为：

其中，Uj.min、Uj.max、Iij.max分别为节点电压上限、电压下限、支路电流限值。

主网关口约束：

其中，Ps.min、Ps.max、Qs.min、Qs.max为主网关口节点的有无功功率输出最大、最小值。

分布式电源约束：

其中，Pj.E.max为储能装置的最大调节限值；

2.2 多时段动态无功优化装置运行约束

分组投切变压器运行约束为：

式中，T 为一天内的调度周期；

QCB.step为单组电容器的补偿功率；

QcB,t为CB 在t 时刻发出的无功功率。

静止无功补偿装置运行约束为：

其中，QSVC.min、Qsvc.max为补偿下限和补偿上限。

目标函数：

标准二阶锥为：

旋转二阶锥为：

进行SOCP 松弛，得到：

经松弛后得到的多时段动态无功优化的目标函数以节点电压和系统网络损耗最小建立，具体为：

式中，UN为额定电压；

ΔU 为系统某一运行周期的节点电压偏差之和；

Rij为支路阻值；

Iij.t为时刻的支路电流；

Ui,t为时刻的节点电压；

Ploss为系统某一调度周期的有功网损。

经归一化处理后，得到的单目标优化函数为：

其中，η1、η2为权重系数，且η1=0.634、η2=0.366。

3 算例分析

3.1 参数

分析所给出的多时段动态无功优化函数是否可在主动配电网中发挥作用须设计模拟分析试验，以IEEE33节点配电网作为分析对象，设定其具体参数见表1。

表1 节点配电网配置参数

按照SVC 接入节点3和33，CB 接入节点5和18的方式展开对比试验，形成一天中24个时刻的总负荷用电、光伏出力和风电出力随时间变化的曲线，展现出多时段动态无功优化效果。并设置4种不同情境，分别为：1为接入多时段动态无功优化的配电网；2为接入风光互补发电系统的配电网；3为接入风、光单独发电系统的配电网；4为不接入分布式电源的配电网。

3.2 结果分析

得到以上4种情境的优化结果后，从降损率、节点电压偏差、弃光、弃风和网络损耗几个角度进行比较，得到表2具体结果。

表2 情境比较结果

将情境4与情境3对比，发现节点电压偏差和网损量分别降低0.9%、51.24%；将情境4与情境2对比，发现节点电压偏差和网损量分别降低1.04%、58.67%。

可以看出，在主动配电网中电源存在将直接作用于馈线功率流动上，能够在纳入风电、光电机组后产出无功功率，一定程度上降低电压偏差和网络损耗。

将情境4与情境1对比，发现在节点电压偏差和网损量方面分别降低1.09%、64.21%，数值上均超出情境2、3中的相应值。说明在引入无功优化后，系统的调压降损性能有所提高。在尚未接入无功优化的系统中，因负荷轻无法使得光能和风能完全利用，出现弃光弃风的情况，负荷用电峰值和分布式电源峰值未在同一时刻达成。而经无功优化的系统因装置具备的调节能力使得弃光和弃风现象不明显，为此，降损调压水平更优。对比优化前后的网损可得出前后电压峰谷差分别为0.019、0.012，且在重负荷时段（07:00～21:00）表现出明显的降损效果，说明经优化的主动配电网中电压更平稳，波动幅度降低。

4 结语

综上所述，本文提出多时段动态无功优化风电联合发电系统主动配电网的具体策略，设计目标函数，并利用算例分析得到经优化后的主动配电网具备电压平稳、降损调压能力强的结论，证明所给出的多时段动态无功优化方法切实可行。