[发明专利]考虑分布式电源无功补偿成本的电网无功优化方法

权利要求书

1.一种考虑分布式电源无功补偿成本的电网无功优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分析分布式电源的无功服务成本，收集分布式电源技术参数，建立分布式电源无功服务成本模型；

步骤2：计及节点电压约束条件、可调变压器变比约束条件，兼顾经济性与安全性建立了以运行成本最小和电压偏差最小为目标函数的电网多目标无功优化模型；

步骤3：运用非支配排序遗传算法对步骤2的无功优化模型进行求解，采用优劣解距离法在最优解集中求取分布式电源的最优无功出力；

所述步骤1建立分布式电源无功服务成本模型包括：光伏无功服务补偿成本和双馈风机无功服务补偿成本，具体计算方法包括：

1)光伏无功服务补偿成本的计算

光伏电站无功运行费用以逆变器的有功功率损耗费用为主，逆变器损耗可近似由二阶多项式函数表示：

P_L,PV(S_PV)＝l₀+l_V×S_PV+l_R×S²_PV(1)

式中：S_PV是逆变器输出的视在功率；l₀、l_V、l_R分别表示待机损耗、电压相关损耗和电流相关损耗的损耗系数,这些损耗系数可由逆变器厂商提供的逆变器效率曲线估算得到；

光伏电站日间既可发出有功又可发出无功，发出无功而增加的损耗可以由逆变器发出和不发出无功时的损耗差获得，光伏电站夜间不发出有功但会由从电网吸收无功而产生损耗：

ΔPL.PV(PPV,QPV)=PL,PV(PPV,QPV)-PL,PV(PPV,QPV=0),PPV≠0PL,PV(PPV=0,QPV),PPV=0---(2)]]>

P_PV是逆变器输出的有功功率，Q_PV是逆变器输出的无功功率；

因此对光伏电站无功服务的支付公式如下：

CPVQ(QPV)=FITPV×ΔPL,PV(PPV,QPV)---(3)]]>

式中为光伏电站无功服务费用，FIT_PV是光伏的上网电价，指每kWh可再生能源发电获得的收益；

2)双馈风机无功服务补偿成本的计算

双馈风机的无功服务运行成本以机械和电力电子器件产生的额外有功损耗为主，假设网侧变换器始终工作在单位功率因数下，因此不考虑网侧变换器的功率损耗；机侧的变换器的功率损耗函数为：

PL,Inv,rotor=a1,r+a2,r·|Sr|+a3,r|Sr|2---(4)]]>

Sr=3×U·rI·r---(5)]]>

式中：P_L,Inv,rotor为转子侧逆变器损耗；a_1,r、a_2,r、a_3,r分别为逆变器的损耗系数；S_r为转子侧的视在功率；和分别为转子侧的电压和电流；

感应电动机的损耗包括绕组的铜损和磁化损耗；

P_r＝sP_s(6)

P_elec＝P_s-P_r(7)

Ps=11-sPelec---(8)]]>

Q_s＝Q_elec(9)

式中：P_s和Q_s分别为定子侧有功和无功功率；s为转差率；P_r为转子侧有功功率；P_elec和Q_elec分别为风机的有功和无功输出；

风机输出有功功率与转差率之间的关系：

s=0.30pu≤Pelec≤0.1pu1330-43Pelec0.1pu≤Pelec≤0.4pu-0.10.4pu≤Pelec≤1pu---(10)]]>

pu为标幺值；

Ur′=(Zr′+Zm′)ZmUs+[Zm′-(Zr′+Zm′)(Zs+Zm)Zm]Is---(11)]]>

Ir′=1ZmUs-Zs+ZmZmIs---(12)]]>

Is=-Ss*3·Us=-Ps-jQs3·Us=-1(1-s)Pelec-jQelec3·Us---(13)]]>

PL,Cu=3·Rs·|Is|2+3·Rr′·|Ir′|2---(14)]]>

PL,Fe=3·Rm·|Is+Ir′|2---(15)]]>

式中：转换到定子侧的转子等效阻抗Z_r′＝R_r′+jsX_r′，R_r′为转换到定子侧的转子等效电阻，X_r′为转换到定子侧的转子等效电抗；转换到定子侧的转子励磁阻抗Z_m′＝R_m+jsX_m，R_m为励磁电阻，X_m为励磁电抗；定子侧励磁阻抗Z_m＝R_m+jX_m；定子侧阻抗Z_s＝R_s+jX_s，R_s为定子侧电阻，X_s为定子侧电抗；U_r′和I_r′分别为转换到定子侧的转子电压和电流；U_s和I_s分别为定子侧电压和电流；P_L,Cu为风机铜损；P_L,Fe为风机铁损；S^*_s为定子侧复功率，P_s为定子侧有功功率，Q_s为定子侧无功功率；

因此整个双馈机组由多发无功而产生的损耗为以上三部分的和：

P_L,WT(P_WT,Q_WT)＝P_L,Inv,rotor+P_L,Cu+P_L,Fe(16)

ΔP_L，WT(P_WT,Q_WT)＝

P_L,WT(P_WT,Q_WT)-P_L,WT(P_WT,Q_WT＝0)(17)

P_WT是双馈机组输出的有功功率，Q_WT是双馈机组输出的无功功率；

配网需支付给双馈风机的无功服务费用包括风机提供无功的运行成本，计算公式如下式所示：

CWTQ(QWT)=FITWT×ΔPL,WT(PWT,QWT)---(18)]]>

式中：为双馈风机的无功服务费用，FIT_WT是配网中的风电上网电价；

所述步骤2中的电网多目标无功优化模型包括：

目标函数1：电网运行成本最小；

运行成本包括为购买无功电量所支付的费用以及系统的网损成本，从而获得最大的综合经济效益:

minF1=ρpPloss+CPVQ(QPV)+CWTQ(QWT)---(19)]]>

式中ρ_p为有功清算价格，P_loss为配网有功损耗，为光伏电站无功服务费用，为双馈风机的无功服务费用；

目标函数2：电压偏移最小

电压偏移最小的目标函数就是将各节点的电压与理想电压值范围的偏移量总和最小化，即提高负荷节点的电压水平：

minF2=min(ΔU)=Σi=1Nψ(|Ui-Uiideal|-ΔUi)Ui---(20)]]>

ψ(x)=0x<0xx>0---(21)]]>

式中，U_i为i节点的电压，为节点i的理想电压值，ΔU_i为节点i可以接受的最大电压偏离范围，ΔU为各节点的电压与理想电压值范围的偏移量总和，中间变量N为节点总数；

约束条件：

1)潮流等式约束：

PGi-PDi=UiΣj=1nUj(Gijcosδij+Bijsinδij)QGi-QDi+QCi=UiΣj=1nUj(Gijsinδij-Bijcosδij)---(22)]]>

式中，P_Gi为节点i的有功出力，P_Di为节点i的有功负荷，Q_Gi为节点i的无功出力，Q_Di为节点i的无功负荷，Q_Ci为节点i的无功功率补偿，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij、B_ij、δ_ij为节点i、j之间的电导、电纳和相角差；

2)不等式约束：

QCmin≤QC≤QCmaxUimin≤Ui≤Uimax---(23)]]>

式中，U_imax、U_imin为节点i电压上下限，Q_Cmin、Q_Cmax为并联电容器组的无功出力上下限，Q_C为并联电容器组的无功出力；

3)光伏电池的无功出力约束：

光伏电池的无功出力极限由并网逆变器的容量决定：

QPV=±S2-P2---(24)]]>

式中，Q^PV为光伏电池在有功出力为P的情况下能够吸收和发出的最大无功功率，S为光伏电池的视在功率；

4)双馈风机的无功出力约束：

双馈风机能够吸收的最大无功功率值取决于双馈风机的定子电流极限：

QabmaxWT=(|U|IsmaxWT)2-(PWT1-s)2---(25)]]>

式中：U为双馈风机节点出口处电压，为定子电流极限值，P_WT为风机输出的有功功率，即为P_elec，s为转速差；

双馈风机能够发出的最大无功出力取决于转子电流极限：

QinmaxWT=-|U|2(Xs+Xm)|Zs+Zm|2+|U||Zm|Irmaxsinγ|Zs+Zm|---(26)]]>

式中，I_rmax为转子电流极限值，γ为功率因数角，Z_s为定子侧阻抗，Z_m为定子侧励磁阻抗，X_m为励磁电抗，X_s为定子侧电抗；

γ=cos-1(PWT|Zs+Zm|2+|U|2(Rs+Rm)(1-s)|U||Zm||Zs+Zm|Irmax)---(27)]]>

R_s为定子侧电阻，R_m为励磁电阻。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3中运用非支配排序遗传算法对步骤2的无功优化模型进行求解，具体步骤如下：

步骤301、输入网络参数、负荷预测和分布式电源出力预测参数，进行参数初始化及种群初始化；

步骤302、进行选择、交叉、变异操作，以运行成本最小和电压偏差最小为目标函数，计及节点电压约束条件、可调变压器变比约束条件，求得帕累托最优解集；

步骤303、采用TOPSIS法求得最优折衷解，选出最合适的分布式电源无功出力方案。