基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法与流程

本发明涉及一种三相不平衡无功电压控制方法，特别是一种基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法。

背景技术：

面向智能配电网分布式电源消纳、电能质量改善、运行优化和自愈控制要求，传统调控手段已经表现出明显不足，柔性多状态开关提供了新的解决途径。柔性多状态开关是安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率。柔性多状态开关的引入彻底改变了传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，避免了开关变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控制的实时性与快速性，通过柔性多状态开关的电压三相不平衡补偿、谐波滤除等，可以实现配电网电能质量改善，给配电网的运行带来了诸多益处。

配电网中多含有单相/两相和三相不对称负荷，并且三相线路参数不对称现象普遍存在。随着大量分布式电源的接入，配电网的三相不平衡特征日益突出，同时系统三相不平衡运行时，电压中存在大量负序分量，进而使设备的损耗增大并使设备运行于非正常状态。

但是，迄今为止，柔性多状态开关装置在配电网中的应用还较少，将多端口柔性多状态开关应用于解决有源配电网不平衡无功电压控制的方法未有相关报导。多数研究都只是开展了一些柔性多状态开关在配电网中的经济性分析工作，对于柔性多状态开关的建模分析、控制策略功能实现等方面还有待开展深入研究。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法，将多端口柔性多状态开关应用到配电网中，增强开关的实用性，在控制方法中，目标函数考虑了系统负序电压，以期利用多端口柔性多状态开关降低配电系统的负序电压和有功损耗，改善电压水平和三相不平衡问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、针对选定的配电系统，采用线性加权和法确定以配电系统各节点负序电压最小和有功损耗最小的目标函数；

步骤2、选取系统的根节点为参考节点，基于所述参考节点采用节点电压法建立三相不平衡配电网在直角坐标系下的节点功率方程；

步骤3、根据电力系统安全运行要求建立三相不平衡配电网运行约束，包括三相不平衡配电网状态变量约束和控制变量约束；

步骤4、由所述负序电压最小和有功损耗最小的目标函数、三相不平衡配电网在直角坐标系下的节点功率方程，以及三相不平衡配电网运行约束，在直角坐标系下构建三相不平衡配电网无功电压控制模型；采用分支定界结合二次约束二次规划算法对于所述三相不平衡配电网无功电压控制模型进行求解，求解结果包括系统各电压水平、柔性多状态开关有功传输值、柔性多状态开关无功补偿值以及目标函数值，根据所述求解结果实现基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制。

本发明基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法的特点也在于：采用线性加权和法确定以配电系统各节点负序电压最小和有功损耗最小的目标函数f由式(1)所表征：

ω1为系统负序电压权重，ω2为系统网络损耗权重，0≤ω1≤1，0≤ω2≤1，ω1+ω2＝1；

为仅考虑系统负序电压单一目标函数时取得的目标函数值；

为仅考虑系统网络损耗单一目标函数时取得的目标函数值；

un为系统负序电压，由式(2)所表征：

nb表示系统中所有节点的集合，以i表征节点，ei,-和fi,-分别为节点i负序电压ui,-的实部和虚部，ui,-由式(3)所表征：

和分别为节点i的a相、b相和c相电压，a＝1∠120°；

ploss为系统有功损耗，由式(4)所表征；

t和δt分别为配电网运行时系统仿真时长和仿真步长；n为系统节点数；pi(t)为在t时刻节点i中注入的有功功率之和。

本发明基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法的特点也在于：所述在t时刻节点i中注入的有功功率之和pi(t)由式(5)所表征：

在t时刻节点i中注入的无功功率之和qi(t)由式(6)所表征；

以j表征节点，节点i和节点j为不同节点；

ω(i)为节点i的相邻节点集合；

vi(t)和vj(t)分别为t时刻节点i和节点j的电压幅值；

θij(t)为t时刻节点i和节点j的相角差；

gii、bii、gij和bij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳；

pi,dg(t)和qi,dg(t)分别为t时刻节点i上分布式电源注入的有功功率和无功功率；

pi,fmss(t)和qi,fmss(t)分别为t时刻节点i上柔性多状态开关输出的有功功率和无功功率；

pi,ld(t)和qi,ld(t)分别为t时刻节点i上负荷注入的有功功率和无功功率。

本发明基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法的特点也在于：所述三相不平衡配电网状态变量约束由式(7)、式(8)和式(9)所表征：

vimin≤vi(t)≤vimax(8)

vimax和vimin分别为节点i电压幅值的上限和下限；

iij(t)为t时刻支路ij的电流幅值；

iijmax和iijmin分别为支路ij的电流幅值的上限和下限；

所述的三相不平衡配电网控制变量约束由式(10)、式(11)和式(12)所表征：

qi,dg,min≤qi,dg≤qi,dg,max(10)

以ωdg表征接入分布式电源的节点集合，i∈ωdg；

以ωfmss表征接入多端口柔性多状态开关的节点集合，k∈ωfmss；

n表示柔性多状态开关的端口数；pkn(t)和qkn(t)分别为t时刻第k个柔性多状态开关的n个变流器的输出有功功率和无功功率；sknmax为第k个柔性多状态开关的n个变流器的接入容量上限。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将多端口柔性多状态开关应用到配电网中，建立了考虑系统负序电压和有功损耗的三相不平衡无功电压控制方法，可以实现柔性多状态开关补偿装置与分布式电源之间的协调控制；

2、本发明考虑系统负序电压和有功损耗的三相不平衡无功电压控制方法，实现在降低三相不平衡配电网系统有功损耗的同时减小系统的负序电压，改善配电系统的三相不平衡问题，提高配电网消纳分布式电源的能力，给配电网的运行调节带来诸多益处。

附图说明

图1是多端口柔性多状态开关实际运行结构图；

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法按照如下步骤进行：

步骤1、针对选定的配电系统，采用线性加权和法确定以配电系统各节点负序电压最小和有功损耗最小的目标函数，线性加权和法是一种评价函数方法，是按各目标的重要性赋予相应的权系数，然后对其线性组合进行寻优的求解多目标规划问题的方法；

综合考虑地区配电系统的安全性和运行经济性，目标函数f由式(1)所表征：

式(1)中：

ω1为系统负序电压权重，ω2为系统网络损耗权重，0≤ω1≤1，0≤ω2≤1，ω1+ω2＝1；

为仅考虑系统负序电压单一目标函数时取得的目标函数值；

为仅考虑系统网络损耗单一目标函数时取得的目标函数值；

un为系统负序电压，是系统中所有节点负序电压幅值的平方和，由式(2)所表征：

nb表示系统中所有节点的集合，以i表征节点，ei,-和fi,-分别为节点i负序电压ui,-的实部和虚部，ui,-由式(3)所表征：

和分别为节点i的a相、b相和c相电压，a＝1∠120°；

ploss为系统有功损耗，由式(4)所表征；

式(4)中：t和δt分别为配电网运行时系统仿真时长和仿真步长；n为系统节点数；pi(t)为在t时刻节点i中注入的有功功率之和。

步骤2、选取系统的根节点为参考节点，基于参考节点采用节点电压法建立三相不平衡配电网在直角坐标系下的节点功率方程；

在t时刻节点i中注入的有功功率之和pi(t)由式(5)所表征：

在t时刻节点i中注入的无功功率之和qi(t)由式(6)所表征：

以j表征节点，节点i和节点j为不同节点；

ω(i)为节点i的相邻节点集合；

vi(t)和vj(t)分别为t时刻节点i和节点j的电压幅值；

θij(t)为t时刻节点i和节点j的相角差；

gii、bii、gij和bij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳；

pi,dg(t)和qi,dg(t)分别为t时刻节点i上分布式电源注入的有功功率和无功功率；

pi,fmss(t)和qi,fmss(t)分别为t时刻节点i上柔性多状态开关输出的有功功率和无功功率；

pi,ld(t)和qi,ld(t)分别为t时刻节点i上负荷注入的有功功率和无功功率。

步骤3、根据电力系统安全运行要求建立三相不平衡配电网运行约束，包括三相不平衡配电网状态变量约束和控制变量约束；

三相不平衡配电网状态变量约束需考虑运行电压水平约束和支路电流限制，运行电压水平约束由式(7)、式(8)所表征，支路电流限制由式(9)所表征：

vimin≤vi(t)≤vimax(8)

vimax和vimin分别为节点i电压幅值的上限和下限；

iij(t)为t时刻支路ij的电流幅值；

iijmax和iijmin分别为支路ij的电流幅值的上限和下限；

根据分布式电源和柔性多状态开关调节范围，三相不平衡配电网控制变量约束由式(10)、式(11)和式(12)所表征：

qi,dg,min≤qi,dg≤qi,dg,max(10)

以ωdg表征接入分布式电源的节点集合，i∈ωdg；

以ωfmss表征接入多端口柔性多状态开关的节点集合，k∈ωfmss；

n表示柔性多状态开关的端口数；pkn(t)和qkn(t)分别为t时刻第k个柔性多状态开关的n个变流器的输出有功功率和无功功率；sknmax为第k个柔性多状态开关的n个变流器的接入容量上限。

步骤4、由负序电压最小和有功损耗最小的目标函数、三相不平衡配电网在直角坐标系下的节点功率方程，以及三相不平衡配电网运行约束，在直角坐标系下构建三相不平衡配电网无功电压控制模型；三相不平衡配电网无功电压控制模型中的目标函数和三相不平衡配电网运行约束均为二次函数或线性函数，且含有离散控制变量，采用分支定界结合二次约束二次规划算法对于三相不平衡配电网无功电压控制模型进行求解，求解结果包括系统各电压水平、柔性多状态开关有功传输值、柔性多状态开关无功补偿值以及目标函数值，根据求解结果实现基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制。

本发明基于柔性多状态开关的三相不平衡无功电压控制方法立足于改善有源配电网中的三相不平衡问题，建立以配电系统各节点负序电压最小和网络损耗最小为目标函数，采用线性加权和法建立计及系统负序电压和网络损耗的目标函数，根据节点电压法建立三相不平衡配电网在直角坐标系下的节点功率方程，根据电力系统安全运行要求建立三相不平衡配电网状态变量约束，包括运行电压水平约束，根据控制设备调节范围建立三相不平衡配电网控制变量约束。本发明采用的多端口柔性多状态开关装置能够灵活地控制有功和无功功率，因此将其应用在改善有源配电网电压水平上可以获得较好的效果。