一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法与流程

1.本发明属于配电网运行规划技术领域，涉及一种配电网电压控制方法，尤其是一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法。


背景技术：

2.智能电网(smart grid,sg)在电力系统运行和控制中起着主要作用。其职责是处理负载需求和可再生能源的不确定性。需求响应是sg应用程序之一，它为用户提供了与电网互动的途径。需求响应可以定义为用户响应电价变化而调节自身功率的行为。一些地方电网还为用户的需求响应提供激励性付款，以在某些情况下降低用户功耗，实现削峰填谷的效果。因此，参与需求响应计划的客户可以通过将负载转移到非高峰期来推迟其需求。当高峰期的电力成本很高时，它们可以降低功耗，而在其他电力成本较低的时期，需求响应可以帮助sg整合高水平的可再生能源资源，减轻电网供电压力。
3.配电网的电压控制是电网运行的主要任务之一。将高水平的可再生能源资源集成到电网中可能会对系统运行造成许多挑战。传统的电压控制设备可能难以处理电压控制问题。现有研究大多分别利用需求响应和无功注入进行电压控制，未考虑两种手段的联合使用效果，为此，本发明提出一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法。
4.经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法，能够最大限度地降低成本和系统电压的偏差，同时满足电网要求。
6.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
7.一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法，包括以下步骤：
8.步骤1、建立同时考虑需求响应和无功功率注入对电压控制影响的目标函数；
9.步骤2、建立步骤1的目标函数的运行约束条件；
10.步骤3、求解步骤1所建立的目标函数，对配电系统电压进行控制，得到配电系统的电压曲线，进而得到不同控制方法的电压控制效果，当需求响应和无功注入方法配合时，能够取得最优的电压控制效果。
11.而且，所述步骤1的目标函数包括三个目标函数，分别为：(1)最大限度地减少配电网每个节点的电压偏差；(2)最大限度地减少每个可控器件无功功率注入的变化；(2)最大限度地减少每个负载的有功功率削减量：
12.其中，第一个目标函数可以表述为：
[0013][0014]
式中，v
ref
为基准电压值，通常等于；vi为节点i的电压；n为系统节点数；
[0015]
第二个目标函数表述为：
[0016][0017]
式中，δqi节点i处无功功率注入量；c
q,i
是节点i处无功功率注入的单位成本；
[0018]
第三个目标函数表述为：
[0019][0020]
式中，δpi为节点i处有功功率削减量；c
p,i
是节点i处有功功率削减的单位成本。
[0021]
基于上述目标函数，优化问题可以表述为：
[0022][0023]
而且，所述步骤2的约束条件为：
[0024]
1)节点电压应保持在可接受的范围内，如：
[0025]vmin
≤vi≤v
max
ꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
式中，vmin和vmax是网络节点的最小和最大电压限制。
[0027]
2)节点的负荷需求削减量应等于或小于预定义的量，其通常由需求响应合同管理，此约束可以表示为：
[0028]
δpi≤αipiꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0029]
式中，pi为需求响应前负载i的有功功率需求；α为需求响应合同约定的减负荷因子；
[0030]
3)无功功率注入量应等于或小于预定义的量，其通常由可控设备的容量控制，此约束可以表示为：
[0031][0032]
式中，为表示节点i无功功率注入的允许容量，该容量可以根据视在功率需求和实际功率需求确定为：
[0033][0034]
式中，si是节点i的视在功率；
[0035]
4)配电网中的有功功率平衡可以表示为：
[0036][0037]
式中，pi为节点i的有功功率。p
i,g
和p
i,l
分别为节点i的发电功率和负载实际有功功率；g
ij
和b
ij
是母线i和j之间导纳的实部和虚部；θ
ij
是节点i和j之间的相角差；
[0038]
负荷有功功率p
i,l
计算如下：
[0039]
p
i,l
＝p
i-δpiꢀꢀꢀ
(10)
[0040]
5)无功功率平衡
[0041]
配电网中的无功功率平衡可以表示为：
[0042][0043]
式中，qi为节点i处的净无功功率；q
i,g
和q
i,l
分别表示节点i的发电功率和负载实
际无功功率；
[0044]
无功功率q
i,l
可以计算如下：
[0045]qi,l
＝q
i-δqiꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0046]
式中，qi是节点i改变前的无功功率需求。
[0047]
而且，所述步骤3的具体方法为：
[0048]
采用matlab的yalmip工具包中的gurobi求解器对模型计算求解，模型所得系统电压结果即可表示在不同的控制手段下，配电系统的运行变化情况。
[0049]
本发明的优点和有益效果：
[0050]
1、本发明提出了一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法，能够最大限度地降低成本(即无功功率注入的变化和需求削减)和系统电压的偏差，同时满足电网要求。实施结果表明，协调终端用户的需求响应程序和无功功率注入可以有效调节电网电压。
[0051]
2、本发明能够有效改善配电网的电压水平，模型也能够较好地协调需求响应和无功注入之间的关系。通过对比单纯使用需求响应、单纯使用无功注入和需求响应与无功注入共同使用三种情况，发现当需求响应和无功注入方法配合时，能够取得最优的电压控制效果。
附图说明
[0052]
图1为本发明的配电网测试网络示意图；
[0053]
图2为本发明的不同场景下的节点电压曲线图。
具体实施方式
[0054]
以下结合附图对本发明作进一步详述：
[0055]
一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法，包括以下步骤：
[0056]
步骤1、建立同时考虑需求响应和无功功率注入对电压控制影响的目标函数；
[0057]
所述步骤1的目标函数包括三个目标函数，分别为：(1)最大限度地减少配电网每个节点的电压偏差；(2)最大限度地减少每个可控器件无功功率注入的变化；(2)最大限度地减少每个负载的有功功率削减量：
[0058]
其中，第一个目标函数可以表述为：
[0059][0060]
式中，v
ref
为基准电压值，通常等于；vi为节点i的电压；n为系统节点数；
[0061]
第二个目标函数表述为：
[0062][0063]
式中，δqi节点i处无功功率注入量；c
q,i
是节点i处无功功率注入的单位成本；
[0064]
第三个目标函数表述为：
[0065][0066]
式中，δpi为节点i处有功功率削减量；c
p,i
是节点i处有功功率削减的单位成本。
[0067]
基于上述目标函数，优化问题可以表述为：
[0068][0069]
步骤2、建立步骤1的目标函数的运行约束条件；
[0070]
所述步骤2的约束条件为：
[0071]
1)节点电压应保持在可接受的范围内，如：
[0072]vmin
≤vi≤v
max
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0073]
式中，vmin和vmax是网络节点的最小和最大电压限制。
[0074]
2)节点的负荷需求削减量应等于或小于预定义的量，其通常由需求响应合同管理，此约束可以表示为：
[0075]
δpi≤αipiꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0076]
式中，pi为需求响应前负载i的有功功率需求；α为需求响应合同约定的减负荷因子。
[0077]
3)无功功率注入量应等于或小于预定义的量，其通常由可控设备的容量控制。此约束可以表示为：
[0078][0079]
式中，为表示节点i无功功率注入的允许容量，该容量可以根据视在功率需求和实际功率需求确定为：
[0080][0081]
式中，si是节点i的视在功率。
[0082]
4)配电网中的有功功率平衡可以表示为：
[0083][0084]
式中，pi为节点i的有功功率。p
i,g
和p
i,l
分别为节点i的发电功率和负载实际有功功率；g
ij
和b
ij
是母线i和j之间导纳的实部和虚部；θ
ij
是节点i和j之间的相角差。
[0085]
负荷有功功率p
i,l
计算如下：
[0086]
p
i,l
＝p
i-δpiꢀꢀꢀ
(10)
[0087]
5)无功功率平衡
[0088]
配电网中的无功功率平衡可以表示为：
[0089][0090]
式中，qi为节点i处的净无功功率；q
i,g
和q
i,l
分别表示节点i的发电功率和负载实际无功功率。
[0091]
无功功率q
i,l
可以计算如下：
[0092]qi,l
＝q
i-δqiꢀꢀꢀ
(12)
[0093]
式中，qi是节点i改变前的无功功率需求。
[0094]
步骤3、求解步骤1所建立的目标函数，对配电系统电压进行控制，得到配电系统的电压曲线，进而得到不同控制方法得到的电压控制效果，当需求响应和无功注入方法配合
时，能够取得最优的电压控制效果。
[0095]
选取合适的模型求解方法，本发明采用matlab的yalmip工具包中的gurobi求解器对模型计算求解，模型所得系统电压结果即可表示在不同的控制手段下，配电系统的运行变化情况。
[0096]
电压控制效果表明综合运用需求响应和无功注入方法，能够取得最优的电压控制效果。
[0097]
在本实施例中，在配电网中，一些电气设备是可控的无功功率设备。因此，它们可以看作电网中电压控制的控制变量(即无功功率产生或吸收)。但是，需求响应可能会影响无功功率平衡。因此，需要协调好需求响应和无功功率注入对电压控制的影响。因此，本发明同时考虑两种类型的控制变量(需求响应和无功功率注入)，通过协调二者关系，实现最佳电压控制。为实现这一目标，使用三个目标函数进行电压控制：(1)最大限度地减少配电网每个节点的电压偏差；(2)最大限度地减少每个可控器件无功功率注入的变化；(2)最大限度地减少每个负载的有功功率削减量。
[0098]
第一个目标函数可用于改善电网的电压曲线，通过最小化电压偏差，能够使电压曲线尽可能平滑。第一个目标函数可以表述为：
[0099][0100]
式中，v
ref
为基准电压值，通常等于；vi为节点i的电压；n为系统节点数。
[0101]
由于模型中采用了两个控制变量来控制系统电压：1)有功功率削减负载即需求响应，2)无功功率注入电网。这两个控制变量都有相应的运行成本。为了降低响应和无功注入的成本，本发明还使用了其他目标函数：最小化有功功率削减的变化；最小化无功功率注入的变化。
[0102]
第二个目标函数表述为：
[0103][0104]
式中，δqi节点i处无功功率注入量；c
q,i
是节点i处无功功率注入的单位成本。
[0105]
第三个目标函数表述为：
[0106][0107]
式中，δpi为节点i处有功功率削减量；c
p,i
是节点i处有功功率削减的单位成本。
[0108]
基于上述目标函数，优化问题可以表述为：
[0109][0110]
此目标函数的运行约束如下所示：
[0111]
1)节点电压应保持在可接受的范围内，如：
[0112]vmin
≤vi≤v
max
ꢀꢀꢀ
(5)
[0113]
式中，vmin和vmax是网络节点的最小和最大电压限制。
[0114]
2)节点的负荷需求削减量应等于或小于预定义的量，其通常由需求响应合同管理。此约束可以表示为：
[0115]
δpi≤αipiꢀꢀꢀ
(6)
[0116]
式中，pi为需求响应前负载i的有功功率需求；α为需求响应合同约定的减负荷因子。
[0117]
3)无功功率注入量应等于或小于预定义的量，其通常由可控设备的容量控制。此约束可以表示为：
[0118][0119]
式中，为表示节点i无功功率注入的允许容量，该容量可以根据视在功率需求和实际功率需求确定为：
[0120][0121]
式中，si是节点i的视在功率。
[0122]
4)配电网中的有功功率平衡可以表示为：
[0123][0124]
式中，pi为节点i的有功功率。p
i,g
和p
i,l
分别为节点i的发电功率和负载实际有功功率；g
ij
和b
ij
是母线i和j之间导纳的实部和虚部；θ
ij
是节点i和j之间的相角差。
[0125]
负荷有功功率p
i,l
计算如下：
[0126]
p
i,l
＝p
i-δpiꢀꢀꢀ
(10)
[0127]
5)无功功率平衡
[0128]
配电网中的无功功率平衡可以表示为：
[0129][0130]
式中，qi为节点i处的净无功功率；q
i,g
和q
i,l
分别表示节点i的发电功率和负载实际无功功率。
[0131]
无功功率q
i,l
可以计算如下：
[0132]qi,l
＝q
i-δqiꢀꢀꢀ
(12)
[0133]
式中，qi是节点i改变前的无功功率需求。
[0134]
下面通过具体算例，对本发明作进一步说明：
[0135]
为了测试所提出的电压控制方法，本发明采用了标准的ieee 123总线配电测试网络。图1显示了网络的基本结构。本发明考虑了以下三种方案用于配电网的电压控制。
[0136]
方案一：可控器件采用无功注入进行电压控制，无需需求响应限电。
[0137]
方案二：使用有功限电(需求响应流程)对负载进行电压控制，无需任何无功功率注入。
[0138]
方案三：使用可控装置的无功功率注入和负载的有功功率削减来控制电压。
[0139]
在实施例中，每个节点的减负荷因子α统一定为需求的25％。有功功率削减的成本为是1，而无功功率注入的成本是0.5。系统中有50个节点能够向系统注入无功功率，其编号为：5,7,13,17,21,23,27,29,34,37,39,42,45,47,49,51,53,56,59,62,64,66,69,71,74,76,79,82,84,86,88,92,95,98,100,103,106,109,112,114。
[0140]
将参数带入实施例模型后进行计算，得到电压曲线的拟合结果。附图2给出了配电
网四种场景下的电压曲线，分别是无控制、需求响应和无功注入、仅考虑无功注入、仅考虑需求响应场景。
[0141]
从图2可以看出，相对于无注入情况，通过电压控制手段获得的电压曲线得到了改善。由于馈线末端的节点一般具有较明显的电压偏差情况，因此它们具有比其他总线更高的电压改进现象。图2还表明，使用无功功率注入获得的电压曲线优于使用需求响应程序获得的电压曲线。换句话说，与无功功率注入相比，25％负载的需求削减对电网电压的影响相对较小。而在所有情况中，同时考虑需求响应和无功注入方案下的电压改善效果是最优的。
[0142]
结果表明，同时考虑需求响应和无功功率注入的电压控制模型可以有效控制电网电压。
[0143]
本发明提出了一种基于需求响应和无功注入的配电网电压控制方法，通过实施例可以看出，所提方法可以有效改善配电网的电压水平，模型也能够较好地协调需求响应和无功注入之间的关系，两种手段配合下的电压控制效果最好。
[0144]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。