基于電子電力變壓器的配電網(wǎng)優(yōu)化研究

趙德駿，原曉陽

(國電山西潔能有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定一直是電力部門和相關(guān)工作者工作的目標(biāo)。在過去，人們關(guān)注的重點是電力電能是否供應(yīng)充足，但是，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，隨著國民環(huán)保和節(jié)能意識的覺醒，如何在滿足目前電負(fù)荷的基礎(chǔ)上來保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，同時實現(xiàn)降低網(wǎng)損和提高電能質(zhì)量，成為了目前電力工作者的研究目標(biāo)。

配電網(wǎng)的優(yōu)化就是在滿足配電網(wǎng)無功和電壓質(zhì)量的前提下，通過調(diào)節(jié)變壓器的可投切電容器和可調(diào)分接頭，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)中各節(jié)點電壓保持在合格水平，達到減少網(wǎng)損的目標(biāo)。關(guān)于配電網(wǎng)無功的優(yōu)化研究是一個多約束和多變量混合的非線性規(guī)劃問題。目前，我國關(guān)于該問題的研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面[1]：1) 基于數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的數(shù)值優(yōu)化算法研究。數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的優(yōu)化方法主要有線性規(guī)劃方法、非線性規(guī)劃方法、動態(tài)規(guī)劃方法和混合整數(shù)規(guī)劃方法等。該方法的優(yōu)點是收斂性好，最優(yōu)解有著良好的可靠性和運行的穩(wěn)定性；缺點是計算量太大，計算時間比較長。2) 基于人工智能的優(yōu)化算法。人工智能采用啟發(fā)式計算，有神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、模糊算法等方法[2]。該方法的優(yōu)點是全局搜索的能力強；缺點是收斂速度比較慢，可能產(chǎn)生早熟的問題。因此，如何結(jié)合兩種算法的優(yōu)勢，快速找到一種能夠得到全局最優(yōu)解的方法，是配電網(wǎng)優(yōu)化研究中所面臨的一個重要問題。

1 電子電力變壓器

1.1 電子電力變壓器的工作原理

電子電力變壓器的工作原理[3]：在輸入方，將工頻信號通過電子電力變換器轉(zhuǎn)化成各種高頻信號，這個過程稱之為“升頻”；升頻后的高頻信號通過高頻隔離變壓器耦合，再通過電子電力變換器還原為工頻交流信號，這個過程稱之為“降頻”。這個過程是通過一定的控制方案來控制電子電力裝置的工作方式，將波形、電壓和頻率轉(zhuǎn)換成電能。

據(jù)電子電力變換中是否有直流環(huán)節(jié)的存在，電子電力變換的實現(xiàn)方式又分為兩種：1) 在變換中沒有直流環(huán)節(jié)的存在。在該方式中，高頻變壓器在輸入方進行“升頻”，在輸出方進行“降頻”；2) 在變換中有直流環(huán)節(jié)的存在。在該方式中，高頻變壓器在輸入方和輸出方都采用AC/DC/AC變換。

1.2 電子電力變壓器的結(jié)構(gòu)

電子電力變壓器采用的是一種三級結(jié)構(gòu)[4]，包括輸入、中間隔離和輸出三級。在輸入級，有多個功能相同的模塊，這些模塊是串聯(lián)的；在中間隔離級，是由多輸入且單輸出的變壓器組成；在輸出級，也由功能模塊組成，這些功能模塊與輸入級的結(jié)構(gòu)相同。

輸入級的電網(wǎng)提供高電壓，這些高電壓被平均地分配到各個功能模塊上，這些模塊再將輸入方輸入的工頻信號由交流調(diào)制為直流，然后調(diào)制為中頻信號輸送給中間隔離級。隔離級將接收到的中頻信號經(jīng)過耦合，輸送到輸出方，輸出方再將接收的信號轉(zhuǎn)為直流信號，然后再逆變?yōu)楣ゎl交流信號進行輸出。

1.3 電子電力變壓器的穩(wěn)態(tài)模型

為確保電子電力變壓器的運行穩(wěn)定，在輸入方采用直流電壓的控制策略，在輸出方采用交流電壓的控制策略。

在輸入方，據(jù)調(diào)制的原理，則有公式：

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(1)

輸出的高壓功率如下：

Ps=UsU1sinδ1/X1.

(2)

Qs=Us(Us-U1cosδ1)/X1.

(3)

解得輸入方的穩(wěn)態(tài)模型如下：

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(4)

在輸出方，U2(輸出電壓)和Udc(直流電壓)的關(guān)系如下：

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(5)

輸出方功率如下：

(6)

Q0=U0(U2cosδ2-U0)/X2.

(7)

解得輸出方的穩(wěn)態(tài)模型如下：

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(8)

2 配電網(wǎng)的優(yōu)化

2.1 配電網(wǎng)的優(yōu)化模型

配電網(wǎng)的優(yōu)化問題并不僅僅是一個技術(shù)方面的問題，而是關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)、運籌學(xué)等方面的一個綜合問題。配電網(wǎng)優(yōu)化問題的難點在于優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化策略的改進。

配電網(wǎng)的優(yōu)化問題實際上是一種特殊的最優(yōu)解問題，目標(biāo)函數(shù)如公式(9)，公式中參數(shù)δ代表電壓的越界懲罰因子。

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(9)

目標(biāo)函數(shù)的約束條件有等式約束和不等式約束兩個。等式約束是平衡負(fù)荷節(jié)點功率的約束條件(如公式(10))，不等式約束則分為控制變量約束(如公式(11))和狀態(tài)變量約束(如公式(12))。

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(10)

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(11)

(Ci：補償裝置的投入組數(shù)；Ti：變壓器檔位)

Vimin≤Vi≤Vimax

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(12)

(Vi：節(jié)點i的電壓)

2.2 配電網(wǎng)優(yōu)化的步驟

配電網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以有多重計算方法，但大體的計算步驟都分為以下六步。

Step1：將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的參數(shù)、變量參數(shù)、各個約束條件等初始數(shù)據(jù)讀入。

Step2：產(chǎn)生一組控制變量的初始值。

Step3：根據(jù)當(dāng)前的控制變量對原始數(shù)據(jù)當(dāng)中的相應(yīng)部分作出修改，計算出各個節(jié)點的無功值、有功值和電壓值。

Step4：以適應(yīng)函數(shù)為依據(jù)，評價每一個個體值。

Step5：根據(jù)優(yōu)化模型，形成優(yōu)化后的個體。

Step6：若結(jié)果滿足收斂性，則結(jié)束優(yōu)化算法，輸出結(jié)果；否則返回第三步，再次計算。

3 結(jié)語

電壓質(zhì)量的穩(wěn)定與否是衡量電力系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，而電壓質(zhì)量的好壞又取決于整個電力系統(tǒng)中無功分布的合理程度[5]。無功容量若是不足，電力系統(tǒng)運行的電壓就不足，若這時調(diào)節(jié)各個分接頭都有可能造成電壓失去穩(wěn)定，可能發(fā)生電壓的崩潰。在此背景下提出的基于電子電力變壓器的配電網(wǎng)優(yōu)化算法，可以有效控制和改善電壓在穩(wěn)定性方面的性能。