基于改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法的含分布式光伏配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化方法

于 海

引言

保障電網(wǎng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)安全，目前已成為我國電力科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題[1]。楊蕾等[2]提出了基于無功優(yōu)化模型的新能源無功調(diào)節(jié)方案，能夠得到較穩(wěn)定的電壓值。劉夢依等[3]構(gòu)建了一種基于粒子群優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電場出力預(yù)測曲線，最終從模擬結(jié)果看出，引入分布式電源后，可以保證配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文利用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法，設(shè)計(jì)一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化方法。

一、配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

當(dāng)光伏電源接入配電網(wǎng)中，為了保證配電網(wǎng)的電壓可以滿足正常的供電電壓，采用并聯(lián)電容器的方法對分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行有功補(bǔ)償，分布式光伏配電網(wǎng)的功率在（0.9～1.0）范圍內(nèi)變化[4]。經(jīng)過迭代處理后，利用下式使得有功功率可以達(dá)到0.9的無功補(bǔ)償容量：

上式中，代表含分布式光伏電源的功率因素。將其代入到下式，求出配電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償量：

基于上述對含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算的方法，進(jìn)行潮流計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程描述，具體步驟為：

Step1：進(jìn)行配網(wǎng)結(jié)構(gòu)解析，把網(wǎng)絡(luò)的參量轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，設(shè)置根結(jié)點(diǎn)0；

Step2：判定有沒有其他類型的功率分配，若有，按照初始狀態(tài)或最后一次反向運(yùn)算的結(jié)果，計(jì)算出分配功率，并把它作為 PQ節(jié)點(diǎn)[5]。若沒有，就可以進(jìn)行下一階段的工作；

Step3：對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量的統(tǒng)計(jì)，比如光伏電源，分布式電源，并聯(lián)電容器等，或把結(jié)果輸入到節(jié)點(diǎn)中，計(jì)算出有功功率；

Step4：按最后一步的基準(zhǔn)電壓，或是最后一步循環(huán)時(shí)的電壓值、終端功率進(jìn)行推算，直至完成最后一步可以回到初始狀態(tài)；

Step5：按首端電壓、前推得到的前端電源進(jìn)行回代運(yùn)算，然后再進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)電壓的分配，直至返回終端；

Step6：重復(fù)迭代過程+1，判定該循環(huán)過程中的節(jié)點(diǎn)電壓與前一次循環(huán)時(shí)的電壓之差是否低于該標(biāo)準(zhǔn)值，如果低于該值，執(zhí)行Step8，如果超過該值，執(zhí)行Step7；

Step7：通過環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)或 PV節(jié)點(diǎn)的阻抗矩陣，計(jì)算出環(huán)斷點(diǎn)處的有功功率，對PV節(jié)點(diǎn)無功功率進(jìn)行校正，然后進(jìn)行Step2～Step6；

Step8：完成了含分布式光伏配電網(wǎng)潮流的計(jì)算，得出相應(yīng)結(jié)果。

根據(jù)配電網(wǎng)輸出的無功功率，計(jì)算出分布式光伏配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償量，結(jié)合潮流計(jì)算的代碼開發(fā)，計(jì)算了含分布式光伏配電網(wǎng)潮流。

采用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法對含分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行三相不平衡無功優(yōu)化，其流程如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化算法流程

根據(jù)含分布式光伏配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化算法，得到了實(shí)現(xiàn)步驟，即：

Step1：輸入相應(yīng)的配電網(wǎng)三相不平衡無功信息，包含光伏電源信息和配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)信息，輸入控制變量，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)系維度，學(xué)習(xí)因子；

Step3：將結(jié)果帶入目標(biāo)函數(shù)中，滿足守恒定量，由此判斷灰色關(guān)聯(lián)關(guān)系群組之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對其進(jìn)行優(yōu)化，獲取全局最優(yōu)值；

Step4：計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的適應(yīng)度函數(shù)和適應(yīng)度比例，由此判斷灰色關(guān)系群組的聚集狀態(tài)；

Step5：若灰色關(guān)聯(lián)群組結(jié)構(gòu)過于密集，則可擴(kuò)張系數(shù)，使改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法得到全局最優(yōu)值；若過于分散，則可提高全局的搜索能力，達(dá)到最終的優(yōu)化目的；

Step7：根據(jù)結(jié)果判斷最終的迭代次數(shù)N，滿足條件則結(jié)束優(yōu)化過程，否則跳到Step3重新進(jìn)行操作。

利用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)光伏配電網(wǎng)的無功優(yōu)化。

二、算例分析

為了驗(yàn)證文中無功優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能，本文以IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)作為算例，首先在保證配電線路參數(shù)一定的條件下，連接兩個(gè)光伏電源DG1和DG2、兩個(gè)電容器C1和C2、調(diào)壓變壓器T，將節(jié)點(diǎn)1看作是平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)13看作是PV節(jié)點(diǎn)，除此之外的其他節(jié)點(diǎn)看作PQ節(jié)點(diǎn)，IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)分布式光伏電源DG1和DG2可以為配電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償，有功的出力為2MW，無功出力在-11～500kvar之間，用于無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鰿1和C2容量分別為200kvar＊3和200kvar＊5。將變壓器的電壓比設(shè)置在0.8～1.4之間，步進(jìn)量和上下檔位設(shè)置為0.013和±10。

采用基于改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法的含分布式光伏配電網(wǎng)三相不平衡無功優(yōu)化方法對IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化，優(yōu)化前后的對比結(jié)果如表1所示。

表1 IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)無功優(yōu)化前后的控制變量參數(shù)

表1的結(jié)果顯示，文中方法對IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化之后，可以保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了突出文中方法的優(yōu)勢，引入含高比例風(fēng)光新能源電網(wǎng)的優(yōu)化方法和計(jì)及風(fēng)光出力相關(guān)性的優(yōu)化方法作對比，得到優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)的電壓幅值情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)電壓對比圖

根據(jù)圖3的結(jié)果可知，計(jì)及風(fēng)光出力相關(guān)性的優(yōu)化方法和文中方法的電壓幅值提高幅度較大，可有效避免電壓越限的發(fā)生，且文中方法對IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)的無功優(yōu)化效果更好。

采用三種方法優(yōu)化配電網(wǎng)的無功功率時(shí)，經(jīng)過100次迭代之后，得到最終的優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。

表2 無功優(yōu)化結(jié)果

從表2的結(jié)果可知，與含高比例風(fēng)光新能源電網(wǎng)的優(yōu)化方法和計(jì)及風(fēng)光出力相關(guān)性的優(yōu)化方法相比，文中方法對IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化之后，網(wǎng)損下降率高達(dá)16.46%，且計(jì)算速度也是最優(yōu)的。

在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對三種優(yōu)化方法的收斂性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 收斂性曲線

圖4的結(jié)果顯示，對IEEE3節(jié)點(diǎn)分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化時(shí)，經(jīng)過30次迭代就進(jìn)入收斂狀態(tài)，則文中無功優(yōu)化方法的優(yōu)化效果更好。

結(jié)束語

在改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法的基礎(chǔ)上，針對光伏配電網(wǎng)提出一種無功優(yōu)化方法，網(wǎng)損下降率高達(dá)16.46%，經(jīng)過30次迭代就進(jìn)入收斂狀態(tài)，可以更好地優(yōu)化避免電壓越限，保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。