基于微網(wǎng)負(fù)荷特性的配電網(wǎng)動態(tài)無功設(shè)備優(yōu)化配置技術(shù)

［關(guān)鍵詞］動態(tài)無功設(shè)備；微網(wǎng)負(fù)荷特性；配電網(wǎng)；配置技術(shù)

［中圖分類號］TM761.12 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0041–03

在現(xiàn)代生活中，電能起到重要作用。為滿足實(shí)際電能需求，配電網(wǎng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)日益提升。配電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，會消耗掉一些無功功率，而無功會影響電壓，此種情況如果長期得不到約束，會影響配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，并可能使電能的利用率呈下降趨勢。為改善此種現(xiàn)象，需要對電能使用實(shí)施合理的無功優(yōu)化，以保證電網(wǎng)正常運(yùn)行。實(shí)踐證明，無功優(yōu)化效果顯著，可在降低網(wǎng)損的基礎(chǔ)上，合理改善電能質(zhì)量，提高配電網(wǎng)建設(shè)水平。

目前，電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測至關(guān)重要，該項(xiàng)工作和動態(tài)無功優(yōu)化聯(lián)系密切，當(dāng)預(yù)測的精準(zhǔn)度達(dá)到要求時(shí)，才能進(jìn)一步保障無功優(yōu)化的效果。為此，基于微網(wǎng)負(fù)荷特性的無功設(shè)備優(yōu)化配置具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1案例分析

微網(wǎng)類型中，負(fù)荷較大的為工業(yè)型微網(wǎng)，且此微網(wǎng)類型對電壓質(zhì)量要求也很高?；诖?，文章將以某項(xiàng)目的工業(yè)型微網(wǎng)接入配電網(wǎng)作為真實(shí)的研究對象，結(jié)合該項(xiàng)目的特殊性，考慮以下的因素：①考慮氣候差異；②考慮項(xiàng)目的電源特性以及相關(guān)的電價(jià)機(jī)制等；③考慮設(shè)備壽命、投資、維護(hù)的特殊性；④考慮SVG分散控制策略。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建微網(wǎng)接入配電網(wǎng)后的動態(tài)無功優(yōu)化模型。

現(xiàn)有的建模技術(shù)容易忽視電網(wǎng)售電電價(jià)的比較，從而影響了經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。綜合多方面的原因，在本案例中將以電網(wǎng)峰谷分時(shí)電價(jià)為重要參考，考慮實(shí)際電價(jià)的差異，構(gòu)建微網(wǎng)并網(wǎng)通用模型，確保配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2動態(tài)無功設(shè)備優(yōu)化配置條件

查閱文獻(xiàn)可知，以往人們對靜態(tài)無功設(shè)備優(yōu)化配置的研究較多，而對動態(tài)無功設(shè)備優(yōu)化配置的研究相對較少。之所以會如此，是因?yàn)閯討B(tài)無功設(shè)備優(yōu)化配置需要對系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，而這種頻繁調(diào)節(jié)容易縮短設(shè)備壽命。動態(tài)無功優(yōu)化需要建立在靜態(tài)無功優(yōu)化的基礎(chǔ)上，動態(tài)無功優(yōu)化是全天的，負(fù)荷預(yù)測曲線較為復(fù)雜。在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷預(yù)測曲線一直處于發(fā)展變化的狀態(tài)，所以動態(tài)無功優(yōu)化的實(shí)施過程更加復(fù)雜，約束條件較多。為保障無功設(shè)備優(yōu)化配置的效果，在進(jìn)行動態(tài)無功優(yōu)化的過程中，可將負(fù)荷進(jìn)行分段，以降低優(yōu)化的整體難度[1]。

3微網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測

電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測和動態(tài)無功優(yōu)化聯(lián)系密切，在實(shí)際的項(xiàng)目中，提升預(yù)測的精準(zhǔn)度，可進(jìn)一步保障無功優(yōu)化的效果。為此，基于微網(wǎng)負(fù)荷特性分析的無功優(yōu)化技術(shù)方案將更具有可行性。在構(gòu)建通用出力模型前，需要加強(qiáng)合理的微網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測，為后續(xù)工作提供保障。負(fù)荷預(yù)測實(shí)際上就是圍繞微網(wǎng)負(fù)荷特性，對日常用電調(diào)度工作以及交易用電計(jì)劃等提供重要的數(shù)據(jù)支撐，并對電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開展綜合定量分析，借此掌握負(fù)荷變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對我國用電電網(wǎng)負(fù)荷等級進(jìn)行評估?，F(xiàn)實(shí)中，為保證負(fù)荷預(yù)測的精準(zhǔn)度，可建立基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)理論和軟件編程技術(shù)的預(yù)測模型，借此分析負(fù)荷變化[2]。

4微網(wǎng)通用模型和控制措施

4.1光伏電源時(shí)序模型

在微網(wǎng)電源中，光伏電源十分重要，屬最主要的隨機(jī)電源，對微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性有直接性的影響[3]。通過研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的光伏有功出力規(guī)律難以掌控，近似服從Beta分布。在具體的模型搭建過程中，其概率密度函數(shù)為：

光伏電源時(shí)序模型（考慮不確定性的模型構(gòu)建）對動態(tài)無功優(yōu)化有一定的參考作用。相同季節(jié)及天氣，實(shí)際的光伏出力差異在不同的時(shí)段差距較小，也正是因?yàn)檫@樣的特點(diǎn)，可以按四季和晴、陰等，系統(tǒng)分析光伏的處理差異。為方便統(tǒng)計(jì)，可將年出力曲線等效為不同場景下的日出力曲線，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算對應(yīng)概率P。

4.2儲能電池約束模型

通過研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的項(xiàng)目中儲能電池極為重要，可作為微網(wǎng)中唯一的可控電源。在操作中可借助控制裝置的SOC完成相關(guān)任務(wù)，合理實(shí)現(xiàn)電池的充放電。在構(gòu)建儲能電池約束模型期間，需要進(jìn)一步明確SOC與充放電的關(guān)系。SOC是重要參數(shù)，表示剩余容量所占的比值，SOC與實(shí)際充放電的關(guān)系，可借助以下公式表示。

在明確上述的參數(shù)信息后，便可以對儲能電池的約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障儲能電池使用一直處于安全區(qū)間。

4.3有效的微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控策略

結(jié)合現(xiàn)實(shí)工作可知，網(wǎng)型微網(wǎng)正常運(yùn)行下，其最高的運(yùn)維與調(diào)度目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)利益最大化，提高微網(wǎng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵?；谶@樣的前提，在進(jìn)行微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控的過程中，需要考慮電源運(yùn)行成本、實(shí)際的電價(jià)等因素，確保優(yōu)化工作的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)，微網(wǎng)的可控電源設(shè)計(jì)與使用非常特別，除儲能電池外，還有冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，正常狀態(tài)下，微網(wǎng)可控電源狀態(tài)由自身運(yùn)行約束決定，如果系統(tǒng)存在故障，則要依據(jù)實(shí)際的負(fù)荷需求動作進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)實(shí)中，由于發(fā)電成本的不同，需要設(shè)定合理的電源補(bǔ)償負(fù)荷順序，提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。一般順序?yàn)楣夥?、儲能，最后是冷熱電?lián)產(chǎn)[4]。本次案例項(xiàng)目中，微網(wǎng)運(yùn)行決策方法如圖1所示。

通過比對可知，基于微網(wǎng)并網(wǎng)負(fù)荷技術(shù)要求和相關(guān)屬性，需要制訂完備的優(yōu)化方案，在技術(shù)保障下調(diào)整動態(tài)無功設(shè)備的配置，提升配置科學(xué)性。而想要達(dá)成理想目標(biāo)，需要將負(fù)荷全年時(shí)序這一變化曲線作為技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)，強(qiáng)化無功優(yōu)化與配置的整體效果。案例項(xiàng)目為工業(yè)型微網(wǎng)，其微網(wǎng)電源數(shù)據(jù)見表1。

4.4高效的SVG并網(wǎng)控制措施

在現(xiàn)實(shí)工作中，SVG并網(wǎng)控制措施比較常用，通常也稱STATCOM。研究發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)中的SVG運(yùn)行模式較為特殊，通常采用閉環(huán)控制，此種情況下當(dāng)進(jìn)行接入后會出現(xiàn)明顯的電壓偏差（母線電壓與參考電壓）。此時(shí)可借助科學(xué)的控制策略，對SVG無功出力實(shí)施有效的調(diào)節(jié)，以此保證無功出力的可行性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電壓的穩(wěn)定，提升電網(wǎng)運(yùn)行和質(zhì)量。為達(dá)到理想的并網(wǎng)控制效果，在綜合考慮誤差和存在的并網(wǎng)特點(diǎn)后，案例項(xiàng)目選擇了以下的并網(wǎng)控制方式，即轉(zhuǎn)變SVG接入點(diǎn)的功能和性能，將其設(shè)置為PV節(jié)點(diǎn)（電壓為1p.u.），以體現(xiàn)SVG快速調(diào)節(jié)性。實(shí)踐證明，此技術(shù)方案較為可行，可在無功出力不越限的較為特殊情況下，始終維持電壓的穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用場景中，所需的無功功率較大，當(dāng)實(shí)際的數(shù)值明顯大于最大補(bǔ)償容量時(shí)（節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換重要指標(biāo)），要采用PQ節(jié)點(diǎn)，利用這樣高效的方式，促使SVG以最大容量出力，滿足電網(wǎng)運(yùn)行需求。

5動態(tài)無功配置優(yōu)化模型以及科學(xué)求解

5.1動態(tài)無功配置優(yōu)化模型

現(xiàn)階段，為了精細(xì)化運(yùn)行費(fèi)用，并較好提升電網(wǎng)電壓質(zhì)量，在實(shí)施動態(tài)無功設(shè)備配置的過程中，要認(rèn)真考慮運(yùn)行優(yōu)化問題，在通用模型和控制策略的基礎(chǔ)上，搭建動態(tài)無功配置優(yōu)化模型，為后續(xù)動態(tài)無功設(shè)備配置提供保障。研究發(fā)現(xiàn)，雙層規(guī)劃模型建模，可滿足動態(tài)無功設(shè)備配置的具體要求。優(yōu)化思路如下。

（1）結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，發(fā)揮上層規(guī)劃決策SVG的控制優(yōu)勢，使其和C（補(bǔ)償電容器組）的容量完全匹配，借此作為下層的約束條件，確保雙層規(guī)劃模型的穩(wěn)定性。

（2）下層優(yōu)化C的時(shí)序。在優(yōu)化過程中需要明確實(shí)際的投切容量，將其作為重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。并將最終結(jié)果反饋到上層的構(gòu)建函數(shù)中，借此達(dá)成上下層間的配合，發(fā)揮雙層規(guī)劃模型的優(yōu)勢。該模型可表示為：

5.2模型求解

結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，想要求解文章規(guī)劃問題，需要采用遺傳算法。動態(tài)無功配置優(yōu)化模型因采用雙層結(jié)構(gòu)，所以模型優(yōu)化變量較多，求解過程較為復(fù)雜，傳統(tǒng)遺傳算法難以滿足求解的需求。為此在實(shí)操中需要設(shè)置大規(guī)模種群，在此基礎(chǔ)上保障求解的正確性。算法改進(jìn)策略為在選擇步驟改進(jìn)環(huán)節(jié)，需要科學(xué)使用算法代替輪盤（基于種群個(gè)體適應(yīng)度），為精準(zhǔn)計(jì)算提供保障。

6配置方案效果分析

案例項(xiàng)目中，共采取了3種方案進(jìn)行了無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，其對比情況如下。

（1）單一動態(tài)無功補(bǔ)償。SVG補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)及容量為29（1.5）、13（0.5）、12（1.5）。

（2）單一靜態(tài)無功補(bǔ)償。SVG補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)及容量為29（1.2）、13（0.2）、3（0.6）、12（0.6）。

（3）動、靜結(jié)合的無功補(bǔ)償方式。SVG補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)及容量為29（0.4）、13（0.2）、3（0.4）、12（0.2）、29（0.5）、3（0.5）、12（0.5）。

實(shí)踐證明，動、靜結(jié)合的無功補(bǔ)償方式可實(shí)現(xiàn)動、靜的協(xié)調(diào)補(bǔ)償，顯然效果更為顯著。另外，還可以保證電網(wǎng)運(yùn)行良好的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)分析可知，案例項(xiàng)目中的工業(yè)型微網(wǎng)實(shí)際的負(fù)荷較大，采用微網(wǎng)并入的方法，電壓存在越下限情況。所以需要采取方案3中的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，科學(xué)配置動態(tài)無功設(shè)備。從實(shí)際效果來看，方案1與方案2電壓波動較大，并且無功補(bǔ)償效果容易受到限制。而相比之下，方案3的可行性較高，可滿足新能源并網(wǎng)需求，同時(shí)還可以保證電網(wǎng)運(yùn)行良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7結(jié)論

文章結(jié)合實(shí)際案例，分析了動態(tài)無功設(shè)備的配置方法，可為同類項(xiàng)目提供合理借鑒。

（1）動態(tài)無功設(shè)備的配置需要考慮內(nèi)容較多，為實(shí)現(xiàn)有效的無功補(bǔ)償，在配置方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，需要考慮微網(wǎng)負(fù)荷特性，將其作為動態(tài)無功設(shè)備配置的重要參考。

（2）微網(wǎng)內(nèi)存在多種電源類型，通過分析其儲能出力特征，可設(shè)計(jì)出一種高效的無功優(yōu)化配置方法。借助雙層規(guī)劃模型的運(yùn)用，提升動態(tài)無功設(shè)備配置的可行性，保障配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）現(xiàn)實(shí)中，針對復(fù)雜的微網(wǎng)并網(wǎng)情況，可采用SVG的協(xié)調(diào)補(bǔ)償方法，借此滿足配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需求。