屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的电压支撑方法

本发明涉及电力系统调压，具体是一种屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的无功电压支撑方法。

背景技术：

1、随着全球能源供应逐步向低碳化转变，光伏发电凭借安装灵活和可持续性发展的优势受到广泛关注，科技进步和补贴政策使得更多家庭和企业能够以低成本接入光伏发电。因此，屋顶光伏在配网中的渗透率逐渐提高。

2、为了在极端场景下保证电压满足安全运行要求，可以将屋顶光伏系统切换为电网电压支撑控制模式，然而，由于现有光伏系统容量和位置的限制，其提供的无功功率相对有限，无法为远距离节点提供足够的电压支持。静止无功发生器(svg)凭借灵活配置和连续快速调节无功功率的特性，为解决电网电压支撑不足的问题提供了一种有效的技术途径。现有技术中，静止无功发生器(svg)的安装成本较高，这在一定程度上限制了其广泛应用。因此，本发明提出了一种屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的无功电压支撑方法，可以为配网提供足够的电压支持，并控制成本。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的无功电压支撑方法，可以将屋顶光伏运行模式和静止无功发生器协同优化控制，实现对屋顶光伏系统出力的精细化调控，显著提升了配网节点电压的支撑效能，同时降低了屋顶光伏系统在运行过程中的有功功率损失，节约了控制成本，为电力系统的稳定运行和能效提升提供了有力保障。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明是一种屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的无功电压支撑方法，包括如下操作：

4、建立基于二阶锥规划的配网支路潮流模型；

5、基于光伏变流器的调节能力，建立屋顶光伏系统运行模式的优化控制模型；

6、建立静止无功发生器的资源优化配置模型；

7、基于满足电压要求的最小静止无功发生器容量，设计所述屋顶光伏系统和静止无功发生器协同配置的无功电压支撑策略。

8、本发明的进一步改进在于：所述建立基于二阶锥规划的配网支路潮流模型，包括如下步骤：

9、配网中各支路的电流、电压和功率的关系如下式所示：

10、

11、式中，uk,t、uj,t分别表示t时刻的节点k、j的电压；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；rjk、xjk分别表示支路jk的电阻、电抗；ijk,t表示t时刻的支路jk的电流；ski,t、sjk,t表示t时刻的支路ki、jk的视在功率；zjk表示支路jk的电抗；sk,t表示t时刻的节点k的视在功率；ωb表示所有支路的集合；ωe表示配网中所有节点的集合；σ(k)、δ(k)分别表示节点k的父节点、子节点的集合；t表示所有时间节点的集合；

12、对式(2)进行相位松弛得到式(4)、式(5)：

13、

14、式中，分别表示t时刻的支路ki的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；rjk、xjk分别表示支路jk的电阻、电抗；ijk,t表示t时刻的支路jk的电流；分别表示t时刻的节点k的有功功率、无功功率；ωe表示配网中所有节点的集合；σ(k)、δ(k)分别表示节点k的父节点、子节点的集合；t表示所有时间节点的集合；

15、令ljk,t＝ijk,t2、uk,t＝uk,t2和uj,tl＝uj,t2，式(1)、(3)等效为式(6)、(7)：

16、

17、式中，uk,t表示t时刻的节点k的电压的平方；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；uj,t表示t时刻的节点j的电压的平方；ijk,t表示t时刻的支路jk的电流；uk,t表示t时刻的节点k的电压；uj,t表示t时刻的节点j的电压；rjk、xjk分别表示支路jk的电阻、电抗；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；ωb表示所有支路的集合；t表示所有时间节点的集合；

18、对式(7)进行二阶锥松弛得到式(8)：

19、

20、式中，uj,t表示t时刻的节点j的电压的平方；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；ωb表示所有支路的集合；t表示所有时间节点的集合；

21、将式(8)表示为标准二阶锥约束形式，如式(9)所示：

22、

23、式中，分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；uj,tl表示t时刻的节点j的电压的平方；ωb表示所有支路的集合；t表示所有时间节点的集合。

24、本发明的进一步改进在于：所述建立屋顶光伏系统运行模式的优化控制模型，包括如下步骤：

25、设置所述配网中部分节点已装有屋顶光伏变流器，每个光伏系统的出力受到最大光伏容量的约束：

26、

27、式中，分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；表示节点k的光伏系统的容量；ωpv表示装有屋顶光伏系统的节点的集合；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；

28、配网中的功率来源和消耗包括光伏系统、发电机组以及负荷，将式(4)、(5)展开为式(11)、(12)，其中发电系统的输出功率受到发电机出力上下限约束(13)、(14)：

29、

30、式中，分别表示t时刻的节点k的发电系统的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的支路ki的有功功率、无功功率；rjk、xjk分别表示支路jk的电阻、电抗；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；σ(k)、δ(k)分别表示节点k的父节点、子节点的集合；w表示负荷膨胀率，w∈(0,1)；分别表示t时刻的节点k的有功负荷、无功负荷；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；分别表示节点k的发电系统有功出力上限、下限；分别表示节点k的发电系统无功出力上限、下限；ωgen表示与发电机连接的节点的集合；

31、所述配网中安装的屋顶光伏发电系统具有两种模式，在负荷轻时，屋顶光伏系统运行在恒功率因数模式，即mk＝0，即满足全天功率需求，如式(15)所示：

32、

33、式中，分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；表示t时刻的节点k的光伏系统的最大有功功率输出；θk表示节点k的光伏系统的功率因数角；tan表示正切函数；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；mk＝表示节点k的光伏系统的运行模式；

34、在极端场景下，屋顶光伏系统转换为电网电压支撑控制模式，即mk＝1，如式(16)所示：

35、

36、式中，表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率；表示t时刻的节点k的光伏系统的最大有功功率输出；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；mk＝表示节点k的光伏系统的运行模式；

37、采用惩罚因子法对式(15)、(16)进行转化，引入正值m，所述正值并非无限大，将式(15)、(16)的非线性约束进行线性化，式(15)、(16)松驰为式(17)至(19)：

38、

39、式中，分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；表示t时刻的节点k的光伏系统的最大有功功率输出；m表示引入的正值；mk＝表示节点k的光伏系统的运行模式；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；θk表示节点k的光伏系统的功率因数角；tan表示正切函数；

40、所述配网部分节点装有屋顶光伏系统的模型约束条件，所述模型约束条件包括：电压约束(6)、电压约束(20)、电流约束(9)、电流约束(21)、潮流约束(11)、潮流约束(12)、光伏系统约束(10)、光伏系统约束(17)、光伏系统约束(18)、光伏系统约束(19)、光伏系统约束(22)、光伏系统约束(23)、发电机输出约束(13)、发电机输出约束(14)：

41、

42、式中，uk,t表示t时刻的节点k的电压的平方；u分别表示节点k的电压平方的上限、下限；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；ωb表示所有支路的集合；分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；表示节点k的光伏系统的容量；ωpv表示装有屋顶光伏系统的节点的集合；w表示负荷膨胀率，w∈(0,1)；ηpv表示光伏渗透率；max表示取最大值；分别表示t时刻的节点k的有功负荷、无功负荷。

43、本发明的进一步改进在于：所述建立静止无功发生器的资源优化配置模型，包括如下操作：

44、在极端场景下，屋顶光伏系统无法满足电压安全要求，在电网的部分关键节点安装建立静止无功发生器，所述静止无功发生器的运行约束条件为：

45、

46、式中，分别表示节点k处静止无功发生器的无功功率输出的上限、下限；表示t时刻的节点k处静止无功发生器的无功功率；ωsvg表示加装静止无功发生器的节点的集合；且ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；

47、原来的节点功率平衡方程(11)、(12)改写为：

48、

49、式中，表示t时刻的节点k的发电系统的有功功率；分别表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的支路jk的有功功率、无功功率；rjk、xjk分别表示支路jk的电阻、电抗；ljk,t表示t时刻的支路jk的电流的平方；分别表示t时刻的支路ki的有功功率、无功功率；分别表示t时刻的节点k的有功负荷、无功负荷；ωe表示配网中所有节点的集合；t表示所有时间节点的集合；表示t时刻的节点k处静止无功发生器的无功功率；σ(k)、δ(k)分别表示节点k的父节点、子节点的集合；w表示负荷膨胀率，w∈(0,1)；

50、在满足电网电压稳定性要求的同时，将静止无功发生器的建设总成本降至最低，以加装静止无功发生器的总成本最小为目标函数，所述建立静止无功发生器的资源优化配置模型如式(27)所示：

51、

52、

53、(27)

54、式中，表示节点k处静止无功发生器的无功功率输出的上限；ωsvg表示加装静止无功发生器的节点的集合；s.t.(6),(9)-(14),(17)-(26)表示式(27)的约束条件为式(6)，(9)至(14)，(17)至(26)；min表示取最小值。

55、本发明的进一步改进在于：所述设计所述屋顶光伏系统和静止无功发生器协同配置的无功电压支撑策略，包括如下步骤：

56、根据所述建立静止无功发生器的资源优化配置模型进行光伏运行模式优化控制，如式(28)所示：

57、

58、式中，表示节点k处静止无功发生器的无功功率输出的上限；表示k节点的静止无功发生器的配置容量大小；ωsvg表示加装静止无功发生器的节点的集合；优化目标为最小化光伏系统的有功损失，优化模型如式(29)所示：

59、

60、

61、式中，ωpv表示装有屋顶光伏系统的节点的集合；t表示所有时间节点的集合；表示t时刻的节点k的光伏系统的最大有功功率输出；表示t时刻的节点k的光伏系统的有功功率；s.t.(6),(9)-(14),(17)-(26),(28)表示式(29)的约束条件为式(6)，(9)至(14)，(17)至(26)，(28)；min表示取最小值。

62、本发明的有益效果是：本发明提出了一种屋顶光伏系统和静止无功发生器协同运行的无功电压支撑方法，通过建立屋顶光伏系统运行模式的优化控制模型，实现了对现有屋顶光伏系统的高效利用；建立静止无功发生器的资源优化配置模型，实现了对静止无功发生器的合理配置，提升了对配网电压的支撑能力；基于满足电压要求的最小静止无功发生器容量，设计了屋顶光伏系统和静止无功发生器协同配置的无功电压支撑策略，避免了电压越限情况发生的同时，降低了屋顶光伏系统在运行过程中的有功功率损失，提高了光伏发电的整体效率。通过上述方法，本发明可以将屋顶光伏运行模式和静止无功发生器协同优化控制，实现对屋顶光伏系统出力的精细化调控，显著提升了配网节点电压的支撑效能，同时降低了屋顶光伏系统在运行过程中的有功功率损失，节约了控制成本，为电力系统的稳定运行和能效提升提供了有力保障，不仅确保了配电网的电压稳定性，还优化了光伏系统的运行损失，为光伏发电的广泛应用和电网的可靠运行提供了有力支撑。