CN106786812B - 虚拟发电厂分布式无功补偿***及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了虚拟发电厂分布式无功补偿***及补偿方法，当虚拟发电厂所属区域电网发生无功缺额时，电力调度中心根据具体的情况，向虚拟发电厂传递一个无功调节量，而分布式无功补偿器通过利用分布式的优化控制策略，将区域电网的无功缺额在虚拟发电厂内部的分布式电源之间进行协调，使得无功功率的总额在虚拟发电厂内部各个分布式电源之间协调分配，最终使虚拟发电厂整体满足电压性能指标达到最优。本发明能够在达到区域电网调度中心无功调节要求的同时，实现虚拟发电厂内部的电压性能达到最优。

Description

虚拟发电厂分布式无功补偿***及其补偿方法

技术领域

本发明涉及分布式电源、虚拟发电厂、下垂控制和分布式无功优化等相关技术和方法领域，尤其涉及虚拟发电厂分布式无功补偿***及其补偿方法。

背景技术

1)分布式电源的大规模应用：分布式发电，一般指在配电***靠近用户侧引入容量不大的分布式电源供电，可以综合利用现有的自然资源和设备，向用户就近提供可靠和优质的电能。近年来，分布式发电得到了广泛的关注，其发展十分迅速，但随着分布式电源在电网中的渗透率的不断提高，同时也由于其出力具有一定的随机性，给传统的电网安全稳定运行和经济调度带来了不小的挑战。许多学者试图利用传统的发电资源和储能资源来平抑分布式电源出力的随机波动，但这样使得分布式电源失去了原有的经济性、灵活性优势。本专利设计考虑将具有无功补偿能力的分布式电源通过先进的通讯手段聚合为一个整体，基于对分布式节点电压的实时采样、监测，并采取相应的分布式控制方式，实时协调各个分布式电源的无功出力，在较短时间内可使各个分布式电源达到节点电压偏差平方和最小。

2)虚拟发电厂：

虚拟发电厂中的分布式电源主要包括风力发电机、太阳能光伏、燃料电池、微型燃气轮机等，因此可以充分利用虚拟发电厂内丰富的资源，采取合理的优化控制手段，可为电网的经济、稳定运行提供一定的保障。

传统的电网控制方式以集中式为主，但是随着大量地域分散、类型各异的分布式电源大规模接入电网，若继续利用集中式的控制方式来管控分散于电网各处的分布式电源的出力，必然会给电网调度***带来急剧增长的负担，也不利于分布式电源后期的可持续发展。如何对分散各异的分布式电源进行有效的运行管理，便成为绿色能源推广应用所迫切需要解决的难题。本专利考虑通过先进的通信技术和控制策略，将分散各异的分布式电源、可中断负荷和储能装置有效集成为可控的虚拟发电厂，以规模化的手段有效地解决分布式电源并网的控制、调度问题。电网***只需对虚拟发电厂进行直接的控制、调度，然后虚拟发电厂通过分布式的控制策略对内部集成的分布式资源进行协调。通过虚拟发电厂的调控，能够在很大程度上减轻了电网的调度负担，也能在一程度上保证了电网的安全稳定，提高了电网对分布式电源的接纳能力。

3)分布式无功优化与下垂控制：

无功的优化目标大体有线路有功功率损耗P_loss最小、节点电压偏差最小、电压稳定裕度、无功发电成本和无功补偿器的成本。在本发明中，主要采取节点电压的偏差平方和最小为优化目标，采取分布式的控制策略来协调各个分布式电源的无功出力。

分布式电源的下垂特性：与传统发电机一次调频原理相似，可利用分布式电源的Q-V下垂特性作为分布式电源的电压控制方式，即通过Q-V下垂控制，使虚拟发电厂内部各分布式电源的节点电压稳定在允许的范围之内。这种控制方法通过对虚拟发电厂内部分布式电源的无功出力进行协调，便可实现各分布式电源节点电压偏差平方和达到最小，同时也可实现分布式电源的即插即用和对等控制。各个分布式电源的下垂特性可以表示为U_i＝U_i0-K·Q_i，通过利用Q-V下垂特性，可以为各个分布式电源的无功功率和节点电压之间建立特定的线性关系，有利于分布式控制策略的设计。

发明内容

发明目的：考虑到分布式电源出力的随机波动特性，本发明基于虚拟发电厂的新型概念，创造性地将分布式优化的方法应用于虚拟发电厂，提出了虚拟发电厂分布式无功补偿***及其补偿方法。

技术方案：

虚拟发电厂分布式无功补偿***，包括调度指令接收模块、分布式协调优化模块和输出模块；

所述调度指令接收模块与分布式协调优化模块中的关键分布式电源连接，并将来自电力调度中心的无功调度指令下发至所述关键分布式电源的分布式无功补偿器；

所述分布式协调优化模块包括各个分布式电源的分布式无功补偿器，通过采取分布式控制策略，使各个分布式电源的分布式无功补偿器在协调完成虚拟发电厂的无功调度额度的同时，保证虚拟发电厂内部分布式电源节点电压偏差的平方和达到最小；

所述分布式无功补偿器包括信息交互模块和节点信息库；所述信息交互模块，完成与自身具有通讯拓扑连接关系的邻居之间的信息传递，并不断地更新分布式电源自身的无功出力状态，最终达到全局电压性能的最优；所述节点信息模块保存自身状态信息和对其他分布式电源的处理状态估计值，并实时迭代更新；

所述输出模块根据所述分布式协调优化模块的优化结果，完成特定的无功输出，对区域电网进行无功补偿。

所述分布式无功补偿器还包括电压检测模块；所述电压检测模块实时监测分布式电源的节点电压，并将电压信息反馈给无功补偿器。

一种虚拟发电厂分布式无功补偿方法，包括步骤：

1)调度信息接收模块接收来自电力调度中心的调度指令，并将其传递给分布式协调优化模块中关键分布式电源的分布式无功补偿器；

2)分布式协调优化模块通过分布式控制策略，使每个分布式无功补偿器在与自身邻居实时信息交互的过程中，不断地更新自身的无功出力状态，最终达到电压偏差平方和最小的优化目标；

所述分布式控制策略如下：

2.1)建立数学优化模型：

以虚拟发电厂内部各个分布式电源节点的电压偏差的平方和最小，其数学表达式为：

约束条件：

U_i＝U_i0-K_i·Q_i (2)

U_iMIN≤U_i≤U_iMAX (4)

Q_iMIN≤Q_i≤Q_iMAX (5)

其中，n表示虚拟发电厂有n个分布式电源，且有1≤i≤n，U_i为第i个节点的分布式电源的电压，U_iN为第i个节点的线路额定电压，U_iMIN和U_iMAX为第i个节点分布式电源电压的最小值和最大值，U_i0为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线对应无功出力为零时的理想电压，K_i为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线的下降系数，Q_i为第i个节点的分布式电源的实际无功输出，Q_iMIN和Q_iMAX为第i个节点的分布式电源能够达到的无功功率的最小值和最大值，Q_d为整个虚拟发电厂需要达到的无功功率的总额；

2.2)求解2.1)建立的虚拟发电厂的无功优化数学模型，通过利用Q-V的下垂特性，为各个分布式电源的无功功率和节点电压之间建立特定的线性关系，选取各个节点的无功出力为***的状态变量x_i；

其中，中间变量v_i(t)、y_i(t)表示第i个分布式电源节点与自身能够通讯的邻居之间的状态迭代关系；a_ij表示的是第i个分布式电源节点与第j个分布式电源节点之间的通讯拓扑连接关系；有两种取值情况：a_ij＝1时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源存在通讯连接关系，a_ij＝0时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源不存在通讯连接关系；

2.3)进行节点信息交换，不断更新每个分布式电源节点的实时状态，最终达到全局的最优目标；

3)输出模块根据2)中分布式协调优化模块的优化结果，输出特定的无功功率，对区域电网进行无功补偿。

有益效果：本发明通过利用先进的通讯手段，将具有无功补偿能力的分布式电源的分布式电源聚合成一个整体，基于对其内部的各个分布式电源节点电压的实时采样、监测，利用分布式电源的Q-V下垂特性，并采取分布式优化控制策略，在保证虚拟发电厂整体达到调度中心调度要求的同时，可在较短时间内实现虚拟发电厂内部各个分布式电源节点电压偏差平方和达到最小，使其内部大量分布式电源的无功出力得到了有效的协调，能够在很大程度上提高虚拟发电厂参与电网无功调节的可行性和有效性。本发明提出的基于电压实时监测的虚拟发电厂无功调度技术可与传统的电压调节手段相结合，能够有效地抑制分布式电源出力的随机波动，充分发挥分布式电源的无功补偿能力，实现配电网的无功平衡，在保障电网的安全稳定运行的同时，提高电网对分布式新能源的接纳能力，在一定程度上能够促进分布式电源的进一步发展和大规模应用。

附图说明

图1为分布式电源Q-V下垂特性曲线。

图2为本发明的虚拟发电厂的无功优化功能结构图。

图3为本发明的虚拟发电厂的无功优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的分布式无功补偿器能够使具有无功补偿能力的分布式电源构成一个协调运行的整体，在整体上满足调度中心的调度要求，并保证其内部的分布式电源节点电压的偏差之和达到最小，继而作为一种有效的无功调节手段与传统的无功调节方法一起维持***的无功功率的动态平衡。

图1为基于虚拟发电厂的分布式无功补偿器功能结构图，其形象地说明了本发明的工作原理。虚拟发电厂整体包括调度指令接收模块、分布式协调优化模块和输出模块，而分布式协调优化模块又由各个分布式电源的分布式无功补偿器组成。

(1)调度指令接收模块：主要是接收来自调度中心的无功调度指令，并向分布式协调模块中的关键节点的分布式无功补偿器传递无功调度指令。

(2)分布式协调优化模块：通过采取一定的分布式控制策略，使各个分布式电源的分布式无功补偿器在协调完成虚拟发电厂的无功调度额度的同时，保证虚拟发电厂内部分布式电源节点电压偏差的平方和达到最小。

其中，分布式无功补偿器由信息交互模块、节点信息库和电压监测模块组成。信息交互模块，主要完成与自身具有通讯拓扑连接关系的邻居之间的信息传递，从而不断地更新分布式电源自身的无功出力状态，最终达到全局电压性能的最优。另外，关键节点的分布式无功补偿器还需接收来自虚拟发电厂信息接收模块的无功调度指令；节点信息模块，虚拟发电厂内部的各个分布式电源保存有与自身相关的信息，例如节点电压范围、无功出力限制范围和邻居通讯拓扑连接关系等；电压监测模块，实时地监测各个分布式电源的节点电压，并将电压信息反馈给无功补偿器，保证节点电压不会超出实际允许的范围的同时，使虚拟发电厂内部各节点电压性能按照无功协调优化的目标趋于最优。

(3)输出模块：需根据分布式协调优化模块的优化结果，完成特定的无功输出，对区域电网进行无功补偿。

根据分布式优化模块设定的功能，设计分布式优化控制策略如下：

1)数学优化模型：以虚拟发电厂内部各个分布式电源节点的电压偏差的平方和最小，其数学表达式为：

2)约束条件：

U_i＝U_i0-K_i·Q_i (2)

U_iMIN≤U_i≤U_iMAX (4)

Q_iMIN≤Q_i≤Q_iMAX (5)

其中，n表示虚拟发电厂有n个分布式电源，且有1≤i≤n，U_i为第i个节点的分布式电源的电压，U_iN为第i个节点的线路额定电压，U_iMIN和U_iMAX为第i个节点分布式电源电压的最小值和最大值，U_i0为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线对应无功出力为零时的理想电压，K_i为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线的下降系数，Q_i为第i个节点的分布式电源的实际无功输出，Q_iMIN和Q_iMAX为第i个节点的分布式电源能够达到的无功功率的最小值和最大值，Q_d为整个虚拟发电厂需要达到的无功功率的总额。

a)式(2)为分布式电源下垂特性：

与传统发电机一次调频原理相似，可利用分布式电源的下垂特性作为分布式电源的电压控制方式，即通过下垂控制，使虚拟发电厂内部各分布式电源的节点电压稳定在允许的范围之内。这种控制方法通过对虚拟发电厂内部分布式电源的无功出力进行协调，便可实现各分布式电源节点电压偏差达到最小，同时也可实现分布式电源的即插即用。

b)式(3)为虚拟发电厂无功出力等式约束:

根据电力调度中心的调度指令，整个虚拟发电厂需要提供总量为Q_d的无功功率，因而虚拟发电厂内部的各个分布式电源所需要提供的无功功率之和为Q_d，即有

c)式(4)为节点电压范围：

每个分布式电源的电压必须要保持在一定的允许的范围，U_iMIN为电压允许范围的最小值，U_iMAX电压允许范围的最大值；

d)式(5)为分布式电源无功出力范围：

每个分布式电源的无功出力都有一定的能力，处于一定范围之内，Q_iMIN为分布式电源无功出力的最小值，Q_iMAX为分布式电源无功出力的最大值；

3)根据上述的虚拟发电厂的无功优化数学模型，可以设计分布式优化控制策略如下：

分布式优化的迭代方程：

通过利用Q-V的下垂特性，可以为各个分布式电源的无功功率和节点电压之间建立特定的线性关系，选取各个节点的无功出力为***的状态变量x_i。

其中，中间变量v_i(t)、y_i(t)表示第i个分布式电源节点与自身能够通讯的邻居之间的状态迭代关系；

a_ij表示的是第i个分布式电源节点与第j个分布式电源节点之间的通讯拓扑连接关系，有两种取值情况：a_ij＝1时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源存在通讯连接关系，a_ij＝0时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源不存在通讯连接关系。通过以上形式的节点信息的交换，不断地更新每个分布式电源节点的实时状态，最终达到全局的最优目标。

图2为虚拟发电厂的无功优化流程图，具体步骤包括：

1)首先，调度信息接收模块接收来自调度中心的调度指令，并将其传递给分布式协调优化模块中关键节点的分布式无功补偿器；

2)其次，整个分布式协调优化模块通过一定的分布式控制策略，使每个分布式无功补偿器在实时与自身邻居信息交互的过程中，不断地更新自身的无功出力状态，最终达到电压偏差最小的优化目标；

3)最后，输出模块根据分布式协调优化模块的优化结果，稳定输出一定量的无功功率，对区域电网进行无功补偿；

4)当区域电网的无功恢复到正常水平，整个调节过程完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.虚拟发电厂分布式无功补偿***，其特征在于：包括调度指令接收模块、分布式协调优化模块和输出模块；

所述调度指令接收模块与分布式协调优化模块中的关键分布式电源连接，并将来自电力调度中心的无功调度指令下发至所述关键分布式电源的分布式无功补偿器；

所述分布式协调优化模块包括各个分布式电源的分布式无功补偿器，通过采取分布式控制策略，使各个分布式电源的分布式无功补偿器在协调完成虚拟发电厂的无功调度额度的同时，保证虚拟发电厂内部分布式电源节点电压偏差的平方和达到最小；

所述分布式控制策略如下：

2.1)建立数学优化模型：

以虚拟发电厂内部各个分布式电源节点的电压偏差的平方和最小，其数学表达式为：

约束条件：

U_i＝U_i0-K_i·Q_i (2)

U_iMIN≤U_i≤U_iMAX (4)

Q_iMIN≤Q_i≤Q_iMAX (5)

其中，n表示虚拟发电厂有n个分布式电源，且有1≤i≤n，U_i为第i个节点的分布式电源的电压，U_iN为第i个节点的线路额定电压，U_iMIN和U_iMAX为第i个节点分布式电源电压的最小值和最大值，U_i0为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线对应无功出力为零时的理想电压，K_i为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线的下降系数，Q_i为第i个节点的分布式电源的实际无功输出，Q_iMIN和Q_iMAX为第i个节点的分布式电源能够达到的无功功率的最小值和最大值，Q_d为整个虚拟发电厂需要达到的无功功率的总额；

2.2)求解2.1)建立的虚拟发电厂的无功优化数学模型，通过利用Q-V的下垂特性，为各个分布式电源的无功功率和节点电压之间建立特定的线性关系，选取各个节点的无功出力为***的状态变量x_i；

其中，中间变量v_i(t)、y_i(t)表示第i个分布式电源节点与自身能够通讯的邻居之间的状态迭代关系；a_ij表示的是第i个分布式电源节点与第j个分布式电源节点之间的通讯拓扑连接关系；有两种取值情况：a_ij＝1时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源存在通讯连接关系，a_ij＝0时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源不存在通讯连接关系；

2.3)进行节点信息交换，不断更新每个分布式电源节点的实时状态，最终达到全局的最优目标；

3)输出模块根据2)中分布式协调优化模块的优化结果，输出特定的无功功率，对区域电网进行无功补偿；

所述分布式无功补偿器包括信息交互模块和节点信息库；所述信息交互模块，完成与自身具有通讯拓扑连接关系的邻居之间的信息传递，并不断地更新分布式电源自身的无功出力状态，最终达到全局电压性能的最优；所述节点信息模块保存自身状态信息和对其他分布式电源的处理状态估计值，并实时迭代更新；

所述输出模块根据所述分布式协调优化模块的优化结果，完成特定的无功输出，对区域电网进行无功补偿。

2.根据权利要求1所述的虚拟发电厂分布式无功补偿***，其特征在于：所述分布式无功补偿器还包括电压检测模块；所述电压检测模块实时监测分布式电源的节点电压，并将电压信息反馈给无功补偿器。

3.一种应用权利要求1所述的虚拟发电厂分布式无功补偿***的无功补偿方法，其特征在于：包括步骤：

1)调度信息接收模块接收来自电力调度中心的调度指令，并将其传递给分布式协调优化模块中关键分布式电源的分布式无功补偿器；

2)分布式协调优化模块通过分布式控制策略，使每个分布式无功补偿器在与自身邻居实时信息交互的过程中，不断地更新自身的无功出力状态，最终达到电压偏差平方和最小的优化目标；

所述分布式控制策略如下：

2.1)建立数学优化模型：

以虚拟发电厂内部各个分布式电源节点的电压偏差的平方和最小，其数学表达式为：

约束条件：

U_i＝U_i0-K_i·Q_i (2)

U_iMIN≤U_i≤U_iMAX (4)

Q_iMIN≤Q_i≤Q_iMAX (5)

其中，n表示虚拟发电厂有n个分布式电源，且有1≤i≤n，U_i为第i个节点的分布式电源的电压，U_iN为第i个节点的线路额定电压，U_iMIN和U_iMAX为第i个节点分布式电源电压的最小值和最大值，U_i0为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线对应无功出力为零时的理想电压，K_i为第i个节点分布式电源Q-V下垂曲线的下降系数，Q_i为第i个节点的分布式电源的实际无功输出，Q_iMIN和Q_iMAX为第i个节点的分布式电源能够达到的无功功率的最小值和最大值，Q_d为整个虚拟发电厂需要达到的无功功率的总额；

2.2)求解2.1)建立的虚拟发电厂的无功优化数学模型，通过利用Q-V的下垂特性，为各个分布式电源的无功功率和节点电压之间建立特定的线性关系，选取各个节点的无功出力为***的状态变量x_i；

其中，中间变量v_i(t)、y_i(t)表示第i个分布式电源节点与自身能够通讯的邻居之间的状态迭代关系；a_ij表示的是第i个分布式电源节点与第j个分布式电源节点之间的通讯拓扑连接关系；有两种取值情况：a_ij＝1时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源存在通讯连接关系，a_ij＝0时，表示第i个分布式电源与第j个分布式电源不存在通讯连接关系；

2.3)进行节点信息交换，不断更新每个分布式电源节点的实时状态，最终达到全局的最优目标；

3)输出模块根据2)中分布式协调优化模块的优化结果，输出特定的无功功率，对区域电网进行无功补偿。