虛擬發電廠分布式無功補償系統及其補償方法技術方案

本發明專利技術提供了虛擬發電廠分布式無功補償系統及補償方法，當虛擬發電廠所屬區域電網發生無功缺額時，電力調度中心根據具體的情況，向虛擬發電廠傳遞一個無功調節量，而分布式無功補償器通過利用分布式的優化控制策略，將區域電網的無功缺額在虛擬發電廠內部的分布式電源之間進行協調，使得無功功率的總額在虛擬發電廠內部各個分布式電源之間協調分配，最終使虛擬發電廠整體滿足電壓性能指標達到最優。本發明專利技術能夠在達到區域電網調度中心無功調節要求的同時，實現虛擬發電廠內部的電壓性能達到最優。

【技術實現步驟摘要】
虛擬發電廠分布式無功補償系統及其補償方法
本專利技術涉及分布式電源、虛擬發電廠、下垂控制和分布式無功優化等相關技術和方法領域，尤其涉及虛擬發電廠分布式無功補償系統及其補償方法。
技術介紹
1)分布式電源的大規模應用：分布式發電，一般指在配電系統靠近用戶側引入容量不大的分布式電源供電，可以綜合利用現有的自然資源和設備，向用戶就近提供可靠和優質的電能。近年來，分布式發電得到了廣泛的關注，其發展十分迅速，但隨著分布式電源在電網中的滲透率的不斷提高，同時也由于其出力具有一定的隨機性，給傳統的電網安全穩定運行和經濟調度帶來了不小的挑戰。許多學者試圖利用傳統的發電資源和儲能資源來平抑分布式電源出力的隨機波動，但這樣使得分布式電源失去了原有的經濟性、靈活性優勢。本專利設計考慮將具有無功補償能力的分布式電源通過先進的通訊手段聚合為一個整體，基于對分布式節點電壓的實時采樣、監測，并采取相應的分布式控制方式，實時協調各個分布式電源的無功出力，在較短時間內可使各個分布式電源達到節點電壓偏差平方和最小。2)虛擬發電廠：虛擬發電廠中的分布式電源主要包括風力發電機、太陽能光伏、燃料電池、微型燃氣輪機等，因此可以充分利用虛擬發電廠內豐富的資源，采取合理的優化控制手段，可為電網的經濟、穩定運行提供一定的保障。傳統的電網控制方式以集中式為主，但是隨著大量地域分散、類型各異的分布式電源大規模接入電網，若繼續利用集中式的控制方式來管控分散于電網各處的分布式電源的出力，必然會給電網調度系統帶來急劇增長的負擔，也不利于分布式電源后期的可持續發展。如何對分散各異的分布式電源進行有效的運行管理，便成為綠色能源推廣應用所迫切需要解決的難題。本專利考慮通過先進的通信技術和控制策略，將分散各異的分布式電源、可中斷負荷和儲能裝置有效集成為可控的虛擬發電廠，以規模化的手段有效地解決分布式電源并網的控制、調度問題。電網系統只需對虛擬發電廠進行直接的控制、調度，然后虛擬發電廠通過分布式的控制策略對內部集成的分布式資源進行協調。通過虛擬發電廠的調控，能夠在很大程度上減輕了電網的調度負擔，也能在一程度上保證了電網的安全穩定，提高了電網對分布式電源的接納能力。3)分布式無功優化與下垂控制：無功的優化目標大體有線路有功功率損耗Ploss最小、節點電壓偏差最小、電壓穩定裕度、無功發電成本和無功補償器的成本。在本專利技術中，主要采取節點電壓的偏差平方和最小為優化目標，采取分布式的控制策略來協調各個分布式電源的無功出力。分布式電源的下垂特性：與傳統發電機一次調頻原理相似，可利用分布式電源的Q-V下垂特性作為分布式電源的電壓控制方式，即通過Q-V下垂控制，使虛擬發電廠內部各分布式電源的節點電壓穩定在允許的范圍之內。這種控制方法通過對虛擬發電廠內部分布式電源的無功出力進行協調，便可實現各分布式電源節點電壓偏差平方和達到最小，同時也可實現分布式電源的即插即用和對等控制。各個分布式電源的下垂特性可以表示為Ui＝Ui0-K·Qi，通過利用Q-V下垂特性，可以為各個分布式電源的無功功率和節點電壓之間建立特定的線性關系，有利于分布式控制策略的設計。
技術實現思路
專利技術目的：考慮到分布式電源出力的隨機波動特性，本專利技術基于虛擬發電廠的新型概念，創造性地將分布式優化的方法應用于虛擬發電廠，提出了虛擬發電廠分布式無功補償系統及其補償方法。技術方案：虛擬發電廠分布式無功補償系統，包括調度指令接收模塊、分布式協調優化模塊和輸出模塊；所述調度指令接收模塊與分布式協調優化模塊中的關鍵分布式電源連接，并將來自電力調度中心的無功調度指令下發至所述關鍵分布式電源的分布式無功補償器；所述分布式協調優化模塊包括各個分布式電源的分布式無功補償器，通過采取分布式控制策略，使各個分布式電源的分布式無功補償器在協調完成虛擬發電廠的無功調度額度的同時，保證虛擬發電廠內部分布式電源節點電壓偏差的平方和達到最小；所述分布式無功補償器包括信息交互模塊和節點信息庫；所述信息交互模塊，完成與自身具有通訊拓撲連接關系的鄰居之間的信息傳遞，并不斷地更新分布式電源自身的無功出力狀態，最終達到全局電壓性能的最優；所述節點信息模塊保存自身狀態信息和對其他分布式電源的處理狀態估計值，并實時迭代更新；所述輸出模塊根據所述分布式協調優化模塊的優化結果，完成特定的無功輸出，對區域電網進行無功補償。所述分布式無功補償器還包括電壓檢測模塊；所述電壓檢測模塊實時監測分布式電源的節點電壓，并將電壓信息反饋給無功補償器。一種虛擬發電廠分布式無功補償方法，包括步驟：1)調度信息接收模塊接收來自電力調度中心的調度指令，并將其傳遞給分布式協調優化模塊中關鍵分布式電源的分布式無功補償器；2)分布式協調優化模塊通過分布式控制策略，使每個分布式無功補償器在與自身鄰居實時信息交互的過程中，不斷地更新自身的無功出力狀態，最終達到電壓偏差平方和最小的優化目標；所述分布式控制策略如下：2.1)建立數學優化模型：以虛擬發電廠內部各個分布式電源節點的電壓偏差的平方和最小，其數學表達式為：約束條件：Ui＝Ui0-Ki·Qi(2)UiMIN≤Ui≤UiMAX(4)QiMIN≤Qi≤QiMAX(5)其中，n表示虛擬發電廠有n個分布式電源，且有1≤i≤n，Ui為第i個節點的分布式電源的電壓，UiN為第i個節點的線路額定電壓，UiMIN和UiMAX為第i個節點分布式電源電壓的最小值和最大值，Ui0為第i個節點分布式電源Q-V下垂曲線對應無功出力為零時的理想電壓，Ki為第i個節點分布式電源Q-V下垂曲線的下降系數，Qi為第i個節點的分布式電源的實際無功輸出，QiMIN和QiMAX為第i個節點的分布式電源能夠達到的無功功率的最小值和最大值，Qd為整個虛擬發電廠需要達到的無功功率的總額；2.2)求解2.1)建立的虛擬發電廠的無功優化數學模型，通過利用Q-V的下垂特性，為各個分布式電源的無功功率和節點電壓之間建立特定的線性關系，選取各個節點的無功出力為系統的狀態變量xi；其中，中間變量vi(t)、yi(t)表示第i個分布式電源節點與自身能夠通訊的鄰居之間的狀態迭代關系；aij表示的是第i個分布式電源節點與第j個分布式電源節點之間的通訊拓撲連接關系；有兩種取值情況：aij＝1時，表示第i個分布式電源與第j個分布式電源存在通訊連接關系，aij＝0時，表示第i個分布式電源與第j個分布式電源不存在通訊連接關系；2.3)進行節點信息交換，不斷更新每個分布式電源節點的實時狀態，最終達到全局的最優目標；3)輸出模塊根據2)中分布式協調優化模塊的優化結果，輸出特定的無功功率，對區域電網進行無功補償。有益效果：本專利技術通過利用先進的通訊手段，將具有無功補償能力的分布式電源的分布式電源聚合成一個整體，基于對其內部的各個分布式電源節點電壓的實時采樣、監測，利用分布式電源的Q-V下垂特性，并采取分布式優化控制策略，在保證虛擬發電廠整體達到調度中心調度要求的同時，可在較短時間內實現虛擬發電廠內部各個分布式電源節點電壓偏差平方和達到最小，使其內部大量分布式電源的無功出力得到了有效的協調，能夠在很大程度上提高虛擬發電廠參與電網無功調節的可行性和有效性。本專利技術提出的基于電壓實時監測的虛擬發電廠無功調度技術可與傳統的電壓調節手段相結合本文檔來自技高網...

【技術保護點】
虛擬發電廠分布式無功補償系統，其特征在于：包括調度指令接收模塊、分布式協調優化模塊和輸出模塊；所述調度指令接收模塊與分布式協調優化模塊中的關鍵分布式電源連接，并將來自電力調度中心的無功調度指令下發至所述關鍵分布式電源的分布式無功補償器；所述分布式協調優化模塊包括各個分布式電源的分布式無功補償器，通過采取分布式控制策略，使各個分布式電源的分布式無功補償器在協調完成虛擬發電廠的無功調度額度的同時，保證虛擬發電廠內部分布式電源節點電壓偏差的平方和達到最小；所述分布式無功補償器包括信息交互模塊和節點信息庫；所述信息交互模塊，完成與自身具有通訊拓撲連接關系的鄰居之間的信息傳遞，并不斷地更新分布式電源自身的無功出力狀態，最終達到全局電壓性能的最優；所述節點信息模塊保存自身狀態信息和對其他分布式電源的處理狀態估計值，并實時迭代更新；所述輸出模塊根據所述分布式協調優化模塊的優化結果，完成特定的無功輸出，對區域電網進行無功補償。

【技術特征摘要】
1.虛擬發電廠分布式無功補償系統，其特征在于：包括調度指令接收模塊、分布式協調優化模塊和輸出模塊；所述調度指令接收模塊與分布式協調優化模塊中的關鍵分布式電源連接，并將來自電力調度中心的無功調度指令下發至所述關鍵分布式電源的分布式無功補償器；所述分布式協調優化模塊包括各個分布式電源的分布式無功補償器，通過采取分布式控制策略，使各個分布式電源的分布式無功補償器在協調完成虛擬發電廠的無功調度額度的同時，保證虛擬發電廠內部分布式電源節點電壓偏差的平方和達到最小；所述分布式無功補償器包括信息交互模塊和節點信息庫；所述信息交互模塊，完成與自身具有通訊拓撲連接關系的鄰居之間的信息傳遞，并不斷地更新分布式電源自身的無功出力狀態，最終達到全局電壓性能的最優；所述節點信息模塊保存自身狀態信息和對其他分布式電源的處理狀態估計值，并實時迭代更新；所述輸出模塊根據所述分布式協調優化模塊的優化結果，完成特定的無功輸出，對區域電網進行無功補償。2.根據權利要求1所述的虛擬發電廠分布式無功補償系統，其特征在于：所述分布式無功補償器還包括電壓檢測模塊；所述電壓檢測模塊實時監測分布式電源的節點電壓，并將電壓信息反饋給無功補償器。3.一種應用權利要求1所述的虛擬發電廠分布式無功補償系統的無功補償方法，其特征在于：包括步驟：1)調度信息接收模塊接收來自電力調度中心的調度指令，并將其傳遞給分布式協調優化模塊中關鍵分布式電源的分布式無功補償器；2)分布式協調優化模塊通過分布式控制策略，使每個分布式無功補償器在與自身鄰居實時信息交互的過程中，不斷地更新自身的無功出力狀態，最終達到電壓偏差平方和最小的優化目標；所述分布式控制策略如下：2.1)建立數學優化模型：以虛擬發電廠內部各個分布式電源節點的電壓偏差的平方和最小，其數學表達式為：約束條件：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喻潔，陳仁思，王秀茹，曹進德，
申請(專利權)人：東南大學，南京中大智能科技有限公司，國網江蘇省電力公司宿遷供電公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32