含光伏接入的過電壓時序遞進(jìn)無功優(yōu)化方法研究

楊勇，韓德孝，陳龍

（云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南昆明，650217）

1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是依據(jù)目前能源市場需求下發(fā)展的新型發(fā)電技術(shù)，在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的背景下，國家倡導(dǎo)實施可持續(xù)發(fā)展，致力于探索可再生、無污染、高效率的發(fā)電形式。光伏發(fā)電主要依據(jù)于太陽光，其光線遍布區(qū)域廣泛、可利用面積較大并且無懼損耗，能源源不斷的提供能量。依據(jù)以上種種優(yōu)勢光伏發(fā)電得到了世界各國的青睞。特別是光伏發(fā)電并入電網(wǎng)之后，給電力系統(tǒng)的發(fā)電提供了新的途徑[1]。

獨立光伏發(fā)電不可以與電網(wǎng)相連，在使用時需要搭配蓄電池儲存能量，這就導(dǎo)致獨立光伏發(fā)電的使用具有一定的局限性，整體的能量不能得到高效率的利用，從而無法滿足用戶穩(wěn)定用電的需求。并網(wǎng)PV與之不同，它需要搭配并網(wǎng)逆變器將能量轉(zhuǎn)化為電能傳送至電網(wǎng)[2]。與獨立PV相比，并網(wǎng)PV的能量利用率較高，且供電可靠性更強(qiáng)，使用范圍更加廣泛。

2 光伏發(fā)電相關(guān)理論

2.1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

并網(wǎng)PV由光伏電池方陣、變換器、控制裝置、保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成，光伏電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，變換器的作用是將波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，光伏電池方陣中產(chǎn)生的波形不是電信號系統(tǒng)中常見的波形，電網(wǎng)無法直接識別，需要變換器將其轉(zhuǎn)化為常規(guī)波形。控制裝置是并網(wǎng)PV的重要組成部分，它的作用相當(dāng)于是智能管家，負(fù)責(zé)收集、監(jiān)視、控制PV數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，PV系統(tǒng)的類型有很多，但是不論是哪種類型均需要具備控制裝置，且控制裝置在不同的PV中的作用也是不同的，具體如表1 所示。保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是防止太陽能孤網(wǎng)出現(xiàn)以及確保繼電裝置安全運行。

表1 控制系統(tǒng)具體分型及用途

2.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響

光伏發(fā)電并網(wǎng)后，會對原有的系統(tǒng)頻率產(chǎn)生一定的影響。這是由于光伏發(fā)電的電池板與其他發(fā)電形式的電池板存在差異，其電池板不是動態(tài)元件，這就導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的等效轉(zhuǎn)動力量降低，同時還會對固有轉(zhuǎn)動分量帶有一定程度上的損傷，使該裝置整體使用壽命降低。

同時還會影響有功功率的流向和母線電壓的幅值，在對PV系統(tǒng)并入電網(wǎng)的研究中，發(fā)現(xiàn)兩種形式的并入方式更符合目前市場的需求，第一種為集中式并網(wǎng)，集中式并網(wǎng)通常情況下不會在城市中進(jìn)行運用，這種并網(wǎng)形式比較適合高壓電力系統(tǒng)，光伏電站將光能轉(zhuǎn)化為電能后傳輸給高壓系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)將電能傳輸至公共電網(wǎng)，然后由公共電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)控配送至用戶，這些電站為了安全需要一般與負(fù)載的距離較遠(yuǎn)。第二種是分散式并網(wǎng)，這種并網(wǎng)形式相對來說比較常見，許多公共網(wǎng)絡(luò)采取的并網(wǎng)形式就是分散式并網(wǎng)，但是這種形式下的并網(wǎng)方式對母線電壓的幅值影響較大。

3 改進(jìn)遺傳算法無功優(yōu)化方法分析應(yīng)用

遺傳算法是優(yōu)化算法中使用較多的一種算法，是依據(jù)自然界中的自然選擇和自然遺傳的一種優(yōu)化算法，在非線性問題求解、組合優(yōu)化、人工生命等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 遺傳算法的基本原理

遺傳算法的思想源自于自然界生物的遺傳、變異以及優(yōu)勝劣汰的自然法則，通過淘汰較弱個體，在優(yōu)異群體中尋找最優(yōu)個體，遺傳算法就是基于此想法進(jìn)行的。在計算開始時，首先利用隨機(jī)的策略生成種群，并計算種群中個體適應(yīng)度的值，對這些值進(jìn)行排序。然后進(jìn)行遺傳操作，選取優(yōu)秀個體，一直重復(fù)操作篩選劣質(zhì)個體，直到得出高適應(yīng)度值的個體，反編碼后即可得到實際優(yōu)化問題的解。

4 基于改進(jìn)遺傳算法的含光伏電源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化

4.1 包含光伏電源配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型

無功優(yōu)化模型可用下式進(jìn)行表示

在上述式子中，f（x）是待優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)；h（x）為等式約束條件，g（x）為不等式的約束條件，有功網(wǎng)損的模型為:

在上式表達(dá)中，f1為所需要的目標(biāo)函數(shù)，PLOSS是配電網(wǎng)中的有功損耗，而Ui、Uimin、Uimax分別代表在節(jié)點i處的電壓值、在節(jié)點i處的電壓最小幅值、節(jié)點i處的電壓最大幅值。同理，Uj則代表當(dāng)電壓處于j節(jié)點時的電壓值。ijθ代表節(jié)點i與節(jié)點j之間的相角，代表懲罰系數(shù)。

系統(tǒng)電壓偏移會對配電網(wǎng)的正常運行帶來極大的影響，電壓水平不論是超出允許范圍內(nèi)還是低于允許范圍內(nèi)，都會影響配電網(wǎng)設(shè)備性能與壽命，目標(biāo)函數(shù)為電壓最小偏移量時，其表達(dá)式為

4.2 約束條件

無功優(yōu)化問題在求解過程中各種變量都需要有約束條件的限制，有功功率Pi的平衡方程為

無功功率Qi的平衡方程式為

本文針在遺傳算法上加入平穩(wěn)區(qū)間的概念，同時，在個體迭代尋優(yōu)過程中添加密集度，當(dāng)即將迭代的種群處于比較密集的狀態(tài)時，就可以通過加大個體交叉變異概率，這樣新個體的產(chǎn)生速率將會在一定程度上提升，新產(chǎn)生的個體能夠跳出局部最優(yōu)時，在尋優(yōu)時就能找到更優(yōu)秀的個體，以此類推尋找全局條件下的最優(yōu)解[3]。

對于改進(jìn)的遺傳算法，定義A（favg，r）為平穩(wěn)區(qū)間，當(dāng)隨機(jī)適應(yīng)度到平均適應(yīng)度之間的寬度d大于r時，則表明待交叉的個體不處于平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)，反之，則處于平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)。

同時，需要依靠種群的密度μ判斷交叉概率Pc和變異概率Pm是否需要自適應(yīng)調(diào)整，變異概率的調(diào)整公式為

交叉概率的調(diào)整公式為

在交叉概率與變異概率的公式中，K1與K2是交叉概率的系數(shù)，K3與K4為變異概率系數(shù)，’f為適應(yīng)度較大的個體。

4.3 遺傳算法的優(yōu)化流程

在改進(jìn)的遺傳算法開始時，輸入配電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值，令迭代次數(shù)K=1，然后進(jìn)入改良算法進(jìn)行計算，對染色體進(jìn)行編碼，隨機(jī)產(chǎn)生種群個體，在種群中經(jīng)過適應(yīng)度函數(shù)計算，在種群中通過交叉變異產(chǎn)生新的個體，若新個體滿足終止條件，則計算結(jié)束，若不滿足，需要令迭代次數(shù)加一，繼續(xù)對個體進(jìn)行計算，對種群交叉變異，直至得出符合終止條件的數(shù)值。具體無功優(yōu)化流程圖如圖1所示。

圖1 基于遺傳算法的無功優(yōu)化流程圖

圖2 節(jié)點電壓對比圖

紅色曲線代表未優(yōu)化，黑色曲線代表粒子群算法，藍(lán)色曲線代表本算法，由曲線圖可得，測得在不同節(jié)點時的電壓幅值，將遺傳算法改進(jìn)后，可以有效減少節(jié)點電壓的波動，且相較于粒子算法對電壓的控制更為穩(wěn)定，減少了無功補(bǔ)償設(shè)備的投切，增加了機(jī)械設(shè)備的使用時間。

5 結(jié)論

本文針對光伏發(fā)電并入電網(wǎng)后引起的電壓不穩(wěn)定問題，運用改進(jìn)遺傳算法對配電網(wǎng)電壓進(jìn)行無功優(yōu)化，改進(jìn)的遺傳算法對于光伏發(fā)電所引起的電壓不穩(wěn)定問題有成效，可大量運用于電網(wǎng)設(shè)備中。