基于改進灰色關聯算法的含分布式光伏配電網三相不平衡無功優化方法

于 海

引言

保障電網運行更加經濟安全，目前已成為我國電力科學領域的一項重要研究課題[1]。楊蕾等[2]提出了基于無功優化模型的新能源無功調節方案，能夠得到較穩定的電壓值。劉夢依等[3]構建了一種基于粒子群優化網絡的風電場出力預測曲線，最終從模擬結果看出，引入分布式電源后，可以保證配電網運行的穩定性。本文利用改進灰色關聯算法，設計一種配電網無功優化方法。

一、配電網三相不平衡無功優化方法設計

當光伏電源接入配電網中，為了保證配電網的電壓可以滿足正常的供電電壓，采用并聯電容器的方法對分布式光伏配電網進行有功補償，分布式光伏配電網的功率在（0.9～1.0）范圍內變化[4]。經過迭代處理后，利用下式使得有功功率可以達到0.9的無功補償容量：

上式中，代表含分布式光伏電源的功率因素。將其代入到下式，求出配電網的無功功率補償量：

基于上述對含分布式電源的配電網潮流計算的方法，進行潮流計算實現過程描述，具體步驟為：

Step1：進行配網結構解析，把網絡的參量轉化成標準的數值，對節點進行編碼，設置根結點0；

Step2：判定有沒有其他類型的功率分配，若有，按照初始狀態或最后一次反向運算的結果，計算出分配功率，并把它作為 PQ節點[5]。若沒有，就可以進行下一階段的工作；

Step3：對每個節點進行能量的統計，比如光伏電源，分布式電源，并聯電容器等，或把結果輸入到節點中，計算出有功功率；

Step4：按最后一步的基準電壓，或是最后一步循環時的電壓值、終端功率進行推算，直至完成最后一步可以回到初始狀態；

Step5：按首端電壓、前推得到的前端電源進行回代運算，然后再進行各節點電壓的分配，直至返回終端；

Step6：重復迭代過程+1，判定該循環過程中的節點電壓與前一次循環時的電壓之差是否低于該標準值，如果低于該值，執行Step8，如果超過該值，執行Step7；

Step7：通過環狀網絡或 PV節點的阻抗矩陣，計算出環斷點處的有功功率，對PV節點無功功率進行校正，然后進行Step2～Step6；

Step8：完成了含分布式光伏配電網潮流的計算，得出相應結果。

根據配電網輸出的無功功率，計算出分布式光伏配電網的無功補償量，結合潮流計算的代碼開發，計算了含分布式光伏配電網潮流。

采用改進灰色關聯算法對含分布式光伏配電網進行三相不平衡無功優化，其流程如圖1所示。

圖1 配電網三相不平衡無功優化算法流程

根據含分布式光伏配電網三相不平衡無功優化算法，得到了實現步驟，即：

Step1：輸入相應的配電網三相不平衡無功信息，包含光伏電源信息和配電網各節點信息，輸入控制變量，灰色關聯系數，關系維度，學習因子；

Step3：將結果帶入目標函數中，滿足守恒定量，由此判斷灰色關聯關系群組之間的關聯關系，并對其進行優化，獲取全局最優值；

Step4：計算灰色關聯系數的適應度函數和適應度比例，由此判斷灰色關系群組的聚集狀態；

Step5：若灰色關聯群組結構過于密集，則可擴張系數，使改進灰色關聯算法得到全局最優值；若過于分散，則可提高全局的搜索能力，達到最終的優化目的；

Step7：根據結果判斷最終的迭代次數N，滿足條件則結束優化過程，否則跳到Step3重新進行操作。

利用改進灰色關聯算法設計了配電網三相不平衡無功優化算法，實現光伏配電網的無功優化。

二、算例分析

為了驗證文中無功優化方法在實際應用中的性能，本文以IEEE3節點分布式光伏配電網作為算例，首先在保證配電線路參數一定的條件下，連接兩個光伏電源DG1和DG2、兩個電容器C1和C2、調壓變壓器T，將節點1看作是平衡節點，節點2和節點13看作是PV節點，除此之外的其他節點看作PQ節點，IEEE3節點分布式光伏配電網結構圖如圖2所示。

圖2 IEEE3節點分布式光伏配電網結構圖

假設分布式光伏電源DG1和DG2可以為配電網提供無功補償，有功的出力為2MW，無功出力在-11～500kvar之間，用于無功補償的電容器C1和C2容量分別為200kvar＊3和200kvar＊5。將變壓器的電壓比設置在0.8～1.4之間，步進量和上下檔位設置為0.013和±10。

采用基于改進灰色關聯算法的含分布式光伏配電網三相不平衡無功優化方法對IEEE3節點分布式光伏配電網進行無功優化，優化前后的對比結果如表1所示。

表1 IEEE3節點分布式光伏配電網無功優化前后的控制變量參數

表1的結果顯示，文中方法對IEEE3節點分布式光伏配電網進行無功優化之后，可以保證配電網的安全穩定運行。

為了突出文中方法的優勢，引入含高比例風光新能源電網的優化方法和計及風光出力相關性的優化方法作對比，得到優化前后節點的電壓幅值情況，結果如圖3所示。

圖3 節點電壓對比圖

根據圖3的結果可知，計及風光出力相關性的優化方法和文中方法的電壓幅值提高幅度較大，可有效避免電壓越限的發生，且文中方法對IEEE3節點分布式光伏配電網的無功優化效果更好。

采用三種方法優化配電網的無功功率時，經過100次迭代之后，得到最終的優化結果，如表2所示。

表2 無功優化結果

從表2的結果可知，與含高比例風光新能源電網的優化方法和計及風光出力相關性的優化方法相比，文中方法對IEEE3節點分布式光伏配電網進行無功優化之后，網損下降率高達16.46%，且計算速度也是最優的。

在上述實驗結果的基礎上，對三種優化方法的收斂性進行了測試，結果如圖4所示。

圖4 收斂性曲線

圖4的結果顯示，對IEEE3節點分布式光伏配電網進行無功優化時，經過30次迭代就進入收斂狀態，則文中無功優化方法的優化效果更好。

結束語

在改進灰色關聯算法的基礎上，針對光伏配電網提出一種無功優化方法，網損下降率高達16.46%，經過30次迭代就進入收斂狀態，可以更好地優化避免電壓越限，保證配電網穩定運行。