多机孤立混合电力系统的无功参与控制及成本评估

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）442基于成本的多机孤立混合电力系统无功参与电压控制Nitin Kumar Saxena先生， Ashwani Kumar先生电气工程系，NIT Kurukshetra，印度接收日期：2015年11月18日;接受日期：2016年5月4日2016年8月4日在线发布摘要多台风力发电机和柴油发电机组成的独立混合电力系统在技术和运行上都优于单台系统。它们需要动态无功功率补偿，以便在负载和输入变化时快速恢复电压在像印度这样的发展中国家，投资者静态补偿器与动态补偿器一起使用可以为系统提供成本有效的无功功率参与。研究了含固定电容器和静止同步补偿器（STATCOM）系统稳态和暂态条件本文的主要贡献是：（一）评估无功功率平衡方程的广义多单元的风力和柴油机为基础的隔离混合电力系统，（二）无功功率补偿使用固定电容器和STATCOM在复合负载模型的存在下，（二）快速恢复的电压响应使用遗传算法为基础的调整STATCOM控制器，（三）评估无功功率补偿成本的稳定和动态条件下，由于负载和/或输入需求的概率变化和（四）与现有的参考补偿方法的结果比较© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：多机孤立混合电力系统;静态和动态无功补偿器;复合负荷模型;电压控制;基于成本的无功参与1. 介绍在印度，能源资源和消费中心的分布极不平衡。负荷中心分布在远离资源丰富地区的偏远地区这导致在发电机组和负荷中心的用户之间的传输系统的巨大和复杂的需求由于电网连接的电力系统是不经济可行的远程位置。因此，输配电损耗高，*通讯作者。电子邮件地址：nitinsaxena. gmail.com（新西兰）Saxena），ashwa ks@yahoo.co.in（A.Kumar）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.05.0012314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442443命名法同步发电机感应发电机负载吸收的有功功率增量变化公司简介同步发电机感应发电机吸收的无功功率增量变化负载吸收的无功功率增量变化STATCOM产生的无功功率增量变化固定电容器产生的无功功率增量变化VLoad terminal voltage由于负载和/或输入干扰导致（Dv）CLM 复合负荷模型稳态和暂态时固定电容器和STATCOM的QSS、QSS和Qts无功功率ST足球俱乐部StC1（x）和C2（x） FC和STFig. 1.不同部门参与在印度安装可再生能源系统。能源需求的增长，特别是偏远地区的消费者和配电网络的拥堵，鼓励农村地区的消费者使用可再生能源分散式发电机组（电力部，2015年）。印度政府也在向私人投资者推广安装分布式发电机组，因为在如此偏远的农村地区供应并网电力系统存在技术和经济限制（电力部，2013年）。由于可再生能源的波动性质和不可再生能源的成本增加，基于风力柴油机的隔离混合动力系统（IHPS）是为这些地区供电的最有说服力的选择（Tao等人， 2015年）。 在这种系统中，单个或多个感应和同步发电机可以并联连接，分别通过风力和柴油获取电力（Kassem和Yousef，2011年）。可以并入多个发电单元以改善操作性能并受益于大量的规模效益（Xie等人， 2011年）。在大多数的论文中，可在电力系统中的多个发电机组，其主要推力是在其最佳尺寸，操作问题和技术效益。基于技术优势，文献中推荐了IHPS中的多单元系统（Jahanbani和Riahy，2011年）。多机组系统的经济性问题还没有被研究者所触及。私人投资者参与安装可再生能源系统（RES）可以通过图更好地理解。1.一、人们还注意到，印度88%的可再生能源是由私人投资者安装的（Nfaha等人， 2007年）。 私人投资者的参与导致了供电方面的竞争，因此，辅助服务的报酬在系统中变得更加重要。在这种孤立的混合动力系统中，444N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442系统是根据稳态和动态运行的无功功率要求进行补偿。对于电压控制，需要通过IHPS中的补偿器获得无功功率这种补偿可以使用静态、动态或两种类型的补偿器的组合来在决定补偿技术之前，必须注意以下观察结果：(i) 稳态和动态条件下都需要无功功率 稳态要求可以由静态和/或动态补偿装置提供，但是动态条件只能由动态补偿装置提供（Shivakumar等人， 2012年）。(ii) 静态补偿器更便宜，但不能调节系统电压以实现系统中的快速作用变化（Sharma等人， 2013年）。(iii) 动态补偿器在系统电压突变时具有良好的调节特性，但它们的使用使系统的补偿成本非常高（Zhong，2003）。(iv) 可以允许静态补偿器与动态补偿器的参与，直到系统电压响应保持在其预定义的可接受范围内的程度（Gil等人， 2000年）。本文提出了基于成本的无功参与电压控制的多单元IHPS。在复合负荷模型下，将静态补偿器和动态补偿器结合起来，寻找它们的最佳参与度，进行系统无功补偿研究系统性能进行比较现有的和建议的补偿技术。无功功率成本分析已经获得了10%的阶跃变化作为确定性的负载模式（DLMs）的负载无功功率需求和风输入的实际功率与1%的随机变化作为概率的负载模式（PLMs）的系统。本文组织如下;在第2节中，问题和方法，无功功率补偿多单元IHPS描述。提出了基于仿真的IHPS研究对动态负荷模型、静态负荷模型和无功补偿技术的要求和必要性。第三节介绍了多单元IHPS的数学模型建立了多单元并联型水轮发电机组的Simulink模型和相应的无功电压方程讨论了利用遗传算法建立复合负荷模型和整定STATCOM控制器增益常数的方法在第四节中，阐述了基于成本的无功功率参与系统的优化技术。在第5节中，详细阐述了结果，并对系统的性能进行了比较。为此，本文提出了基于成本的ST和FC之间的无功参与。最后，在第四部分，总结了本文的研究目标本文利用MATLAB 7.10（TheMath Works，Natick，Massachusetts，USA）对孤立混合电力系统进行了研究通过MATLAB程序和Simulink模型之间的相互接口得到结果在文章的最后，附录12. 问题公式化多单元系统可以分别由多个基于风力和柴油的自励感应发电机（SEIG）和同步发电机（SG）组成，如图2中的多单元IHPS的一般框图所示。Sandhu和Jain（2008）以及Krichen等人（2008）讨论了在IHPS中使用SEIG优于DFIG或PMIG的优点。同步发电机配备励磁机和AVR被认为是柴油发电机组。无功功率补偿是系统部件稳态需求和系统负载和输入突然变化所必需的。这些变化导致在没有足够的无功功率供应给系统的情况下，电压波动大的严重问题为了克服这个问题，在系统中安装动态补偿器即STATCOM（ST）和/或静态补偿器即固定电容器（FC）以控制无功功率并使电压波动最小化通过等式和不等式约束的帮助下，制定和解决一个优化问题，通过他们的无功功率参与决定两个SEIG和两个SG被认为是开发一个MATLAB的simulink模型的研究IHPS。 复合负荷模型为IHPS的无功补偿研究提供了准确的负荷模型，因此本文使用了该模型（Fahmy等人，2007年）。Kim等人（2012年）和Parveen（2009年）建议远程IHPS复合负荷模型中静态和动态负荷的参与比所以，复合载荷N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442445ΣΣΣΣωXmvCLMωXmvCLM图二.多单元IHPS通用框图。本文采用杵状指数型静态和五阶感应电动机动态负荷模型，模型的参与系数为4：1。3. 多单元系统针对图 2、在稳态有功和无功功率平衡方程可以扩展为（Bansal，2002），P2PL=P2PIG+P2PSG（1）QIG+系统的动态性能进行了研究;（i）负载无功功率需求的突然干扰，和/或（ii）风力输入有功功率的突然干扰。在动态条件下，推导了系统净无功剩余的数学表达式，Q=通过以速率d E m /d t改变每个感应发电机的磁化电抗中的电磁能量吸收并在负载中消耗更多的无功功率，该剩余无功功率Δ Q将增加系统电压（Saxena和Kumar，2014年）。因此，多机系统的净剩余无功功率可以通过将各台异步发电机电磁能量吸收的贡献相加来计算因此，多机系统的S平面净剩余无功功率Q（s）=.sV.1+（D）V（s）（4）比较等式（3）和（4），Σ∆QSG+∆QFC+∆QST−Σ∆QIG−∆QL=.sV.1+（D）V（s）（5）因此，Eq。（5）给出了多机组IHPS无功平衡方程的广义传递函数。这个方程可以扩展到任何数量的感应和同步发电机。在这项工作中，两个SG和两个IG耦合模拟多单元IHPS。附录1在先前的论文中可获得开发SG、IG、ST和FC的无功功率的增量变化的线性化模型的数学（Bansal等人，2004; Sharma 等 人 ， 2009; Sharma 和 Bhatti ， 2013; Vachirasricirikul 等 人 ， 2010; Kothari 和 Nagrath ， 2006;Kouadri和Tahir，2008; Singh等人， 2004年）。多机组的simulink模型446N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442图三. 多单元IHPS的Simulink模型。IHPS满足等式中的无功功率平衡等式（5）如图所示。3.第三章。simulink模型中显示的常数值见附录1-3。复合负荷模型（CLM）由杵状静态负荷模型（SLM）和动态负荷模型（DLM）开发（Singh等人， 2004年）。 Kundur（2006）和Saxena和Kumar（2015 a）已经说明了根据等式2的要求开发（D v）CLM的完整程序。（五）、一个算法，提出了发展它是在图中所示。 四、图 3、STATCOM模型由相序延迟、晶闸管触发延迟和PI控制器三个传递函数模块表示。这些增益常数KP和KI可以通过传统的或先进的调谐方法来评估。传统的方法，其中KP和KI调整最小化的性能指标值使用ISE标准已在文献中（Bansal，2002）。传统的PI控制器的整定方法不能给出令人满意的结果与不确定的动态，时间延迟，非线性，恢复慢，鲁棒性差，最坏的情况下，将是系统操作的崩溃。因此，研究人员不断尝试探索智能控制器寻找最优PI参数的最佳方法。利用遗传算法整定PI控制器的增益常数，克服了传统方法的局限性。遗传算法是一种概率算法，它在适应度的指导下搜索可用函数和终端的组合空间，并在到达代表问题的最优解的个体时停止。Saxena和Kumar（2014年）建议基于遗传算法整定STATCOM控制器增益常数。4. 基于成本的无功补偿装置无功功率需求可以分为固定需求和可变需求两大类固定需求是负荷和SEIG对其励磁的稳态需求可变需求是由于系统的负荷和输入的变化而产生的突然需求无功补偿器的快速响应对在电压允许范围内以最短时间抑制系统的电压暂态响应起着重要作用N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442447FCStSt8760 ×15St见图4。 用于计算（Dv）CLM的算法。偏差动态无功功率补偿器（ST）给出了更好的结果，如在各种研究论文中讨论的那样，但是与静态无功功率补偿器（FC）相比，它们的成本非常高。另一方面， FC非常低，但是它们单独不能够提供电压调节的适当解决方案。由于静态补偿的参与使系统的电压响应变形，因此FC与ST的参与被优化到允许范围内的电压劣化程度因此，FC和ST两者的共同参与可以给出在允许范围内与电压响应质量折衷的具有成本效益的补偿技术在这个优化问题中必须包含的重要特征是：(i) 通过FC和ST的共同参与，最大限度地降低稳态下的补偿成本，以及(ii) 增加FC与ST的参与，直至系统电压响应保持在其预定义的可接受范围内。从数学上讲，补偿器在任何时刻产生的总无功功率由FC在稳态时产生的无功功率和ST在稳态和动态时产生的无功功率之和给出。Qcom=. Qss +Qss+Qts（六）对于成本分析，为FC和ST定义了补偿成本函数（Saxena和Kumar，2014）。假设系统中的补偿成本函数仅包括STATCOM和固定电容器的无功功率生产成本，并且按照一般惯例考虑15年寿命的成本函数（Saxena和Kumar，2015 b;Chung等人， 2004年）。C 1（QFC）= 0。132×QFC（美元/小时）（7）STATCOM成本函数的表达式如下所示（Murty和Kumar，2013）;C2（QS T）=1000×QST。0的情况。0002466Q2−0。2243QST+15 0. 527美元/小时（8）QFC和QST的评级是MVAr。448N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442StΣΣFCStFCFCStStFC平等限制;StSS使用公式（7）和（8），总补偿成本可以使用等式（1）进行评估（六）、C（Qtotal）=. C1. Qss+C2. Qss+C2. Qts}（9）目标函数J被定义为最小化等式2的补偿成本。（9）受到平等和不平等的约束。必须注意的是，动态条件无功功率需求仅由ST满足，因此，不需要包括Qts在优化问题目标函数中。目标函数;J= C1。Qss+ C2. Qss卡（10）在任何时刻，负载和感应发电机消耗的无功功率将由同步发电机、固定电容器和STATCOM提供QSG=QSG（强制性）（11）QIG=QIG（满载）（12）Q需求=Q释放（13）Q需求=QIG+QL−QSG（14）Q释放=Qss+QST（十五）不平等约束;0 ≤Qss0 ≤Qss≤Q需求（16）≤Q需求（17）V最小值≤ V≤V最大值（18）建立时间≤可接受的建立时间（19）N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442449图五.无功补偿流程图。450N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442St一个流程图显示了所提出的无功功率补偿优化算法，如图所示。 五、5. 结果和讨论为了评估补偿量和成本，通过开发MATLAB程序并在主程序中调用Simulink模型进行优化通过MATLAB程序和仿真评估多单元IHPS结果的重要特征如下：IHPS的模拟时间取为1.1 s。IHPS模拟在t= 0 s时开始，扰动在1.0 s时给出有功功率响应时间相对非常高，在本研究中未考虑风力发电机使用SEIG的可变滑差模型，并在满负荷额定值下运行。柴油发电机采用带IEEE I型励磁系统的SG，仅在强制区域提供无功功率。一个星形连接的电容器组（FC）被用作静态补偿器。使用具有单位调制指数的12脉冲STATCOMSTATCOM方案的III型小信号模型一个功率平衡方程的开发广义数量的风力和柴油机组。采用两台相同额定值的IG（各1.5 MW）和两台相同额定值的SG（各1.0 MW）开发基于5.0 MW多机组的IHPS。所有系统组件的常数，如在simulink模型中，首先在MATLAB中进行评估。在稳态条件下，除了同步发电机产生的无功功率量在强制限制范围内外，还需要无功功率补偿器产生的无功功率用于IG和负载问题公式化、等式约束和不等式约束已经在最后一节中解释过了并以两个案例进行了补偿成本分析的比较研究。这些案件如下：• 案例I：ST单独用于系统中的无功功率补偿• 案例二：FC和ST共同参与系统的无功补偿在情况I中，无功功率仅由ST提供获得了具有上述负载模型和干扰条件的情况I的电压响应瞬态条件下的参数，如建立时间，电压骤降和电压上升的发现，并用作情况II的参考值。情况II的建立时间、电压骤降和电压上升的可接受范围可假定为：电压响应应稳定。电压偏差应在最短时间内达到零，电压上升和下降的绝对值不应超过第一种情况电压上升和下降值的0.05pu。• 建立时间不应超过I类电压响应建立时间的0.01 s稳态时系统无功功率需求为0.3037 pu这种需求仅在情况I中由ST产生对于第二种情况，通过开发与IHPS的多单元Simulink模型接口的MATLAB程序进行了优化，如图3所示。如等式中所示，总共取1000个样品。（16）和（17）满足等式（十五）、对每个样品产生电压响应。在这1000个样本中，对满足情况II的可接受范围的等式和不等式约束的样本进行排序。计算每个排序样本的无功补偿成本，并通过FC和ST选择补偿成本最小的样本以获得最佳补偿值。情况I和情况II的优化结果总结在表1中。表1描述了静态和动态补偿器的无功功率补偿量以及情况I和情况II的相应补偿成本。图图6-8比较了两种情况下的反应。响应中的连续波纹是由于扰动中的概率负载模式在动态条件下，系统扰动将仅通过ST获得，因此，Qts的值这两种情况是一样的。总表1中给出了补偿成本，它显示了情况II中补偿成本的较低值··········N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442451表15.0MW多机系统成本分析比较研究多单元IHPSSTSTFCSTST足球俱乐部见图6。5.0MW多机试验系统电压偏差。图7.第一次会议。5.0 MW多机试验系统STATCOM无功偏差见图8。5.0MW多机试验系统FC无功偏差。案例I（仅ST）案例二（ST +FC）Qss（pu）0.27150.1024Qts（pu）0.20500.2051Qss（pu）00.1690总Q（pu）0.47650.4765C1（Qss）（每小时$）00.1116C2（Qss）（每小时$）1.55430.5867C2（Qts）（每小时$）1.17381.1738C（Q总计）（每小时$）2.72811.8721452N.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442−可以观察到，在情况II中，系统性能在电压骤降、电压上升和稳定时间方面下降，但是响应在如上所定义的可接受范围内，并且更重要的是，系统补偿成本降低到大约31%。 图图7呈现了ST在两种情况下的行为，ST释放的无功功率的大小减小，而ST性能由于情况II中FC的存在而降低。因此，优化方法已被验证与多单元系统。6. 结论在竞争性电力市场中，无功优化配置被认为是重要的辅助服务之一，由独立系统运营商（ISO）提供作为辅助服务的无功功率的采购涉及成本投资，因此需要获得报酬。在偏远地区，电力的连续性更为重要。最终用户可以在一定程度上对供电质量做出妥协，以减少电费。这可以通过使用FC和ST应用混合补偿来实现提出了一种方法来优化静态和动态补偿器参与这样的系统考虑成本和电压响应的性能参数的要求。表中和图中所示的结果表明，该方法的有效性的多单元IHPS具有确定性和概率性质的干扰存在的复合负荷。附录1.用于模拟的典型系统和组件额定值系统容量5.0 MW综合负荷5.0 MW基本功率5.0MVA基极电压400 V系统类型多单元感应发电机1.5 MW× 2同步发电机1.0 MW× 2附录2.感应发电机IG功率因数= 0.9滞后滑差=4%效率= 90%电压= 400V频率= 50 Hz同步发电机SG功率因数= 0.9滞后电压=400 V频率= 50 Hz固定电容器电压= 400 V频率= 50HzN.K. Saxena，A.Kumar/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）442453==62+X2−2+X24STATCOM电压= 400 V频率= 50Hz开关频率= 10 kHz附录3.simulink模型K1XdrXdK2=. Xd−XdrV×CosδXdrCosδXdKEqr×Cosδ−2VXDRK5=，. .X当量2002年2月。你好，RP−K =.PRP−Req2VEQEQ+X当量 /2RP−ReqXeq−，. .PPRPX eq- 是的EQEQΣ,⎤⎦EQ2VK7=XCK8=kVdcVBSinαK9= −kVdcB Cosα引用Bansal，R.C.，巴蒂，T. S.，Kothari，D.P.，2004年异步发电机的一种新的数学模型用于孤立混合电力系统的无功功率控制。国际J.型号你好24（1），1-7.Bansal，R.C.，2002年。自主式混合电力系统之自动无功功率控制，博士论文，十二月。印度技术研究所，德里，印度。Chung，C.Y.，Chung，T.S.，余正伟Lin，X.J.，2004年考虑电压安全的电力系统重构中基于成本的无功定价。电子电力系统研究70，85-91。Fahmy，O.M.，Attia，A.S.，Badr，M.A.L.，2007年 一种新的电力负荷分析模型，包括静态和动态分量。 电子电力系统研究77，1249-1256。Gil，Julian Barquín，San Roman，Tomas Gomez，Alba Rios，Juan Jose，Martin，Pedro Sanchez，2000.无功功率定价：报酬和收费程序的概念框架。IEEETrans. 电力系统15（2）。Jahanbani，Fatemeh，Riahy，Gholam H.，2011年。混合可再生能源系统之最佳化设计，第十一章。在：Renewable Energy-TrendsandApplications。InTech，China（Chapter 11）.Kassem，Ahmed M.，Yousef，Ali M.，2011年。基于线性二次高斯方法的孤立风力-柴油混合发电系统鲁棒控制。电子 电力能源系统33，1092-1100。K=3R-右RR -右/2个RP -右454N.K. 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