说明书一种电压约束下主动配电网中DG准入容量的计算方法
技术领域
本发明涉及一种电压约束下主动配电网中DG准入容量的计算方法。
背景技术
与输电网络相比，电能在传输过程中的有功损耗在配电网络中所占比例更高，因此减少配网有功损耗、节约电能是许多电力从业者面临的重要课题。随着分布式发电技术的提高，全球各国电网兴起了在配电网中接入分布式电源(distributed generation，DG)的研究与应用。一直以来，电容器作为能够减少网损、提高电压质量的电力元件而被广泛应用于配电网中。近年来电池储能技术的发展与进步加速了其在电网中的应用，储能系统也被用来提高供电可靠性、减少网损。另外，用于小水电的同步发电机、用于风力发电的双馈式感应发电机等都是新型的DG。
分布式电源(DG)发展对负荷预测、网络潮流、电源结构带来了大量的不确定因素，对配电网规划将产生多方面的影响。分布式电源的合理规模、布点规划和考虑DG的配电网扩展规划问题。
在传统的配电网中，线路选型、设备选型、相应的继电保护、潮流控制、计量，考虑的都是单方向流动的特点，在电网无故障的情况下，一般不会进行自动控制的操作。因此，传统配电网(被动配电网)在规划时没有考虑分布式电源接入配电网的影响，而是基于电力潮流从变电站单向流向负荷这一前提而设计的。
主动配电网是内部具有分布式或分散式能源，具有控制和运行 能力的配电网。主动配电网有四个特征，一是具备一定分布式可控资源，二是有较为完善的可观可控水平，三是具有实现协调优化管理的管控中心，四是可灵活调节的网络拓扑结构。主动配电网的“主动”,还体现在对有可能出现的危险进行预判，并制定一定应对策略，通过控制中心有效执行，而不是像传统配电网只能在故障发生后才被动地采取措施。
但是，由于分布式电源的接入改变了配电网原有的单一、辐射状的网络接线形式，增加了配电网调度与运行管理的复杂性。而且，当配电网中分布式电源接入的装机容量超过一定范围时，将对电网的安全运行和可靠供电产生诸多不利影响，比如可能出现电压偏差、电压闪动、谐波、保护误动等现象。因此，亟需对中低压配电网接纳分布式电源的能力进行研究，准确确定中低压配电网接纳分布式电源的能力，以确保分布式电源和电网的安全、可靠运行。
现有技术在确定配电网接纳分布式电源的能力时，由于采用不合时宜或者非重点考虑的校核判据，将使确定出来的对分布式电源的接纳能力难以准确反映分布式电源接入的实际情况。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电压约束下主动配电网中DG准入容量的计算方法，用于在不改变原有配电网的保护整定值的情况下实现最大容量接入，提高了供电可靠性。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种电压约束下主动配电网中DG准入容量的计算方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)规划主动配电网中DG的接入数量及接入地点；
(2)确定DG接入组合及各种DG接入组合下的运行方式；
(3)确定分时段DG的接入数量及每个时段里DG的发电量和负荷值；
(4)对每一个DG接入组合下所有时段的DG接入容量进行潮流优化计算；
(5)确定主动配电网可接纳DG最大容量的目标函数为：
MaxΣc∈MGNΣi∈NPDGic---(1)]]>
式(1)中，MCN为DG接入组合数量，N为DG节点数量，PcDGi为DG节点i的有功功率；
(6)根据步骤(5)所述目标函数确定各个接入点的最优DG接入容量。
优选地，所述DG接入组合的数量MCN通过下式来确定：
1≤MCN≤(2DGK-1)---(2)]]>
式(2)中，DGN为DG的数量。
优选地，在步骤(4)中所述对每一个DG接入组合下所有时段的DG接入容量进行潮流优化计算的过程包括以下步骤：
(41)对一个DG接入组合下第一时段的DG接入容量进行潮流计算，确定该DG接入组合下第一时段的最大DG接入容量；
(42)分别对该DG接入组合下其它时段的DG接入容量进行潮流计算，确定该DG接入组合下其它时段的最大DG接入容量，从而完成该DG接入组合下各个接入点的最大DG接入容量；
(43)重复步骤(41)和(42)分别对其它DG接入组合下所有时段的最大DG接入容量。
进一步优选地，在步骤(4)中各种DG接入组合下各个时段的最大DG接入容量的确定通过主动配电网中优化后的DG渗透功率来确定，所述DG渗透功率的优化过程包括以下步骤：
每个节点的有功功率及无功功率平衡可分别表示为如式(3)和式(4)：
PGi,mc+pDGicαm=Σj∈NPi,j,mC+PDiγm---(3)]]>
QGi,mc+pDGicαmtanθi,mc=Σj∈NQi,j,mC+QDiγm---(4)]]>
式(3)和式(4)中，为电网发电机有功出力，为接入i点的DG有功出力，αm为DG出力百分比，θ为相角；
线路潮流方程可表示为：
Pi,j,mc=-(Vi,mc)2Gij+Vi,mcVj,mc(Gijcos(δi,mc-δj,mc)+Bijsin(δi,mc-δj,mc))---(5)]]>
Qi,j,mc=(Vi,mc)2(Bij+12bcij)Vi,mcVj,mc(Gijsin(δi,mc-δi,mc)-Bijcos(δi,mc-δj,mc))---(6)]]>
式(5)和式(6)中，和分别线路的有功潮流和无功潮流，Bij为线路电纳，为电压幅值，为相角；
线路潮流的约束条件为：
PGmin≤PGi,mmin≤PGmax---(7)]]>
QGmin≤QGi,mmin≤QGmax---(8)]]>
Vimin≤Vi,mc≤Vimax---(9)]]>
Timin≤Ti,mc≤Timax---(10)]]>
θimin≤θi,mc≤θimax---(11)]]>
式(7)至式(11)中，T为OLTC变比，θ为功率因数角，P、Q分别为有功功率和无功功率；
DG接入容量的约束式为：
(Pi,j,mc)2+(Qi,j,mc)2≤Si,jmax---(12)]]>
式(12)中,和分别为线路的有功潮流和无功潮流,为线路 热稳极限；
优化后各个节点的DG渗透功率为：
PDGiopt=min[PDGi1,PDGi2,PDGi3...PDGic]---(13)]]>
式(13)中，为优化后接入i节点的DG容量。
进一步优选地，所述潮流计算的过程包括以下步骤：
确定DG的接口形式；
将采用励磁电压恒定同步发电机接口的DG等效为有功功率P和电压V确定的PV节点；
将采用励磁电压可调同步发电机接口的DG等效为P确定、无功功率Q随V变化而变化的P-Q(V)节点；
将采用电压控制型电力电子装置接口的DG等效为P和V确定的PV节点；
将采用电流控制型电力电子装置接口的DG等效为P和电流I确定的PI节点；
将采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的DG等效为PQ节点；
将未采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的DG等效为P-Q(V)节点。
更进一步优选地，所述P-Q(V)节点中QG和V的关系为：
QG=V2xm+V2-V4-4P2x22x,]]>
其中，x为定子电抗和转子电抗之和，xm为励磁支路电抗。
更进一步优选地，所述PI节点中QE和I的关系为：
QE=I2V2-P2.]]>
本发明的有益效果是：
本发明基于多个DG多时段的潮流优化计算来确定DG接入的最大容量，不仅对配电网多个DG接入进行分析，还考虑了不同时段DG输出功率的不确 定性以及负荷的动态变化特性，进行全局寻优，得出DG优化配置方案。
本发明首次采用了对多个DG接入的所有可能组合方式进行分析的方案，得到最大的DG渗透功率值。每种方式又考虑了多个时段的情况；并且每个方式，考虑了电力系统的动态特性，即分布式电源输出功率的不确定性及负荷的动态变化特性，具有很强的鲁棒性。
本发明通过对DG渗透功率进行优化来确定主动配电网中各个接入点的最优DG接入容量，不仅对配电网多个DG接入进行了分析，而且还考虑了不同时段DG输出功率的不确定性以及负荷的动态变化特性。
本发明采用了一种新的分布式电源的潮流计算方法，使用不同接口形式的不同类型分布式电源等效为相应的潮流计算模型，即对等效为PV节点、PQ节点、PI节点和P-Q(V)节点的分布式电源分别使用PV节点模型、PQ节点模型、PI节点模型和P-Q(V)节点模型来进行潮流计算，使潮流计算结果更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为有1个DG接入的配电网示意图；
图3为有2个DG接入的配电网示意图；
图4为确定配电网各个接入点的最优DG接入容量的流程图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚 的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，本发明的一种电压约束下主动配电网中DG准入容量的计算方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)规划主动配电网中DG的接入数量及接入地点；
(2)确定DG接入组合及各种DG接入组合下的运行方式；
(3)确定分时段DG的接入数量及每个时段里DG的发电量和负荷值；
(4)对每一个DG接入组合下所有时段的DG接入容量进行潮流优化计算；
(5)确定主动配电网可接纳DG最大容量的目标函数为：
MaxΣc∈MGNΣi∈NPDGic---(1)]]>
式(1)中，MCN为DG接入组合数量，N为DG节点数量，PcDGi为DG节点i的有功功率；
(6)根据步骤(5)所述目标函数确定各个接入点的最优DG接入容量。
本发明基于多个DG多时段的潮流优化计算来确定DG接入的最大容量，不仅对配电网多个DG接入进行分析，还考虑了不同时段DG输出功率的不确定性以及负荷的动态变化特性，进行全局寻优，得出DG优化配置方案。
电压约束是配电网中确定容纳DG容量的主要考虑的问题之一。
如图2所示，Vs要维持在一定的电压范围内，保证线路末端、用户电压在合格范围内。DG的接入会使Vs的电压升高，
ΔV1=V1-Vs=R1(PDG1-PD1)+X1(QDC1-QD1)V1---(14)]]>
PDG1≈V1(V1-VsR1)+(R1PD1-X1QD1R1)-(X1QDG1R1)---(15)]]>
PDG1maxI≈V1max(V1max-VsIR1)=V1max(V1max-VsminR1)---(16)]]>
PDG1maxII≈V1max(V1max-VsIIR1)---(17)]]>
在被动配电网中，有载调压变压器(OLTC)主要是用来调压，维持二次侧电压在一定的限值范围内；但在主动配电网中，可以通过控制OLTC二次侧的电压提高DG的渗透功率。如图2所示，Vmax≥VsII≥Vmin
如图3所示，若在V2点接入DG2，则VsII就可以维持在一个比DG2接入前较低的电压水平上，或者说不受V2电压的限制，Vmax≥VsII≥Vmin，由公式(17)能够提高该配电网的DG渗透功率。
Vsmin≥V2min+ΔV2]]>
对于一个有N个DG接入的情况下，确定可接纳DG最大容量为目标函数为：
MaxΣc∈MGNΣi∈NPDGic---(1)]]>
通过式(2)来确定多DG的组合方式数量
1≤MCN≤(2DGN-1)---(2)]]>
DGN为配电网系统中接入DG的数量(含规划中DG接入母线)。例如有2个DG接入点，则DG不同的组合方式有3种，(0,1)，(1,0)，(1,1)，不考虑(0,0)的情况。
DG自身输出容量限制：
PDGic=0≤PDGic≤DGmax∀βic=10∀βic=0]]>
优选地，在步骤(4)中所述对每一个DG接入组合下所有时段的DG接入容量进行潮流优化计算的过程包括以下步骤：
(41)对一个DG接入组合下第一时段的DG接入容量进行潮流计算，确定该DG接入组合下第一时段的最大DG接入容量；
(42)分别对该DG接入组合下其它时段的DG接入容量进行潮流计算，确定该DG接入组合下其它时段的最大DG接入容量，从而完成该DG接入组合下各个接入点的最大DG接入容量；
(43)重复步骤(41)和(42)分别对其它DG接入组合下所有时段的最大DG接入容量。
本发明首次采用了对多个DG接入的所有可能组合方式进行分析的方案，得到最大的DG渗透功率值。每种方式又考虑了多个时段的情况；并且每个方式，考虑了电力系统的动态特性，即分布式电源输出功率的不确定性及负荷的动态变化特性，具有很强的鲁棒性。
进一步优选地，在步骤(4)中各种DG接入组合下各个时段的最大DG接入容量的确定通过主动配电网中优化后的DG渗透功率来确定，所述DG渗透功率的优化过程包括以下步骤：
每个节点有功及无功功率平衡满足下式：
PGi,mc+pDGicαm=Σj∈NPi,j,mC+PDiγm---(3)]]>
QGi,mc+pDGicαmtanθi,mc=Σj∈NQi,j,mC+QDiγm---(4)]]>
式(3)和式(4)中，为电网发电机有功出力，为接入i点的DG有功出力，αm为DG出力百分比，θ为相角；
线路潮流方程可表示为：
Pi,j,mc=-(Vi,mc)2Gij+Vi,mcVj,mc(Gijcos(δi,mc-δj,mc)+Bijsin(δi,mc-δj,mc))---(5)]]>
Qi,j,mc=(Vi,mc)2(Bij+12bcij)Vi,mcVj,mc(Gijsin(δi,mc-δi,mc)-Bijcos(δi,mc-δj,mc))---(6)]]>
式(5)和式(6)中，和分别线路的有功潮流和无功潮流，Bij为线路电纳，为电压幅值，为相角；
线路潮流的约束条件为：
PGmin≤PGi,mmin≤PGmax---(7)]]>
QGmin≤QGi,mmin≤QGmax---(8)]]>
Vimin≤Vi,mc≤Vimax---(9)]]>
Timin≤Ti,mc≤Timax---(10)]]>
θimin≤θi,mc≤θimax---(11)]]>
式(7)至式(11)中，T为OLTC变比，θ为功率因数角，P、Q分别为有功功率和无功功率；
DG接入容量的约束式为：
(Pi,j,mc)2+(Qi,j,mc)2≤Si,jmax---(12)]]>
式(12)中,和分别为线路的有功潮流和无功潮流,为线路热稳极限；
优化后各个节点的DG渗透功率为：
PDGiopt=min[PDGi1,PDGi2,PDGi3...PDGic]---(13)]]>
式(13)中，为优化后接入i节点的DG容量。
从而得到整个主动配电网优化后的DG渗透功率：
本发明通过对DG渗透功率进行优化来确定主动配电网中各个接入点的最优DG接入容量，不仅对配电网多个DG接入进行了分析，而且还考虑了不同时段DG输出功率的不确定性以及负荷的动态变化特性。
针对不同时段的DG输出功率，通过可以采用分时段、DG出力及负荷离散化的方法进行优化，其优化过程如下：首先根据接入点的负荷曲线及DG出力历史曲线(0.5h)进行离散化数据处理，然后进行聚类处理，一年8760小时，有17520个数据，最大负荷按照20％，30％，50％，70％，90％，100％进行划分区间，DG出力按照0，10％，30％，50％，70％，90％，100％划分区间，生成一个6*7矩阵，最后统计在不同区间DG出力与负荷的时间长度，这样就将一年中17520个时间段就缩减为附表中所示的41个时间段：
附表中，单位为小时，41个时间段为6*7矩阵中时间段不为零的41个时间段。
考虑到DG出力、负荷以及配电网的多状态特点，本发明首次采用了对多个DG接入的所有可能组合方式进行分析的方案，得到最大的DG渗透功率值。每种方式又考虑了多个时段的情况；并且每个方式，考虑了电力系统的动态特性，即分布式电源输出功率的不确定性及负荷的动态变化特性，具有很强的鲁棒性。
进一步优选地，所述潮流计算的过程包括以下步骤：
确定DG的接口形式；
将采用励磁电压恒定同步发电机接口的DG等效为有功功率P和电压V确定的PV节点；
将采用励磁电压可调同步发电机接口的DG等效为P确定、无功功率Q随V变化而变化的P-Q(V)节点；
将采用电压控制型电力电子装置接口的DG等效为P和V确定的PV节点；
将采用电流控制型电力电子装置接口的DG等效为P和电流I确定的PI节点；
将采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的DG等效为PQ节点；
将未采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的DG等效为P-Q(V)节点。
进一步优选地，所述P-Q(V)节点中QG和V的关系为：
QG=V2xm+V2-V4-4P2x22x,]]>
其中，x为定子电抗和转子电抗之和，xm为励磁支路电抗。
进一步优选地，所述PI节点中QE和I的关系为：
QE=I2V2-P2.]]>
本发明采用了一种新的分布式电源的潮流计算方法，确定分布式电源的接口形式后，将采用励磁电压恒定同步发电机接口的分布式电源等效为有功功率P和电压V确定的PV节点，将采用励磁电压可调同步发电机接口的分布式电源等效为P确定、无功功率Q随V变化而变化的P-Q(V)节点，将采用电压控制型电力电子装置接口的分布式电源等效为P和V确定的PV节点，将采用电流控制型电力电子装置接口的分布式电源等效为P和电流I确定的PI节点，将采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的分布式电源等效为PQ节点，将未采用恒功率因素控制异步风力发电机接口的分布式电源等效为P-Q(V)节点。因为，不同的分布式电源并网采用不同的接口形式，主要包括同步发电机接口、异步发电机接口及电力电子装置接口三类，其中，同步发电机接口包括励磁电压恒定和励磁电压可调两种方式，电力电子装置接口包电压控制型和电流控制型，异步风力发电机接口包括采用恒功率因数控制和未采用恒功率因数控制两种，因此，将使用不同接口形式的不同类型分布式电源等效为相应的潮流计算模型，使潮流计算结果更加准确可靠。
以上所述只是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。