新型电力系统下多分布式电源接入配电网承载力评估方法研究.pdf
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1、随着光伏和风电等多种分布式电源的接入,使得传统配电网的结构及其运行状态发生了较大改变。因此,通过建立直观的分布式电源接入评价体系,对新型电力系统背景下的配电网接入分布式电源的承载力进行合理评估成为重要的研究内容。以可再生能源及无功补偿装置接入的新型配电网中风电和光伏发电的最大容量为目标函数,建立分布式电源接入配电网的承载能力模型,通过二阶锥松弛将该模型转化为二阶锥规划模型进行求解。然后考虑到配电网运行的优质性、经济性以及灵活性,建立多层次承载能力评估体系,根据模型求解结果计算承载能力评价指标,再通过组合赋权法将评价指标计算结果转化为综合评分。最后通过对 IEEE33 节点系统配电网模型进行算例
2、分析,结果表明所提评估方法更为全面、有效。关键词:新型配电网;分布式能源;承载能力;评估;组合赋权 Carrying capacity evaluation of multiple distributed power supply access to the distribution network with the background of a new power system HAO Wenbin,MENG Zhigao,ZHANG Yong,XIE Bo,PENG Pan,WEI Jiaqi(Chengdu Power Supply Company,State Grid Sichuan
3、 Electric Power Company,Chengdu 610000,China)Abstract:Access to various distributed generation such as photovoltaics and wind turbines has changed the structure and operation of the traditional distribution network.Therefore it has become an important research topic to establish an intuitive distrib
4、uted power access evaluation system and to reasonably evaluate the carrying capacity of the distribution network connected to distributed power in the new power system.The maximum capacity of wind power and photovoltaic connected to the new distribution network with renewable energy and reactive pow
5、er compensation devices is used as the objective function to establish the carrying capacity model of the distribution network.It is converted into a second-order cone programming model for the solution.Then,a multi-level carrying capacity evaluation system is established by taking into account the
6、high quality,economy,and flexibility of the distribution network operation,and a carrying capacity evaluation index is calculated according to the model solution results.The calculation results of the evaluation indicators are transformed into the calculation model of the comprehensive score.Finally
7、,through an example analysis of the IEEE33 node computing power model,the results show that the proposed evaluation method is more comprehensive and effective.This work is supported by the General Program of Natural Science Foundation of Sichuan Province(No.2022NSFSC0269).Key words:new distribution
8、network;distributed generation;carrying capacity;assessment;empowerment methodology 0 引言 近年来,随着全球气候变暖,空气污染等一系 基金项目:四川省自然科学基金面上项目资助(2022NSFSC 0269);国网四川省电力公司成都供电公司科研项目资助(521904220001)列环境问题日渐加重,电力系统对降低化石能源的使用和降低碳排放的要求越来越高,可再生能源和清洁能源的使用比例不断增加。因此,在配电网系统中分布式电源(distributed generator,DG)的渗透率也在不断上升。分布式电源及其他
9、装置的大量接入使得配电网结构、形态逐渐转变,发展成为了新型电力系统下的配电网系统。由于分布式电源接入电-24-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 网的规模越发庞大,其间歇性和随机性的特点也会对配电网带来许多负面影响,如引起潮流方向和大小变化、继电保护失灵、电压电流畸变及网损增加等问题1-2。高比例分布式电源的接入位置与容量显著地影响了配电网的运行情况3,由于分布式电源在配电网中的接入点相对固定,因此需要根据多种配电网指标开展分布式电源接入配网的影响分析4,进而开展电力系统运行可靠性及经济性的优化工作5-6。综上,对在配电网中 DG 的接入位置和最大承载力进行研究和评估具有一定的现实意义。DG
10、 最大接入容量问题通常为非线性优化问题,因此采用智能算法或随机场景模拟法等方法求解可能会加大求解难度和时间7-11。文献7和文献8分别采用了模拟退火算法和遗传算法来求解包含约束的分布式电源接入容量的模型;文献9提出一种简单随机场景模拟法,来评估不同位置接入不同容量的 DG 对配电网带来的影响;文献10利用随机场景方法对带有储能系统配电网的光伏消纳能力进行分析求解;文献11提出一种基于多运行场景模拟的方法对风电并网容量进行评估。上述智能算法和随机场景模拟的方法能够满足多种 DG 接入容量评估方式的模拟,但是存在计算量大或者计算稳定性不够的缺陷。就 DG 接入配电网的承载能力而言,文献12以配电网
11、的灵活性为主要目标,从电源侧、配网侧以及负荷侧 3 个方面建立配电网灵活性评价体系;文献13从区域类指标和局域类指标两个方面建立配电网的新能源接纳容量评估体系;文献14从配电网系统网损、可靠性、优质性、对环境的影响程度以及延缓网络更新等 5 个方面建立分布式电源接入的系统评价指标体系,并以加权求和的方式计算指标权重得到评估结果;文献15基于蒙特卡洛法,从单渗透率影响和整体电压影响两方面对配电网光伏消纳能力进行评估;文献16提出一种改进的层次分析法,从设备运行状态、电能质量、经济性以及环保性等几个方面对 DG 接入配电网进行评估;文献17基于所提出的可靠性指标,对新能源接入的配电网进行了可靠性分
12、析;文献18提出了一种配电网评估指标隶属度函数,并基于该函数对各项指标进行了归一化,以评估配网性能;文献19结合新能源并网发电的特点,提出了新能源正负效应指标以表征其对配电网性能的影响。综上所述,在对配电网评估的研究中,大多将分布式发电对配网系统的影响作为研究配网的其中一个指标,因此所建立的分布式发电对配网的影响模型不够全面;另外,在对分布式发电的影响评估中,研究对象多为传统配电网,并未考虑多种新型设备的接入,较多采用单一指标对其影响进行表征,或采用多指标简单归一化为同一指标,但从未从主观和客观两个层面上综合考虑对配网性能的影响,使得评估体系大都存在评价体系不够全面或赋权计算方法不够科学的问题
13、,从而使得评价结果较为偏颇,缺乏可靠性,具有一定的局限性。为了解决上述问题,本文首先搭建了含有光伏、风机及多种无功补偿装置的新型配电网系统,再以一个完整调度周期内分布式新能源承载能力最大为目标函数,采用二阶锥松弛进行新型配电网模型转化,进而加快模型求解速度。随后建立了承载力多层次评估体系,利用模型所得数据计算评价指标,再以组合赋权法将评价指标转化为便于观察的综合评分,最后在此基础上制定分布式能源接入新型配网承载力的提升措施。最后以 IEEE33 节点配电网作为算例进行仿真分析,结果表明本文所提算法和评估指标体系的有效性和可行性。1 新型配电网系统模型 目前的分布式电源以光伏和风机为主要代表。因
14、此,本文研究模型中的分布式电源主要为光伏和风机,以下是光伏和风机的数学模型。1.1 光伏及风机模型 1)光伏发电系统模型 太阳能作为最丰富的可再生能源之一,能有效缓解能源短缺与环境污染问题,因此光伏发电(photovoltaic,PV)己成为重要的分布式电源之一,其输出功率的数学模型如式(1)20所示。pvpvpvpcellcellSTCS1()tIPf YTTI (1)式中:pvP表示光伏的实际输出功率;pvf表示光伏系统的功率降额因数,一般取0.9;pvY表示光伏的阵列容量;tI表示t时刻下实际光照强度,单位为2kW/m;SI表示标准测试条件下的光照强度,一般取21kW/m;p为功率温度系
15、数,单位为%/;cellT表示当前光伏电池的表面温度,单位为;cellSTCT为标准测试条件下的光伏电池表面温度,一般为25。2)风机系统模型 风机(wind turbine,WT)输出功率的数学模型如式(2)21所示。郝文斌,等 新型电力系统下多分布式电源接入配电网承载力评估方法研究 -25-cicociwtwtciratedratedviwtratedco0,or,vvvvvvPCvvvvvCvvv (2)式中:wtP 表示风机的实际输出功率;v表示实时风速,单位m/s;civ 表示风机的切入风速,单位m/s;cov 表示风机的切出风速,单位m/s;ratedv表示风机的额定风速,单位m/
16、s;wtC 表示风机的额定容量或额定功率。1.2 新型配电网分布式电源承载能力模型 为了对配电网中接入分布式电源的承载能力进行准确的评估,对接入的分布式电源进行充分的分配和使用,本文以一个完整的调度周期内分布式新能源承载能力最大化为优化目标函数,对配电网潮流、分布式电源和无功补偿装置等可控单元出力等方面建立模型约束。1)目标函数 ,max()i tt T i DfC (3)式中:D为分布式电源接入的节点总数;,i tC为第i节点t时刻的分布式电源功率;T表示一个完整的调度周期。2)约束条件(1)支路潮流约束 本文以辐射型配电网为研究对象,选取其中一条支路在t时刻下的运行状态建立支路潮流模型,如
17、图1所示。图 1 辐射型支路潮流 Fig.1 Radial branch flow 该条支路潮流应满足的约束条件为 22222,2()()j ti tijij tijij tijijij tUUR PX QRXI (4)2,:j tij tijij tjk tk jkpPR IP (5)2,:j tij tijij tjk tk jkqQX IQ (6)22,2,2,ij tij tij ti tPQIU (7)式中:,j tU表示t时刻节点j的节点电压;,j tp和,j tq分别表示t时刻注入节点j的有功和无功功率;,ij tP和,ij tQ分别表示t时刻流过支路ij的首端有功和无功功率;,
18、ij tI表示t时刻流过支路ij的电流;jijijRX表示支路ij的阻抗;k为j节点的子节点。(2)离散无功补偿约束 静止无功补偿器可以实现无级连续可调,实现静止、快速、连续无级地向电网提供容性或感性无功,达到全面提高电压的质量、满足供电要求的目的。其应该满足的运行约束如式(8)所示。svcsvcsvc,min,maxii tiQQQ (8)式中:svc,miniQ和svc,maxiQ分别表示安装于节点i的静止无功补偿器无功补偿容量的最小值和最大值;svc,i tQ表示t时刻节点i处的静止无功补偿器的实际无功补偿量。(3)连续无功补偿约束 在电网中接入分组投切电容器组,其满足的运行约束为 cb
19、cbcb,onei ti tQnQ (9)cbcb,max0i tinn (10)式中:cb,i tQ表示t时刻节点i处的分组投切电容器组的实际投入容量;cboneQ是一组电容器的无功补偿容量;cb,i tn表示t时刻节点i处的分组投切电容器组投入的组数,该值为整数;cb,maxin表示节点i处的分组投切电容器组能够投入的最大组数。(4)分布式新能源运行约束 在节点i接入分布式电源,则其在t时刻的出力应该满足式(11)。DGDG,max0i ti tPP (11)式中:DG,i tP表示t时刻节点i处分布式电源的实际出力;DG,maxi tP表示t时刻节点i处分布式新能源允许出力的最大值。(5
20、)节点电压约束 由于负荷具有时变性,且加入的分布式能源与无功补偿装置也具有同样的特性,使得系统的实时运行状况会更加复杂,因此为了系统运行安全,加入节点电压约束保证各节点电压能够运行在合理安全的范围内,节点电压约束如式(12)。min,maxi tUUU (12)式中:,i tU表示t时刻节点i的节点电压值;maxU和minU分别表示节点电压的上下限。1.3 基于二阶锥松弛的模型转换 上述问题属于混合整数非线性规划问题(mixed integer non-linear programming,MINLP),约束条件-26-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 中具有二次项和整数项,常规的求解方法
21、求解效果不佳,因此利用二阶锥松弛将其转化为方便求解的规划问题22。首先引入式(13)和式(14),将二次项转化为一次项。2,i tj tU (13)2,ij tij tI (14)式中,,i t和,ij t分别表示t时段节点i节点电压的平方和支路ij电流的平方。则式(4)式(7)和式(12)约束条件式可以转化为 22,2()()j ti tijij tijij tijijij tR PX QRX (15),j tij tijij tjk tij tjkpPRP (16),j tij tijij tjk tjkqQXQ (17)22,ij tij tij tj tPQ (18)22min,max
22、i tUU (19)经过转化后,式(19)仍旧为非线性等式约束,因此利用二阶锥松弛对其进行处理,可转化为式(20)。22,ij tij tij tj tPQ (20)经过等价变换,式(20)可以写成标准二阶锥形式,即,222ij tij tij ti tij ti tPQ (21)式中,2为二范数。上述处理实际是通过放宽约束范围而提高求解效率,会产生一定误差,所以需定义松弛误差,即 22,ij tij ti tij tij tePQ (22)式中,,ij te表示松弛误差指数。2 承载能力评估体系模型建立及转化 2.1 多层次评估体系建立 承载能力评价指标体系需遵循构建评价指标的制定原则,即基
23、于科学性、系统性、层次性、时效性等确定影响承载能力的关键指标23。本文以配网新能源承载力评价为目标层,参照国内外评价指标构建情况,考虑到大量分布式能源接入的影响,建立如图 2 所示的配电网接入分布式电源承载能力评估体系。图 2 评估体系 Fig.2 Evaluation system 根据图 2 所示,评价指标体系共三层,第一层为目标层,第二层为性能层,第三层为指标层。目标层为评价体系的目的。性能层是能够评价配电网总体性能的指数,主要有安全性、经济性及灵活性。指标层是将性能层转化为具体的数值指标,方便观测。其中,安全性包括电压偏移指数和电压合格率两项指标,经济性包括无功补偿合格率和平均线损率两
24、项指标,灵活性包括净负荷波动率和新能源发电占比两项指标。2.2 指标计算模型 1)安全性指标(1)电压偏移指数(VEIc):反映在某个时间点,接入分布式电源后待评价的电力系统中的节点电压值与额定值的偏离程度,其值越小越好,计算公式如式(23)所示。,ratedVEI2,ra2ted)(100%i tii NiUUcU (23)式中:,i tU表示t时刻节点i的节点电压实际值;,ratediU表示节点电压的额定值;N表示待评估电力系统的节点总数。(2)电压合格率(VQRc):反映在某一时间点,接入分布式电源后待评价的电力系统中合格的电压节点数占总的节点数的比率,其值越大越好,计算公式如式(24)
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