CN104240155A - 考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，包括以下步骤：1、采用AHP法构建三个评估层次：目标层为电能质量综合评估指标，准则层为单项电能质量指标，方案层为微网中的各类DG；2、对于配电网中的单个微网，给定目标层对准则层的判断矩阵X，以及准则层对方案层的判断矩阵Y；3、求解各判断矩阵的权重矢量；4、计算方案层对目标层的总权值；5、根据是否含有储能设备及储能设备的类型，计算单个微网接入对配电网电能质量的影响指标；6、重复步骤2~5，分别计算其余各微网接入对配电网电能质量的影响指标；最后计算所有微网对配电网电能质量的综合影响指标。该方法不仅评估结果准确，而且简单实用，使用效果好。

Description

考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法

技术领域

本发明涉及电网电能质量评价技术领域，特别是一种考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法。

背景技术

随着分布式电源大量的接入，配电网的潮流与故障电流特征出现了本质上的变化，形成了“有源配电网”。大量分散、特性各异的分布式电源，特别是随机性、间歇性显著的风能、太阳能等分布式电源（Distributed Generation, DG）的简单并网会给有源配电网电能质量等带来不利影响。如风机、光伏等出力随机性较大的DG容易造成网络电压波动与闪变；应用电力电子装置接口并网的DG容易造成谐波污染；应用同步机形式接口并网的DG容易造成频率波动问题。微网整合了多种DG与相应的配套设施，能够有效发挥DG的优势，但是其对配电网电能质量的不利影响依然存在。

储能设备是微电网中必不可少的部分，发挥着至关重要的作用：能够提高电量和功率的平衡；能削峰填谷，解决弃风弃光；可以提高可再生能源的利用率；最重要的是，其可以改善微电网的电能质量问题。

因此，需要在含DG和微网的有源配电网的规划阶段，考虑相关DG和微网对配电网电能质量的影响，同时，重点考虑储能设备对电网电能质量的改善作用，综合评估在包含储能设备时，含DG和微网对电网电能质量的影响，从而选择合适的DG和微网接入方案。

现有技术中，文献《含微网配电网规划中的电能质量综合评估》、《规划阶段含微网的配电网电能质量评估》均提出了对规划阶段含微网的配电网电能质量进行综合评估的方法，但此两项技术方案的缺点是均未考虑储能设备。储能设备是微网中必不可少的部分，可以改善微网的电能质量，使得各DG通过微网形式并网能获得相对于其分别并网更佳的电能质量水平，这也是微网的重要优势之一。此两项技术方案由于没有考虑储能设备的重要作用，因此，电能质量评估结果可能较实际情况更为严重，容易造成DG或微网无法顺利并网或过度的改造投资。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，该方法不仅评估结果准确，而且简单实用，使用效果好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，包括以下步骤：

(1) 采用层次分析法进行预评估，构建三个评估层次：目标层为电能质量综合评估指标，准则层为单项电能质量指标，方案层为微网中的各类DG；

(2) 对于配电网中的单个微网，给定目标层“电能质量综合评估指标”对准则层“单相电能质量指标”的判断矩阵X，以及准则层“单项电能质量指标”对方案层“微网中的各类DG”的判断矩阵Y；

(3) 采用层次分析法对步骤(4)中的各判断矩阵进行求解，得到各判断矩阵的权重矢量；

(4) 根据步骤(3)得到的权重矢量，计算方案层对目标层的总权值；

(5) 根据是否含有储能设备以及储能设备的类型，采用相应的公式计算所述单个微网接入对配电网电能质量的影响指标；

(6) 重复步骤(2)~(5)，分别计算配电网中其余各微网接入对配电网电能质量的影响指标；最后，计算所有微网对配电网电能质量的综合影响指标。

进一步的，在步骤(5)中，不含有储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量。

进一步的，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第一类储能设备，所述第一类储能设备是与一类对应DG配合使用以提高可再生能源发电并网性能的储能设备，或与启动较慢的发电设备配合使用，作为补充电源的储能设备；含有第一类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；P _ess1ij 为第i个微网中与第j类DG配套的第一类储能设备的容量；α _ij 为第j类DG占第i个微网中DG总容量的比例。

进一步的，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第二类储能设备，所述第二类储能设备是专门用于保证微网供电电能质量的储能设备；含有第二类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；P _ess2i 为第i个微网中第二类储能设备的容量。

进一步的，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第三类储能设备，所述第三类储能设备是高电价时发电，低电价时充电，即用于电网削峰填谷的储能设备，不考虑其对配电网电能质量的影响。

进一步的，在步骤(5)中，所有微网对配电网电能质量的综合影响指标C′的计算公式为：

式中m为微网数量；C _i 为第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标。

相较于现有技术，本发明的有益效果是提出了考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，该方法在对有源配电网规划阶段的电能质量水平进行预评估的过程中充分考虑了储能设备的影响，提出了完整的有源配电网电能质量预评估流程，使评估结果更加全面和合理。同时，本方法简单实用，普通规划人员可以方便掌握，可为规划阶段的配电网的DG和微网建设和接入方案选择提供参考。

附图说明

图1是本发明实施例中含微网配电网电能质量预评估方法的实现流程图。

图2是本发明实施例中含有储能设备的微网结构示意图。

具体实施方式

本发明考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1) 采用层次分析法（AHP）进行预评估，构建三个评估层次：目标层为电能质量综合评估指标，准则层为单项电能质量指标，方案层为微网中的各类DG。

(2) 对于配电网中的单个微网，给定目标层“电能质量综合评估指标”对准则层“单相电能质量指标”的判断矩阵X，以及准则层“单项电能质量指标”对方案层“微网中的各类DG”的判断矩阵Y。

(3) 采用AHP法对步骤(2)中的各判断矩阵进行求解，得到各判断矩阵的权重矢量。

步骤(2)、(3)的具体实施方法如下：

设需要评估的单项电能质量指标为A _i (i=1,…,n)，共考虑n个单项电能质量指标。配电网中的微网为B _i (i=1,…,m)，数量为m，第i个微网的电源总容量为P’ _i (i=1,…,m)。微网中的各类型分布式电源为C _i (i=1,…,h)，类型的总数量为h；第i个微网中第j种类型的分布式电源的容量为P _ij (i=1,…,m；j=1,…,h)。第i个微网接入点的短路容量为P _SCi (i=1,…,m)。

首先设定目标层“电能质量综合评估指标”与准则层“单项电能质量指标”之间的判断矩阵。根据表1的判断矩阵标度设定准则，考虑到准则层各元素对于目标层准则Z的相对重要性，得到判断矩阵X=(x _ij)_n×n，由矩阵X可求得相对权重为W ⁽¹⁾=(ω ₁ ⁽¹⁾, ω ₂ ⁽¹⁾,…, ω _n ⁽¹⁾)^T。

表1 判断矩阵标度及含义

然后设定准则层与方案层“微网中的各类DG”之间的判断矩阵。准则层与方案层的结构中，分别以准则层的单项电能质量指标A _i (i=1,…,n)为准则，考虑方案层各类型分布式电源C _i  (i=1,…,h)对其的相对重要性，得到相应的n个判断矩阵Y _i=(y _ij)_h×h (i=1,…,n,j=1,…,h)。由矩阵Y _i可求得严重程度权重为W _i ⁽²⁾=(ω _i1 ⁽²⁾, ω _i2 ⁽²⁾,…, ω _in ⁽²⁾)^T(i=1,…,n)。

(4) 根据步骤(3)得到的两层权重矢量，计算方案层对目标层的总权值。

即不同类型的分布式电源C _i (i=1,…,h)对目标层的总权值为：

即有V=(v ₁,v ₂,…,v _h)^T。

(5) 根据规划方案中是否含有储能设备以及储能设备的类型，采用相应的公式计算所述单个微网接入对配电网电能质量的影响指标。

在步骤(5)中，储能设备的类型包括第一类储能设备、第二类储能设备和第三类储能设备。第一类储能设备是与一类对应DG配合使用以提高可再生能源发电并网性能的储能设备，或与微型燃气轮机等启动较慢的发电设备配合使用，作为补充电源的储能设备；第二类储能设备是专门用于保证微网供电电能质量的储能设备；第三类储能设备是高电价时发电，低电价时充电，即用于电网削峰填谷的储能设备，不考虑其对配电网电能质量的影响。

不含有储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值，通过AHP法对电能质量评估层次模型求解而得；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；其中，PCC点短路容量越大，说明配电网抵抗DG干扰的能力越强，电网强度越大；配电网中接入微网容量越小，说明微网给配电网可能带来的潜在干扰量越小。

含有第一类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中P _ess1ij 为第i个微网中与第j类DG配套的第一类储能设备的容量；α _ij 为第j类DG占第i个微网中DG总容量的比例。

含有第二类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中P _ess2i 为第i个微网中第二类储能设备的容量。

(6)重复步骤(2)~(5)，分别计算配电网中其余各微网接入对配电网电能质量的影响指标；最后，计算所有微网对配电网电能质量的综合影响指标C′，计算公式为：

式中m为微网数量；C _i 为第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标。C′的取值越小，则电能质量越好；取值越大，则电能质量越差。通过比较不同规划方案的C′值，从而确定出较优的规划方案。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

通过全面分析含微网配电网的规划流程，发现其有以下几个特点：

1)   在规划阶段往往无法获得电能质量实测数据，可能获得的数据如下：1、DG类型；2、DG容量与数量；3、微网容量与数量；4、微网接入配电网PCC点短路容量；

2)   规划阶段往往不需要对电能质量问题进行定量分析，仅需要简单快速的定性分析从而支持规划方案评价和选取；

3)   随着各种储能设备在微网中的配置，有必要在规划阶段评估其对微网电能质量的改善作用。

考虑到上述因素，本发明以PCC点短路容量、微网接入容量、各类DG容量为基础数据，综合考虑DG类型与储能设备所带来的影响，应用层次分析法（Analytical Hierarchy Process, AHP），建立了规划阶段考虑储能设备，含DG和微网的有源配电网电能质量评估模型，提出了一种简单实用的预评估方法。

AHP法的层次一般分为三层，分别为目标层、准则层与方案层。目标层表示待评估的目标，它直接指示了目标的优劣；准则层将总目标分为若干个部分，是AHP法的中间环节；方案层将准则层中的各部分进一步细分，通过各种具体的方案来达到预期目标。考虑到AHP法已在多个领域获得了广泛的应用，此处就不再赘述AHP法的原理。

本发明提出的含微网配电网电能质量层次评估模型中目标层是单个微网对配电网电能质量影响的综合评价结果，准则层是单项电能质量评价指标，方案层是微网中包含的各类型DG。

本发明用于预评估单微网接入对配电网电能质量的影响指标的计算公式为：

    (1)

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值，通过AHP法对电能质量评估层次模型求解而得；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；其中，PCC点短路容量越大，说明配电网抵抗DG干扰的能力越强，电网强度越大；配电网中接入微网容量越小，说明微网给配电网可能带来的潜在干扰量越小。

基于式(1)单微网指标计算结果，求取所有微网对配电网电能质量的影响指标为：

    (2)

式中m为微网数量。C′的取值越小，则电能质量越好；取值越大，则电能质量越差。通过比较不同规划方案的C′值，从而确定出较优的规划方案。

储能设备是实现微网安全可靠运行的关键，是提高微网技术经济性的重要手段。微网中采用的是多元复合储能，各种储能设备实现的功能不同，主要有4个方面：1）为保证电能质量的储能，解决微网中如电压闪变等电能质量问题；2）为保障供电可靠性的储能，如不间断电源；3）为提高新能源发电并网性能的储能，如平抑风力发电等新能源发电输出功率的间歇性、波动性；4）为提高电能利用效率的优化能量管理的储能。

本发明中将微网中不同功能的储能设备分为三类进行等效处理：第一类是与某类对应DG相配合使用以提高可再生能源发电并网性能的储能设备，或与微型燃气轮机等启动较慢的发电设备配合使用，作为补充电源的储能设备，设其容量为P_ess1，接入位置如图2中储能3与储能2所示；第二类是用于专门保证微网供电电能质量的储能设备，设其容量为P_ess2；第三类是只从经济性角度出发，高电价时发电，低电价时充电的储能设备，设其容量为P_ess3，第二类和第三类接入位置均如图2中储能1所示。

第一类储能设备，既可以与可再生能源DG配合，改善该类DG出力随机性对电能质量的影响；也可以与微型燃气轮机、燃料电池等启动较慢的可调度DG配合，改善输出功率过渡阶段的电能质量。它们的作用相当于减少了对应DG对配电网电能质量的影响，所以对该类型的储能设备，可将其容量按比例α _ij 转换，并用该容量抵消对应DG对配电网的影响。式(1)的电能质量指标的计算公式修正为：

    (3)

    (4)

式中P _ess1ij 为第i个微网中，与第j类DG配套的第一类储能设备容量；α _ij 为第j类DG占第i个微网中DG总容量的比例。

对于第二类储能设备，其作用为专门保证微网的供电电能质量，增加了配电网对微网中所有DG的消纳水平。对该类型的储能设备，由于其作用于微网整体，所以其容量可以全部用于抵消微网中DG对配电网电能质量的影响。故可将其容量全部转换为配电网在PCC点的电能质量消纳能力。式(1)电能质量指标的计算公式修正为：

    (5)

式中P _ess2i 为第i个微网中第二类储能设备的容量。

第三类储能设备，由于其不参与电能质量的控制，只是用于电网的削峰填谷，所以在预评估时不考虑其对电能质量的影响。

本发明提供了考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，如图1所示，具体流程如下：

(1)分别由专家给出目标层“电能质量综合评估指标”对准则层“单相电能质量指标”的判断矩阵X、准则层“单项电能质量指标”对方案层“微网中的各类DG”的判断矩阵Y；

(2)对第(1)步中的各判断矩阵应用AHP法求解，得到各判断矩阵的权重矢量；

(3)根据第(2)步中的两层权重矢量，计算方案层对目标层的总权值；

(4)根据规划方案中是否含有储能设备以及储能设备的类型，选用相应的公式计算含单个微网的配电网电能质量指标；

(5)应用公式(2)计算含微网的配电网电能质量综合评估结果。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 采用层次分析法进行预评估，构建三个评估层次：目标层为电能质量综合评估指标，准则层为单项电能质量指标，方案层为微网中的各类DG；

(2) 对于配电网中的单个微网，给定目标层“电能质量综合评估指标”对准则层“单项电能质量指标”的判断矩阵X，以及准则层“单项电能质量指标”对方案层“微网中的各类DG”的判断矩阵Y；

(3) 采用层次分析法对步骤(2)中的各判断矩阵进行求解，得到各判断矩阵的权重矢量；

(4) 根据步骤(3)得到的权重矢量，计算方案层对目标层的总权值；

(5) 根据是否含有储能设备以及储能设备的类型，采用相应的公式计算所述单个微网接入对配电网电能质量的影响指标；

(6) 重复步骤(2)~(5)，分别计算配电网中其余各微网接入对配电网电能质量的影响指标；最后，计算所有微网对配电网电能质量的综合影响指标。

2.根据权利要求1所述的考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，不含有储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量。

3.根据权利要求1所述的考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第一类储能设备，所述第一类储能设备是与一类对应DG配合使用以提高可再生能源发电并网性能的储能设备，或与启动较慢的发电设备配合使用，作为补充电源的储能设备；含有第一类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；P _ess1ij 为第i个微网中与第j类DG配套的第一类储能设备的容量；α _ij 为第j类DG占第i个微网中DG总容量的比例。

4.根据权利要求1所述的考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第二类储能设备，所述第二类储能设备是专门用于保证微网供电电能质量的储能设备；含有第二类储能设备的第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标C _i 的计算公式为：

式中v _j 为方案层第j类DG对目标层的总权值；CF _ij 为第i个微网中第j类DG的容量系数；P _ij 为第i个微网中第j类DG的容量；P _SCi 为第i个微网接入配电网PCC点的短路容量；P _ess2i 为第i个微网中第二类储能设备的容量。

5.根据权利要求1所述的考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，储能设备的类型包括第三类储能设备，所述第三类储能设备是高电价时发电，低电价时充电，即用于电网削峰填谷的储能设备，不考虑其对配电网电能质量的影响。

6.根据权利要求1所述的考虑储能设备的含微网配电网电能质量预评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，所有微网对配电网电能质量的综合影响指标C′的计算公式为：

式中m为微网数量；C _i 为第i个微网接入对配电网电能质量的影响指标。