CN104268798A - 一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，在多种类型的分布式电源及电动汽车等新型需求侧资源接入配电网的情况下，计及分布式电源及电动汽车之间的交互影响因素，能够快速准确的对分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响进行评估，便于更加灵活地实现对配电网运行状态控制，为未来智能配电网中对分布式电源及电动汽车的协调控制奠定了基础。

Description

一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法

技术领域

本发明涉及一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，属于智能电网领域。

背景技术

现代智能配电网中，分布式电源及电动汽车的接入规模越来越大，这些新型负荷以及电源的接入容量已经影响到整个电力系统的特性。分布式电源及电动汽车并网主要会对电网的电能质量、系统可靠性、系统保护以及电力市场造成影响。而如何评估分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响，以便直观的衡量配电网对分布式电源及电动汽车并网的消纳能力，方便直接、高效、稳定的对整个智能配电网进行量化控制，可以更加灵活、准确的消纳并入电网的分布式电源。由于统一对分布式电源及电动汽车接入配电网的影响因素进行了量化分析，将不同影响因数的衡量尺度归一化，有利于研究不同类型接入设备之间的互补特性，方便以后对各需求侧资源整体进行协调控制，保证配电网在大量接入新型需求侧资源后的安全、稳定、优质、经济的运行。

实际中，分布式电源及电动汽车等新型需求侧资源接入配电网后，各自不仅在其单独作用时对配电网产生影响，同时，各种分布式电源及电动汽车之间也会产生交互影响，导致对配电网综合影响的复杂性大大增加。因此，计及各接入设备之间的交互影响，如何评估分布式电源及电动汽车等各种需求侧资源接入对配电网的复杂影响，对于准确监控配电网运行状态，评估配电网对分布式电源和电动汽车等新型需求侧资源的消纳能力，灵活控制配电网运行，减小或消除其对配电网的不利影响，保证配电网的高效稳定经济运行，具有十分重要的实际意义。且本文采用的基于相对增益原理的量化分析方法，可以快速生成分布式电源及电动汽车对配电网的交互影响矩阵，保证了配电网运行控制中的实时性，这将使得分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法得到实用化和推广应用。因此，基于相对增益原理的量化分析分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响方法具有很强的可行性，将来的应用前景相当广泛。

发明内容

发明目的：本发明提出一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，在多种类型的分布式电源及电动汽车等新型需求侧资源接入配电网的情况下，能够快速准确的评估出计及各需求侧资源间交互影响的分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响，更加灵活地实现对配电网运行状态控制，对未来配电网中分布式电源及电动汽车的协调控制奠定了基础。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)读取配电网网络拓扑结构，分布式电源及电动汽车的接入位置，分布式电源的并网容量，电动汽车的类型及接入功率，各节点负荷容量；

2)分别计算分布式电源对配电网的电压、谐波、系统停电频率方面的影响因数；

3)分别计算电动汽车对配电网的电压、谐波、系统停电频率方面的影响因数；

4)构建含有分布式电源与电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵Mb；

5)基于相对增益原理计算交互影响分析的交互影响矩阵。

优选地，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网电压的影响ΔU：

$\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_k+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dg}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{2}(2N-k+1)*C-k*D,k\∈[1,m]\\ \frac{k}{2}(2N-k+1)*C-m*D,k\∈[m+1,N]\end{array}\right.$

其中， $C=\frac{r*P_1+x*Q_1}{U_N},D=\frac{r*P_{\mathrm{dg}}+x*Q_{\mathrm{dg}}}{U_N},$ P₁和Q₁分别为单个节点的有功功率和无功功率，r，x分别表示均匀配电网络中相邻两个节点间的电阻值和电抗值，k为网络中任意节点，m为分布式电源的接入节点位置，P_dg，Q_dg分别为分布式电源的有功功率和无功功率，U_N为线路中的额定电压，N为网络中的总负荷数。

优选地，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网电压谐波畸变率的影响：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{r^2+h^2{x}^2}\·\left|I_{\mathrm{gh}}\right|G$

其中， $\left|I_{\mathrm{gh}}\right|=\left|I_g\right|\·I_{\mathrm{gspec},h}=\left|\frac{P_g}{V_{\mathrm{DG}}{\mathrm{dpf}}_g}\right|\·I_{\mathrm{gspec},h},$ h为配电网络末端节点的谐波电压次数，G为分布式电源接入位置，P_g为分布式电源接入容量，V_DG为分布式电源接入节点的电压大小，I_gspec,h为分布式电源谐波源模型。

优选地，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网系统平均停电频率的影响：

其中，λ_D，γ_D分别为分布式电源的故障率和故障平均停电持续时间；λ_S,K，γ_S,K分别为第k段主馈线的故障率以及故障平均停电持续时间；N_D为在分布式电源和负荷点两者前面的主馈线段数量；N_j为用电负荷总数。

优选地，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网电压的影响ΔU：

$\mathrm{\ΔU}=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{2}(2N-k+1)C-kD,k\∈[1,m]\\ \frac{k}{2}(2N-k+1)C-mD,k\∈[m+1,N]\end{array}\right.$

其中， $C=\frac{r{P}_1+x{Q}_1}{U_N},D=\frac{r{P}_v+x{Q}_v}{U_N},$ P₁和Q₁分别为单个节点的有功功率和无功功率，r，x分别表示均匀配电网络中相邻两个节点间的电阻值和电抗值，k为网络中任意节点，m为分布式电源的接入节点位置，P_v，Q_v分别为分布式电源的有功功率和无功功率，U_N为并网母线额定电压，N为网络中的总负荷数。

优选地，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网电压谐波畸变率的影响：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{K_1}{R_C}*(K_2*L)*(K_3*\mathrm{Num})$

其中，R_c为电动汽车或充电站等效电阻，L为电动汽车或充电站到上级电网的距离，Num为确定时刻正在充电的电动汽车数量，K₁,K₂,K₃为计算常数，根据电动汽车类型选定。

优选地，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网系统平均停电频率的影响：

${\mathrm{SAIFI}}_v=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_j{N}_j+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_v{N}_v}{\mathrm{\Σ}{N}_j+\mathrm{\Σ}{N}_v}$

其中，λ_j为节点故障率，N_j为节点负荷数，λ_v为电动汽车故障率，N_v为电动汽车接入数量。

优选地，所述步骤4)中，根据以下公式构建含有分布式电源与电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵：

$\mathrm{Mb}=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{p,v}& f_{p,t}& f_{p,s}\\ f_{w,v}& f_{w,t}& f_{w,s}\\ f_{v,v}& f_{v,t}& f_{v,s}\end{array}\right]$

其中，f_p,v，f_p,t，f_p,s分别为只有光伏电源并网时对配电网电压变化大小、对配电网谐波电压畸变率的影响大小及对配电网系统平均停电频率的影响大小；f_w,v，f_w,t，f_w,s为风力发电单独作用于配电网各参数的影响大小；f_v,v，f_v,t，f_v,s为电动汽车单独并网时对配电网各参数的影响大小。

优选地，所述步骤5)中，根据以下公式基于相对增益原理计算分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响：

首先，根据上一步所建立的含有光伏、风电等分布式电源以及电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵Mb，根据以下公式求取其逆矩阵：

${\mathrm{Mb}}^{-1}=\frac{1}{\mathrm{MO}}\left[\begin{array}{ccc}{f}_{v,s}{f}_{w,t}-f_{v,t}{f}_{w,s}& f_{p,s}{f}_{v,t}-f_{p,t}{f}_{v,s}& f_{p,t}{f}_{w,s}-f_{p,s}{f}_{w,t}\\ f_{v,v}{f}_{w,s}-f_{v,s}{f}_{w,v}& f_{p,v}{f}_{v,s}-f_{p,s}{f}_{v,v}& f_{p,s}{f}_{w,v}-f_{p,v}{f}_{w,s}\\ f_{v,t}{f}_{w,v}-f_{v,v}{f}_{w,t}& f_{p,t}{f}_{v,v}-f_{p,v}{f}_{v,t}& f_{p,v}{f}_{w,t}-f_{p,t}{f}_{w,v}\end{array}\right]$

接着，根据Mb矩阵以及其逆矩阵和逆矩阵的转至矩阵计算矩阵为：

RGA＝Mb*(Mb^-1)^T

由此，得到含有分布式电源及电动汽车的复杂配电网的相对增益矩阵RGA。

有益效果：本发明提出一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，在多种类型的分布式电源及电动汽车等新型需求侧资源接入配电网的情况下，能够快速准确的评估出计及各需求侧资源间交互影响的分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响。这一方法的效果如下：

1、本发明在多种类型的分布式电源及电动汽车等新型需求侧资源接入配电网的情况下，评估分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响，并且将不同类型的影响因素的衡量尺度进行归一化，能够明确有效的衡量各影响因素的大小，利于控制，因此采用本方法实用性强；

2、本发明在进行分布式电源及电动汽车并网运行对配电网影响的评估过程中，不仅考虑了单一类型需求侧资源接入配电网对配电网的影响，还计及了分布式电源及电动汽车之间的交互影响因素，综合分析评估了分布式电源及电动汽车并网运行对复杂配电网影响。这样可以有效地避免只分别单独考虑某一类型需求侧资源接入对配电网的影响而造成的特异性，更加完备的考虑了实际中多种类型需求侧资源接入配电网后因其之间的交互影响而对配电网产生的复杂影响，提高了智能配电网运行控制的准确性。同时，此方法还能快速准确的量化影响因素，保证了配电网运行控制的实时性，切实地提高配电网运行控制的效率。

附图说明

图1为本发明分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例以IEEE标准33节点为例，该配电系统中，在节点3接入大小为3MVA的分布式光伏电源，在第5节点处接入并网容量为2.5MVA的风力发电，在第16节点处接入充电功率为0.6MVA，放电功率为0.58MVA的电动汽车充放电站。

如图1所示，以分布式光伏电源为例，首先根据光伏电源并网后的有功功率P_p＝3MVA，求得光伏电源并网无功功率Q_p＝1.45MVA，计算每一个节点到分布式电源接入节点的电气距离，并记录，在此基础上通过参数C，D_p，将P_p，Q_p带入公式 $\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_k+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dg}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{2}(2N-k+1)*C-k*D,k\∈[1,m]\\ \frac{k}{2}(2N-k+1)*C-m*D,k\∈[m+1,N]\end{array}\right.,$ 即可得到在某一位置接入的分布式光伏电源对整个配电网系统的每一个节点造成的电压变化量。随后对网络所有节点电压变化量求平均，即得到某节点接入的光伏电源对配电网电压偏移影响因数f_p,v＝0.3326。接着通过公式 $\mathrm{\Δ}=\sqrt{r^2+h^2{x}^2}\·\left|I_{\mathrm{gh}}\right|G$ 与 $\left|I_{\mathrm{gh}}\right|=\left|I_g\right|\·I_{\mathrm{gspec},h}=\left|\frac{P_g}{V_{\mathrm{DG}}{\mathrm{dpf}}_g}\right|\·I_{\mathrm{gspec},h}$ 结合分布式光伏电源的出力大小可以得到光伏电源对配电网各节点谐波电压畸变率变化值，求系统平均后得到光伏电源对配电网谐波电压畸变率影响因数f_p,t＝5.8504。分布式光伏电源其故障率与故障平均时间按如下方式计算：γ_p＝0.15s，根据参数计算32个节点每个节点的故障率，随后根据公式计算分布式光伏电源对系统平均停电频率影响因数为f_p,s＝0.2905。对分布式风力发电也采取类似的操作，同样可以得到分布式风力发电对配电网电压偏移影响因数f_w,v＝0.3127，分布式风力发电对配电网谐波电压畸变率影响因数f_w,t＝13.0942，分布式风力发电对系统平均停电频率影响因数f_w,s＝0.3156。

第三步计算电动汽车接入后对配电网的影响因数。

当电动汽车以V2G方式进行放电时，可以看作分布式电源。按照上述方式计算在16节点处放电功率为P_v＝0.15MVA，Q_v＝0.065MVA的分布式电源对配电网电压的影响因数为f_v,v＝0.1453。根据公式计算出电动汽车等效电阻R_c＝908.224，再根据公式 ${\mathrm{THD}}_U=\frac{K_1}{R_C}*(K_2*L)*(K_3*\mathrm{Num})$ 计算得到电动汽车充放电对配电网谐波畸变率影响因数为f_v,t＝0.5291，接着根据公式计算出电动汽车对配电网平均停电频率影响因数f_v,s＝0.5632。

第四步在计算出所有并网元素对配电网影响因数后，按照公式 $\mathrm{Mb}=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{p,v}& f_{p,t}& f_{p,s}\\ f_{w,v}& f_{w,t}& f_{w,s}\\ f_{v,v}& f_{v,t}& f_{v,s}\end{array}\right]$ 构建该复杂配电网的基础影响系统函数矩阵为：

$\mathrm{Mb}=\left[\begin{array}{ccc}0.3326& 5.8504& 0.2905\\ 0.3127& 4.2186& 0.3156\\ 0.1453& 0.5291& 0.5623\end{array}\right]$

最后基于所建立的含有光伏、风电等分布式电源以及电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵Mb，根据公式：

${\mathrm{Mb}}^{-1}=\frac{1}{\mathrm{MO}}\left[\begin{array}{ccc}{f}_{v,s}{f}_{w,t}-f_{v,t}{f}_{w,s}& f_{p,s}{f}_{v,t}-f_{p,t}{f}_{v,s}& f_{p,t}{f}_{w,s}-f_{p,s}{f}_{w,t}\\ f_{v,v}{f}_{w,s}-f_{v,s}{f}_{w,v}& f_{p,v}{f}_{v,s}-f_{p,s}{f}_{v,v}& f_{p,s}{f}_{w,v}-f_{p,v}{f}_{w,s}\\ f_{v,t}{f}_{w,v}-f_{v,v}{f}_{w,t}& f_{p,t}{f}_{v,v}-f_{p,v}{f}_{v,t}& f_{p,v}{f}_{w,t}-f_{p,t}{f}_{w,v}\end{array}\right]$

根据Mb矩阵以及其逆矩阵和逆矩阵的转至矩阵计算矩阵为：

$\mathrm{RGA}=\mathrm{Mb}*{\left({\mathrm{Mb}}^{-1}\right)}^T=\left[\begin{array}{ccc}-4.6688& 4.8427& 0.8261\\ 6.2421& -3.8902& -1.3519\\ -0.5733& 0.0475& 1.5258\end{array}\right]$

Claims (9)

1.一种分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)读取配电网网络拓扑结构，分布式电源及电动汽车的接入位置，分布式电源的并网容量，电动汽车的类型及接入功率，各节点负荷容量；

2)计算分析分布式电源并网运行对配电网在电压大小、电压谐波畸变率、系统平均停电频率方面的影响；

3)计算分析电动汽车充放电站并网对配电网的电压大小、电压谐波畸变率、系统平均停电频率方面的影响；

4)构建分布式电源及电动汽车对配电网影响的基础系统函数矩阵；

5)基于相对增益原理计算分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响。

2.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网电压的影响ΔU：

$\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_k+{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dg}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{2}(2N-k+1)*C-k*D,k\∈[1,m]\\ \frac{k}{2}(2N-k+1)*C-m*D,k\∈[m+1,N]\end{array}\right.$

其中， $C=\frac{r*P_1+x*Q_1}{U_N},D=\frac{r*P_{\mathrm{dg}}+x*Q_{\mathrm{dg}}}{U_N},$ P₁和Q₁分别为单个节点的有功功率和无功功率，r，x分别表示均匀配电网络中相邻两个节点间的电阻值和电抗值，k为网络中任意节点，m为分布式电源的接入节点位置，P_dg，Q_dg分别为分布式电源的有功功率和无功功率，U_N为线路中的额定电压，N为网络中的总负荷数。

3.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网电压谐波畸变率的影响：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{r^2+h^2{x}^2}\·\left|I_{\mathrm{gh}}\right|G$

其中， $\left|I_{\mathrm{gh}}\right|=\left|I_g\right|\·I_{\mathrm{gspec},h}=\left|\frac{P_g}{V_{\mathrm{DG}}{\mathrm{dpf}}_g}\right|\·I_{\mathrm{gspec},h},$ h为配电网络末端节点的谐波电压次数，G为分布式电源接入位置，P_g为分布式电源接入容量，V_DG为分布式电源接入节点的电压大小，I_gspec,h为分布式电源谐波源模型。

4.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据以下公式计算分布式电源接入对配电网系统平均停电频率的影响：

其中，λ_D，γ_D分别为分布式电源的故障率和故障平均停电持续时间；λ_S,K，γ_S,K分别为第k段主馈线的故障率以及故障平均停电持续时间；N_D为在分布式电源和负荷点两者前面的主馈线段数量；N_j为用电负荷总数。

5.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网电压的影响ΔU：

$\mathrm{\ΔU}=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{2}(2N-k+1)C-kD,k\∈[1,m]\\ \frac{k}{2}(2N-k+1)C-mD,k\∈[m+1,N]\end{array}\right.$

其中， $C=\frac{r{P}_1+x{Q}_1}{U_N},D=\frac{r{P}_v+x{Q}_v}{U_N},$ P₁和Q₁分别为单个节点的有功功率和无功功率，r，x分别表示均匀配电网络中相邻两个节点间的电阻值和电抗值，k为网络中任意节点，m为分布式电源的接入节点位置，P_v，Q_v分别为分布式电源的有功功率和无功功率，U_N为并网母线额定电压，N为网络中的总负荷数。

6.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网电压谐波畸变率的影响：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{K_1}{R_C}*(K_2*L)*(K_3*\mathrm{Num})$

其中，R_c为电动汽车或充电站等效电阻，L为电动汽车或充电站到上级电网的距离，Num为确定时刻正在充电的电动汽车数量，K₁,K₂,K₃为计算常数，根据电动汽车类型选定。

7.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据以下公式计算电动汽车接入对配电网系统平均停电频率的影响：

${\mathrm{SAIFI}}_v=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_j{N}_j+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_v{N}_v}{\mathrm{\Σ}{N}_j+\mathrm{\Σ}{N}_v}$

其中，λ_j为节点故障率，N_j为节点负荷数，λ_v为电动汽车故障率，N_v为电动汽车接入数量。

8.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤4)中，根据以下公式构建含有分布式电源与电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵：

$\mathrm{Mb}=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{p,v}& f_{p,t}& f_{p,s}\\ f_{w,v}& f_{w,t}& f_{w,s}\\ f_{v,v}& f_{v,t}& f_{v,s}\end{array}\right]$

其中，f_p,v，f_p,t，f_p,s分别为只有光伏电源并网时对配电网电压变化大小、对配电网谐波电压畸变率的影响大小及对配电网系统平均停电频率的影响大小；f_w,v，f_w,t，f_w,s为风力发电单独作用于配电网各参数的影响大小；f_v,v，f_v,t，f_v,s为电动汽车单独并网时对配电网各参数的影响大小。

9.由权利要求1所述的分布式电源及电动汽车对配电网影响的评估方法，其特征在于，所述步骤5)中，根据以下公式计算分布式电源及电动汽车并网运行对配电网的影响：

首先，根据上一步所建立的含有光伏、风电等分布式电源以及电动汽车的配电网影响基础系统函数矩阵Mb，根据以下公式求取其逆矩阵：

${\mathrm{Mb}}^{-1}=\frac{1}{\mathrm{MO}}\left[\begin{array}{ccc}{f}_{v,s}{f}_{w,t}-f_{v,t}{f}_{w,s}& f_{p,s}{f}_{v,t}-f_{p,t}{f}_{v,s}& f_{p,t}{f}_{w,s}-f_{p,s}{f}_{w,t}\\ f_{v,v}{f}_{w,s}-f_{v,s}{f}_{w,v}& f_{p,v}{f}_{v,s}-f_{p,s}{f}_{v,v}& f_{p,s}{f}_{w,v}-f_{p,v}{f}_{w,s}\\ f_{v,t}{f}_{w,v}-f_{v,v}{f}_{w,t}& f_{p,t}{f}_{v,v}-f_{p,v}{f}_{v,t}& f_{p,v}{f}_{w,t}-f_{p,t}{f}_{w,v}\end{array}\right]$

接着，根据Mb矩阵以及其逆矩阵和逆矩阵的转至矩阵计算矩阵为：

RGA＝Mb*(Mb^-1)^T

由此，得到含有分布式电源及电动汽车的复杂配电网的相对增益矩阵RGA。