CN104485671B - 一种基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法,属于发电、变电或配电技术控制领域。应用该方法,对多微网系统进行合理的孤岛划分,在多微网系统进行初步划分时,为使得划分后的各孤岛能够满足一定的功率平衡约束条件和电气参数上下限约束条件,对孤岛中不能稳定运行的孤岛进行切负荷策略或切布式电源策略处理,以稳定所有孤岛的运行状态,以此来保证整个微网或是多微网系统的稳定运行,实现多微网系统的合理孤岛划分。该孤岛划分方法基于电压稳定裕度,使得该方法具有明确的物理意义,有较高的操作指导型,且对于原始数据的数量要求较少;同时使用该方法进行孤岛运行划分的微网在孤网运行时能够稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种多微网系统孤岛划分方法,属于发电、变电或配电技术控制领域。
背景技术
分布式电源(即Distributed Generation,简称DG)指为满足终端用户的特殊要求,接在用户侧附近的小型发电系统。它们的规模一般不大,通常为几十千瓦至几十兆瓦,所用的能源包括天然气(含煤层气,沼气)、太阳能、生物智能、氢能、风能、小水电等清洁能源或可再生能源,而储能装置主要为蓄电池等。为了提高能源利用率,同时降低成本,往往采用冷、热、电等各种能源一起供应的系统成为分布式电源系统,而包括分布式能源在内的电力系统称为分布式能源电力系统。
迄今为止,分布式电源技术的潜力尚未得到充分发挥,究其原因,主要有以下几点:
(1)分布式电源自身的特性决定了一些电源的出力将随外部条件的变化而变化,表现出间歇性和随机性等特点,使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡,且不可调度,需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用。
(2)分布式电源的并网运行改变了系统中的潮流分布,对配电网而言,由于分布式电源的接入导致系统中具有双向潮流,给电压调节、保护协调与能量优化带来了新问题。
(3)多数分布式电源需要通过电力电子接口并入电网,大量电力电子设备和电容、电感的引入,易影响周边用户的供电质量,外界产生干扰可能导致频率和电压的不同步,从而拖垮整个系统。
(4)为数众多、形式各异、不可调度的分布式电源将给依靠传统集中式电源调度方式进行管理的系统运行人员带来更大的困难,缺乏有效的管理将导致分布式电源运行时的“随意性”,给系统的安全性和稳定性造成隐患。
为使分布式发电得到充分利用,一些学者提出了微型电网(MicroGrid,简称微网)的概念。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与大电网并网运行,也可以孤立运行。现有研究和实践已表明,将分布式电源供能系统以微网的形式接入大电网并网运行,与大电网互为支撑,是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。而在微网中分布式电源往往是有不同容量等级的,以便在网内形成供电阶梯。
近年来,关于多微网孤岛划分研究已经取得了一定成果。当多微网的孤岛划分选择重点考虑保持微网内部功率平衡以及重要负荷的供电,则被划分为优化问题,传统解决方式是以等值有效最大负荷为目标函数,建立配电网孤岛划分的模型。另外考虑到设备产权及调度范围等的问题,多微网的划分经常基于区域微网或其子网种类的不同,例如根据单元微网、区域微网、系统微网等的微电网在配电网中的自然拓扑属性进行简单分类,以便调度及控制保护策略的实施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提出一种基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法。该方法从拓扑的连通特性出发,对多微网的孤岛运行提供划分策略,不同于现有简单划分。该方法更具有实际的物理意义,特别考虑电压稳定水平,划分后能保障孤岛的电压稳定,同时还具有计算简单、步骤清晰、可操作性高,对原始数据要求数量偏少的特点。
该方法具体执行如下步骤:
1)计算出所述多微网系统的等效戴维南电路中任意节点相对于其他节点的电压稳定裕度SVS;
2)对所述节点的电压稳定裕度求和得到该节点的电压稳定裕度求之和TSVS;
3)在所述节点中选择用于表示所述多微网系统中容量等级为最高级的分布式电源的节点作为第一节点,根据所述第一节点的TSVS值的大小,按照由大到小的顺序从所述第一节点中选择数目X个第一节点作为源节点;
所述数目X为所述拓扑结构中所需划分出孤岛的数量;
所述节点中未被选择为源节点的其余节点作为非源节点;
4)根据选择的所述源节点和非源节点对所述多微网系统依据拓扑连通性原则进行孤岛初步设置,所述孤岛有且仅有一个源节点;
5)按照功率平衡约束条件、电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件三个条件对所述源节点的执行策略选择如下,
5-1)当所述源节点中分布式电源的有功出力大于所述源节点中分布式电源的额定值时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除负荷策略;
5-2)当所述源节点中分布式电源的有功出力小于0时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除分布式电源策略;
依照步骤5)对各孤岛进行操作,完成所述多微网系统孤岛划分。
上述技术方案的改进是,在步骤5)中的所述功率平衡约束条件、所述电压上下限约束条件和所述分布式电源出力上下限约束条件分别为:
功率平衡约束条件如下,
其中,
PGi为所述节点i中分布式电源的有功出力,QGi为所述节点i的中分布式电源的无功功率;
PLi为所述节点i中负载有功功率,QGi为所述节点i的负载无功功率;θij为所述节点i与所述节点j之间的电压相角差;
m是与所述节点i相连的支路数量;
电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件如下,
其中,
Ui为所述节点i处实际电压幅值,Ui,N为所述节点i中分布式电源的额定电压幅值,PGi,N为所述节点i中分布式电源的额定有功出力,QGi,max为所述节点i中的分布式电源的最大无功出力。
上述技术方案的改进是,在步骤5)中:
所述切除负荷策略执行步骤如下:
5-1-1)在步骤4)的孤岛中,以所述源节点为中心,计算出所述孤岛中的边界点到所述源节点的电压稳定裕度;
所述边界点是指在所述孤岛中m=1的所述非源节点;
5-1-2)从所述边界点中选取与所述源节点间电压稳定裕度最小的点作为第一负荷点,切除所述第一负荷点中的最小负荷;
5-1-3)在所述孤岛切除负荷后,
所述源节点中分布式电源是否满足功率平衡约束条件,若满足则不再切除所述第一负荷点中的负荷;
若所述源节点中分布式电源不满足所述功率平衡约束条件,则对切除过负荷的所述第一负荷点继续做切除最小负荷的处理直至将所述第一负荷点中负荷完全切除;
在步骤5-1-3)中,若所述孤岛将所述第一负荷点中负荷完全切除后,所述源节点中分布式电源仍然不能满足所述功率平衡约束条件,则对当前状态下的孤岛再次进行切负荷策略,直至达到所述源节点中分布式电源能够满足所述功率平衡约束条件,即完成所述多微网系统孤岛划分;
所述切除分布式电源策略执行步骤如下:
5-2-1)选取步骤4)的孤岛中的次有源节点,所述次有源节点是指所述孤岛中除源节点外的内含分布式电源的节点;
5-2-2)根据所述次有源节点中分布式电源的可变成本大小按照从大到小的顺序为所述次有源节点进行排序;
在步骤5-2-2)中的排序过程中,若存在有可变成本相同的次有源节点,则比较各次有源节点与所述源节点间的电压稳定裕度,并根据比较结果将所述电压稳定裕度大的次有源节点排列于所述电压稳定裕度小的次有源节点之前;
5-2-3)根据步骤5-2-2)中得到次有源节点的顺序序列,从首向尾逐一切除所述次有源节点中的分布式电源,直至所述源节点不再从多微网系统吸收能量为止,即所述有源节点中分布式电源的有功出力大于或等于0时,此时调整最后一个被切除的次有源节点的分布式电源的出力,使得所述有源节点中分布式电源的有功出力与无功出力均为0,即完成所述多微网系统孤岛划分。
本发明采用上述技术方案的有益效果是:该方法以电压稳定裕度为参考,选取若干节点作为源节点,并以这些源节点为中心对微网进行孤岛划分,此时的划分会参考拓扑集合中提到的连通性原则,在完成初步的孤岛划分后,还会对这些孤岛的运行状态做出判断,并调整那些状态不稳定的孤岛,针对可能出现的两种情况采用两种不同的执行策略,最终将所有孤岛调整到稳定的运行状态。
从上述内容可以看出,无论本法中何种操作到时依照一种实际可能的情况进行的,使得各步骤操作更具有物理意义,可以对实际起到很好的指导作用,且用到的原始数据要求数量较少。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是应用本发明实施例的算例划分结果示意图。
图3是图2算例孤岛电压稳定裕度曲线图。
图4是图2算例有功负荷切除量曲线图。
图5是图2算例孤岛网损曲线图。
具体实施方式
实施例
本实施例的一种基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法,图1为该方法的运行流程,其具体执行步骤如下:
1)计算出所述多微网系统的等效戴维南电路中任意二个节点i与节点j之间的节点的电压稳定裕度SVS,SVS(i,j)为节点i相对节点j的电压稳定裕度;
电压方程:
其中,
根据节点电压方程圆特性,可令:
建立电压稳定裕度指标:
SVS=Rx+Ry-Dxy
2)通过下式计算TSvs,所述节点j的
3)在所述节点j中选择用于表示所述多微网系统中容量等级为最高级的分布式电源的节点作为第一节点,按所述第一节点的TSVS由大到小的顺序从所述第一节点中选择数目X个第一节点作为源节点;
所述数目X为所述拓扑结构中所需划分出孤岛的数量;
所述节点j中未被选择为源节点的其余节点作为非源节点;
4)根据选择的所述源节点和非源节点对所述多微网系统依据拓扑连通性原则进行孤岛初步设置,所述孤岛有且仅有一个源节点;
5)按照功率平衡约束条件、电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件三个条件对所述源节点的执行策略选择如下,
5-1)当所述源节点中分布式电源的有功出力大于所述源节点中分布式电源的额定值时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除负荷策略;
5-2)当所述源节点中分布式电源的有功出力小于0时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除分布式电源策略;
5-1)当所述源节点中分布式电源的有功出力大于所述源节点中分布式电源的额定值时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除负荷策略;
切除负荷策略执行步骤如下:
5-1-1)在步骤4)的孤岛中,以所述源节点为中心,计算出所述孤岛中的边界点到所述源节点的电压稳定裕度;
所述边界点是指在所述孤岛中m=1的所述非源节点;
5-1-2)从所述边界点中选取与所述源节点间电压稳定裕度最小的点作为第一负荷点,切除所述第一负荷点中的最小负荷;
5-1-3)在所述孤岛切除负荷后,
所述源节点中分布式电源是否满足功率平衡约束条件,若满足则不再切除所述第一负荷点中的负荷;
若所述源节点中分布式电源不满足所述功率平衡约束条件,则对切除过负荷的所述第一负荷点继续做切除最小负荷的处理直至将所述第一负荷点中负荷完全切除;
在步骤5-1-3)中,若所述孤岛将所述第一负荷点中负荷完全切除后,所述源节点中分布式电源仍然不能满足所述功率平衡约束条件,则对当前状态下的孤岛再次进行切负荷策略,直至达到所述源节点中分布式电源能够满足所述功率平衡约束条件,即完成多微网系统孤岛划分;
5-2)当所述源节点中分布式电源的有功出力小于0时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除分布式电源策略;
切除分布式电源策略执行步骤如下:
5-2-1)选取步骤4)的孤岛中的次有源节点,所述次有源节点是指所述孤岛中除源节点外的内含分布式电源的节点;
5-2-2)根据所述次有源节点中分布式电源的可变成本大小按照从大到小的顺序为所述次有源节点进行排序;
在步骤5-2-2)中的排序过程中,若存在有可变成本相同的次有源节点,则比较各次有源节点与所述源节点间的电压稳定裕度,并根据比较结果将所述电压稳定裕度大的次有源节点排列于所述电压稳定裕度小的次有源节点之前;
5-2-3)根据步骤5-2-2)中得到次有源节点的顺序序列,从首向尾逐一切除所述次有源节点中的分布式电源,直至所述源节点不再从多微网系统吸收能量为止,即所述有源节点中分布式电源的有功出力大于或等于0时,此时调整最有一个被切除的次有源节点的分布式电源的出力,使得所述有源节点中分布式电源的有功出力与无功出力均为0,即完成多微网系统孤岛划分。
在步骤5)中的所述功率平衡约束条件、所述电压上下限约束条件和所述分布式电源出力上下限约束条件分别为:
功率平衡约束条件如下,
其中,
PGi为所述节点i中分布式电源的有功出力,QGi为所述节点i的中分布式电源的无功功率;
PLi为所述节点i中负载有功功率,QGi为所述节点i的负载无功功率;θij为所述节点i与所述节点j之间的电压相角差;
m是与所述节点i相连的支路数量;
电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件如下,
其中,
Ui为所述节点i处实际电压幅值,Ui,N为所述节点i中分布式电源的额定电压幅值,PGi,N为所述节点i中分布式电源的额定有功出力,QGi,max为所述节点i中的分布式电源的最大无功出力。
通过上述调整,对多微网中的划分的第一孤岛中不能稳定工作的孤岛进行逐一处理,完成对多微网系统孤岛划分。
在上述的步骤4)中的连通性是点集拓扑学中的基本概念,其定义如下:若X中除了空集和X本身外没有别的既开又闭的子集,则称拓扑空间X是连通的。
若E作为X的子空间在诱导拓扑下是连通的,则称拓扑空间X的子集E是连通的。
等价描述有:
1.称拓扑空间X是连通的,若X不能表示成两个非空不交开集的并。
2.称拓扑空间X是连通的,若当它分成两个非空子集A、B的并A∪B时,有A交B的闭包非空,或B交A的闭包非空。
3.称拓扑空间X是连通的,若X中既开又闭的子集只有X与空集。
所以说在本实施例的步骤4)中提到的连通性原则主要是利用这样一个原理,以达到为孤岛划分提供依据,使得每个孤岛中有且仅有唯一的源节点的目的。
在本实施例中连通性原理的应用可以通过下面的例子来理解,根据连通性原则是采取如下方式设置孤岛中源节点与非源节点关系(其中源节点A、B、C、D为任意源节点,不具有特殊意义):
a.若从源节点A到末端的线路中没有接触源节点B、C、D则此段线路所有非源节点都默认选择源节点A。
b.若两源节点之间的线路上,在节点选择时有交叉则此线路交叉段比较选择两源节点的节点数目,交叉段B-C-D所有节点选择节点数目多的源节点;若双方节点数目同样多则比较Svc(i,j)之和再择大选取。
本实施例步骤5-2-2)中提到的可变成本(Variable Costs),又称变动成本,是指在总成本中随产量的变化而变动的成本项目,主要是原材料,燃料,动力等生产要素的价值,当一定期间的产量增大时,原材料,燃料,动力的消耗会按比例相应增多,所发生的成本也会按比例增大,故称为可变成本。可变成本等于总成本减固定成本。
基于本方法的算例分析:
本发明选取CIGRE中压放射状网络作为算例分析,选取不同负荷水平应用此划分策略对孤岛划分结果进行分析。图2a、图2b分别是小负荷和大负荷水平下的划分结果,可得不同负荷水平下划分后的拓扑结构差异较大;图3是两种负荷水平下的一种电压指标值SVC,SVC大于0即为稳定,可得两种情况孤岛中所有非源节点皆具有良好的电压稳定性;图4、5分别是在逐级递增的负荷水平下系统切除有功负荷数量和孤网整体网损值,可以看出随着负荷的增加系统切除负荷量也稳步增加,网损则由于切除负荷的影响呈现波动上升走势。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法,其特征在于执行如下步骤:
1)计算出所述多微网系统的等效戴维南电路中任意节点相对于其他节点的电压稳定裕度SVS;
2)对所述节点的电压稳定裕度求和得到该节点的电压稳定裕度之和TSVS;
3)在所述节点中选择用于表示所述多微网系统中容量等级为最高级的分布式电源的节点作为第一节点,根据所述第一节点的TSVS值的大小,按照由大到小的顺序从所述第一节点中选择数目X个第一节点作为源节点;
所述数目X为所述多微网系统的拓扑结构中所需划分出孤岛的数量;
所述节点中未被选择为源节点的其余节点作为非源节点;
4)根据选择的所述源节点和非源节点对所述多微网系统依据拓扑连通性原则进行孤岛初步设置,所述孤岛有且仅有一个源节点;
5)按照功率平衡约束条件、电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件三个条件对所述源节点的执行策略选择如下,
5-1)当所述源节点中分布式电源的有功出力大于所述源节点中分布式电源的额定值时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除负荷策略;
5-2)当所述源节点中分布式电源的有功出力小于0时,则所述孤岛以所述源节点为中心执行切除分布式电源策略;
依照步骤5)对各孤岛进行操作,完成所述多微网系统孤岛划分。
2.如权利要求1所述的基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法,其特征在于,在步骤5)中的所述功率平衡约束条件、所述电压上下限约束条件和所述分布式电源出力上下限约束条件分别为:
功率平衡约束条件如下,
其中,
PGi为所述节点i中分布式电源的有功出力,QGi为所述节点i中分布式电源的无功功率;
PLi为所述节点i中负载有功功率,QLi为所述节点i的负载无功功率;
θij为所述节点i与所述节点j之间的电压相角差;
Gij为所述节点i与所述节点j之间的导纳值;
Bij为所述节点i与所述节点j之间的磁通量;
m是与所述节点i相连的支路数量;
电压上下限约束条件和分布式电源出力上下限约束条件如下,
其中,
Ui为所述节点i处实际电压幅值,Uj为所述节点j处实际电压幅值,Ui,N为所述节点i中分布式电源的额定电压幅值,PGi,N为所述节点i中分布式电源的额定有功出力,QGi,max为所述节点i中的分布式电源的最大无功出力。
3.如权利要求1中的基于电压稳定裕度的多微网系统孤岛划分方法,其特征在于,在步骤5)中:
所述切除负荷策略执行步骤如下:
5-1-1)在步骤4)的孤岛中,以所述源节点为中心,计算出所述孤岛中的边界点到所述源节点的电压稳定裕度;
所述边界点是指在所述孤岛中m=1的所述非源节点,m是与所述节点i相连的支路数量;
5-1-2)从所述边界点中选取与所述源节点间电压稳定裕度最小的点作为第一负荷点,切除所述第一负荷点中的最小负荷;
5-1-3)在所述孤岛切除负荷后,
所述源节点中分布式电源是否满足功率平衡约束条件,若满足则不再切除所述第一负荷点中的负荷;
若所述源节点中分布式电源不满足所述功率平衡约束条件,则对切除过负荷的所述第一负荷点继续做切除最小负荷的处理直至将所述第一负荷点中负荷完全切除;
在步骤5-1-3)中,若所述孤岛将所述第一负荷点中负荷完全切除后,所述源节点中分布式电源仍然不能满足所述功率平衡约束条件,则对当前状态下的孤岛再次进行切负荷策略,直至达到所述源节点中分布式电源能够满足所述功率平衡约束条件,即完成所述多微网系统孤岛划分;
所述切除分布式电源策略执行步骤如下:
5-2-1)选取步骤4)的孤岛中的次有源节点,所述次有源节点是指所述孤岛中除源节点外的内含分布式电源的节点;
5-2-2)根据所述次有源节点中分布式电源的可变成本大小按照从大到小的顺序为所述次有源节点进行排序;
在步骤5-2-2)中的排序过程中,若存在有可变成本相同的次有源节点,则比较各次有源节点与所述源节点间的电压稳定裕度,并根据比较结果将所述电压稳定裕度大的次有源节点排列于所述电压稳定裕度小的次有源节点之前;
5-2-3)根据步骤5-2-2)中得到次有源节点的顺序序列,从首向尾逐一切除所述次有源节点中的分布式电源,直至所述源节点不再从多微网系统吸收能量为止,即所述次有源节点中分布式电源的有功出力大于或等于0时,此时调整最后一个被切除的次有源节点的分布式电源的出力,使得所述次有源节点中分布式电源的有功出力与无功出力均为0,即完成所述多微网系统孤岛划分。
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