CN105337301B - 微电网并网点的选择方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电网并网点的选择方法和装置。其中,该方法包括:建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;获取微电网接入配电网的至少一个接入节点;采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标。通过本发明,能够解决现有微电网不能很好的解决分布式能源和配电网之间的矛盾的问题,达到了微电网管理分布式电源,有序安全接入效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域,具体而言,涉及一种微电网并网点的选择方法和装置。
背景技术
为了应对越来越多的分布式电源接入配电网,以及分布式电源与配电网的互联接口得到了越来越多的应用,国家电网公司生技部组织有关单位编制了《分布式电源接入配电网运行控制技术规范》,解决了目前尚无相应的测试技术规范作为指导,同时加强和规范了分布式电源接入配电网测试工作。标准的制定中对国外分布式电源接入电网测试标准的研究分析,结合我国各类互联接口设备的特性、我国10kV及以下电压等级配电网结构以及配电网运行对互联接口的要求作为参考制定,规定了分布式电源接入配电网的互联接口测试应遵循的技术规范。标准适用于国家电网公司经营区域内以同步电机、感应电机、变流器形式接入10kV及以下电压等级配电网的分布式电源。
目前,现有的IEEE关于分布式电源接入电网的并网标准、测试标准,以及德国、美国和加拿大等国家一些电力协会或电力公司编制的分布式电源并网的有关技术规定、标准或相关研究报告,主要有IEEE1547.12005《分布式电源与电力系统一致性测试程序》、IEEE15472003《分布式电源并网技术标准》和德国的《中压网并网技术导则》。
规范中规定了分布式电源接入配电网的方式。对于接入10kV配电网的分布式电源,应以三相平衡方式接入。对于接入低压配电网的分布式电源,无论三相或单相接入方式,都应满足公共连接点三相平衡要求。标准中分布式电源接入低压配电网是以三相接入380V配电网和以单相接入220V配电网。规定以三相接入配电网的分布式电源应具备有功功率控制和无功功率调节的能力,保证输出功率因数满足Q/GDW480的要求。按照Q/GDW480的规定,接入10kV配电网的分布式电源,同步电机类型的应保证机端功率因数在0.95(超前)~0.95(滞后)范围内连续可调并参与并网点的电压调节,异步电机和变流器类型的应在0.98(超前)~0.98(滞后)范围内连续可调。接入380V配电网的分布式电源功率因数应在0.98(超前)-0.98(滞后)范围。
作为智能配电网的关键技术之一,储能系统是分布式电源的一种,储能系统既能作为电源,也能作为电网负荷。相比其他分布式电源随机性大和不易控制的特点,具有灵活的可控性,具有削峰填谷、平抑其他分布式电源波动、作为应急电源等能力,在配电网中往往能起到削峰填谷、平抑可再生能源电源波动、提供紧急功率支撑等作用。随着智能配电网建设的深入和储能系统应用的推广,有必要针对储能系统的特点制定标准以指导储能系统有序接入配电网。
目前有些国内的微电网接入配电网系统调试与验收标准已经获批立项,由中国电科院参与编写的3项工程建设国家标准《微电网接入配电网系统调试与验收规范》、《电化学储能电站施工及验收规范》和《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》。《微电网接入配电网系统调试与验收规范》适用于接入10(20)千伏及以下电压等级配电网的微电网调试与验收。《电化学储能电站施工及验收规范》适用于固定式电池储能站如锂离子蓄电池、钠硫电池、镍氢电池、铅酸电池等电化学储能站的施工及验收。
在南方电网公司重点科研项目和国家863计划的支持下,广西电网公司牵头,清华大学、广西电网公司电力科学研究院、中国农业大学、广西电网公司北海供电局等多家单位参与,开展了广西地方标准《微电网接入10kV及以下配电网技术规范》的编制工作,成立了标准编写小组,并基于中国国情和国内微电网建设、运行的现状,根据国内电力行业的现有国家标准和行业标准,参考国外相关标准和国内企标,在已有工作基础上积极开展资料收集和调查论证等工作,确定了各技术规定要求的指标,并结合实际系统调研数据,以及各单位的意见征询,于2012年8月28日完成了规范的编写工作,形成了《微电网接入10kV及以下配电网技术规范》的送审稿,提出了中国主流微电网接入配电网的技术要求,以指导广西地方微电网的相关工作。
该标准规定了交流微电网接入10kV及以下电压等级配电网的一般技术要求,适用于总容量为4MVA及以下的微电网以及分布式电源。标准就微电网和分布式电源接入配电网的电能质量、离并网过程和响应做出了规范性要求,对微电网规划设计的内容进行详尽的规定,对微电网运行控制策略和综合管理方法进行了描述并细化了微电网和分布式电源测试方法和步骤。通过上述标准,在10kV以下微电网接入配电网的建设、运行和管理等方面形成了一系列的规范。
从世界范围看,欧美日等国对分布式发电接入配电网作了大量研究工作,目前美国与加拿大已经出台了相关标准,有效指导了微电网接入配电网运行。
2011年8月,德国颁布了最新的“分布式电源接入低压配电网运行管理规定”(VDE-AR-N4105)于2012年1月生效。该规定由德国电气工程师协会编制,为国家强制性标准,取代了第4版的VDE技术标准。
该标准为分布式电源接入低压配电网提供技术指导,以确保电网安全稳定运行,适应不断增加的分布式发电系统,保证电压质量。主要适用于电网公司和分布式电源开发商的规划和决策过程,同时为电网公司提供系统运行需要考虑的重要信息。规定了接入低压配电网的分布式电源规划、建设、运行以及改建应遵循的管理规定和技术要求。适用于以同步电机、异步电机等形式接入低压配电网或者通过用户侧变压器接入中压电网的水电、光伏发电、热电联产(CHP)、燃料电池等分布式电源。标准中的管理规定包括接入低压配电网的分布式电源建设运行必须符合的监管规定、电站接入系统申请文件、电站首次并网程序、电站首次并网检测程序等。
标准中明确了分布式电源应具有有功功率调节能力,并能根据电网公司的信号调节电源的有功功率输出。电站运营商具有减少有功功率输出的责任。波动性电源应能在相应选定点立即减少发电出力,最长不超过一分钟。波动性电源应在技术上能够在不自动切除的情况下,在选定点减少10%出力,如果减少出力小于最大有功功率的10%,应切除。其他电源在相应选定点减少发电出力的最长时间不应超过五分钟,如果超过五分钟,应切除。
加拿大自然资源部的Canmet技术研究中心进行了有关IEEE1547标准中有关接入分布式发电的互联系统标准,并在2012年分布式电源分析研究报告中阐述了以30kW为界的互联系统频率响应时间,研究中指出在30kW以下系统应在0.16s内完成孤岛保护的响应,而在30kW以上应按实际情况调整。以参观的HydroOne公司为代表的电力企业已经根据IEEE1547系列标准制定了地方接入妖气,HydroOne公司针对50kV以下配网接入分布式发电的情况,在IEEE1547标准基础上发布了“DT-10-015”接入要求,要求主要针对网内单相10kW,三相30kW以上的分布式电源,接入要求涉及到设计、建设、运营与维护等方面。
加拿大在分布式发电发展过程中重视标准的研究,吸收并引进了国际标准,较好实现了分布式电源安全、可靠和经济的接入配电网,值得学习借鉴。
综合国内外分布式发电接入标准,目前较为全面,具有较强可操作性,并形成了世界标准IEEE1547。
但微电网作为管理分布式电源有序安全接入的形式,目前标准研究较少,目前国内仅有广西颁布了地方标准,世界范围内尽管已有研究,并且具有大量示范工程,但由于微电网接入配电网涵盖发电、储能、电能质量,电网运行控制等多个方面,尚无得到一致认可的行业标准或国家标准,更无世界标准。
针对现有技术中微电网作为管理分布式电源有序安全接入的形式,无法确定微电网和配电网之间有效连接方式的问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微电网并网点的选择方法和装置,以解决无法确定微电网和配电网之间有效连接方式的问题。
为了实现上述目的,根据本发明实施例的一个方面,提供了一种微电网并网点的选择方法,该方法包括:建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;获取微电网接入配电网的至少一个接入节点;采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标。
为了实现上述目的,根据本发明实施例的另一方面,提供了一种微电网并网点的选择装置。根据本发明的微电网并网点的选择装置包括:处理模块,用于建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;获取模块,用于获取微电网接入配电网的至少一个接入节点;评估模块,用于采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标。
根据发明实施例,通过建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;获取微电网接入配电网的至少一个接入节点;采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标,解决了无法确定微电网和配电网之间有效连接方式的问题,达到了微电网管理分布式电源,有序安全接入效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据本发明实施例的一种微电网并网点的选择方法的流程图;
图2是根据本发明实施例的一种优选的微电网并网点的选择方法的流程图;
图3是根据本发明实施例的微电网并网点优化选择方法研究技术路线图;
图4是根据本发明实施例的一种微电网并网点的选择装置的示意图;
图5是根据本发明实施例的一种可选的微电网并网点的选择装置的示意图;
图6是根据本发明实施例的一种可选的微电网并网点的选择装置的示意图;
图7是根据本发明实施例的一种可选的微电网并网点的选择装置的示意图;
图8是根据本发明实施例的一种可选的微电网并网点的选择装置的示意图;
图9是根据本发明实施例的一种可选的微电网并网点的选择装置的示意图;
图10是根据本发明实施例的微电网专线接入10kV配电网示意图;
图11是根据本发明实施例的分布式光伏支线接入10kV配电网的示意图;
图12是根据本发明实施例的微电网接入内部电网后专线接入10kV配电网的示意图;
图13是根据本发明实施例的微电网专线接入380V配电网的示意图;以及
图14是根据本发明实施例的微电网接入220/380V配电网的示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种微电网并网点的选择方法。
图1是根据本发明实施例的一种微电网并网点的选择方法的流程图。如图1所示,该微电网并网点的选择方法包括步骤如下:
步骤S102,建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备。
步骤S104,获取微电网接入配电网的至少一个接入节点。
步骤S106,采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标。
具体的,选择微电网的接入位置,需要在考虑分布式电源的随机性、间歇性以及储能和负荷等特性的基础上,分析研究微电网并网后对配电网的影响,从经济和技术两方面建立以配电网网损、电压和可靠性的改善率最优的多目标函数,并将节点电压波动约束、线路传输功率约束、微电网传输功率约束等以静态罚函数形式引入,建立归一化目标函数;然后采用改进的粒子群优化算法,可以结合homer软件,模拟生成配电网所在区域的一年内的光照强度、风速和负荷的曲线,进而对一年内风速、光照强度和负荷在最大值、最小值和平均值的情况下进行优化计算,还需对一年内的累积情况进行分析求解,得出一年内累积综合最优的微电网接入点,考虑微电网的特性,建立微电网的数学模型,主要包括目前技术较成熟、利用较广泛的几种用于发电的分布式电源,如:风力发电、太阳能发电、微型燃气轮机以及储能和负荷这几个部分。
其中,配电微网负荷,也就是使用电能的负荷具有时变性,多数情况均将负荷预测结果看作一个随机变量并采用基于历史数据来预测负荷分布情况。本事实例对于微电网内的负荷可以利用homer软件基于历史数据生成某地区年度负荷曲线。
另外由于微电网中包含的风力发电和太阳能发电等分布式电源的输出功率具有随机性、波动性和间歇性等特点,所以在对微电网进行分析研究时简单的使用某一时刻的数值来进行微电网建模和优化分析是不合理的,近几年来专家们通过研究分析同一地区多年的历史数据发现一般情况下某一地区每年的风速变化趋势并不是杂乱无章的,而是具有一定的规律性,一般认为风速服从Weibull分布、光照强度服从Beta分布,所以本实施例在进行微电网接入配电网中的优化配置分析时,将利用homer软件产生一段时间内,本实施例选取一年的有关微电网所在区域的风速、光照强度以及微网负荷等的年度曲线图,从而不仅对某些代表性情况下如最大值、最小值和平均值等的微电网并网点进行优化选择,而且还对一年内微网运行进行分析,求取一年内累积综合最优的并网点。
优选的,根据本发明实施例优选的微电网并网点的选择方法,其中步骤S102中用于发电的分布式电源可以包括:微型燃气轮机、风力发电机、太阳能发电机。
其中,微型燃气轮机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,Pturb为微型燃气轮机的有功输出功率,V为DG输出电压,VE为电网端电压,X为DG端与电网端之间的连接电抗,M,δ表示用于调节功率输出的大小并保持恒定的控制参量;
风力发电机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,PWt为t时刻风力发电机的出力,Pr为风力发电机的额定功率,Vci为切入风速,Vco为出风速,Vr为额定风速,A、B、C分别为风力发电机的功率特性参数,其中,C为0的情况下风速和出力呈线性关系,A、B由下式计算可得:
太阳能发电机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,Ppv为太阳能发电机在t时刻光照强度为Gt时的有功输出功率,GSTC为标准测试环境下的光照强度,PSTC为标准测试环境下的最大输出功率,η为光伏阵列的效率。
具体的,用于发电的分布式电源中的微型燃气轮机是一类新型发电机,与常规发电机组相比,微型燃气轮机具有质量轻、体积小、寿命长、可靠性高、发电效率高、燃料适应性好、运行维护简单、环境污染小和便于灵活控制等优点,是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。微型燃气轮机可调度,其功率输出可以进行调节,本实施例以天然气为燃料的微型燃气轮机为例,因为其一次能源充足,所以发电效率高而且输出稳定,通常情况下,微型燃气轮机可以利用自身的调速环节和励磁环节根据负荷需求调整出力,所以一般情况下对于微型燃气轮机,计算时可将其视为恒功率电源。
用于发电的分布式电源中的风力发电技术是将风能转化为电能的一种发电技术,是目前新能源开发中技术最成熟、应用最广泛、最具规模化商业开发前景的发电方式。根据风机发电运行原理,风力发电输出功率与风速成一定比例关系。
用于发电的分布式电源中的太阳能发电是利用太阳能电池通过光电效应或光化学效应将太阳能直接转换为电能的发电系统,其输出功率因受各种因素的影响,具有不连续性和不确定性的特点。其中气象因素对光伏发电出力的影响最为显著,这是因为光伏发电的输出功率随太阳辐照强度的变化而变化。
优选地,根据上述实施例优选的微电网并网点的选择方法,其中步骤S102中用于调节发电量和负载量的储能设备为蓄电池的情况下,其中,
蓄电池存储的电能量W1的计算公式如下:
W1=∫PC(t)dt;
蓄电池的充电功率PC(t)的计算公式如下:
PC(t)=ηc(Pturb+Pwt+Ppv-Pld);
其中,ηc为蓄电池充电阶段的充电效率,Pturb为微电网中微型燃气轮机的输出功率,Pwt为微电网中风力发电机的输出功率,Ppv为微电网中太阳能发电机的电输出功率。
目前为止,运用到人类生产生活中的储能方式有多种形式,主要有蓄电池储能、超级电容储能、飞轮储能和超导储能等,相对其他几种储能方式而言,蓄电池技术在容量、运行效率、能量密度、使用寿命等方面都有明显优势,是目前最成熟,性能最稳定,使用最广泛的储能方式,其充放电策略有恒压,恒流与恒功率等。本实施例规定蓄电池与主网连接时,处于充电状态,其充电时间决定于蓄电池可与主网并列运行的时间t1或充电饱和时间t2中较小值t1min。在时间t1min内,蓄电池可以存储的电能量W1以及蓄电池的充电功率PC(t),可分别由上述实施例中的公式计算得出。
更优选地的,根据上述实施例的方法,当蓄电池与配电网在断开连接的情况下处于放电状态,蓄电池的放电时间为蓄电池孤岛运行时间t3或蓄电池放完电时间t4中的较小值t2min,蓄电池的放电功率Pf的计算公式如下:
Pf=W1/t2min。
具体的,本实施例规定蓄电池与主网连接时处于充电状态一直到饱和,蓄电池与主网断开连接时处于放电状态一直到放完存储的电能,并且假定每一次放电都是完全放电,即每一次充电过程初期蓄电池的电储量都是零。
根据上述实施例中任意一种微电网并网点的选择方法,其中步骤S106中的评价目标函数包括如下任意一个或多个评价指标:配电网电压评价指标Iuib、配电网线路网损评价指标Iplbk、配电网停电评价指标IEENS,其中,采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点的步骤包括:
步骤S1061,通过如下公式获取评价目标函数:
max Z=IEENS+Iplbk+Iuib+XU+XSi+XPM,
其中,XU为电压约束的罚函数,XSi为支路视在功率约束的罚函数,XPM为微电网倒送功率约束的罚函数;
步骤S1063,使用目标函数分别对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,得到每个接入节点的评价值;
步骤S1065,比较每个接入节点的评价值,得到评价值最大的接入节点作为最优接入节点。
具体的,步骤S1061中,为了便于计算,各评价指标可以通过惩罚因子的形式加入到取评价目标函数,构成偶尔扩展的取评价目标函数。
本实施例求解多目标函数的极大值,对于无法满足约束条件的情况,惩罚因子应取较小的负值,使目标函数值变得极小,在之后优化中该种情况将以极大的概率被淘汰,如电压约束:
式中,Ku为惩罚因子;Uimin为节点i电压的下限、Uimax为节点i电压的上限。
其中,对电压的电压约束的计算公式如下:
Uimin≤Ui≤Uimax,i=0,…,NL,
式中,Ui——正常运行时的支路电压;Uimin、Uimax——i节点电压的上下限;NL——节点数。
支路视在功率约束表达式如下:
Simin≤Si≤Simax,i=0,…,Nb,
式中,Si——正常运行时的支路视在功率;Simin,Simax——支路视在功率的上下限;Nb——支路数。
微电网倒送功率约束表达式如下:
式中,PM——微电网输出的有功功率;P M、——微电网输出的有功功率上下限。
其他约束条件同理可得。
由于相对于其他算法,粒子群算法概念简明、实现方便、收敛速度快、参数设置少,是一种高效的搜索算法,所以本实施例优选选用粒子群优化算法进行求解。
另外,如图2所示,本实施例因为考虑到微电网中包含的风力发电和太阳能发电等分布式电源的输出功率具有随机性、波动性和间歇性等特点,所以除了分析一年内该区域的风速、光照强度以及负荷在最大值、最小值和平均值等特殊情况下的微电网接入配电网的最优接入节点之外,还对一年内的微电网总体情况进行了分析,求取一年内累计目标函数最优的微电网接入点,在计算中本实施例根据homer生成的年度负荷曲线将一年的总时间划分成为若干个时间段进行计算,本实施例优选选取1小时为一个时间段,将一年划分成为8760个时间段,并认为在每一时间段内风速、光照强度等是一个恒定值,从而计算出每一时间段内的风力发电、光伏发电的输出功率以及微网内的负荷功率,从而根据微网内各类发电电源和负荷的功率情况以及储能单元本身的状态,计算出微网内储能的功率情况,最后得到微网的功率,计算微网接入配电网后的目标函数值,进而确定微电网接入配电网的最优接入节点。
如图3所示,根据上述实施例的一种优选实施例,在步骤S106获取评价目标函数之前,还包括:
步骤S105,通过如下公式计算得到配电网电压评价指标Iuib:
Iuib=Iuiwk/Iuiwo,
其中,Iuiwo为未接入微电网时的Iui,Iuiwk为按第k种配置方案接入微电网时的Iui;
通过如下公式计算得到Iui,
其中,Ui为系统接入节点i的电压幅值,Li为接入节点i的负荷,ki为当前接入节点的权重因子,N为系统中接入节点的数量,其中,ki应满足如下条件:
通过如下公式计算得到在微电网接入配电网之后,配电网线路网损评价指标Iplbk:
Iplbk=Plwo/Plwk,
其中,Plwo为未接入微电网的配电网的网损,Plwk为按照第k种配置方案接入微电网后的配电网的网损;
通过如下公式计算得到配电网停电评价指标IEENS:
其中,N为负荷点数,λi为负荷点i的用户接入微电网后的年故障停运率,次/年,γi为负荷点i故障平均停电持续时间,λ0i为负荷点i的用户接入微电网前的年故障停运率,其中,微电网接入前的用户年故障停运率和故障平均停电持续时间可由下式计算:
其中,f为用户所在馈线集,λc为馈线i的年故障停运率,γc为馈线i的故障平均停电持续时间。
具体的,微电网接入配电网后,可以对配电网的电压起到支撑作用,改善电网电压的分布,维持母线电压在可接受的范围内,定义配电网电压评价指标标为微电网接入后的系统电压指标和未接入微电网时的系统电压指标的比值,它是反映微电网对整个系统的电压影响程度的指标,其值越大表明微电网对系统电压改善越明显。
通过分析配电网电压评价指标,即可确定接入微电网对系统电压分布的影响程度,另外也可以通过控制各个节点的权重因子,将节点设置成不同的重要程度。负荷节点越重要,权重因子越大。
另一方面,微电网接入配网后,网络结构发生变化,将会影响潮流分布,进而影响配网电压分布和网络损耗等,合适的微网容量合并网点将会降低网络损耗,定义配电网线路网损评价指标为未接入微电网时的系统网络损耗和微电网接入后的系统网络损耗的比值,其值越大表示微电网接入后系统损耗越小。
在其他方面,结合本实施例,采用系统缺供电量来反应微电网并网对配电系统供电可靠性的影响,其值越小表明系统供电可靠性越高,所以,优选的可以通过系统缺供电量来作为电网停电评价指标。
由于微电网以其先进的监测控制技术储能技术和电力电子技术,可以实时监测出上层馈线或者微电网内部线路以及元件的故障,或者是电能质量的问题,并控制其与主网脱离,仅由内部分布式电源和储能设备供电,形成一个小型的能源网络,给网内各用户供电。在具体的计算方法中,由于这个切换过程相对很短并且微电网有时能成功预测到潜在的故障,所以可以近似认为上层故障不影响网内的用户。当然这是最理想的状况,实际操作中并非每次微电网都能够成功与主网脱离并顺利完成自治运行。由于内部控制系统或者电力电子元件的故障,有可能造成微电网的自治运行过程失败,这种失败的概率称为孤岛失效率,设为PM。此时用户的可靠性参数由以下方法计算:
式中,PM——微电网孤岛失效率;λi——微电网接入负荷点i后负荷点i的年故障停运率,次/年。
本发明实施例还提供了一种电网并网点的选择装置。该装置可以通过微电网并网点的选择方法实现其功能。需要说明的是,本发明实施例的电网并网点的选择装置可以用于执行本发明实施例所提供的微电网并网点的选择方法,本发明实施例的微电网并网点的选择方法也可以通过本发明实施例所提供的电网并网点的选择装置来执行。
图4是根据本发明实施例的电网并网点的选择装置的示意图。如图4所示,该电网并网点的选择装置包括:
处理模块40,用于建立微电网模型,微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;
获取模块42,用于获取微电网接入配电网的至少一个接入节点;
评估模块44,用于采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,评价目标函数包括至少一个用于检测微电网接入配电网之后的评价指标。
如图5所示,该装置的处理模块40可以包括:
第一子计算模块401,用于计算微型燃气轮机的有功输出功率,微型燃气轮机的有功输出功率计算公式如下:
其中,Pturb为微型燃气轮机的有功输出功率,V为DG输出电压,VE为电网端电压,X为DG端与电网端之间的连接电抗,M,δ表示用于调节功率输出的大小并保持恒定的控制参量;
第二子计算模块403,用于计算风力发电机的有功输出功率,风力发电机的有功输出功率计算公式如下:
其中,PWt为t时刻风力发电机的出力,Pr为风力发电机的额定功率,Vci为切入风速,Vco为出风速,Vr为额定风速,A、B、C分别为风力发电机的功率特性参数,其中,C为0的情况下风速和出力呈线性关系,A、B由下式计算可得:
第三子计算模块405,用于计算太阳能发电机的有功输出功率,太阳能发电机的有功输出功率计算公式如下:
其中,Ppv为太阳能发电机在t时刻光照强度为Gt时的有功输出功率,GSTC为标准测试环境下的光照强度,PSTC为标准测试环境下的最大输出功率,η为光伏阵列的效率。
优选的,如图6所示,该装置的处理模块40还可以包括:
第四子计算模块407,用于计算蓄电池存储的电能量W1,蓄电池存储的电能量W1的计算公式如下:
W1=∫PC(t)dt;
第五子计算模块409,用于计算蓄电池的充电功率PC(t),蓄电池的充电功率PC(t)的计算公式如下:
PC(t)=ηc(Pturb+Pwt+Ppv-Pld);
其中,ηc为蓄电池充电阶段的充电效率,Pturb为微电网中微型燃气轮机的输出功率,Pwt为微电网中风力发电机的输出功率,Ppv为微电网中太阳能发电机的电输出功率。
结合上述实施例,如图7所示,该装置的处理模块40还可以包括:
第六子计算模块501,用于计算蓄电池的放电功率P,蓄电池的放电功率Pf的计算公式如下:
Pf=W1/t2min;
其中,蓄电池与配电网在断开连接的情况下蓄电池处于放电状态,蓄电池的放电时间为蓄电池孤岛运行时间t3或蓄电池放完电时间t4中的较小值t2min。
优选的,结合上述任意一个实施例,如图8所示,该装置的评估模块44可以包括:
子处理模块441,用于采用评价目标函数对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,确定微电网接入配电网的最优接入节点,其中,子处理模块441还包括:
第七子计算模块4411,用于通过如下公式获取评价目标函数:
max Z=IEENS+Iplbk+Iuib+XU+XSi+XPM,
其中,XU为电压约束的罚函数,XSi为支路视在功率约束的罚函数,XPM为微电网倒送功率约束的罚函数;
子评估模块4413,用于使用目标函数分别对微电网接入配电网的每个接入节点进行评估处理,得到每个接入节点的评价值;
子处理模块4415,用于比较每个接入节点的评价值,得到评价值最大的接入节点作为最优接入节点。
根据上述实施例,结合图9所示,该装置还包括:
第一计算模块431,用于通过如下公式计算得到配电网电压评价指标Iuib:
Iuib=Iuiwk/Iuiwo,
其中,Iuiwo为未接入微电网时的Iui,Iuiwk为按第k种配置方案接入微电网时的Iui;
通过如下公式计算得到Iui,
其中,Ui为系统接入节点i的电压幅值,Li为接入节点i的负荷,ki为当前接入节点的权重因子,N为系统中接入节点的数量,其中,ki应满足如下条件:
第二计算模块433,用于通过如下公式计算得到在微电网接入配电网之后,配电网线路网损评价指标Iplbk:
Iplbk=Plwo/Plwk,
其中,Plwo为未接入微电网的配电网的网损,Plwk为按照第k种配置方案接入微电网后的配电网的网损;
第三计算模块435,用于通过如下公式计算得到配电网停电评价指标IEENS:
其中,N为负荷点数,λi为负荷点i的用户接入微电网后的年故障停运率,次/年,γi为负荷点i故障平均停电持续时间,λ0i为负荷点i的用户接入微电网前的年故障停运率,其中,微电网接入前的用户年故障停运率和故障平均停电持续时间可由下式计算:
其中,f为用户所在馈线集,λc为馈线i的年故障停运率,γc为馈线i的故障平均停电持续时间。
根据上述微电网并网点的选择方法和装置,以下结合实际情况,对微电网接入点的选择方式进行说明:
1、微电网的应用方式
微电网以其独特的运行方式不仅可以满足电力用户的多种需求,还可以保证在极端情况下保证电能的持续供应,微电网的诸多优点将使它成为大电网的一个有益补充。分布式能源技术是我国的必然选择,但分布式能源入网存在很多问题,我国当前正在大力发展风电和光伏等分布式能源。微电网能很好的解决分布式能源和大电网之间的矛盾。
在政策法规方面,我国已制定了一些利于微电网推广建设的政策,如采取了新能源和可再生能源优先上网和价格优惠等政策。大力发展可再生能源发电的形势、提高电网抗灾能力的迫切需求、电力系统自身发展的需求等,都是我国发展微电网的主要原因。
我国发展微电网,是基于我国电力系统的特点为基础,提出不同区域的针对性解决方案。按照运行状态,微电网主要分为孤岛模式和并网模式两种应用方式。按照所属地区特点,微电网主要分为城市地区和农村地区两种应用方式,即城市片区微电网和农村地区微电网。
城市片区微电网一般按照居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等建设,正常情况下主要通过大电网供电。大电网故障时,将城市片区微电网断开,进入孤岛运行模式,用以保证所接重要负荷的供电可靠性和电能质量。一般接在10kV中压配网,容量为数百千瓦至10MW等级。
偏远地区微电网主要指农村微电网和企业微电网。目前,在农村、草原等偏远地区,供电困难,居民无法用电。解决的方案是不延伸电力系统,以较低的成本利用当地可再生能源供电。企业微电网一般接在10kV及以上中压配网,容量在数百千瓦至10MW。企业微电网一般分布在城市郊区,如石化、钢铁等大型企业,利用传统电源满足企业内部的用电需求。
2、微电网接入方式
北京电力公司2007年颁布了规划、设计、建设、验收、运行“五统一”技术标准,在设计导则中规定了10kV及以下地区配电网的网架标准。根据该标准,微电网应根据容量及用户特点选择恰当的接入方式,否则将严重影响现有配电网的安全运行。
北京地区配电网实施分区供电,原则上10kV配电网中开闭站、配电室及用户不应从两个不同供电区域供电。不允许两个不同供电区域的配电线路进行并列倒闸操作,如必要时应采取防止合环冲击的有效措施。10kV架空配电网在市区为环网布置开环运行。一般通过采用柱上负荷开关(自动分段器)将线路3分段3联络,每条线路负荷电流控制在350A以下,其中每段线路的负荷控制在70~120A,线路分段点的设置应随网络接线及负荷的变动而做相应调整。10kV电缆配电网中,开闭站、配电室、分界室和中压用户,一般选用来自同一个变电站(或开闭站)的10kV不同母线引出双回线路,形成双射线供电方式。开闭站的电源电缆,一般每路选用铜芯400/300mm2。开闭站的馈线电缆一般选用铜芯240/150mm2。根据北京电网网架特点,可依据微电网内分布式电源容量选择合适的电压等级及接线方式。
1~6MW的发电型节点:对于发电型节点,考虑常用10kV配电变压器一般不大于1.6MVA,在保留一定容量裕度后,理论上实施使用不大于1MW,另外计及主干线载流量限制,该容量范围微电网宜采用多路并联专线接入10kV母线方式,发电容量应均匀分布在每条出线上,如图10所示。该种方式适宜电力企业或公用机构投资的小型微电网。该种方案涉及对变电站的改造,对于企业用户成本较高。
另外,该容量范围还可以采用多点T接接入不同10kV线路,如图11所示。图10更为经济可靠,初期工作量大。图11更易实现,对现有线路施工改造少,但需要对现有运行方式进行详细分析,使所发电量可以与当地负荷平衡,减少复杂的双向功率流动,从而避免引起自动装置的误动作。
0.1~1MW的大用户型节点:对于大用户型节点既可采用图11的接线方式以支线的形式接入10kV干线,也可采用图12方式通过专线接入内部10kV电网。在该容量范围的微电网,一般应是企业用户在国家鼓励下兴建。显然图12所示接线方式更适合企业用户节能减排的需求,企业用户作为投资主体,既可减少自身用电量,又能通过向电网售电获益,且只需要改造部分内部电网,而无需改变与电网的接口。
0.1MW以下的低压型节点:对于低压型节点,一般通过图13或图14的接线方式在低压接入电网,主要用于中小容量用户,它依据发电容量可以分别经专线接入母线,T接接入支线线路,或接入中小工商业、居民用户的三、单相配电分支箱下线路。
采用图13所示的接入方式,在规划中应考虑配变容量,微电网在就地消纳后仍需反送的功率应在配变允许的功率范围内,一般小于50%额定容量。
图14所示的单、三相低压接入方式主要是居民自发自用余量上网的情况,从未来出现的数量来看最为庞大,但单元容量较小,一般为别墅用户或有场地条件的住宅楼用户,主要以单相为主。目前北京居民住宅单相接入的关口容量小于10kW,配网运行可以不必控制,但应有效管理。
综合来看,网内分布式电源总容量在6MW以下的微电网应依据安装容量和报装主体选择正确的电压等级接入,根据所接入电网结构特点选择合适的接线方式。10kV等级接入的分布式发电对配电网产生的影响较为明显,需重点分析;而低压电网由于容量较小,影响范围较小,仅需在报装时规范接入设备,运行中可暂不考虑。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微电网并网点的选择方法,其特征在于,包括:
建立微电网模型,所述微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;
获取所述微电网接入配电网的至少一个接入节点;
采用评价目标函数对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,确定所述微电网接入所述配电网的最优接入节点,其中,所述评价目标函数包括至少一个用于检测所述微电网接入所述配电网之后的评价指标;
其中,在获取评价目标函数之前,所述方法还包括:
通过如下公式计算得到Iuib:
Iuib=Iuiwk/Iuiwo,
其中,Iuiwo为未接入微电网时的Iui,Iuiwk为按第k种配置方案接入微电网时的Iui;
通过如下公式计算得到Iui,
其中,Ui为系统接入节点i的电压幅值,Li为接入节点i的负荷,ki为当前接入节点的权重因子,N为系统中接入节点的数量,其中,ki应满足如下条件:
通过如下公式计算得到在所述微电网接入所述配电网之后,所述配电网线路网损评价指标Iplbk:
Iplbk=Plwo/Plwk,
其中,Plwo为未接入微电网的所述配电网的网损,Plwk为按照第k种配置方案接入微电网后的所述配电网的网损;
通过如下公式计算得到所述配电网停电评价指标IEENS:
其中,N为系统中接入节点的数量,λi为负荷点i的用户接入微电网后的年故障停运率,次/年,γi为负荷点i故障平均停电持续时间,λ0i为负荷点i的用户接入微电网前的年故障停运率,其中,微电网接入前的所述用户年故障停运率和故障平均停电持续时间可由下式计算:
其中,f为用户所在馈线集,λc为馈线i的年故障停运率,γc为馈线i的故障平均停电持续时间。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述分布式电源包括:微型燃气轮机、风力发电机、太阳能发电机;
其中,所述微型燃气轮机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,Pturb为所述微型燃气轮机的有功输出功率,V为DG输出电压,VE为电网端电压,X为DG端与所述电网端之间的连接电抗,m,δ表示用于调节功率输出的大小并保持恒定的控制参量;
所述风力发电机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,PWt为t时刻所述风力发电机的出力,Pr为所述风力发电机的额定功率,Vt为t时刻的风速,Vci为切入风速,Vco为出风速,Vr为额定风速,A、B、C分别为所述风力发电机的功率特性参数,其中,C为0的情况下风速和出力呈线性关系,A、B由下式计算可得:
所述太阳能发电机的有功输出功率的计算公式如下:
其中,Ppv为所述太阳能发电机在t时刻光照强度为Gt时的有功输出功率,GSTC为标准测试环境下的光照强度,PSTC为标准测试环境下的最大输出功率,η为光伏阵列的效率。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,用于调节发电量和负载量的储能设备为蓄电池的情况下,其中,
所述蓄电池存储的电能量W1的计算公式如下:
W1=∫PC(t)dt;
所述蓄电池的充电功率PC(t)的计算公式如下:
PC(t)=ηc(Pturb+PWt+Ppv-Pld);
其中,ηc为所述蓄电池充电阶段的充电效率,Pturb为微电网中所述微型燃气轮机的有功输出功率,PWt为所述微电网中风力发电机的有功输出功率,Ppv为所述微电网中太阳能发电机的有功输出功率,Pld为所述微电网中负荷的有功功率。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述蓄电池与所述配电网在断开连接的情况下处于放电状态,所述蓄电池的放电时间为蓄电池孤岛运行时间t3或蓄电池放完电时间t4中的较小值t2min,所述蓄电池的放电功率Pf的计算公式如下:
Pf=W1/t2min。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其特征在于,所述评价目标函数包括如下任意一个或多个评价指标:配电网电压评价指标Iuib、配电网线路网损评价指标Iplbk、配电网停电评价指标IEENS,其中,采用评价目标函数对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,确定所述微电网接入所述配电网的最优接入节点的步骤包括:
通过如下公式获取所述评价目标函数:
max Z=IEENS+Iplbk+Iuib+XU+XSI+XPM,
其中,XU为电压约束的罚函数,XSI为支路视在功率约束的罚函数,XPM为所述微电网倒送功率约束的罚函数;
使用所述目标函数分别对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,得到每个所述接入节点的评价值;
比较每个所述接入节点的评价值,得到评价值最大的接入节点作为所述最优接入节点。
6.一种微电网并网点的选择装置,其特征在于,包括:
处理模块,用于建立微电网模型,所述微电网模型包括:用于发电的分布式电源、用于使用电能的负荷、用于调节发电量和负载量的储能设备;
获取模块,用于获取所述微电网接入配电网的至少一个接入节点;
评估模块,用于采用评价目标函数对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,确定所述微电网接入所述配电网的最优接入节点,其中,所述评价目标函数包括至少一个用于检测所述微电网接入所述配电网之后的评价指标;
其中,所述装置还包括:
第一计算模块,用于通过如下公式计算得到所述配电网的电压评价指标Iuib:
Iuib=Iuiwk/Iuiwo,
其中,Iuiwo为未接入微电网时的Iui,Iuiwk为按第k种配置方案接入微电网时的Iui;
通过如下公式计算得到Iui,
其中,Ui为系统接入节点i的电压幅值,Li为接入节点i的负荷,ki为当前接入节点的权重因子,N为系统中接入节点的数量,其中,ki应满足如下条件:
第二计算模块,用于通过如下公式计算得到在所述微电网接入所述配电网之后,所述配电网线路网损评价指标Iplbk:
Iplbk=Plwo/Plwk;
其中,Plwo为未接入微电网的所述配电网的网损,Plwk为按照第k种配置方案接入微电网后的所述配电网的网损;
第三计算模块,用于通过如下公式计算得到所述配电网停电评价指标IEENS:
其中,N为系统中接入节点的数量,λi为负荷点i的用户接入微电网后的年故障停运率,次/年,γi为负荷点i故障平均停电持续时间,λ0i为负荷点i的用户接入微电网前的年故障停运率,其中,微电网接入前的所述用户年故障停运率和故障平均停电持续时间可由下式计算:
其中,f为用户所在馈线集,λc为馈线i的年故障停运率,γc为馈线i的故障平均停电持续时间。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述处理模块包括:
第一子计算模块,用于计算微型燃气轮机的有功输出功率,所述微型燃气轮机的有功输出功率计算公式如下:
其中,Pturb为所述微型燃气轮机的有功输出功率,V为DG输出电压,VE为电网端电压,X为DG端与所述电网端之间的连接电抗,m,δ表示用于调节功率输出的大小并保持恒定的控制参量;
第二子计算模块,用于计算风力发电机的有功输出功率,所述风力发电机的有功输出功率计算公式如下:
其中,PWt为t时刻所述风力发电机的出力,Pr为所述风力发电机的额定功率,Vt为t时刻的风速,Vci为切入风速,Vco为出风速,Vr为额定风速,A、B、C分别为所述风力发电机的功率特性参数,其中,C为0的情况下风速和出力呈线性关系,A、B由下式计算可得:
第三子计算模块,用于计算太阳能发电机的有功输出功率,所述太阳能发电机的有功输出功率计算公式如下:
其中,Ppv为所述太阳能发电机在t时刻光照强度为Gt时的有功输出功率,GSTC为标准测试环境下的光照强度,PSTC为标准测试环境下的最大输出功率,η为光伏阵列的效率。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述处理模块包括:
第四子计算模块,用于计算蓄电池存储的电能量W1,所述蓄电池存储的电能量W1的计算公式如下:
W1=∫PC(t)dt;
第五子计算模块,用于计算所述蓄电池的充电功率PC(t),所述蓄电池的充电功率PC(t)的计算公式如下:
PC(t)=ηc(Pturb+PWt+Ppv-Pld);
其中,ηc为所述蓄电池充电阶段的充电效率,Pturb为微电网中所述微型燃气轮机的有功输出功率,PWt为所述微电网中风力发电机的有功输出功率,Ppv为所述微电网中太阳能发电机的有功输出功率,Pld为所述微电网中负荷的有功功率。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述处理模块包括:
第六子计算模块,用于计算所述蓄电池的放电功率P,所述蓄电池的放电功率Pf的计算公式如下:
Pf=W1/t2min;
其中,所述蓄电池与所述配电网在断开连接的情况下所述蓄电池处于放电状态,所述蓄电池的放电时间为蓄电池孤岛运行时间t3或蓄电池放完电时间t4中的较小值t2min。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置,其特征在于,所述评估模块包括:
子处理模块,用于采用评价目标函数对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,确定所述微电网接入所述配电网的最优接入节点,其中,子处理模块还包括:
第七子计算模块,用于通过如下公式获取所述评价目标函数:
max Z=IEENS+Iplbk+Iuib+XU+XSI+XPM,
其中,XU为电压约束的罚函数,XSI为支路视在功率约束的罚函数,XPM为所述微电网倒送功率约束的罚函数;
子评估模块,用于使用所述目标函数分别对所述微电网接入所述配电网的每个接入节点进行评估处理,得到每个所述接入节点的评价值;
子处理模块,用于比较每个所述接入节点的评价值,得到评价值最大的接入节点作为所述最优接入节点。
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