CN105634008B - 考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，首先确定研究对象，即具体的分布式风力发电机组，明确研究对象所处地域的风速特点；然后建立基于场景解耦‑曲线拟合的分布式风力发电机组与风速强度的实用性离散出力特性；其次进行含分布式风力发电机组的潮流计算和基于潮流追踪算法的线损分摊计算；再次求解不同场景下分布式风力发电机组所应分摊的线损比率；最后根据区域各风速强度的出现概率，确定分布式风力发电机组的线损分摊比率。本发明首次考虑地域风速强度的概率分布特点进行概率线损分摊研究，该分摊方法在确定线损分摊比率的基础上，可进一步帮助供电部门对并网的分布式风力发电机组进行过网费的定价。

Description

考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法

技术领域

本发明涉及并网分布式风力发电和电力线损分摊研究的分析领域，特别涉及一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法。

背景技术

随着国家智能电网发展战略的提出，分布式电源并网日益成为智能电网的重要技术特征，将分布式电源引入集成到现有的配电网系统中，是分布式电源的发展趋势。其中，分布式风力发电由于其所使用的无公害风能“取之不尽，用之不竭”的特性，加之我国海上风能资源丰富，受到广泛关注。对于燃料、化石能源、水等资源及交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，以及海洋风能极其丰富的海岛地区来说，极其适合因地制宜地利用风力发电。

但是，随着分布式风力发电机组并网渗透率的提高，在配电网中负荷侧接入的发电机组，使得整个配电系统的功率流向发生不稳定变化，导致配电网的线损受到大幅程度的影响。分布式风力发电机组并网后，其对配电网线损大小的影响，很大程度上取决于分布式电源的并网容量。对应于含分布式电源的配电网的网络拓扑结构等因素，并网分布式电源具有使配电网线损达到最小的最佳并网容量，偏离并网容量时，都将会导致电网线损的增加，目前已有大量研究文献对这个最佳接入容量进行分析求解。

分布式风力发电机组的出力特性随着风力强度的变化而波动，而风速强度又受到天气的影响而存在极大的不稳定性，使得分布式风力发电机组的并网容量及并网后配电网的线损，受到区域风速强度的决定性影响。然而，一方面，现有的分布式风力发电机组接入电网后变动的线损如何在电网公司及分布式电源业主之间分摊的问题，尚未有相关工作者对此开展研究；另一方面，在现有的线损计算、线损分析等方法的探索过程中，缺乏精确衡量的手段及合理的分布式风电机组并网的配电网线损分摊方法。这两方面的问题，导致现有的并网分布式风电机组虽然引起部分配电网线损的产生，但是却无需分摊配电网线损，无需承担由此带来的配电网的任何运维损失。

针对上述问题，本专利充分考虑地域风速强度这一分布式风力发电机组出力的影响因素，采用场景解耦和曲线拟合的方法，实现连续性场景向离散型典型场景转化，以达到进行概率线损分摊的目的。

本专利在进行离散型场景线损分摊计算时，采用潮流计算和潮流追踪算法进行。当前国际上采用的网损分摊算法有：损耗微增率法、功率分解法、直觉法、损耗公式法等等，这些 方法都难以准确量度输电用户对输变电设备的实际利用情况，由此得到的过网费难以达到公平合理。潮流追踪算法，根据比例共享原则，分别进行系统有功、无功潮流的跟踪研究，可得到系统中任一电源的有功、无功网损分摊额，然后根据利用份额和一定规则进行网损分摊的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，包含以下顺序的步骤：

S1、确定研究对象，即具体的分布式风力发电机组，通过调研收资分析，进一步明确研究对象所处地域的风速特点；

S2、通过场景解耦和曲线拟合的方法，建立分布式风力发电机组随风速强度变化的实用性离散出力特性；

S3、汇总配电网的实际网络拓扑、基础台账信息及电气运行参数，进行含分布式风力发电机组并网后的潮流计算和基于潮流追踪算法的线损分摊计算；

S4、在考虑分布式风力发电机组出力随风速强度变化的基础上，设计以风速强度为主要决定因素的典型场景，采用所建立的线损分摊模型求得不同场景下的分布式风力发电机组所应分摊的线损比率；

S5、根据分布式风力发电机组所在区域各风速强度的出现概率，即配电网各典型场景的随机运行概率，确定分布式风力发电机组对配电网线损的最终分摊比率。

所述步骤S2具体包含以下步骤：

S21、汇总分析并求解分布式风力发电机组所在地域的风速分布区间[Sd_min，Sd_max]；

S22、将连续变化的风速区间进行场景解耦，建立离散型风速集Sd_min≤{Sd₁，Sd₂，Sd₃，Sd₄，…，Sd_n}≤Sd_max，求解各台机组随风速变化的离散型出力特性：

P_m＝f(Sd_m)

式中，Sd_m∈{Sd₁，Sd₂，Sd₃，Sd₄，...，Sd_n}；

S23、采用曲线拟合的方法，对上述求得离散型出力特性进行曲线拟合，将拟合曲线与实际的分布式风力发电机组的出力特性进行比对分析，验证解耦所得场景的实用性。

所述步骤S3具体包含以下步骤：

S31、根据分布式风力发电机组的出力及配电网的实际网络拓扑、基础台账信息、电气运行参数等实际数据，进行含分布式风力发电机组并网的潮流计算，具体计算步骤如下：

①、迭代初始化：给定配电网馈线根节点的电压V_r(该电压值在迭代过程中固定)，并为其他节点电压赋初值V_i ⁽⁰⁾，i表示节点号；

②、从每条线路的终端出发，由节点电压分布V_i ^(k)求出各支路线损和各节点功率分布，按照“先终后始”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，N_j为以j为起结点的支路的终结点集；分别为第k次迭代求得的线路ij始端、终端的视在功率；为线路ij第k次迭代求得的线路损耗值；R_ij+jX_ij为线路ij的阻抗；分别为第k次迭代求得的线路ij终端的有功功率、无功功率；V_j ^(k)分别为第k次迭代求得的节点j的视在功率和电压；k为迭代次数；

③、从第一层(根节点)出发，由功率分布求得各节点电压分布V_i ^(k+1)，按照“先始后终”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，ΔV_ij和δV_ij分别为线路ij始端、终端的电压降落实部和虚部；

④、收敛判断：根据预先给定的收敛指标ε，判断相邻两次迭代电压差的模分量的最大值是否收敛于ε，即判断公式：

max{|V_i ^(k+1)-V_i ^(k)|}<ε，

若公式成立，则停止迭代计算，输出结果；若公式不成立，则令k＝k+1，转步骤②；

S32、在上述潮流计算的基础上，进行基于基尔霍夫电路定理、电流分解定理、比例分配 理论的潮流追踪，计算分布式风力发电机组应分摊的配电网线损。具体计算步骤如下：

①、根据潮流计算所得到的与节点相连的线路潮流流向，确定各个节点的进线集F_j(-)、进线数d_j(-)、出线集F_j(+)、出现数d_j(+)；

②、寻找d_j(+)＝0的节点j，由于节点j无出线，故节点j的线损ΔP_j＝0。或已按网损的平衡方程式累积线损完毕，ΔP_j已知，作为待消去节点，网损平衡方程式是为：

ΔP_j＝Σ(ΔP_ij+α_i(ij)ΔP_i)

式中，ij取节点j的出线，ΔP_ij为线路ij的线损，α_i(ij)为通过节点j的进线ij向节点i转移的网损系数；

③、根据下式计算节点j的电源应分摊的网损：

式中，SP_j为节点j应分摊的线损；ij取节点j的进线，为节点j电源的功率；

④、对与节点j相连的所有进线ij的节点i，按照网损平衡方程式累积ΔP_i，并将节点i的出线数d_j(+)减1；

⑤、对d_j(+)赋值-1，表示此节点己消去；

⑥、返回步骤②，寻找下个出线为0的节点，直至出线为0的节点全部消去；

S33、最终求得分布式风力发电机组应分摊的线损SP_Pm，则应分摊的线损比率为：

式中，ΣP_ij为电网总线路损耗。

所述步骤S4具体包含以下内容：

在考虑分布式风力发电机组出力随风速强度变化的基础上，所设计的以风速强度为主要决定因素的典型场景，是与步骤S2通过场景解耦和曲线拟合的方法，所建立的分布式风力发电机组随风速强度变化的实用性离散出力特性相对应的；由于步骤S2已进行实用性校验，故与离散风速集中的风速一一对应的各典型场景，亦具有较高的实用性。

所述步骤S5具体包含以下步骤：

S51、统计分布式风力发电机组所在地域各风速的日监测概率，用Q_Sdm表示该区域风速Sd_m的日监测统计概率；

S52、确定分布式风力发电机组对所在配电网线损的最终分摊比率：

本发明首次设计考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，一方面，能够弥补现阶段分布式电源用户不承担线损的管理漏洞，为供电企业和分布式电源业主之间的线损分摊提供参考依据；另一方面，促进分布式电源用户充分利用本地可获取的清洁能源，合理安排并且及时调整分布式电源的运行计划，促进分布式电源的健康可持续发展。具体来说：

1)本发明首次考虑地域风速强度的概率分布特点进行概率线损分摊研究：由于风能分布的不确定性，导致并网的分布式风力发电机组的出力存在波动性，将此波动性用概率分布来描述，方便进行动态的线损分摊研究，能够提高线损分摊方法的合理性；

2)本发明采用场景解耦和曲线拟合的方法，根据风速强度的变化特点，将连续性场景解耦为离散型典型场景进行研究，大幅降低潮流计算的难度，减少相关人员线损分析的工作量，而且，曲线拟合验证解耦场景与原场景的高吻合性，提高了典型场景的实用性；

所谓场景解耦，是指将分布式风力发电机组所在地域连续的风速分布区间，按照求解精度需求或其它某种原则将其解耦为离散型风速集，建立机组对应于离散型风速集的离散型典型场景，并求出各典型场景内分布式风力发电机组出力特性的过程。通过场景解耦，将连续变化的潮流转化为离散的典型潮流，降低求解难度、节省计算时间，还可由离散型风速集内元素的个数控制求解结果的精度，操作过程方便灵活。

3)本发明首次提供了一种分布式风力发电机组并网后配电网的线损分摊方法：基于潮流计算和潮流追踪算法的线损分摊模型，采用最基本的基尔霍夫电路定理、电流分解定律、比例分配理论进行计算，能够确保线损分摊的准确合理性；此外，该分摊方法在确定线损分摊比率的基础上，可进一步帮助供电部门对并网的分布式风力发电机组进行过网费的定价等。

附图说明

图1为本发明所述的一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法的流程图。

图2为图1所述方法的基于潮流计算和潮流追踪算法的线损分摊流程图；

图3为本发明实施例中四节点系统的有向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，如图1所示，包含以下顺序的步骤：

S1、确定研究对象，即具体的分布式风力发电机组，通过调研收资分析，进一步明确研 究对象所处地域的风速特点；

S2、通过场景解耦和曲线拟合的方法，建立分布式风力发电机组随风速强度变化的实用性离散出力特性；

S3、汇总配电网的实际网络拓扑、基础台账信息及电气运行参数，进行含分布式风力发电机组并网后的潮流计算和基于潮流追踪算法的线损分摊计算；

S4、在考虑分布式风力发电机组出力随风速强度变化的基础上，设计以风速强度为主要决定因素的典型场景，采用所建立的线损分摊模型求得不同场景下的分布式风力发电机组所应分摊的线损比率；

S5、根据分布式风力发电机组所在区域各风速强度的出现概率，即配电网各典型场景的随机运行概率，确定分布式风力发电机组对配电网线损的最终分摊比率。

基于潮流计算和潮流追踪算法的线损分摊流程如图2所示，基本步骤为：

1)根据分布式风力发电机组的出力及配电网的实际网络拓扑、基础台账信息、电气运行参数等实际数据，进行含分布式风力发电机组并网的潮流计算，具体计算步骤如下：

①、迭代初始化：给定配电网馈线根节点的电压Vr(该电压值在迭代过程中固定)，并为其他节点电压赋初值V_i ⁽⁰⁾，i表示节点号；

②、从每条线路的终端出发，由节点电压分布V_i ^(k)求出各支路线损和各节点功率分布，按照“先终后始”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，Nj为以j为起结点的支路的终结点集；分别为第k次迭代求得的线路ij始端、终端的视在功率；为线路ij第k次迭代求得的线路损耗值；R_ij+jX_ij为线路ij的阻抗；分别为第k次迭代求得的线路ij终端的有功功率、无功功率；V_j ^(k)分别为第k次迭代求得的节点j的视在功率和电压；k为迭代次数。

③、从第一层(根节点)出发，由功率分布求得各节点电压分布V_i ^(k+1)，按照“先始后终”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，ΔV_ij和δV_ij分别为线路ij始端、终端的电压降落实部和虚部。

④、收敛判断：根据预先给定的收敛指标ε，判断相邻两次迭代电压差的模分量的最大值是否收敛于ε，即判断公式：

max{|V_i ^(k+1)-V_i ^(k)|}<ε

若公式成立，则停止迭代计算，输出结果；若公式不成立，则令k＝k+1，转步骤②。

2)在上述潮流计算的基础上，进行基于基尔霍夫电路定理、电流分解定理、比例分配理论的潮流追踪，计算分布式风力发电机组应分摊的配电网线损。具体计算步骤如下：

①、根据潮流计算所得到的与节点相连的线路潮流流向，确定各个节点的进线集Fj(-)、进线数dj(-)、出线集Fj(+)、出现数dj(+)；

②、寻找dj(+)＝0的节点j，由于节点j无出线，故节点j的线损ΔPj＝0。或已按网损的平衡方程式累积线损完毕，ΔPj已知，作为待消去节点，网损平衡方程式是为：

ΔP_j＝Σ(ΔP_ij+α_i(ij)ΔP_i)

式中，ij取节点j的出线，ΔP_ij为线路ij的线损，α_i(ij)为通过节点j的进线ij向节点i转移的网损系数；

③、根据下式计算节点j的电源应分摊的网损：

式中，SP_j为节点j应分摊的线损；ij取节点j的进线，为节点j电源的功率；

④、对与节点j相连的所有进线ij的节点i，按照网损平衡方程式累积ΔPi，并将节点i的出线数dj(+)减1；

⑤、对dj(+)赋值-1，表示此节点己消去；

⑥、返回步骤②，寻找下个出线为0的节点，直至出线为0的节点全部消去。

3)求得分布式风力发电机组应分摊的线损SPPm，则应分摊的线损比率为：

式中，ΣP_ij为电网总线路损耗。

下面结合实例作进一步的说明，此处选取南方省区某分布式风力发电机组作为研究对象，以四节点系统为例进行发明方法的实施分析。图3为系统的有向图，1、2、3及4分别表示四节点。

图3中，节点4为分布式风力发电机组接入位置，节点1为平衡节点。四个节点出的接入负荷分别为：50MW、170MW、200MW、80MW。

实施例选取的分布式风力发电机组为双馈异步风力发电机组，这种风力发电机的转子采用交流励磁，可以通过调节励磁电流的频率、相位、幅值等参数调节发电机有功和无功出力，其功率因数COSΦ可以在容性至感性之间调整，并可根据电网的需要发出或者吸收无功功率，以改善当地电网的电压质量。

双馈异步风机主要有两种控制策略：定电压控制，此时可以视为PV节点；定功率因数控制，此时可以视为PQ节点。实施例选择定电压控制，即将分布式风力发电机组的接入点视为PV节点，机组数目为80台。

根据该地域的风速与风力电机的出力特点，得到如表1所示的分布式风力发电机组的离散型场景：

表1分布式风力发电机组的离散型场景

风速m/s	机组出力MW	风速m/s	机组出力MW
				3	1.6	9	88
4	6.4	10	116
				5	15.2	11	140
6	24	12	156
				7	38.4	13	160
8	62.4	≥14	160

由表1可知，随着风速的增大，分布式风力发电机组的出力呈现出加速上升变化规律，且当风速大于13m/s后，风电机组的出力已达到最大值120MW，不再增加，此后，风电机组出力将不再随着风速的增加而变大。将上表所得数据进行潮流计算，得到如下表2所示的潮流计算结果：

表2潮流计算结果

将上述潮流计算结果带入基于基尔霍夫电路定理、电流分解定律、比例分配理论的潮流追踪程序中，进行潮流追踪，求解得到网络中的分布式风力发电机组及发电机电源，随着风速强度的变化所应分摊的线损比率。暂不考虑对于分布式电源分摊比率为0的场景数据，其它数据见表3所示：

表3对应风速强度的线损分摊比率

由上表可知，在一定范围内，在分布式风力发电机组出力随风速增加而增加的过程中，分布式风力发电机组的线损分摊比率，也在变大。因此，应该合理的分布式电源应该合理的安排其机组的运维以控制其自身合理的出力，在降低电网线损的同时，提高自身的经济效益。

根据该区域的风速强度检测结果，得到如表4所示的该区域风速强度的年概率分布：

表4区域风速强度概率分布

风速m/s	出现概率	风速m/s	出现概率
				9	0.15	12	0.09
10	0.12	13	0.06
				11	0.1	≥14	0.04

最终求解得到实施例考虑风速强度的分布式风力发电并网后，分布式风力发电机组并网后的线损分摊比率：

通过该线损分摊比率可知，分布式电源接入电网对线损所应承担的责任不容忽视，并且通过实例进一步说明本发明一种考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法的潜在应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，其特征在于包含以下顺序的步骤：

S1、确定研究对象，即具体的分布式风力发电机组，通过调研收资分析，进一步明确研究对象所处地域的风速特点；

S2、通过场景解耦和曲线拟合的方法，建立分布式风力发电机组随风速强度变化的实用性离散出力特性；

S3、汇总配电网的实际网络拓扑、基础台账信息及电气运行参数，进行含分布式风力发电机组并网后的潮流计算和基于潮流追踪算法的线损分摊计算；

S4、在考虑分布式风力发电机组出力随风速强度变化的基础上，设计以风速强度为主要决定因素的典型场景，采用所建立的线损分摊模型求得不同场景下的分布式风力发电机组所应分摊的线损比率；

S5、根据分布式风力发电机组所在区域各风速强度的出现概率，即配电网各典型场景的随机运行概率，确定分布式风力发电机组对配电网线损的最终分摊比率；

所述步骤S2具体包含以下步骤：

S21、汇总分析并求解分布式风力发电机组所在地域的风速分布区间[Sd_min，Sd_max]；

S22、将连续变化的风速区间进行场景解耦，建立离散型风速集Sd_min≤{Sd₁，Sd₂，Sd₃，Sd₄，…，Sd_n}≤Sd_max，求解各台机组随风速变化的离散型出力特性：

P_m＝f(Sd_m)

式中，Sd_m∈{Sd₁，Sd₂，Sd₃，Sd₄，…，Sd_n}；

S23、采用曲线拟合的方法，对上述求得离散型出力特性进行曲线拟合，将拟合曲线与实际的分布式风力发电机组的出力特性进行比对分析，验证解耦所得场景的实用性。

2.根据权利要求1所述的考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，其特征在于所述步骤S3具体包含以下步骤：

S31、根据分布式风力发电机组的出力及配电网的实际网络拓扑、基础台账信息、电气运行参数实际数据，进行含分布式风力发电机组并网的潮流计算，具体计算步骤如下：

①、迭代初始化：给定配电网馈线根节点的电压V_r，并为其他节点电压赋初值V_i ⁽⁰⁾，i表示节点号；

②、从每条线路的终端出发，由节点电压分布V_i ^(k)求出各支路线损和各节点功率分布，按照“先终后始”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，N_j为以j为起结点的支路的终结点集；分别为第k次迭代求得的线路ij始端、终端的视在功率；为线路ij第k次迭代求得的线路损耗值；R_ij+jX_ij为线路ij的阻抗；分别为第k次迭代求得的线路ij终端的有功功率、无功功率；V_j ^(k)分别为第k次迭代求得的节点j的视在功率和电压；k为迭代次数；

③、从第一层即根节点出发，由功率分布求得各节点电压分布V_i ^(k+1)，按照“先始后终”的顺序逐层计算，计算公式如下：

式中，ΔV_ij和δV_ij分别为线路ij始端、终端的电压降落实部和虚部；

④、收敛判断：根据预先给定的收敛指标ε，判断相邻两次迭代电压差的模分量的最大值是否收敛于ε，即判断公式：

max{|V_i ^(k+1)-V_i ^(k)|}<ε，

若公式成立，则停止迭代计算，输出结果；若公式不成立，则令k＝k+1，转步骤②；

S32、在上述潮流计算的基础上，进行基于基尔霍夫电路定理、电流分解定理、比例分配理论的潮流追踪，计算分布式风力发电机组应分摊的配电网线损，具体计算步骤如下：

①、根据潮流计算所得到的与节点相连的线路潮流流向，确定各个节点的进线集F_j(-)、进线数d_j(-)、出线集F_j(+)、出现数d_j(+)；

②、寻找d_j(+)＝0的节点j，由于节点j无出线，故节点j的线损ΔP_j＝0，或已按网损的平衡方程式累积线损完毕，ΔP_j已知，作为待消去节点，网损平衡方程式是为：

ΔP_j＝∑(ΔP_ij+α_i(ij)ΔP_i)

式中，ij取节点j的出线，ΔP_ij为线路ij的线损，α_i(ij)为通过节点j的进线ij向节点i转移的网损系数；

③、根据下式计算节点j的电源应分摊的网损：

式中，SP_j为节点j应分摊的线损；ij取节点j的进线，P_j ^G为节点j电源的功率；

④、对与节点j相连的所有进线ij的节点i，按照网损平衡方程式累积ΔP_i，并将节点i的出线数d_j(+)减1；

⑤、对d_j(+)赋值-1，表示此节点己消去；

⑥、返回步骤②，寻找下个出线为0的节点，直至出线为0的节点全部消去；

S33、最终求得分布式风力发电机组应分摊的线损SP_Pm，则应分摊的线损比率为：

式中，∑P_ij为电网总线路损耗。

3.根据权利要求1所述的考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，其特征在于所述步骤S4具体包含以下内容：

在考虑分布式风力发电机组出力随风速强度变化的基础上，所设计的以风速强度为主要决定因素的典型场景，是与步骤S2通过场景解耦和曲线拟合的方法，所建立的分布式风力发电机组随风速强度变化的实用性离散出力特性相对应的；由于步骤S2已进行实用性校验，故与离散风速集中的风速一一对应的各典型场景，亦具有较高的实用性。

4.根据权利要求2所述的考虑风速强度的分布式风力发电并网后概率线损分摊方法，其特征在于所述步骤S5具体包含以下步骤：

S51、统计分布式风力发电机组所在地域各风速的日监测概率，用Q_Sdm表示该区域风速Sd_m的日监测统计概率；

S52、确定分布式风力发电机组对所在配电网线损的最终分摊比率：