CN106505608B - 计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，包括：步骤1，以为目标函数，以节点电压偏差约束、节点电压波动约束、短路容量约束和配电网潮流约束为约束函数，构建分布式电源准入容量的优化模型；步骤2，采用遗传算法求解优化模型，优化结果即分布式电源准入容量。本发明可得到不同输出特性的分布式风机和分布式光伏的接入容量极限，从而为分布式电源的合理并网提供科学的决策依据。

Description

计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法

技术领域

本发明属于分布式电源规划建设技术领域，具体涉及一种计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法。

背景技术

在传统化石能源短缺和环境污染的大背景下，投资成本低、清洁环保的分布式电源(DG)越来越受到重视。分布式电源大都分布在负荷附近，目前应用以并入配电网运行为主。风能和光伏发电作为分布式电源的两种主要形式，发展潜力巨大，装机容量逐年增加。但分布式风机和光伏输出功率受外界环境影响较大，不仅改变了潮流分布，也严重威胁到配电网的电压质量，引起电压偏差和电压波动等问题，影响电力系统的安全稳定运行。所以分布式电源的接入容量极限成了电网运行调度人员所关注的重要问题，也是配电网接纳分布式电源研究中的热点。

分布式电源的准入容量是指在不违背系统正常运行技术指标的约束的前提下，分布式电源能接入电网的最大容量极限值。影响分布式电源准入容量的因素很多，近年来已有的文献资料主要分析了电压指标、继电保护动作、相间短路、谐波等约束条件下分布式电源的准入容量，但考虑短路容量问题的研究相对较少。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，包括：

步骤1，以为目标函数，以节点电压偏差约束、节点电压波动约束、短路容量约束和配电网潮流约束为约束函数，构建分布式电源准入容量的优化模型；其中：

P_DG,m表示第m个分布式电源输出的有功功率，M为分布式电源数量；

节点电压偏差和节点电压波动为分布式电源引起的节点的电压偏差和电压波动，均基于含分布式电源的配电网潮流计算结果计算获得；

短路容量为含分布式电源的配电网的短路容量，基于配电网线路的电阻和电抗计算获得；

配电网潮流包括馈线过载约束和分布式电源输出的有功功率，为含分布式电源的配电网的潮流计算结果；

步骤2，采用遗传算法求解优化模型，优化结果即分布式电源准入容量。

上述含分布式电源的配电网的潮流计算具体为：

将配电网中节点q分为3种情况等效：(1)当P_DG,q＞P_L,q时，节点q等效为电源节点，等效电源的容量P_G＝P_DG,q-P_L,q；(2)当P_DG,q＝P_L,q时，节点q等效为互联节点，则配电网流入和流出节点q的有功功率相同；(3)当P_DG,q＜P_L,q时，节点q等效为负荷节点，等效负荷的有功功率为P_L＝P_L,q-P_DG,q；其中，P_DG,q表示节点q连接的分布式电源的输出有功功率；P_L,q表示节点q负荷的功率；

采用牛顿-拉夫逊法求解含配电网潮流。

上述含分布式电源的配电网的短路容量采用如下方法获得：

计算不含分布式电源的配电网线路的电阻和电抗，并构建不含分布式电源的配电网的节点导纳矩阵Y_B；

将连接了分布式电源的节点的导纳值增加到节点导纳矩阵Y_B中对应节点的导纳值上，得节点导纳矩阵Y′_B；

对节点导纳矩阵Y′_B求逆得节点阻抗矩阵Z′_B，节点阻抗矩阵Z′_B对角元素的倒数即节点接地时的短路电流值I′_f；

根据计算含分布式电源的配电网的短路容量值S′_f，U_N表示配电网额定电压。

上述连接了分布式电源的节点的导纳值采用如下方法获得：

计算连接了分布式电源的节点的次暂态电抗，按配电网基准值对次暂态电抗进行归算，归算后次暂态电抗的倒数即节点的导纳值。

上述节点电压偏差约束为ΔU_k％≤ΔU_max％，其中，ΔU_k％表示节点电压偏差，ΔU_max％为国标规定的最大电压偏差值。

上述节点电压波动约束为d_DG,k％≤d_max％，其中，d_DG,k％表示节点电压波动，d_max％为国标规定的最大电压波动值。

上述短路容量约束为S′_f≤S′_fmax，其中，S′_f为含分布式电源的配电网的短路容量；S′_fmax为国标规定的最大短路容量。

上述馈线过载约束为|I_s,r|≤I_s,rmax，其中，I_s,r表示馈线过载，I_s,rmax表示馈线能输送电流的最大值。

上述分布式电源输出的有功功率约束为0≤P_DG,m≤P_DGmax,m，其中，P_DG,m为分布式电源输出的有功功率，P_DGmax,m为分布式电源有功出力的最大值。

本发明充分考虑电压偏差、电压波动以及网络潮流的约束，同时兼顾配电网的短路容量约束，提出了以分布式电源接入容量最大为目标函数的优化模型，并分析了分布式电源的接入容量与配电网电压质量和短路容量等指标的对应关系，经仿真得到不同输出特性的分布式风机和分布式光伏的接入容量极限，为分布式电源的合理并网提供科学的决策依据。

附图说明

图1为含分布式电源的配电网的等值网络图；

图2为含分布式电源的配电网的短路容量计算等值网络图；

图3为IEEE33节点测试系统单线图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明技术方案。

一、含分布式电源的配电网电压指标的计算。

图1为含分布式电源的配电网的等效网络图。本步骤所述的电压指标包括分布式电源引起的节点的电压偏差和电压波动。

(1)电压偏差的计算。

由分布式电源引起的节点电压偏差采用公式(1)计算获得：

式(1)中：

ΔU_k％表示分布式电源引起的节点k的电压偏差；

U_N表示配电网额定电压；

R_i和X_i分别表示馈线i的电阻和电抗；

P_DG,q+jQ_DG,q表示节点q连接的分布式电源的输出功率；

P_L,q+jQ_L,q表示节点q负荷的功率；

n表示节点数量。

(2)电压波动的计算。

分布式电源输出功率具有明显的波动特性，会对配电网的电压质量造成影响。假定负荷是恒定的，由分布式电源引起的电压波动采用式(2)计算获得：

式(2)中：

d_DG,k％为由分布式电源引起的节点k的电压波动；

U_N表示配电网额定电压；

R_i和X_i分别表示馈线i的电阻和电抗；

ΔP_DG,q+jΔQ_DG,q表示节点q连接的分布式电源的输出功率瞬间变化率；

n为节点数量。

配电网电压指标根据配电网潮流计算结果进行计算。配电网潮流计算时，将节点q分为3种情况等效，然后采用牛顿-拉夫逊法求解含分布式电源的配电网潮流。

(1)当P_DG,q＞P_L,q时，节点q等效为电源节点，等效电源的容量P_G＝P_DG,q-P_L,q。

(2)当P_DG,q＝P_L,q时，节点q等效为互联节点，则配电网流入和流出节点q的有功功率相同。

(3)当P_DG,q＜P_L,q时，节点q等效为负荷节点，等效负荷的有功功率为P_L＝P_L,q-P_DG,q。

步骤2，含分布式电源的配电网的短路容量值计算。

图2为含分布式电源的配电网的短路容量计算等值网络图。本步骤进一步包括：

2.1计算不含分布式电源的配电网线路的电阻和电抗，根据电网线路的电阻和电抗构建不含分布式电源的配电网的节点导纳矩阵Y_B。

2.2判断节点是否连接了分布式电源，计算连接了分布式电源的节点的导纳值，并更新步骤2.1所得节点导纳矩阵Y_B，得更新后的节点导纳矩阵Y′_B，即含分布式电源的配电网的节点导纳矩阵。

本步骤中，连接了分布式电源的节点的导纳值采用如下方法计算：

计算连接了分布式电源的节点的次暂态电抗，按配电网基准值对次暂态电抗进行归算，归算后次暂态电抗的倒数即该节点的导纳值。

本子步骤中，更新步骤2.1所得节点导纳矩阵Y_B具体为：

将连接了分布式电源的节点的导纳值增加到节点导纳矩阵Y_B中对应节点的导纳值上。

2.3对节点导纳矩阵Y′_B求逆得节点阻抗矩阵Z′_B，节点阻抗矩阵Z′_B对角元素的倒数即节点接地时的短路电流值I′_f。

2.4根据计算含分布式电源的配电网的短路容量值S′_f。

步骤3，构建分布式电源准入容量的优化模型。

本步骤将计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算问题转化为非线性约束优化问题。

优化模型的目标函数如下：

式(3)中：P_DG,m表示第m个分布式电源输出的有功功率；M为分布式电源数量。

优化模型的约束函数如下：

(1)节点电压偏差ΔU_k％约束：

ΔU_k％≤ΔU_max％ (4)

式(4)中：ΔU_max％为国标规定的最大电压偏差值。

(2)节点电压波动d_DG,k％约束：

d_DG,k％≤d_max％ (5)

式(5)中：d_max％为国标规定的最大电压波动值。

(3)短路容量约束：

S′_f≤S′_fmax (6)

式(6)中：S′_f为含分布式电源的配电网的短路容量；S′_fmax为国标规定的最大短路容量。

(4)馈线过载I_s,r约束：

|I_s,r|≤I_s,rmax (7)

式(7)中：I_s,rmax表示节点s和节点r馈线能输送电流的最大值。

(5)分布式电源输出有功功率P_DG,m约束：

0≤P_DG,m≤P_DGmax,m (8)

式(8)中：P_DGmax,m为分布式电源有功出力的最大值。

馈线过载I_s,r和分布式电源输出的有功功率P_DG,m通过潮流计算获得。上述目标函数和约束条件即构成优化模型。

步骤4，采用遗传算法求解优化模型，优化结果即分布式电源准入容量。

所获得的分布式电源准入容量可用于指导分布式电源的规划，为分布式电源的建设提供参考。

实施例

以图3所示的IEEE33节点配电系统为例，计算分布式电源准入容量。IEEE33节点馈线系统一共有5个联络开关，本实施例中均断开。系统总有功负荷为3.72MW，无功负荷为2.3MVar，系统电压等级为12.66kV。系统内接入两种分布式电源：分布式风机和分布式光伏。分布式风机直接并入配电网，分布式光伏通过逆变器并入配电网。

步骤1，选定分布式风机和分布式光伏的并网点，见表1。

表1 DG并网点

步骤2，含分布式电源的配电网电压指标的计算。

电压偏差ΔU_k％采用公式(1)计算。

由分布式风机和分布式光伏引起的电压波动计算公式如下：

其中：d_w,k表示风机引起的节点k处电压波动；d_pv,k表示光伏引起的节点k处电压波动。假设分布式电源额定功率是其受环境变化引起的瞬间功率变化幅度的λ倍，分别用λ_w和λ_p来指代风机和光伏的倍数。

电压偏差和电压波动的计算基于配电网潮流计算结果进行。进行潮流计算时，将连接分布式电源的节点进行等效，然后采用牛顿—拉夫逊法求解含分布式风机和分布式光伏的配电网潮流。

步骤3，计算不含分布式电源和含分布式电源的配电网的短路容量值。

步骤4，将计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算问题转化为非线性约束优化问题，构建公式(3)～(8)所示的优化模型。

步骤5，采用遗传算法求解优化模型，优化结果即分布式电源准入容量。

本实施例中，令λ_w＝3/5、λ_p＝1/2，经优化获得的分布式电源准入容量为2.124MW，渗透率水平为57.1％，各节点对应的分布式电源的装机容量见表2。

表2 DG装机容量

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是，包括：

步骤1，以为目标函数，以节点电压偏差约束、节点电压波动约束、短路容量约束和配电网潮流约束为约束函数，构建分布式电源准入容量的优化模型；其中：

P_DG,m表示第m个分布式电源输出的有功功率，M为分布式电源数量；

节点电压偏差和节点电压波动为分布式电源引起的节点的电压偏差和电压波动，均基于含分布式电源的配电网潮流计算结果计算获得；

短路容量为含分布式电源的配电网的短路容量，基于配电网线路的电阻和电抗计算获得；

配电网潮流包括馈线过载约束和分布式电源输出的有功功率，为含分布式电源的配电网的潮流计算结果；

节点电压偏差采用如下公式计算获得：

节点电压波动采用如下公式计算获得：

其中，ΔU_k％表示分布式电源引起的节点k的电压偏差；U_N表示配电网额定电压；R_i和X_i分别表示馈线i的电阻和电抗；P_DG,q+jQ_DG,q表示节点q连接的分布式电源的输出功率；P_L,q+jQ_L,q表示节点q负荷的功率；n表示节点数量；d_DG,k％为由分布式电源引起的节点k的电压波动；

所述的含分布式电源的配电网的短路容量采用如下方法获得：

计算不含分布式电源的配电网线路的电阻和电抗，并构建不含分布式电源的配电网的节点导纳矩阵Y_B；

将连接了分布式电源的节点的导纳值增加到节点导纳矩阵Y_B中对应节点的导纳值上，得节点导纳矩阵Y′_B；

对节点导纳矩阵Y′_B求逆得节点阻抗矩阵Z′_B，节点阻抗矩阵Z′_B对角元素的倒数即节点接地时的短路电流值I′_f；

根据计算含分布式电源的配电网的短路容量值S′_f，U_N表示配电网额定电压；

含分布式电源的配电网的潮流计算具体为：

将配电网中节点q分为3种情况等效：(1)当P_DG,q＞P_L,q时，节点q等效为电源节点，等效电源的容量P_G＝P_DG,q-P_L,q；(2)当P_DG,q＝P_L,q时，节点q等效为互联节点，则配电网流入和流出节点q的有功功率相同；(3)当P_DG,q＜P_L,q时，节点q等效为负荷节点，等效负荷的有功功率为P_L＝P_L,q-P_DG,q；其中，P_DG,q表示节点q连接的分布式电源的输出有功功率；P_L,q表示节点q负荷的功率；

采用牛顿-拉夫逊法求解含配电网潮流；

步骤2，采用遗传算法求解优化模型，优化结果即分布式电源准入容量。

2.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的连接了分布式电源的节点的导纳值采用如下方法获得：

计算连接了分布式电源的节点的次暂态电抗，按配电网基准值对次暂态电抗进行归算，归算后次暂态电抗的倒数即节点的导纳值。

3.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的节点电压偏差约束为ΔU_k％≤ΔU_max％，其中，ΔU_k％表示节点电压偏差，ΔU_max％为国标规定的最大电压偏差值。

4.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的节点电压波动约束为d_DG,k％≤d_max％，其中，d_DG,k％表示节点电压波动，d_max％为国标规定的最大电压波动值。

5.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的短路容量约束为S′_f≤S′_fmax，其中，S′_f为含分布式电源的配电网的短路容量；S′_fmax为国标规定的最大短路容量。

6.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的馈线过载约束为|I_s,r|≤I_s,rmax，其中，I_s,r表示馈线过载，I_s,rmax表示馈线能输送电流的最大值。

7.如权利要求1所述的计及短路容量约束的分布式电源准入容量计算方法，其特征是：

所述的分布式电源输出的有功功率约束为0≤P_DG,m≤P_DGmax,m，其中，P_DG,m为分布式电源输出的有功功率，P_DGmax,m为分布式电源有功出力的最大值。