CN108898287A - 大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法 - Google Patents

Abstract

一种大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，所述方法通过建立光伏出力与负荷波动的实时预测模型；运用蒙特卡洛法计算所得的节点电压和支路潮流的概率分布，求出支路潮流和节点电压的概率密度函数和累积分布函数；根据累积分布函数求得各节点电压和支路潮流越限的概率，根据待求变量的概率分布计算节点电压和支路潮流可能性指标、严重度指标和风险指标，评估光伏接入配电网的安全风险，依此结果提出相应控制手段。本发明充分考虑光伏及负荷的随机性与不确定性，采用典型参数作为风险评估指标，基于蒙特卡洛概率潮流对配电网风险进行准确预测，对于提高光伏并网后配电网运行的安全性、可靠性和经济性具有重要现实意义。

Description

大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法

技术领域

本发明涉及一种大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，属光伏并网技术领域。

背景技术

随着经济社会发展中能源需求日益增加且能源紧缺问题及环境污染问题日益严重，分布式光伏发电得到越来越多的关注。含分布式光伏的配电网作为新型电力系统的重要组成部分，电网结构复杂，一旦发生停电事故将迅速波及很大范围。因此，准确评估配电网的风险，及时采取相关应对措施，保证供电可靠性和电能质量，具有重要的经济效益和社会价值。

现阶段为解决分布式电源发电的随机性和波动性带来的系统风险，确保系统的可靠性，配电网系统运行部门采用了系统备用的办法，即就是同时准备与分布式电源发电量相等的装机容量的策略。虽然这项举措有效降低了可再生能源的不确定性带来的风险，但是未来的配电网风险评估将不仅仅停留在现阶段偏于保守的风险评估及风险控制方法上，而应实时、有效地评估配电网风险因子，实现对这些风险因素的智能控制和最优控制，从而尽量减少这些不可控源对整个电力系统能源结构的安全稳定带来的冲击。

本发明针对大规模分布式光伏并网问题，提出了基于蒙特卡洛概率潮流的配电网风险评估方法。首先建立了光伏发电单元和负荷随机模型，然后提出了配电网的风险评估指标体系及数学模型，最后介绍了基于蒙特卡洛概率潮流的配电网风险评估流程。对大规模分布式光伏接入配电网进行实时风险预测，准确评估配电网的风险，具有重要理论和实用价值。

发明内容

本发明的目的是，针对大规模分布式光伏并网存在的问题，提出一种大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法。

实现本发明的技术方案如下，一种大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，所述方法通过建立光伏出力与负荷波动的实时预测模型；运用蒙特卡洛法计算所得的节点电压和支路潮流的概率分布，求出支路潮流和节点电压的概率密度函数和累积分布函数；根据累积分布函数求得各节点电压和支路潮流越限的概率，根据待求变量的概率分布计算节点电压(状态变量)和支路潮流(输出变量)可能性指标、严重度指标和风险指标，评估光伏接入配电网的安全风险，依此结果提出相应控制手段。

所述光伏出力与负荷波动的实时预测模型用太阳能光伏阵列的输出功率公式表示：

P_m＝μ·S_ab·I_T

式中：I_T为某时刻入射到光伏电池上的总辐射值，当辐射值小于I_K时，太阳能光伏阵列的转换效率呈线性增长；当辐射超过I_K后，光伏阵列的转换效率基本保持不变；一般取I_K为150W/m²，μ_c取单晶硅的转换效率15％计算。

当光伏阵列所处的环境温度发生变化时，光伏阵列的功率输出也会随之发生变化。

将光伏电池的短路电流I_sc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔI_sc)称为电流温度系数；将光伏电池的开路电压U_oc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔU_oc)称为电压温度系数；对于单晶硅光伏电池来说，一般电流温度系数取值为0.006％～0.1％/℃，电压温度系数取值为-0.4％～-0.3％/℃。

将光伏阵列的功率随单位温度变化而变化的值称为功率温度系数，用ξ来表示，对一般的晶硅电池来说，ξ的取值范围为-0.5％～-0.35％/℃；考虑环境温度变化的情况下，光伏阵列的实际输出的计算公式如下：

P_mt＝P_m(1+ξΔT)

式中，P_mt为光伏阵列经温度修正后的输出功率，P_m为光伏阵列的输出功率。

所述负荷是通过预测得到，存在着一定的不确定性，通过概率的方法能反映出负荷的不确定性：

有功功率的概率密度函数f(P)和无功功率的概率密度函数f(Q)表示：

其中，P为有功功率；Q为无功功率；μ_P为有功功率的期望值；μ_Q为无功功率的期望值；为有功功率的方差值；为无功功率的方差值。

所述节点电压和支路潮流可能性指标、严重度指标和风险指标确定如下：

节点电压越上限和越下限的概率计算公式如下：

采用电压偏移量作为风险定义中的严重性后果函数，节点电压越上限和越下限的严重度指标计算公式如下：

其中，V_i表示当前节点1的电压幅值；V_imax和V_imin为节点1所允许的电压幅值的上下限；假设其上下限分别为1.05和0.95，F(V)表示节点电压的累积分布函数；

则电压越限风险指标为：

在越限概率的计算中只考虑到支路越上限，支路潮流越上限的概率计算公式如下:

P_γ(I_i)＝P_γ(I_i＞I_{i max})＝1-F(I_{i max})

支路过载的严重度函数如式所示：

I_i为支路i通过的电流，I_{i max}为支路i所允许的承载电流的上限，其值依据所选取的线路型号有所不同；

支路潮流越限风险指标为：

R_S＝P_γ(I_i)Sev(I_i)

系统风险从节点电压越限总风险值和支路潮流过载总风险值两方面考虑。某节点的风险系数函数为：

f(x_i)＝w₁R_vi+w₂R_ii

式中，R_vi为节点i的电压越限风险大小；R_ii为第i条支路(以节点i为支路末端节点)潮流过载风险大小；ω₁、ω₂分别表示两类风险指标的权重，此处均设为0.5。

所述光伏接入配电网风险评估流程如下：

(1)收集整理历史负荷数据及光照强度信息，主要为时间段位6:00-18:00,以10分钟为间隔，计算出历史负荷及光照强度的期望值和标准差，整理并存储；

(2)输入随机潮流计算所需的原始数据，除了常规潮流计算所需的系统参数，还需要节点注入功率的分布数据，包括正态分布的负荷的期望和方差，光伏的出力及概率分布数据；

(3)根据建立的分布式光伏和负荷的随机概率模型进行随机抽样，为保证计算结果精度满足要求，每个时间节点对相关光照强度及负荷值均抽样10000次；

(4)基于前推回代法进行潮流计算，得到节点电压和支路潮流的抽样分布情况；

(5)根据上述数据得到支路潮流和节点电压的概率密度函数；

(6)根据待求变量的概率分布计算节点电压和支路潮流的可能性指标、严重度指标和风险指标。

本发明的有益效果是，本发明一种基于蒙特卡洛概率潮流的光伏并网风险评估方法，能够实时预测得到并网时的光伏出力及负荷波动，充分考虑光伏及负荷的随机性与不确定性，采用典型参数作为风险评估指标，基于蒙特卡洛概率潮流对配电网风险进行准确预测，对于提高光伏并网后配电网运行的安全性、可靠性和经济性具有重要现实意义。

附图说明

图1为基于蒙特卡洛概率潮流的光伏并网风险评估流程图；

图2是IEEE-33节点系统拓扑图；

图3是IEEE-33节点系统的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。

1、首先建立了光伏出力与负荷波动的实时预测模型

光伏发电系统出力，与光伏阵列所处位置的太阳辐射强度和温度有关。短时间内，光照强度服从正态分布。光伏阵列的功率输出大小是由光伏电池的转换效率和入射太阳光辐射两个因素所决定的，太阳能光伏阵列的输出功率公式为：

P_m＝μ·S_ab·I_T (1)

式中：S_ab是太阳能光伏阵列的总面积，等于一块电池的单位面积与块数的乘积；I_T即入射到光伏电池上的总辐射值；光伏电池的转换效率不是常数，它的大小也与辐射量有关，二者的关系可以近似用下面的分段函数表示：

式中:I_T为某时刻入射到光伏电池上的总辐射值，当辐射值小于I_K时，太阳能光伏阵列的转换效率呈线性增长；当辐射超过I_K后，光伏阵列的转换效率基本保持不变；一般取I_K为150W/m²，μ_c取单晶硅的转换效率15％计算。

实际中还应考虑温度对光伏发电的影响，当光伏阵列所处的环境温度发生变化时，光伏阵列的功率输出也会随之发生变化。

将光伏电池的短路电流I_sc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔI_sc)称为电流温度系数；将光伏电池的开路电压U_oc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔU_oc)称为电压温度系数；对于单晶硅光伏电池来说，一般电流温度系数取值为0.006％～0.1％/℃,电压温度系数取值为-0.4％～-0.3％/℃。

将光伏阵列的功率随单位温度变化而变化的值称为功率温度系数，用ξ来表示，对一般的晶硅电池来说，ξ的取值范围为-0.5％～-0.35％/℃。考虑环境温度变化的情况下，光伏阵列的实际输出的计算公式如下：

P_mt＝P_m(1+ξΔT) (3)

式中，P_mt为光伏阵列经温度修正后的输出功率，P_m为前面所述光伏阵列接受的全部太阳辐射时的输出功率。

可以根据不同月份、不同气候、不同天气来设定式中的最高气温与最低气温，以此来模拟当日的某时刻温度，从而得到温度的变化值，即可以推算当温度变化时，光伏发电系统的温度修正下的出力。

在光伏发电系统并入配电网时，一般由并网逆变器保证使其输出功率的功率因数为1，即表示系统不吸收无功功率，于是可以在潮流计算中将光伏发电系统看作无功出力为零的PQ节点。

负荷是通过预测得到的，存在着一定的不确定性。由于系统的运行受到许多不确定的因素影响，负荷预测都会存在着一定的误差，在建立负荷模型时需要考虑这点。因此可以通过对周期内的负荷状况进行统计，计算负荷的概率分布情况，通过概率的方法来反映出负荷的不确定性。

假设负荷有功、无功功率的期望值和方差分别为μ_P、和μ_Q、则有功和无功功率的概率密度函数分别为:

2、提出风险评估指标

本实施例方法主要考虑分布式电源的随机出力扰动和负荷波动给配电网运行带来的风险。在不考虑系统故障的情况下，建立节点电压越限和支路潮流越限评估指标来定量评价系统的安全风险水平。运用蒙特卡洛法计算所得的节点电压和支路潮流的概率分布，可以求出其概率密度函数和累积分布函数，根据累积分布函数可以求得各节点电压和支路潮流越限的概率，最后通过建立的严重度指标就可以求出风险大小，并依此结果提出相应控制手段。

节点电压越上限和越下限的概率计算公式如下：

采用电压偏移量作为风险定义中的严重性后果函数，节点电压越上限和越下限的严重度指标计算公式如下:

V_i表示当前节点1的电压幅值，V_imax和V_imin为节点1所允许的电压幅值的上下限，本实施例假设其上下限分别为1.05和0.95，F(V)表示节点电压的累积分布函数。

则电压越限风险指标为:

在越限概率的计算中只考虑到支路越上限，支路潮流越上限的概率计算公式如下:

P_γ(I_i)＝P_γ(I_i＞I_{i max})＝1-F(I_{i max}) (10)

支路过载的严重度函数如式所示：

I_i为支路i通过的电流，I_{i max}为支路i所允许的承载电流的上限，其值依据所选取的线路型号有所不同。

支路潮流越限风险指标为：

R_S＝P_γ(I_i)Sev(I_i) (12)

系统风险主要从节点电压越限总风险值和支路潮流过载总风险值两方面考虑。某节点的风险系数函数为：

f(x_i)＝w₁R_vi+w₂R_ii (13)

式中，R_vi为节点i的电压越限风险大小；R_ii为第i条支路(以节点i为支路末端节点)潮流过载风险大小；ω₁、ω₂分别表示两类风险指标的权重，此处均设为0.5。

3、光伏接入配电网风险评估流程

图1所示为基于蒙特卡洛概率潮流的光伏并网风险评估流程图。

本实施例风险评估流程步骤如下:

(1)收集整理历史负荷数据及光照强度信息，主要为时间段位6:00-18:00,以10分钟为间隔，计算出历史负荷及光照强度的期望值和标准差，整理并存储。

(2)输入随机潮流计算所需的原始数据，除了常规潮流计算所需的系统参数，还需要节点注入功率的分布数据，包括正态分布的负荷的期望和方差，光伏的出力及概率分布数据。

(3)根据建立的分布式光伏和负荷的随机概率模型进行随机抽样，为保证计算结果精度满足要求，每个时间节点对相关光照强度及负荷值均抽样10000次。

(4)基于前推回代法进行潮流计算，得到节点电压和支路潮流的抽样分布情况。

(5)根据上述数据得到支路潮流和节点电压的概率密度函数。

(6)根据待求变量的概率分布计算状态变量(节点电压)和输出变量(支路潮流)可能性指标、严重度指标和风险指标。

图2是IEEE-33节点系统拓扑图，图3为IEEE-33节点系统仿真结果图。以原有负荷数据为各节点每天负荷的最大值，编辑一天的负荷曲线，以十分钟为间隔，等距取点为负荷期望值E(F)，标准差σ(F)＝0.1×E(F)。

假设某天光照最大强度为1200W/m²，编辑一天的光照强度变化。计算光伏接入节点一天中各时段的电压、潮流越限概率大小以及风险程度。线路型号选为LGJ120/7，长期允许载流量350A。光伏最大出力为2350kW，接入节点17。

可以看到，本实施例的一种基于蒙特卡洛概率潮流的光伏并网风险评估方法，充分考虑光伏出力与负荷的随机性、不确定性，选取节点电压与线路潮流作为风险指标，通过蒙特卡洛概率潮流实时预测计算并网系统各节点的风险系数，对于实现大规模分布式光伏发电并网后系统安全、可靠和经济运行具有重要理论和实用价值。

Claims (5)

1.一种大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，其特征在于，所述方法通过建立光伏出力与负荷波动的实时预测模型；运用蒙特卡洛法计算所得的节点电压和支路潮流的概率分布，求出支路潮流和节点电压的概率密度函数和累积分布函数；根据累积分布函数求得各节点电压和支路潮流越限的概率，根据待求变量的概率分布计算节点电压和支路潮流可能性指标、严重度指标和风险指标，评估光伏接入配电网的安全风险，依此结果提出相应控制手段。

2.根据权利要求1所述的大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，其特征在于，所述光伏出力与负荷波动的实时预测模型用太阳能光伏阵列的输出功率公式表示：

P_m＝μ·S_ab·I_T

式中：I_T为某时刻入射到光伏电池上的总辐射值，当辐射值小于I_K时，太阳能光伏阵列的转换效率呈线性增长；当辐射超过I_K后，光伏阵列的转换效率基本保持不变；一般取I_K为150W/m²，μ_c取单晶硅的转换效率15％计算；

当光伏阵列所处的环境温度发生变化时，光伏阵列的功率输出也会随之发生变化；

将光伏电池的短路电流I_sc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔI_sc)称为电流温度系数；将光伏电池的开路电压U_oc随单位温度变化(ΔT＝1℃)时的变化值(ΔU_oc)称为电压温度系数；对于单晶硅光伏电池来说，一般电流温度系数取值为0.006％～0.1％/℃，电压温度系数取值为-0.4％～-0.3％/℃；

将光伏阵列的功率随单位温度变化而变化的值称为功率温度系数，用ξ来表示，对一般的晶硅电池来说，ξ的取值范围为-0.5％～-0.35％/℃；考虑环境温度变化的情况下，光伏阵列的实际输出的计算公式如下：

P_mt＝P_m(1+ξΔT)

式中，P_mt为光伏阵列经温度修正后的输出功率，P_m为光伏阵列的输出功率。

3.根据权利要求2所述的大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，其特征在于，所述负荷是通过预测得到，存在着一定的不确定性，通过概率的方法能反映出负荷的不确定性：

有功功率的概率密度函数f(P)和无功功率的概率密度函数f(Q)表示：

其中，P为有功功率；Q为无功功率；μ_P为有功功率的期望值；μ_Q为无功功率的期望值；为有功功率的方差值；为无功功率的方差值。

4.根据权利要求1所述的大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，其特征在于，所述节点电压和支路潮流可能性指标、严重度指标和风险指标确定如下：

节点电压越上限和越下限的概率计算公式如下：

采用电压偏移量作为风险定义中的严重性后果函数，节点电压越上限和越下限的严重度指标计算公式如下：

其中，V_i表示当前节点1的电压幅值；V_imax和V_imin为节点1所允许的电压幅值的上下限；假设其上下限分别为1.05和0.95，F(V)表示节点电压的累积分布函数；

则电压越限风险指标为：

在越限概率的计算中只考虑到支路越上限，支路潮流越上限的概率计算公式如下：

P_γ(I_i)＝P_γ(I_i＞I_{i max})＝1-F(I_{i max})

支路过载的严重度函数如式所示：

I_i为支路i通过的电流，I_{i max}为支路i所允许的承载电流的上限，其值依据所选取的线路型号有所不同；

支路潮流越限风险指标为：

R_S＝P_γ(I_i)Sev(I_i)

系统风险从节点电压越限总风险值和支路潮流过载总风险值两方面考虑，某节点的风险系数函数为：

f(x_i)＝w₁R_vi+w₂R_ii

式中，R_vi为节点i的电压越限风险大小；R_ii为第i条支路，以节点i为支路末端节点潮流过载风险大小；ω₁、ω₂分别表示两类风险指标的权重，此处均设为0.5。

5.根据权利要求1所述的大规模光伏并网的配电网运行风险评估方法，其特征在于，所述光伏接入配电网风险评估流程如下：

(1)收集整理历史负荷数据及光照强度信息，主要为时间段位6:00-18:00,以10分钟为间隔，计算出历史负荷及光照强度的期望值和标准差，整理并存储；

(2)输入随机潮流计算所需的原始数据，除了常规潮流计算所需的系统参数，还需要节点注入功率的分布数据，包括正态分布的负荷的期望和方差，光伏的出力及概率分布数据；

(3)根据建立的分布式光伏和负荷的随机概率模型进行随机抽样，为保证计算结果精度满足要求，每个时间节点对相关光照强度及负荷值均抽样10000次；

(4)基于前推回代法进行潮流计算，得到节点电压和支路潮流的抽样分布情况；

(5)根据上述数据得到支路潮流和节点电压的概率密度函数；

(6)根据待求变量的概率分布计算节点电压和支路潮流的可能性指标、严重度指标和风险指标。