CN111478335A - 一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法及系统，包括：根据逆变器控制方式，计算光伏发电的最大出力；设定节点S潮流计算所需的初值，进行配电网交流部分的潮流计算，得到节点S数据；将得到的节点S数据传递给逆变器的直流部分，进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得到直流系统传递给节点S的有功功率和无功功率；判断所述有功功率和无功功率是否收敛；根据最终得到的潮流计算结果，优化分布式光伏并网位置，并对配电网进行潮流分配。本发明既完善了分布式光伏并网的配电网潮流模型，提高了计算的精确性，又极大缩短了潮流计算时间，实现了计算的快速性，提高对多变的分布式光伏出力的应对能力。

Description

一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法及系统
技术领域
本发明涉及电力自动化技术领域，尤其涉及一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
分布式光伏是可再生能源的重要利用形式，随着配电网中分布式光伏的大量接入，潮流计算产生新的变化。尽管纯交流电网、交直流混合电网的潮流计算已经比较成熟，但计及分布式光伏的配电网潮流计算并没有达到相同的水平。如何有效地模拟光伏并网进行配电网潮流计算，仍然是一个值得研究的问题。
光伏并网逆变器是连接配电网交流部分与直流部分的纽带，而光伏并网最大的问题，即是由于光照的不稳定，逆变器注入配电网的能量不稳定，导致光伏并网点电压不稳定。
现阶段针对分布式光伏并网下的配电网潮流计算的研究内容有基于牛顿拉夫逊法的含分布式电源配电网潮流计算，有含PV型分布式电源配电网的前推回代潮流计算，基于补偿算法改进的隐式Z_(bus)高斯潮流计算方法，逆变器Q/V下垂控制等。可见，现在已有很多含分布式光伏的潮流计算方法，但总的来说一般是以下两种方式，其计算方法及缺陷如下：
(1)根据逆变器的不同控制方式将逆变器直流部分等效为几类交流潮流的节点，从而将直流部分等效为交流部分，此类潮流计算方式虽然提高了计算速度，弱化了潮流迭代难度，但显然是不够准确的，而且不能明确反映出光伏直流侧的变化情况。
(2)分别对配电网交流部分、直流部分分别建立牛拉法的潮流计算模型，包括换流器基本方程、直流网络方程、换流器对应的两个控制方程、交流网络方程，对直流部分形成增广雅克比矩阵，交流部分与直流部分进行统一迭代求解，可见潮流计算的数学模型较为复杂，难免缺乏效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法及系统，针对含分布式光伏的配电网直流部分网络是简单辐射式网络的特点，对直流部分配电网潮流计算方法进行改进，对直流部分进行前推回代，与交流系统进行交替的交直流电网潮流计算，这样可以极大程度弱化雅克比矩阵的增广，实现在更加缜密的配电网潮流模型下更加快速的潮流计算，兼顾了潮流计算模型的简洁性和潮流计算的精确性。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，包括：
根据逆变器控制方式，计算光伏发电的最大出力；
设定节点S潮流计算所需的初值，进行配电网交流部分的潮流计算，得到节点S数据；所述节点S为分布式光伏和交流配网的公共母线；
将得到的节点S数据传递给逆变器的直流部分，进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得到直流系统传递给节点S的有功功率和无功功率；
判断所述有功功率和无功功率是否收敛，如果收敛则潮流计算结束；否则，将所述有功功率、无功功率作为交流部分潮流计算的初值，重新进行上述交直流潮流交替迭代；
根据最终得到的潮流计算结果，优化分布式光伏并网位置，并对配电网进行潮流分配。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计及分布式光伏的配电网潮流计算系统，包括：
用于根据逆变器控制方式，计算光伏发电的最大出力的装置；
用于设定节点S潮流计算所需的初值，进行配电网交流部分的潮流计算，得到节点S数据；所述节点S为分布式光伏和交流配网的公共母线的装置；
用于将得到的节点S数据传递给逆变器的直流部分，进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得到直流系统传递给节点S的有功功率和无功功率的装置；
用于判断所述有功功率和无功功率是否收敛的装置；如果收敛则潮流计算结束；否则，将所述有功功率、无功功率作为交流部分潮流计算的初值，重新进行上述交直流潮流交替迭代；
用于根据最终得到的潮流计算结果，优化分布式光伏并网位置，并对配电网进行潮流分配的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的计及分布式光伏的配电网潮流计算方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的计及分布式光伏的配电网潮流计算方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明针对于含分布式光伏并网配电网其逆变器直流侧网络为简易单辐射网络的特点，既完善了分布式光伏并网的配电网潮流模型，提高了计算的精确性，又极大缩短了潮流计算时间，实现了计算的快速性，高效地利用了计算资源，提高对多变的分布式光伏出力的应对能力。
(2)本发明计算简单，设定每一个系统负荷水平和光伏发电最大水平，均可得到一个潮流计算解。根据潮流计算得到的光伏阵列发电水平，对实际光伏阵列的发电进行指导，提高配电网的实际电压稳定性水平。
(3)本发明潮流计算既考虑了分布式光伏大量并网的新形势下带来的潮流复杂性问题(配电网潮流可能由原来的单向潮流变为双向潮流)，又避免了将直流系统直接与交流系统进行统一迭代，避免了雅克比矩阵的增广，减少计算时间。
(4)本发明潮流计算方法的特点是：进行稳态潮流分析，通过加快的潮流迭代速度应对时刻变化的分布式光伏发电，削弱潮流计算速度满带来的逆变器实际控制和配电网负荷不匹配的消极影响，提高配电系统运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中计及分布式光伏的配电网潮流计算方法流程图；
图2是本发明实施例中分布式光伏并网逆变器和配电系统连接的简化拓扑图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，包括以下步骤：
步骤一：给定交流配电网的节点数据、线路数据、配电网负荷水平、逆变器控制方式、气候条件、光伏电池所受的光照强度、温度，计算光伏发电的最大出力；以得到光伏发电阵列所能注入交流配电网的最大有功出力。具体地，根据光伏发电板设备的性能建立物理模型，以MPPT控制为基础建立光伏电池的最大有功输出模型，以此为基础，更加完善之前配电网潮流计算直流部分前推回代的电路结构，提高潮流计算的精确性。
光伏阵列的出力策略包括：出有功和无功、仅出有功、仅出无功、不出力。
光伏电池串并联形成光伏组件，光伏组件串并联得到光伏阵列，根据理想的光伏电池的伏安特性可得光伏阵列的伏安特性：
Ipv＝Iph-Id-Ish
Figure BDA0002480478750000051
Vd＝Vpv+Rs×Ipv
其中，Rs为光伏发电单元的串联电阻，Rsh为光伏发电单元的并联电阻，Iph为光生电流，Id为二极管中流过的电流，Vpv、Ipv分别表示光伏发电单元的输出电压和电流：
Figure BDA0002480478750000061
Iph＝[Iscr+K1(T-298)]λ/1000
式中，k为波尔兹曼常数,T为光伏电池绝对温度，l为光伏电池中pn结系数，q为电子电荷，Iscr为标准条件下的短路电流。
并网光伏系统实际上是由很多如上性能的光伏发电单元串并联形成光伏发电阵列，并向交流配电网输出有功功率，光伏阵列串联个数为m，并联个数为n时，光伏阵列输出功率表达式如下所示：
Figure BDA0002480478750000062
依据光伏发电的MPPT控制有下式成立：
Figure BDA0002480478750000063
从而得到光伏并网发电的出力上限。
式中，k为波尔兹曼常数,T为光伏电池绝对温度，l为光伏电池中pn结系数，q为电子电荷，Iscr为标准条件下的短路电流。并网光伏系统实际上是由很多如上性能的光伏发电单元串并联形成光伏发电阵列，并向交流配电网输出有功功率，光伏阵列串联电池单元个数为m，并联个数为n。
步骤二：根据步骤一中给定的逆变器控制方式设定节点S潮流计算所需的其他初值(其他初值指光伏阵列向交流配电网注入的有功功率和无功功率)，进行配电网交流部分的潮流计算，置迭代次数kac＝1；
具体地，根据步骤一中给定的逆变器控制方式，假定交流部分进行潮流计算所需的其他值的初值，对交流部分通过牛拉法进行潮流计算，得到交替迭代交流侧的收敛判定数据。
节点S，即分布式光伏和交流配网的公共母线，节点S初值为有功功率和无功功率,节点S数据包括节点有功功率、无功功率、电压、相角。
步骤三：将步骤二潮流计算所得的节点S数据将给定的初值覆盖，并传递给逆变器的直流部分；
步骤三实际为通过交流潮流计算校订了步骤二中给定的初值，并将校订值作为直流部分的前推回代的给定初值。
步骤四：进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得直流系统传递给节点S的有功无功，置迭代次数kdc＝1；
具体地，通过列写前推回代方程，对交流部分校订值再次校订，具体如下：
根据给定条件(指首端负荷和MPPT控制给定的光伏电压)，经过一个回代过程求得直流辐射网的功率流动。再根据求得的直流节点功率和给定的光伏电池压，由第一层向下逐层计算各段电压降，以求得各点电压。如此反复，直至各个节点的电压率偏差满足容许条件为止，对节点S给定值进行再校订。
步骤五：进行收敛判定，如果满足收敛判据则潮流计算结束，如果不满足则重复步骤二，迭代次数加一。
具体地，将步骤二和步骤四得到的校订值进行做差比较，如果满足给定的差值增伟潮流计算结束。
本发明实施例中，详细结合一般形势下的光伏阵列的物理结构和数学模型，根据各种天气条件下的光伏发电功率和配电网负荷，对配电网进行多状态的潮流计算；交流部分通过牛拉法求解交替部分潮流数据，直流部分采用前推回代法潮流计算列写交替部分潮流计算数据，一次完整迭代记为交流部分、直流部分分别迭代一次。
每次完整迭代中，交流部分迭代取上次直流部分的迭代解，直流部分迭代取上次交流部分迭代解，加快潮流迭代速度。
潮流计算完成的标志是统计相邻的一次交流潮流计算和直流潮流计算所得的交替功率变化在给定收敛判据内，统计得到配电网、光伏阵列整体的电压水平和功率流动。根据潮流计算得到的光伏阵列发电水平，根据最终的潮流计算结果，对光伏阵列的配置、发电水平形成指导，提高配电网的实际电压稳定性水平。
作为具体的实施方式，参照图1，计及分布式光伏的配电网潮流计算方法包括配电网交流侧的牛顿拉夫逊法潮流计算，配电网直流部分的前推回代法潮流计算，以及交流、直流部分在PCC母线上的交替迭代过程。
潮流计算中并网逆变器类型为电压源控制的换流器(VSC型)，控制方式共有四种：
a)定直流电压Ud、交流无功功率Q控制；
b)定直流电压Ud、交流母线电压Us控制；
c)定交流有功功率P、交流无功功率Q控制；
d)定交流有功功率P、交流母线电压Us控制。
每种控制方式分别对直流侧和交流侧各控制一个变量，具体计算步骤如下：假设选取逆变器b类控制模式下，即节点S的电压可控、逆变器直流侧电压可控，给定交流测潮流计算的有功功率初值，进行一次潮流计算，所得PCC母线有功功率、无功功率传输给直流部分进行前推回代的潮流计算，得到直流侧传输给PCC母线的有功功率和无功功率，如果满足收敛判据，则潮流计算结束，如果不满足则按照新给定的系统有功功率、无功功率重复上述步骤。
结合交直流混合电网的潮流计算方法，在计及电压源型逆变器的四种控制方式的前提下给定不同的迭代初值和潮流计算起始方法以及不同的收敛判据，这样可以极大程度弱化雅克比矩阵的增广，并可充分考虑光伏并网的实际情况，根据潮流计算所得的光伏电功率进一步推知光伏的光功率，实现对光伏发电的精准控制。
如在a)类控制方式下，光伏并网点节点S，不能简单的等效成一类固定节点(如PQ或PV)，而应做如下处理：
a)定直流电压Udc、交流无功功率Qs控制：假设原交流配电网的第i个节点接入分布式光伏，Udc确定的情况下，并网光伏注入节点c中的有功功率Pc是固定的，由于直流侧不存在无功传递，所以
Figure BDA0002480478750000091
Figure BDA0002480478750000092
Psi、Qsi分别为第i个节点的光伏并网逆变器向交流配电网注入的有功功率和无功功率，此时交流侧功率修改为：
Figure BDA0002480478750000093
交流侧潮流计算可解得
Figure BDA0002480478750000101
根据回代公式
Figure BDA0002480478750000102
Figure BDA0002480478750000103
Figure BDA0002480478750000104
当光伏并网采用电压源控制的换流器，由于PWM调制控制，逆变器直流侧电压和输出交流测电压有效值满足如下关系：
Figure BDA0002480478750000105
其中μi为直流电压利用率，(调制方式为SPWM时，
Figure BDA0002480478750000106
调制方式为SVPWM时，μi＝1)，M为调制度(0≤M≤1)。
进而可求得调制度M，从而实现计及分布式光伏的潮流计算，并可得到光伏并网后交流配网侧和并网光伏直流侧的相互影响。
其中，纯交流节点即没有与逆变器相连的配电网节点，共计nac个，逆变器与交流配网相连的母线称为直流侧节点，共计nc个，Pi、Qi分别为节点有功、无功负荷。
图2中，XT表示变压器的等值电抗，XL0/2表示光伏并网逆变器的等值电抗，Rb表示为逆变器有功损耗的等值电阻，进一步将交流潮流迭代后所得逆变器交流侧电压交替给直流侧，根据交直流电压情况(直流侧到交流侧不传递无功功率)，由前推回代法，公式如下：
Xc＝XT+XL0/2
Figure BDA0002480478750000107
Figure BDA0002480478750000108
Figure BDA0002480478750000111
其中，Pin为逆变器输入配电网的功率，Ud表示逆变器直流侧电压，ΔUdc-ac表示逆变器直流到交流的电压相量变化，Ppv为光伏阵列的出力，n、m分别代表光伏电池的串并联个数，Vpv、Ipv分别为光伏阵列的输出电压、电流，Iph为光生电流，Ij为反向饱和电流，T表示电池平均温度，其余变量为常数，得到直流侧注入给交流侧的有功，对交流侧注入功率进行交替。
其余各类控制方式计算思想于此保持一致。
收敛判据(任一控制方式下)如下：
Figure BDA0002480478750000112
Figure BDA0002480478750000113
其中，
Figure BDA0002480478750000114
分别表示第k次交替迭代中，交流侧、直流侧分别交替的有功功率无功功率。其中ε为一个确定的比较小的常数，相邻两次迭代有功、无功的差小于这个数则收敛，迭代结束。
同时得到光伏阵列的MPPT控制下的最大吸收光能，得到光伏阵列的详细控制策略。
光伏阵列输出功率表达式如下所示：
Ppv＝UdcIdc＝mpvVpv·nIpv
＝mn Vpv·[Iph-Ij{exp[q(Vpv+IpvRs)/lKT]-1}-(Vpv+IpvRs)/Rsh]
式中Ij为二极管反向饱和电流，Ud表示逆变器直流侧电压，Ppv为光伏阵列的出力，n、m分别代表光伏电池的串并联个数，Vpv、Ipv分别为光伏阵列的输出电压、电流。在实际光伏并网系统中，逆变器效率随着输入的光伏功率产生变化，因此光伏阵列吸收的光伏功率和经过逆变器注入交流系统的电功率实际存在如下校正公式：
Figure BDA0002480478750000121
本发明实施例统计不同负荷水平的配电网负荷水平、并网光伏不同气象条件(光照强度、温度)运行状态下，潮流计算方法的可解率和耗费时间，统计平均求解时间；
假设配电网整体负荷变化近似服从正态分布，分布式光伏发电上限的变化近似服从正态分布，根据随机选取的各个配电网和分布式光伏发电状态之间的平均计算时间求证含分布式光伏的配电网任意状态之间的潮流计算可靠性和时效性；
根据含分布式光伏的配电网的潮流计算的节点电压水平判断配电网能否支撑当前出力的分布式光伏，对于优化分布式光伏并网位置，对配电网进行更合适的潮流分配提供指导。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，包括：
根据逆变器控制方式，计算光伏发电的最大出力；
设定节点S潮流计算所需的初值，进行配电网交流部分的潮流计算，得到节点S数据；所述节点S为分布式光伏和交流配网的公共母线；
将得到的节点S数据传递给逆变器的直流部分，进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得到直流系统传递给节点S的有功功率和无功功率；
判断所述有功功率和无功功率是否收敛，如果收敛则潮流计算结束；否则，将所述有功功率、无功功率作为交流部分潮流计算的初值，重新进行上述交直流潮流交替迭代；
根据最终得到的潮流计算结果，优化分布式光伏并网位置，并对配电网进行潮流分配。
2.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，还包括：
结合交直流混合电网的潮流计算方法，在逆变器不同的控制方式下，分别给定不同的迭代初值和潮流计算起始方法以及不同的收敛判据，实现计及分布式光伏的潮流计算，到光伏并网后交流配网侧和并网光伏直流侧的相互影响。
3.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，所述逆变器类型为电压源控制的换流器，其控制方式包括：
a)定直流电压、交流无功功率控制；
b)定直流电压、交流母线电压控制；
c)定交流有功功率、交流无功功率控制；
d)定交流有功功率、交流母线电压控制。
4.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，计算光伏发电的最大出力，具体包括：
光伏电池串并联形成光伏组件，光伏组件串并联得到光伏阵列，根据理想的光伏电池的伏安特性得到光伏阵列的伏安特性；
根据给定交流配电网的节点数据、线路数据、逆变器控制方式、光伏电池所受的光照强度、温度，计算光伏发电的最大出力。
5.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，判断所述有功功率和无功功率是否收敛的过程具体包括：
Figure FDA0002480478740000021
Figure FDA0002480478740000022
其中，
Figure FDA0002480478740000023
分别表示第k次交替迭代中，交流侧、直流侧分别交替的有功功率无功功率；ε为设定的常数阈值，相邻两次迭代有功、无功的差小于这个数则收敛，迭代结束。
6.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，配电网交流部分通过牛拉法进行潮流计算，直流部分采用前推回代法进行潮流计算。
7.如权利要求1所述的一种计及分布式光伏的配电网潮流计算方法，其特征在于，每次完整迭代中，交流部分迭代取上次直流部分的迭代解，直流部分迭代取上次交流部分迭代解。
8.一种计及分布式光伏的配电网潮流计算系统，其特征在于，包括：
用于根据逆变器控制方式，计算光伏发电的最大出力的装置；
用于设定节点S潮流计算所需的初值，进行配电网交流部分的潮流计算，得到节点S数据；所述节点S为分布式光伏和交流配网的公共母线的装置；
用于将得到的节点S数据传递给逆变器的直流部分，进行逆变器直流部分的前推回代法潮流计算，得到直流系统传递给节点S的有功功率和无功功率的装置；
用于判断所述有功功率和无功功率是否收敛的装置；如果收敛则潮流计算结束；否则，将所述有功功率、无功功率作为交流部分潮流计算的初值，重新进行上述交直流潮流交替迭代；
用于根据最终得到的潮流计算结果，优化分布式光伏并网位置，并对配电网进行潮流分配的装置。
9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的计及分布式光伏的配电网潮流计算方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的计及分布式光伏的配电网潮流计算方法。
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