CN116805799A - 一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，包括：获取线路的标准参数，标准参数由线路结构及设备确定；构建线路的参数辨识模型，通过参数辨识模型获取线路的实际参数；构建线路的约束条件，在满足约束条件的情况下消纳光伏发电；约束条件包括光伏接入后的电压约束，电压约束考虑实际参数。该方法考虑馈线上负荷分布一定的情况下，分布式电源接入馈线点引起的电压变化率，与接入容量成正比，与接入点距馈线首端的距离成反比。其中接入点的电压提升幅度最大。从而对线路进行电压有效约束。

Description

一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法

技术领域

本发明涉及一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，属于光伏消纳技术领域。

背景技术

随着配电网建设和数字化转型，配电网供电可靠性大幅提升，10kV线路N-1校核占比提高，已经初步具备大规模分布式光伏等新能源接入能力。

可以预见分布式光伏将呈现爆发性增长态势，这为电网的调控能力、经营能力都带了的极大的挑战。因此，有必要深入研究区域分布式光伏推进对配电网的影响及应对策略，为支撑分布式光伏消纳提出可行的解决方案，避免被动配合光伏接入大规模新建配网工程，降低基建投入。

配电网的作用是将电能从变电站直接分配给用户，是直接面向用户的最终环节，其安全稳定运行直接影响这用户的用电质量和供电可靠性。大规模分布式电源、电动车以及用户侧储能大规模接入配电网对配电网规划和运行的安全性和可靠性提出了新的挑战。低压配电网的线路参数通常都是在典型工况下获得的，称之为典型参数并保存在设备台账数据库中，电网运行控制部门使用这些参数进行电网安全稳定运行分析和控制。设备元件参数的改变会影响电网分析的精度，导致配电网潮流计算、短路计算、继电保护整定和电压控制等问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，该方法考虑馈线上负荷分布一定的情况下，分布式电源接入馈线点引起的电压变化率，与接入容量成正比，与接入点距馈线首端的距离成反比。其中接入点的电压提升幅度最大。从而对线路进行电压有效约束。

本发明的技术方案如下：

一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，包括以下步骤：

获取线路的标准参数，所述标准参数由线路结构及设备确定；

构建所述线路的参数辨识模型，通过所述参数辨识模型获取线路的实际参数；

构建所述线路的约束条件，在满足所述约束条件的情况下消纳光伏发电；所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，所述电压约束考虑所述实际参数。

进一步的，所述参数辨识模型为：

；

；

其中，v为所述线路的参数，R、X和B分别为线路的电阻、电抗和电纳，I ₁和I ₂分别为所述线路的首端和末端的电流幅值，P ₁和P ₂分别为所述线路首端和末端的有功功率，Q ₁和Q ₂分别为所述线路首端和末端的无功功率，为所述线路由首端流向末端的电流，j表示虚部，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电压相量，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电流相量，/>表示共轭复数。

进一步的，构建所述线路的参数辨识模型，还包括：

采集若干组所述线路的量测量实际值Y，所述量测量实际值Y包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

通过所述标准参数v和所述参数辨识模型得到一组量测量估计值F(v)，所述量测量估计值包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

计算各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε：

；

根据所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε优化所述参数辨识模型。

进一步的，根据所述量测量实际值和所述量测量估计值的差优化所述参数辨识模型，具体为：

建立目标函数：

；

其中，为各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值的差的平均值，/>为第k组第i个量测量实际值与量测量估计值的差，N为所述量测量实际值的组数；

以所述目标函数最小为目标求解所述参数辨识模型，得到所述线路的实际参数。

进一步的，所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，具体为：

通过所述实际参数得到所述线路的单位长度电阻r和单位长度电抗x；

计算所述线路的单位长度电压变化量ΔV _单：

；

其中，P _DG为光伏注入的有功功率，Q _DG为光伏注入的无功功率，V ₀为所述线路的首端电压；

当光伏在所述线路上接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L为所述线路的长度；

当光伏在所述线路的末端之后接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L ₁为光伏接入所述线路位置与所述线路首端的距离；

所述线路的首端电压变化量ΔV小于所述线路接入母线的电压的7%。

进一步的，所述母线包括若干所述线路，所述母线的电压U ₀计算如下：

；

其中，U _0，j为第j条接入线路的首端电压；

所述母线的电压U ₀满足：

；

其中，U _额为所述母线的额定电压。

进一步的，所述约束条件还包括电力平衡约束，具体为：

；

其中，P _PV为光伏功率，P _ES为所述线路的功率，P _load为所述线路的负荷；

所述光伏功率满足：

；

其中，S _PV为光伏开发容量，为光伏逆变器的转化效率，η为光伏损耗，λ(μ)为光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数；

；

其中，S ₁为逆变器交流侧额定容量。

进一步的，还包括：

以1分钟为间隔，获取午间11点~15点各时间点的出力P _n，n∈(1,240)；

另所述光伏开发容量不小于午间11点~15点的最小出力min{P _n}：

S _PV≥min{P _n}；

光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数如下：

。

进一步的，所述约束条件还包括线路功率约束，所述线路功率约束公式为：

；

其中，W _max为所述线路的极限传输容量，U _e为所述线路的额定电压，I _max为所述线路的持续容许电流，为所述线路的功率因数，K为温度修正系数；

获取所述线路的历史功率P _ES；

若存在所述线路的历史功率P _ES<0，且，则为所述线路配置储能，所述储能的容量S _ESS满足：

；

；

；

；

其中，S _ESS，1、S _ESS，2和S _ESS，3分别为满足各约束的储能容量，σ为储能容量系数，P _ESS(ΔV)为满足电压约束情况下的储能容量配置。

进一步的，还包括对所述线路的光伏消纳能力进行评价，具体为：

构建光伏消纳能力评价指标：

；

其中，S _PV，可为所述线路的可开发光伏容量，S ^’ _PV为满足所述线路的电压约束和功率约束下的光伏容量，P _ESS为所述线路的储能容量；

S _PV，可=S _PV，总-S _PV；

根据所述光伏消纳能力评价指标，对所述线路的光伏消纳能力进行评价，根据评价结果对所述线路的储能容量P _ESS进行调整。

本发明具有如下有益效果：

本发明考虑馈线上负荷分布一定的情况下，分布式电源接入馈线点引起的电压变化率，与接入容量成正比，与接入点距馈线首端的距离成反比。其中接入点的电压提升幅度最大。从而对线路进行电压有效约束。

本发明考虑线路参数即逆变器对线路的影响，使得线路消纳光伏的能力更强，且预测更精确。

附图说明

图1为本发明实施例的参数辨识模型示意图。

图2为本发明实施例的光伏介入点电压示意图。

图3为本发明实施例一的工业典型负荷曲线。

图4为本发明实施例一的工业园屋顶光伏案例模型。

图5为本发明实施例一中优化前潮流仿真结果。

图6为本发明实施例一中优化前电压波动仿真结果。

图7为本发明实施例一中优化后潮流仿真结果。

图8为本发明实施例一中优化后电压波动仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，包括以下步骤：

获取线路的标准参数，所述标准参数由线路结构及设备确定；

构建所述线路的参数辨识模型，通过所述参数辨识模型获取线路的实际参数；

构建所述线路的约束条件，在满足所述约束条件的情况下消纳光伏发电；所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，所述电压约束考虑所述实际参数。

参考图1，在本发明的一种实施方式中，所述参数辨识模型为：

；

；

其中，v为所述线路的参数，R、X和B分别为线路的电阻、电抗和电纳，I ₁和I ₂分别为所述线路的首端和末端的电流幅值，P ₁和P ₂分别为所述线路首端和末端的有功功率，Q ₁和Q ₂分别为所述线路首端和末端的无功功率，为所述线路由首端流向末端的电流，j表示虚部，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电压相量，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电流相量，/>表示共轭复数。

图1为本发明实施例的参数辨识模型。

在该参数辨识模型中：

为所述线路的参数。

所述线路由首端流向末端的电流公式如下：

；

其中，U ₁和U ₂分别为所述线路首端和末端的电压幅值，θ ₁和θ ₂分别为线路首端和末端的电压U ₁和U ₂的相角；

将线路两端的并联导纳表示为B₁和B₂（该模型中，线路两端的并联导纳B₁和B₂相同，即都为B，此处用不同符号区分线路两端），那么首端电流相量方程及电流幅值方程为：

;

首端有功功率方程和无功功率方程：

；

；

其中，Re( )表示取实部，Im( )表示取虚部。

由末端流向首端的电流相量方程和电流幅值方程为：

；

；

末端有功功率和无功功率方程：

；

。

在本发明的一种实施方式中，构建所述线路的参数辨识模型，还包括：

采集若干组所述线路的量测量实际值Y，所述量测量实际值Y包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

通过所述标准参数v和所述参数辨识模型得到一组量测量估计值F(v)，所述量测量估计值包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

计算各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε：

；

根据所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε优化所述参数辨识模型。

在本发明的一种实施方式中，根据所述量测量实际值和所述量测量估计值的差优化所述参数辨识模型，具体为：

建立目标函数：

；

其中，为各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值的差的平均值，/>为第k组第i个量测量实际值与量测量估计值的差，N为所述量测量实际值的组数；

该目标函数计算实际量测量与其估计值之差和偏差值的平均值之差的平方和，然后对所有平方和累加并得到其平均值，最后以该平均值的标准差最小为目标，以此来确保实际量测量与其估计值之差的波动性最小。

各组结果如下所示：

；

；

。

以所述目标函数最小为目标求解所述参数辨识模型，得到所述线路的实际参数。

配电网中分布式电源发电的引入减少了馈线上潮流的流动，从而使馈线电压损耗减小，相应的负荷节点电压有所升高。电压升高的幅度与分布式电源的接入位置及注入的有功、无功大小有关，为了保证电能质量，必须对分布式电源发电进行合理配置，使馈线电压维持在合理范围之内，使分布式电源发电的接入发挥积极作用。参考图2，在本发明的一种实施方式中，所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，具体为：

通过所述实际参数得到所述线路的单位长度电阻r和单位长度电抗x；

计算所述线路的单位长度电压变化量ΔV _单：

；

其中，P _DG为光伏注入的有功功率，Q _DG为光伏注入的无功功率，V ₀为所述线路的首端电压；

当光伏在所述线路上接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L为所述线路的长度；

当光伏在所述线路的末端之后接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L ₁为光伏接入所述线路位置与所述线路首端的距离；

所述线路的首端电压变化量ΔV小于所述线路接入母线的电压的7%。

馈线电压变化量与分布式电源接入位置、接入容量以及运行方式有关。当分布式电源注入有功和无功一定时，馈线各点电压变化量只与接入位置有关，且/>越小，/>的最大值越小，馈线电压影响越小。需要指出，当/>时，由于线路阻抗的存在，电压会有所降落，因此接入处/>的电压水平可能相对升高最多，如果此处的电压未越上限，则基本能保证其他各处电压不越上限的要求。

在本发明的一种实施方式中，所述母线包括若干所述线路，所述母线的电压U ₀计算如下：

；

其中，U _0，j为第j条接入线路的首端电压；

所述母线的电压U ₀满足：

；

其中，U _额为所述母线的额定电压。

在本发明的一种实施方式中，所述约束条件还包括电力平衡约束，具体为：

；

其中，P _PV为光伏功率，P _ES为所述线路的功率，P _load为所述线路的负荷；

分布式光伏容量通常指逆变器交流侧的额定容量，当前分布式光伏容量与逆变器交流侧额定容量按照1:1的比例配置，考虑到逆变器的转化效率、10kV线路上不同地方分布式光伏出力同时率和由于使用年限导致的分布式光伏自身的损耗，在部份实施例中光伏容量与逆变器交流侧额定容量按照1:1.3的比例配置.

所述光伏功率满足：

；

其中，S _PV为光伏开发容量，为光伏逆变器的转化效率，η为光伏损耗，λ(μ)为光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数；

；

其中，S ₁为逆变器交流侧额定容量。

随着分布式光伏的开发，午间负荷高峰时段分布式光伏出力值增加，但是在午间高峰负荷时段维持最大出力值的持续时间不长。因此通常通过增加分布式光伏容量与逆变器交流侧额定容量的比值，以满足午间高峰负荷时段分布式光伏的持续出力。在本发明的一种实施方式中，还包括：

以1分钟为间隔，获取午间11点~15点各时间点的出力P _n，n∈(1,240)；

另所述光伏开发容量不小于午间11点~15点的最小出力min{P _n}：

S _PV≥min{P _n}；

光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数如下：

。

分布式光伏无法全部消纳存在场景：场景一是并网点电压无法满足需求，超过电压限额；场景二是分布式光伏功率无法全部送出。基于上述场景，可以考虑配置储能，在电压偏高时作为负荷以降低电压，分布式光伏功率无法送出时吸收剩余功率并在高峰负荷时段释放功率。在本发明的一种实施方式中，所述约束条件还包括线路功率约束，所述线路功率约束公式为：

；

其中，W _max为所述线路的极限传输容量，U _e为所述线路的额定电压，I _max为所述线路的持续容许电流，为所述线路的功率因数，K为温度修正系数；

获取所述线路的历史功率P _ES；

若存在所述线路的历史功率P _ES<0，且，则为所述线路配置储能，所述储能的容量S _ESS满足：

；

；

；

；

其中，S _ESS，1、S _ESS，2和S _ESS，3分别为满足各约束的储能容量，σ为储能容量系数，P _ESS(ΔV)为满足电压约束情况下的储能容量配置。

在一种具体实施例中，储能作为负荷状态运行时：

；

其中，I为流过所述线路的电流。

在本发明的一种实施方式中，还包括对所述线路的光伏消纳能力进行评价，具体为：

构建光伏消纳能力评价指标：

；

其中，S _PV，可为所述线路的可开发光伏容量，S ^’ _PV为满足所述线路的电压约束和功率约束下的光伏容量，P _ESS为所述线路的储能容量；

S _PV，可=S _PV，总-S _PV；

根据所述光伏消纳能力评价指标，对所述线路的光伏消纳能力进行评价，根据评价结果对所述线路的储能容量P _ESS进行调整。

所述线路的可开发光伏容量S _PV，可：

；

其中，式中，S _建筑为建筑占地面积，α为建筑密度，β为分布式光伏可开发面积比例，δ为屋顶分布式光伏开发程度。

以下为本发明的部分仿真结果。

实施例一

参考图3-4。

负荷类型为工业负荷。某园区2企业的负荷分别为2.1MW，1.6MW。

光伏容量：企业1屋顶面积3.9万m²，光伏装机容量3.9MW；企业2屋顶面积3.3万m²，光伏装机容量3.3MW。

配网线路：10kV线路采用截面240mm²电缆导线，长5km。

参考图5-6，优化前，潮流仿真结果显示光伏装机容量远大于负荷需求，剩余光伏存在上网情况。电压波动仿真结果显示并网点电压最大值10.7994kV，最小值10.1740kV，最大电压越限。

综合考虑，该场景下光伏倒送时间较长，并且导致电压越限时间接近3小时，建议增加线路有载调压器进行调压，或者优化光伏接入方式，将企业2的屋顶光伏接到该线路的联络线路中。

参考图7-8，优化方案的仿真计算中，潮流仿真结果显示优化方案下，该线路只接入企业1的屋顶光伏和负荷，仿真后存在短时光伏倒送上网的情况，相比调整方案前的光伏倒送功率大幅降低。电压波动仿真结果显示并网点电压最大值10.0459kV，最小值9.3592kV，满足±7%的要求，符合并网条件。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取线路的标准参数，所述标准参数由线路结构及设备确定；

构建所述线路的参数辨识模型，通过所述参数辨识模型获取线路的实际参数；

构建所述线路的约束条件，在满足所述约束条件的情况下消纳光伏发电；所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，所述电压约束考虑所述实际参数；

所述参数辨识模型为：

；

；

其中，v为所述线路的参数，R、X和B分别为线路的电阻、电抗和电纳，I ₁和I ₂分别为所述线路的首端和末端的电流幅值，P ₁和P ₂分别为所述线路首端和末端的有功功率，Q ₁和Q ₂分别为所述线路首端和末端的无功功率，为所述线路由首端流向末端的电流，j表示虚部，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电压相量，/>和/>分别为所述线路首端和末端的电流相量，/>表示共轭复数；

构建所述线路的参数辨识模型，还包括：

采集若干组所述线路的量测量实际值Y，所述量测量实际值Y包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

通过所述标准参数v和所述参数辨识模型得到一组量测量估计值F(v)，所述量测量估计值包括首端和末端的电流幅值I ₁、I ₂、首端和末端的有功功率P ₁、P ₂、首端和末端的无功功率Q ₁、Q ₂、首端和末端的电压相量、/>；

计算各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε：

；

根据所述量测量实际值Y和所述量测量估计值F(v)的差ε优化所述参数辨识模型；

根据所述量测量实际值和所述量测量估计值的差优化所述参数辨识模型，具体为：

建立目标函数：

；

其中，为各所述量测量实际值Y和所述量测量估计值的差的平均值，/>为第k组第i个量测量实际值与量测量估计值的差，N为所述量测量实际值的组数；

以所述目标函数最小为目标求解所述参数辨识模型，得到所述线路的实际参数；

所述约束条件包括光伏接入后的电压约束，具体为：

通过所述实际参数得到所述线路的单位长度电阻r和单位长度电抗x；

计算所述线路的单位长度电压变化量ΔV _单：

；

其中，P _DG为光伏注入的有功功率，Q _DG为光伏注入的无功功率，V ₀为所述线路的首端电压；

当光伏在所述线路上接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L为所述线路的长度；

当光伏在所述线路的末端之后接入时，所述线路的首端电压变化量ΔV为：

；

其中，L ₁为光伏接入所述线路位置与所述线路首端的距离；

所述线路的首端电压变化量ΔV小于所述线路接入母线的电压的7%。

2.根据权利要求1所述考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，所述母线的电压U ₀计算如下：

；

其中，U _0，j为第j条接入线路的首端电压；

所述母线的电压U ₀满足：

；

其中，U _额为所述母线的额定电压。

3.根据权利要求1或2所述考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，所述约束条件还包括电力平衡约束，具体为：

；

其中，P _PV为光伏功率，P _ES为所述线路的功率，P _load为所述线路的负荷；

所述光伏功率满足：

；

其中，S _PV为光伏开发容量，为光伏逆变器的转化效率，η为光伏损耗，λ(μ)为光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数；

；

其中，S ₁为逆变器交流侧额定容量。

4.根据权利要求3所述考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，还包括：

以1分钟为间隔，获取午间11点~15点各时间点的出力P _n，n∈(1,240)；

另所述光伏开发容量不小于午间11点~15点的最小出力min{P _n}：

S _PV≥min{P _n}；

光伏开发容量与逆变器交流侧额定容量比值的函数如下：

。

5.根据权利要求4所述考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，所述约束条件还包括线路功率约束，所述线路功率约束公式为：

；

其中，W _max为所述线路的极限传输容量，U _e为所述线路的额定电压，I _max为所述线路的持续容许电流，为所述线路的功率因数，K为温度修正系数；

获取所述线路的历史功率P _ES；

若存在所述线路的历史功率P _ES<0，且，则为所述线路配置储能，所述储能的容量S _ESS满足：

；

；

；

；

其中，S _ESS，1、S _ESS，2和S _ESS，3分别为满足各约束的储能容量，σ为储能容量系数，P _ESS(ΔV)为满足电压约束情况下的储能容量配置。

6.根据权利要求5所述考虑电压约束和线路参数的分布式光伏消纳方法，其特征在于，还包括对所述线路的光伏消纳能力进行评价，具体为：

构建光伏消纳能力评价指标：

；

其中，S _PV，可为所述线路的可开发光伏容量，S ^’ _PV为满足所述线路的电压约束和功率约束下的光伏容量，P _ESS为所述线路的储能容量；

S _PV，可=S _PV，总-S _PV；

根据所述光伏消纳能力评价指标，对所述线路的光伏消纳能力进行评价，根据评价结果对所述线路的储能容量P _ESS进行调整。