申定輝,于曉蕾,趙海洋

(1.國(guó)網(wǎng)六安供電公司,安徽 六安 237000;2.國(guó)網(wǎng)安徽眾興電力設(shè)計(jì)院有限公司,合肥 230000)

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含風(fēng)光發(fā)電的配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)研究

申定輝1,于曉蕾2,趙海洋1

(1.國(guó)網(wǎng)六安供電公司,安徽 六安 237000;2.國(guó)網(wǎng)安徽眾興電力設(shè)計(jì)院有限公司,合肥 230000)

為準(zhǔn)確估計(jì)出風(fēng)、光發(fā)電的出力和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),保證配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行,分析了風(fēng)、光發(fā)電的特性及提出風(fēng)、光發(fā)電狀態(tài)估計(jì)模型。采用基于支路電流平方和支路功率的狀態(tài)估計(jì)改進(jìn)方法對(duì)含風(fēng)、光發(fā)電的配電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)研究。通過(guò)PG&E-69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例,驗(yàn)證了風(fēng)、光發(fā)電估計(jì)模型的有效性,并從接入位置和滲透率角度分析了風(fēng)、光發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響。

配電網(wǎng);風(fēng)、光發(fā)電;狀態(tài)估計(jì);支路電流;支路功率

含分布式電源的配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì),對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行十分重要。配電網(wǎng)不同于輸電網(wǎng),量測(cè)冗余度不足,在饋線根部有電壓幅值量測(cè)和功率量測(cè),在饋線開(kāi)關(guān)上一般只采集電流幅值量測(cè)。合適的狀態(tài)估計(jì)算法,對(duì)估計(jì)的結(jié)果有著重要的影響。目前狀態(tài)估計(jì)的算法主要可以分為傳統(tǒng)數(shù)值算法和智能算法。

傳統(tǒng)數(shù)值算法可以分為三類:基于節(jié)點(diǎn)電壓法[1]、基于支路電流法[2-3]和基于支路功率法[4]。節(jié)點(diǎn)電壓法需要形成龐大的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣,在處理支路電流幅值量測(cè)上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)解的情況;支路電流法在處理支路電流幅值量測(cè)上具有優(yōu)越性,但該類算法在迭代過(guò)程中需要反復(fù)計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓幅值和相角,并且不能很好地處理環(huán)網(wǎng);支路功率法實(shí)際上是以潮流匹配的結(jié)果來(lái)代替狀態(tài)估計(jì),不能很好地處理支路電流幅值量測(cè)和節(jié)點(diǎn)注入型量測(cè)。

智能算法主要分為四類:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、PSO(粒子群優(yōu)化)法[6]、ACO(蟻群優(yōu)化)法[7]和HBMO(蜜蜂交配優(yōu)化)法[8]。智能算法的目的是尋找最優(yōu)的潮流和負(fù)荷的匹配,以替代傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法,節(jié)省計(jì)算時(shí)間,提高估計(jì)速度,但是配網(wǎng)的量測(cè)信息精度并不能滿足算法的需求。

除了算法的研究,風(fēng)、光發(fā)電也是研究的重點(diǎn)。風(fēng)、光發(fā)電一般可分為kW級(jí)小型和MW級(jí)大型風(fēng)、光發(fā)電。小型風(fēng)、光發(fā)電一般不設(shè)置量測(cè)裝置,缺乏量測(cè)信息;大型風(fēng)、光發(fā)電有量測(cè)裝置。

鑒于上述情況,本文提出無(wú)量測(cè)和有量測(cè)的風(fēng)、光發(fā)電狀態(tài)估計(jì)模型,采用基于支路電流幅值平方和支路功率的改進(jìn)算法,對(duì)含風(fēng)、光發(fā)電的配電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)研究。

1 狀態(tài)估計(jì)模型

輻射狀配電網(wǎng)模型如圖1所示。

Pi、Q—節(jié)點(diǎn)注入有功和無(wú)功功率;Pij、Qij—支路首端有功和無(wú)功功率;Iij、αij—支路首端電流幅值和相角;Vi、δi—節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值和相角

圖1 輻射狀配電網(wǎng)模型

Fig.1 Radial distribution network

支路電流幅值量測(cè)方程為

(1)

支路首端功率量測(cè)方程為

(2)

(3)

支路末端功率量測(cè)方程為

(4)

(5)

節(jié)點(diǎn)注入功率量測(cè)方程為

(6)

(7)

式中:i,l∈j表示于節(jié)點(diǎn)j相連的節(jié)點(diǎn);Xcj為節(jié)點(diǎn)j的電容器和充電電容的電抗值。

節(jié)點(diǎn)j電壓平方的量測(cè)方程為

(8)

節(jié)點(diǎn)j的電壓約束方程為

(9)

式中,k表示與節(jié)點(diǎn)j相連的節(jié)點(diǎn),對(duì)于所有與節(jié)點(diǎn)j相連的下游支路都含有電壓約束方程。

含有等式約束的狀態(tài)估計(jì)模型可以表示為

s.t.c(x)=0

式中:z為量測(cè)值;h(x)為量測(cè)函數(shù);W為量測(cè)權(quán)重矩陣;c(x)=0為零等式約束。

對(duì)模型采用拉格朗日乘子方法進(jìn)行求解,模型為

L=J(x)-λTc(x)

模型的一次最優(yōu)解為:

(10)

其中

Δx=xk+1-xk

Δzk=z-h(x)

2 風(fēng)、光發(fā)電狀態(tài)估計(jì)模型

2.1 無(wú)量測(cè)風(fēng)、光發(fā)電模型

單個(gè)無(wú)量測(cè)光伏電池估計(jì)模型如圖2所示。

圖2 單個(gè)無(wú)量測(cè)光伏電池估計(jì)模型

一般情況下,光伏發(fā)電是由光伏電池的Ns×Ng串并聯(lián)陣列組成,其中Ns、Np分別表示串聯(lián)和并聯(lián)個(gè)數(shù)。光伏陣列的I-V特性可以表示為

Ig=Np×Im

Vg=Ns×Vm

其中,Im和Vm是通過(guò)光伏電池自身參數(shù)和光伏電池所處的環(huán)境(如輻照度、溫度)獲得,具體公式參照文獻(xiàn)[9]。

光伏發(fā)電的出力Pg-DC可以表示為

Pg-DC=VgIg

交流出力Pg-AC可以表示為

Pg-AC=ηVgIg

式中:η為逆變器的轉(zhuǎn)換效率,一般為0.9～0.96。

通過(guò)以上的分析可知,在無(wú)量測(cè)信息的光伏模型中,交流測(cè)有功Pg-AC可以作為偽量測(cè),并且一般的光伏發(fā)電交流測(cè)的功率因數(shù)cosφ=0.95～1,本文取cosφ=0.99,則無(wú)功偽量測(cè)Qg-AC=Pg-ACtanφ。量測(cè)方程為

針對(duì)無(wú)量測(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí),可利用量測(cè)數(shù)據(jù),估計(jì)風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)中輸送的有功功率Pg,Qg。T型等效模型如圖3所示[10]。

圖3 異步風(fēng)機(jī)T型等效RX模型

2.2 有量測(cè)風(fēng)、光發(fā)電模型

MW級(jí)光伏電站一般都配置了功率量測(cè)、電流幅值量測(cè)和電壓幅值量測(cè)。光伏發(fā)電的外特性直接與狀態(tài)估計(jì)相關(guān)。有量測(cè)光伏發(fā)電估計(jì)模型如圖4所示,其中,虛線以外的部分為有量測(cè)光伏發(fā)電的狀態(tài)估計(jì)模型。

Vac、δac和Pac—逆變器側(cè)電壓幅值、相角和有功功率;Vg、δg—光伏接入點(diǎn)電網(wǎng)電壓幅值和相角;XT—并網(wǎng)隔離變壓器等效損耗阻抗。

圖4 有量測(cè)光伏發(fā)電估計(jì)模型

Fig.4 Photo-voltaic power generation estimation model with measured

通過(guò)模型可以看出,對(duì)于光伏接入的交流部分,光伏發(fā)電注入功率Pac、注入電流幅值平方Aac和節(jié)點(diǎn)電壓幅值平方Bc可以作為實(shí)時(shí)量測(cè)量,即量測(cè)方程為

有量測(cè)風(fēng)力發(fā)電估計(jì)模型如圖5所示。盡管有量測(cè)的風(fēng)力發(fā)電估計(jì)模型與光伏發(fā)電基本一致,但所取的量測(cè)量有所不同。選取風(fēng)力發(fā)電的有功PWT和無(wú)功QWT為量測(cè)量,則量測(cè)方程為

圖5 有量測(cè)風(fēng)力發(fā)電估計(jì)模型

3 含有量測(cè)光伏發(fā)電的算法初始化改進(jìn)

光伏發(fā)電本身只向電網(wǎng)提供有功功率,光伏發(fā)電進(jìn)行逆變時(shí),需要向逆變器提供無(wú)功補(bǔ)償。光伏發(fā)電與電網(wǎng)發(fā)生的無(wú)功功率交換為

光伏發(fā)電注入電流為

4 算例分析

選取PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例,對(duì)含風(fēng)、光發(fā)電的配電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)仿真分析,該系統(tǒng)框圖如圖6所示。系統(tǒng)基準(zhǔn)線電壓UB=12.66 kV,基準(zhǔn)功率SB=1 MVA,網(wǎng)絡(luò)有功總負(fù)荷為3849.9 kW。

根據(jù)量測(cè)誤差分別對(duì)實(shí)時(shí)量測(cè)添加N(0,0.0012)的正態(tài)隨機(jī)誤差,偽量測(cè)添加N(0,0.012)的正態(tài)分布隨機(jī)誤差。

無(wú)量測(cè)風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)在Simulink平臺(tái)上搭建風(fēng)、光系統(tǒng)模型,設(shè)定環(huán)境參數(shù),仿真獲得系統(tǒng)有功出力參數(shù),作為偽量測(cè)數(shù)據(jù)輸入到狀態(tài)估計(jì)程序中,對(duì)風(fēng)、光發(fā)電出力進(jìn)行估計(jì)。有量測(cè)風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)設(shè)定有功出力P和Q,注入電流I,研究風(fēng)、光發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響。

圖6 PG&E 69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

為充分研究風(fēng)、光系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后,接入位置和滲透率對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響,本文擬定了以下三種方案。

方案一:在除去根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上,分別接入800 kW的風(fēng)、光發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電的功率因數(shù)為0.90,分析研究接入位置與估計(jì)誤差的關(guān)系,定義支路功率估計(jì)誤差rload為

式中:Pflow、Qflow為支路潮流解值;Pse、Qse為支路潮流估計(jì)值;nbranch為不加風(fēng)、光發(fā)電網(wǎng)絡(luò)支路數(shù)。估計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同接入點(diǎn)估計(jì)誤差

從圖7可知,同一接入容量下,不同接入點(diǎn)的狀態(tài)估計(jì)誤差具有如下分布特點(diǎn):隨著風(fēng)、光發(fā)電遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)接入,誤差總體趨勢(shì)減小;重負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)、光估計(jì)誤差較周圍輕負(fù)荷節(jié)點(diǎn)小。誤差最小接入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)50,光伏發(fā)電最小誤差為rload=0.52%,風(fēng)力發(fā)電最小誤差為rload=0.7062%。

方案二:通過(guò)方案一,可知節(jié)點(diǎn)50處接入風(fēng)、光估計(jì)誤差最小。在節(jié)點(diǎn)50處,接入不同容量的風(fēng)、光發(fā)電,研究滲透率與估計(jì)誤差的關(guān)系,定義滲透率κ為

式中:PPV為風(fēng)、光發(fā)電有功出力,PL為系統(tǒng)有功總負(fù)荷,本文取滲透率κ=0.1～0.9。

不同滲透率κ下估計(jì)誤差如圖8所示。

圖8 不同滲透率κ下估計(jì)誤差

從圖8可以看出,估計(jì)誤差隨著滲透的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)滲透率κ=0.9時(shí),誤差大大增加,估計(jì)結(jié)果可信度降低。

方案三:通過(guò)方案一和方案二所得結(jié)果,在節(jié)點(diǎn)50處接入無(wú)量測(cè)光伏發(fā)電,最大有功輸出120 kW。一天24 h的光伏出力估計(jì)結(jié)果如圖9所示。

圖9 無(wú)量測(cè)光伏發(fā)電估計(jì)結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 風(fēng)、光發(fā)電接入配電網(wǎng)中,遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)接入對(duì)狀態(tài)估計(jì)的影響較小;在同一距離上,具有重負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)對(duì)風(fēng)、光發(fā)電的接納力強(qiáng),對(duì)狀態(tài)估計(jì)的影響較輕。建議在配電網(wǎng)中的末端且負(fù)荷較重的位置接入風(fēng)光發(fā)電。

2) 風(fēng)、光發(fā)電的滲透率需要保持在一個(gè)合理的水平(κmax=0.5～0.6)。風(fēng)、光發(fā)電的接入容量過(guò)大,潮流反轉(zhuǎn)嚴(yán)重,影響狀態(tài)估計(jì)的質(zhì)量,對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成影響。

3) 無(wú)量測(cè)風(fēng)、光發(fā)電,因其對(duì)電網(wǎng)的滲透率小,天氣信息可以作為風(fēng)、光出力的有效參考。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Research on distribution system state estimation with wind and photovoltaic power generation

SHEN Dinghui1,YU Xiaolei2,ZHAO Haiyang1

(1.State Grid Liu’an Electric Power Supply Company,Lu an 237000, China;2.State Grid Anhui Zhongxing Electric Power Design Institute Co,.LTD,Hefei 230000, China)

In order to accurately estimate the output of wind and photovoltaic power generation and the state of distribution system so as to ensure the stable and reliable operation, this paper analyzed the characteristics of wind and photovoltaic power generation, and proposed its state estimation model.Based on the improved method based on the square of branch current and the state estimation of branch power, the paper studied the state of the distribution system with wind andphotovoltaic power generation.Through the example of PG&E-69 node system, it is verified that the estimation model is effective.Besides, from the access location and penetration point, the impact of wind and photovoltaic power generation on distribution state estimation is analyzed.

distribution system;wind and photovoltaic power;state estimation;branch current;branch power

2015-12-23;

2016-06-08。

申定輝(1989—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闋顟B(tài)估計(jì)、新能源并網(wǎng)、柔性交直流輸配電技術(shù)。

TM61

A

2095-6843(2016)05-0466-05