孫博偉(中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司,北京 100120)
?
配電網(wǎng)中分布式能源的選址與定容方法
孫博偉
(中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司,北京 100120)
摘要:由于能源和環(huán)境的雙重壓力,分布式電源的應(yīng)用將越來越廣泛。在合適的地點安裝適當(dāng)容量的分布式電源能夠降低網(wǎng)損,提高電能質(zhì)量。本文提出了一種分布式電源的選址和定容的方法,改變傳統(tǒng)方法的繁瑣、使用范圍窄的缺點。最后通過MATLAB編寫程序?qū)υ撍惴ㄟM(jìn)行了檢驗,發(fā)現(xiàn)該算法程序流程簡單,收斂快。
關(guān)鍵詞:分布式電源;選址;定容;配電網(wǎng)。
分布式電源接入配電網(wǎng),實現(xiàn)就地消納,可以提高新能源的利用率、提高電能質(zhì)量和降低系統(tǒng)網(wǎng)損。然而接入點位置和電源的容量的差異對配電網(wǎng)的影響不同,如果位置和容量不合適,可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中某處的電壓越限、總系統(tǒng)的網(wǎng)損增加。因此在電源規(guī)劃階段分析分布式電源接入點的位置和容量十分有必要。
分布式電源接入點和接入容量的選擇問題是一個非線性、多變量、多約束的問題。目前國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究主要集中在兩個方面,一是數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化,二是模型求解和算法優(yōu)化。
已有的諸多研究取決與分布式電源的種類,即是否只向電網(wǎng)提供有功功率。而且很多算法利用準(zhǔn)確的損耗公式,計算時需要準(zhǔn)確阻抗矩陣和雅可比矩陣,計算效率低。因此針對不同大小、復(fù)雜性,有待于找出一種適用于所有情況的方法。本文提出了一種確定分布式電源的最佳容量和位置的分析,該方法計算效率高,適用范圍廣。
2.1配網(wǎng)中支路潮流分析
配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的不同之處在于,配電網(wǎng)一般都是輻射狀,而輸電網(wǎng)主要為環(huán)網(wǎng)。先以一個典型的輻射狀配電網(wǎng)分析網(wǎng)絡(luò)中的潮流大小。流過支路上的潮流只與支路后面的負(fù)載有關(guān)。同樣,分布式電源接入配電網(wǎng)后,也并非所有線路的潮流大小都發(fā)生改變。
一種典型的輻射狀配電網(wǎng)見圖1,含有一個分布式電源的輻射狀配電網(wǎng)見圖2。
圖1 一種典型的輻射狀配電網(wǎng)
圖2 含有一個分布式電源的輻射狀配電網(wǎng)
從圖1中可以得出流入到節(jié)點K的功率:
即電源到節(jié)點K之前的節(jié)點上的負(fù)荷不影響 ,那么SK的表達(dá)式可寫成:
其中:
當(dāng)節(jié)點K接入分布式電源后,可以等效節(jié)點K的負(fù)荷變?yōu)?。當(dāng)多個分布式電源接入后,流入節(jié)點 的潮流為:
其中,當(dāng)某個節(jié)點沒有接入分布式電源時,只需令SDG.K=0即可。
2.2有功無功功率損耗
電流流過電阻就會產(chǎn)生有功損耗。原來系統(tǒng)的有功功率損耗為:
式中: Si=Pi+Qi流入節(jié)點i有功和無功; Ui為節(jié)點i的電壓; Ri為節(jié)點 到節(jié)點(i - 1)的電阻。
加入分布式電源后,系統(tǒng)的有功功率損耗變?yōu)椋?/p>
通過比較(4)、(5)公式,可以得出分布式電源接入后系統(tǒng),系統(tǒng)有功損耗減少。為了便于比較,可以定義:
同理可以得出原來系統(tǒng)的無功損耗為:
式中: Li不為節(jié)點 到節(jié)點(i-1) 的電抗。
接入分布式電源后,系統(tǒng)的無功損耗變?yōu)椋?/p>
通過比較(7)、(8)式,可以得出分布式電源接入后系統(tǒng),系統(tǒng)無功損耗減少。為了便于比較,可以定義:
那么,系統(tǒng)的有功無功總的減少量,可以建立表達(dá)式
式中:λ1、λ2為設(shè)定的權(quán)重系數(shù),并滿足λ1+λ2=1 。根據(jù)不同的實際情況,可以設(shè)定不同的 λ1、λ2取值,得出理想的結(jié)果。例如λ1=1,λ2=1相當(dāng)于只考慮有功網(wǎng)損。
通過對上面模型的分析,需要解決的問題是為了獲得最大的f,求出分布式電源(DG)的最佳位置與容量。由于分布式電源的功率因數(shù)是一個電源本身的屬性,為了便于分析與計算,可以取其功率因數(shù)為t=cosφ。那么分布式電源的表達(dá)式為:
那么,目標(biāo)函數(shù)為:
通過上面的分析可知f是一個關(guān)于PDG.i的凸函數(shù),即含有m個分布式電源時, f的海森矩陣正定。
即f一定存在最優(yōu)解,通過對f求偏導(dǎo),偏導(dǎo)等于0處必為f的極值,即
當(dāng)m個分布式電源的位置確定時,可以通過公式(14)求出每個分布式電源的有功功率,然后通過式(11)可以得出分布式電源的容量。
一旦分布式電源的位置確定,它的最佳容量可以利用上面方法進(jìn)行求解。關(guān)于分布式電源位置的選擇,采用以下計算步驟。
(1)當(dāng)m=1。我們根據(jù)式(13)可以求出每個節(jié)點分布式電源的最佳容量,取f的最大值點作為第一個分布式電源的位置,該點的最佳容量就為分布式電源容量。
(2)當(dāng)已經(jīng)確定k個分布式電源的容量和位置,求第k+1個分布式電源的位置時。首先將含分布式電源k個節(jié)點負(fù)荷等效為Sli=Sli- SDG.i。接著按照第一步求解m=1時的位置,而這個位置就是第k+1個分布式電源的位置。
(3)求出k+1個分布式電源的容量后,令m=k+1利用公式(13)可以計算出每個位置的最佳容量。
為了驗證本文提供算法的正確性,采用MATLAB語言編寫分布式電源選址和定容程序,配網(wǎng)參數(shù)采用IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng),見圖3,分布式電源的數(shù)量為3。其中分布式電源的功率因數(shù)等于總負(fù)荷的功率因數(shù)0.85。權(quán)重系數(shù)λ1=1,λ2=1。
圖3 IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)
通過計算,分布式電源的位置分別是節(jié)點5、節(jié)點24、節(jié)點30。各個節(jié)點的容量見表1。
表1 最佳補償節(jié)點與位置
加入分布式電源后,系統(tǒng)的有功網(wǎng)損從360.55 kW,下降到43.01 kW。每次加入分布式電源后,網(wǎng)絡(luò)中個節(jié)點的電壓都會發(fā)生變化,具體變化見圖4。
圖4 加入分布式電源前后的系統(tǒng)各節(jié)點電壓
通過觀察圖4發(fā)現(xiàn),第一個分布式電源加入后系統(tǒng)電壓改善最為明顯,而實際第一個分布式電源加入后,系統(tǒng)網(wǎng)損改變的也最多。分布式電源加入越多,系統(tǒng)電壓增加越多,當(dāng)大量分布式電源接入時,可能會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓越限,因此計算時還必須要考慮電壓約束。若發(fā)生電壓越限時,必須降低分布式電源的無功出力。無論何種優(yōu)化,都是在保證電力系統(tǒng)在安全的前提下進(jìn)行的。
本文提出了一種配電網(wǎng)中分布式電源選址和定容的分析方法,并通過MATLAB編寫程序驗證了該算法的正確性。通過研究發(fā)現(xiàn)該算法收斂快,計算程序簡單,特別適合實際工程上應(yīng)用。
算例中只是簡單增加了3個節(jié)點,當(dāng)多個節(jié)點加入時,模型就會變得復(fù)雜,那么更多的需要考慮電壓在安全范圍內(nèi)。本文提供的算法只能得到一個較優(yōu)解,而不能得到最優(yōu)解,需要更深入的挖掘模型,才能得到更為精確的解。
參考文獻(xiàn):
[1]楊琦,張建華.風(fēng)光混合供電系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].江蘇電機工程,2005,24(2).
[2]W.EI-Khattam,Y.G.Hegazy,M.M.A.Salama.An integrated distributed generation optimization model for distribution system planning[J].IEEE Transactions on Power Systems,2005,20(2).
[3]胡驟,吳汕頭,夏翔.考慮電壓調(diào)整約束的多個分布式電源準(zhǔn)入功率計算[J].中國電機工程學(xué)報,26(19).
[4]徐訊,等.考慮環(huán)境成本和時序特性的微網(wǎng)多類型分布式電源選址定容規(guī)劃[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(4).
[5]鄭漳華,等.考慮環(huán)境因素的分布式發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化配置[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(13).
[6]顧承紅,艾芊.配電網(wǎng)中分布式電源最優(yōu)布置[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(11).
[7]麻秀范,崔換君.改進(jìn)遺傳算法在含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報,2011,26(3).
[8]鄭睿,吳紅斌.基于遺傳算法的配電網(wǎng)中分布式電源選型與選址[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,35(3).
[9]楊寶杰,海曉濤.基于量子粒子群算法的配電網(wǎng)分布式電源選址和定容[J].陜西電力,2010,24(12).
[10]劉波,張焰,楊娜.改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法在分布式電源選址和定容中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008,23(2).
[11]汪興旺,邱曉燕.基于改進(jìn)粒子群算法的配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(14).
[12]Falaghi H,Haghifam M.ACO based algorithm for Distributed Generation Sources Allocation and Sizing in Distrib Ution Systems[C]//Power Tech 2007 IEEE Lausanne,2007.
[13]王成山,等.配電網(wǎng)擴展規(guī)劃中分布式電源的選址和定容[J].電力系統(tǒng)及其自動化,2006,30(3).
[14]馬溪原,等.采用改進(jìn)細(xì)菌覓食算法的風(fēng)/光 /儲混合微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置[J].中國電機工程學(xué)報,2011,31(25).
Aanalytical Method of Optimal Siting and Capacity for Distributed Generation in Distribution Network
SUN Bo-wei
(China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100120, China)
Abstract:Due to the double pressure of energy and the environment, the application of distributed power supply will be more and more widely. In a suitable location to install the appropriate capacity of distributed power supply can be able to decrease network loss, and improve power quality. This paper proposes a distributed power capacity and location volume method, the site selection of change of the traditional methods, using a narrow range of faults. Finally has carried on the inspection to the algorithm by MATLAB program, found that the algorithm program process simple, convergence is fast.
Keywords:distributed generation; optimal location; optimal capacity; distribution network.
中圖分類號:TM72
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號:1671-9913(2016)01-0061-04
* 收稿日期:2015-06-09
作者簡介:孫博偉(1983- ),男,河北深澤人,工程師,主要從事企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究。