第38卷第5期 2016年10月 黑龙江电力 Vo1.38 No.5 0ct.2016 Heilongjiang Electirc Power 含风光发电的配电网状态估计研究 申定辉 ,于晓蕾 ,赵海洋 (1.国网六安供电公司,安徽六安237000;2.国网安徽众兴电力设计院有限公司,合肥230000) 摘要:为准确估计出风、光发电的出力和系统的运行状态,保证配电系统稳定、可靠运行,分析了风、光发电的特性及提出 风、光发电状态估计模型。采用基于支路电流平方和支路功率的状态估计改进方法对含风、光发电的配电网进行状态估计研 究。通过PG&E一69节点系统算例,验证了风、光发电估计模型的有效性,并从接入位置和渗透率角度分析了风、光发电对配 电网状态估计的影响。 关键词:配电网;风、光发电;状态估计;支路电流;支路功率 中图分类号:TM61 文献标志码:A 文章编号:2095—6843(2016)05—0466—05 Research on distribution system state estimation with wind and photovoltaic power generation SHEN Dinghui ,YU Xiaolei ,ZHAO Haiyang (1.State Grid Liu’an Electric Power Supply Company,Lu all 237000,China;2.State Grid Anhui Zhongxing Electirc Power Design Institute Co,.LTD,Hefei 230000,China) Abstract:In order to accurately estimate the output of wind and photovohaic power generation and the state of dis- tribution system SO as to ensure the stable and reliable operation,this paper analyzed the characteristics of wind and photovohaic power generation,and proposed its state estimation mode1.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 andphotovohaic power generation.Through the example of PG&E一69 node system,it is veriifed 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. Key words:distirbution system;wind and photovoltaie power;state estimation;branch current;branch power 含分布式电源的配电网状态估计,对配电网稳 定、可靠运行十分重要。配电网不同于输电网,量 测冗余度不足,在馈线根部有电压幅值量测和功率 量测,在馈线开关上一般只采集电流幅值量测。合 适的状态估计算法,对估计的结果有着重要的影 响。目前状态估计的算法主要可以分为传统数值 算法和智能算法。 压幅值和相角,并且不能很好地处理环网;支路功 率法实际上是以潮流匹配的结果来代替状态估计, 不能很好地处理支路电流幅值量测和节点注入型 量测。 智能算法主要分为四类:BP神经网络法 J、 pso(粒子群优化)法 6 J、ACO(蚁群优化)法 和 HBMO(蜜蜂交配优化)法 J。智能算法的目的是 寻找最优的潮流和负荷的匹配,以替代传统的数值 传统数值算法可以分为三类:基于节点电压 法¨j、基于支路电流法 和基于支路功率法H J。 节点电压法需要形成庞大的节点导纳矩阵,在处理 支路电流幅值量测上会出现多个解的情况;支路电 流法在处理支路电流幅值量测上具有优越性,但该 计算方法,节省计算时间,提高估计速度,但是配网 的量测信息精度并不能满足算法的需求。 除了算法的研究,风、光发电也是研究的重点。 风、光发电一般可分为kW级小型和MW级大型风、 光发电。小型风、光发电一般不设置量测装置,缺 类算法在迭代过程中需要反复计算整个网络的电 收稿日期:2015—12—23;修回日期:2016—06—08。 乏量测信息;大型风、光发电有量测装置。 作者简介:申定辉(1989一),男,硕士,工程师,主要研究方向为状态 估计、新能源并网、柔性交直流输配电技术。 鉴于上述情况,本文提出无量测和有量测的 风、光发电状态估计模型,采用基于支路电流幅值 第5期 申定辉,等:含风光发电的配电网状态估计研究 平方和支路功率的改进算法,对含风、光发电的配 电网进行状态估计研究。 1状态估计模型 辐射状配电网模型如图1所示。 P 、Q一节点注入有功和无功功率; 、Q 一支路首端有功和无 功功率; 、 一支路首端电流幅值和相角; 、占 一节点i的电压幅 值和相角 图1辐射状配电网模型 Fig.1 Radial distribution network 定义支路电流幅值平方后=A 节点电压幅值 平方 = f,支路电阻和电抗分别为 。选取 A P Q 状态变量,以单相配电网为例,取(.) 为量测量。 支路电流幅值量测方程为 A :Ai (1) 支路首端功率量测方程为 =P (2) :qi (3) 支路末端功率量测方程为 =P -A R (4) Q =Q —A X (5) 节点注入功率量测方程为 =∑P 一∑AijR 一∑P』2 (6) = 一 一 (7) 式中:i,f∈ 表示于节点_『相连的节点; 为节点 的电容器和充电电容的电抗值。 节点 电压平方的量测方程为 : (8) 节点-『的电压约束方程为 。= A 一 A (9)、 式中,k表示与节点 相连的节点,对于所有与节点j= 相连的下游支路都含有电压约束方程。 含有等式约束的状态估计模型可以表示为 』告 =日 w[ 一 c +c A=。 。 I OL 0 其中,C: : ,H为雅可比矩阵,则方程(10)的 【日TcWH [ ] 2风、光发电状态估计模型 2.1无量测风、光发电模型 单个无量测光伏电池估计模型如图2所示。 ‘— ) ZD1 Z D2 1 图2单个无量测光伏电池估计模型 Fig.2 Estimated model of single no measurement photo—voltaic cell 一般情况下,光伏发电是由光伏电池的Ⅳs× 串并联阵列组成,其中』、r。、Ⅳ。分别表示串联和并联 个数。光伏阵列的,一 特性可以表示为 Is=N。×, = × 其中,,m和 是通过光伏电池自身参数和光伏电 池所处的环境(如辐照度、温度)获得,具体公式参 照文献[9]。 光伏发电的出力Ps-DC可以表示为 P -oc= ,g 交流出力Ps-AC可以表示为 ・468・ P Ac=叼 一黑龙江电力 第38卷 测方程为 =式中: 为逆变器的转换效率,一般为0.9~0.96。 ∑P培一∑AisR a.m=一Agc 通过以上的分析可知,在无量测信息的光伏模 型中,交流测有功P 一Ac可以作为伪量测,并且一般 的光伏发电交流测的功率因数cosq ̄=0.95~1,本 文取costp=o.99,则无功伪量测Q 一 c=P tan 。量 测方程为 有量测风力发电估计模型如图5所示。尽管有 量测的风力发电估计模型与光伏发电基本一致,但 P7 =∑P培一∑AigR培 ∈g lEg Q 们=∑Q培一∑A培 嘻 针对无量测的风机进行状态估计时,可利用量 测数据,估计风电机组向电网中输送的有功功率 P ,Q 。T型等效模型如图3所示¨ 。 I l fT ^ l 足 图3异步风机T型等效RX模型 Fig.3 T type equivalent RX model of asynchronous wind turbine 2.2有量测风、光发电模型 MW级光伏电站一般都配置了功率量测、电流 幅值量测和电压幅值量测。光伏发电的外特性直 接与状态估计相关。有量测光伏发电估计模型如 图4所示,其中,虚线以外的部分为有量测光伏发 电的状态估计模型。 _.一一一一一一一一] 一一一一 ● & V /_8g l ,『‘ I L……………一J 6 和P 。一逆变器侧电压幅值、相角和有功功率; 、6 一光 伏接入点电网电压幅值和相角;XT一并网隔离变压器等效损耗 阻抗。 图4有量测光伏发电估计模型 Fig.4 Photo—voltaic power generation estimation model with measured 通过模型可以看出,对于光伏接入的交流部 分,光伏发电注入功率P 注入电流幅值平方A 。和 节点电压幅值平方日 可以作为实时量测量,即量 所取的量测量有所不同。选取风力发电的有功Pw 和无功Qw 为量测量,则量测方程为 P =∑P培一∑AisR IEg I∈g Q =∑Q培一∑Aii∈g zEg gX培 广一一一一一一一一一一一一一一一一l Wr I ; 。 I 齿轮箱 %《 图5有量测风力发电估计模型 iFg.5 Power wind generation estimation model with measured wind turbine 3含有量测光伏发电的算法初始化改进 算法初始化时,需要通过计算负荷或DGs的注 入电流值对网络状态量初始化。注人电流,ini为 一 i 一 式中:P、Q为母线有功、无功负荷或DG注入有功、 无功功率;V 为母线电压共轭。 光伏发电本身只向电网提供有功功率,光伏发 电进行逆变时,需要向逆变器提供无功补偿。光伏 发电与电网发生的无功功率交换为 Q 。=,/A 。 一P: 光伏发电注入电流为 P 一jQ 一 4算例分析 选取PG&E69节点系统为算例,对含风、光发 电的配电网进行状态估计仿真分析,该系统框图如 图6所示。系统基准线电压U =12.66 kV,基准功 率S =1 MVA,网络有功总负荷为3849.9 kW。 第5期 申定辉,等:含风光发电的配电网状态估计研究 ・469・ 根据量测误差分别对实时量测添加Ⅳ(0, 0.001 )的正态随机误差,伪量测添加Ⅳ(0,0.01 ) 的正态分布随机误差。 无量测风、光发电系统在Simulink平台上搭建 风、光系统模型,设定环境参数,仿真获得系统有功 出力参数,作为伪量测数据输入到状态估计程序 中,对风、光发电出力进行估计。有量测风、光发电 系统设定有功出力P和Q,注入电流,,研究风、光 发电对配电网状态估计的影响。 图6 PG&E 69节点系统框图 Fig.6 PG&E 69一nodes system 为充分研究风、光系统接人配电网后,接入位 置和渗透率对配电网状态估计的影响,本文拟定了 以下三种方案。 方案一:在除去根节点的节点上,分别接入 800 kW的风、光发电,风力发电的功率因数为 0.90,分析研究接入位置与估计误差的关系,定义 支路功率估计误差rload为 ?'load一—∑I —Pnow—P I+∑I一一2 Qn 一Q l b nch 式中:Pn。w、Qn。w为支路潮流解值;P 、Q 为支路潮流 估计值; … 为不加风、光发电网络支路数。估计 结果如图7所示。 不同接入点的误差分布 图7不同接入点估计误差 Fig.7 Estimated error of different access location 从图7可知,同一接人容量下,不同接人点的 状态估计误差具有如下分布特点:随着风、光发电 远离根节点接入,误差总体趋势减小;重负荷的节 点接人风、光估计误差较周围轻负荷节点小。误差 最小接入点为节点50,光伏发电最小误差为r 。 = 0.52%,风力发电最小误差为rl。 d=0.7062%。 方案二:通过方案一,可知节点50处接人风、 光估计误差最小。在节点50处,接入不同容量的 风、光发电,研究渗透率与估计误差的关系,定义渗 透率K为 PPv 式中:PPv为风、光发电有功出力,PL为系统有功总 负荷,本文取渗透率K=0.1—0.9。 不同渗透率K下估计误差如图8所示。 渗透率K 图8不同渗透率At下估计误差 Fig.8 Estimated error under different permeability 从图8可以看出,估计误差随着渗透的增大呈 现出先减小后增大的趋势。当渗透率K=0.9时, 误差大大增加,估计结果可信度降低。 方案三:通过方案一和方案二所得结果,在节点 50处接人无量测光伏发电,最大有功输出l20 kW。 一天24 h的光伏出力估计结果如图9所示。 寒 图9无量测光伏发电估计结果 Fig.9 Estimated results of no measurement photo—-voltaic power generation ・470・ 黑龙江电力 第38卷 (上接第459页) msonant eon ̄ol for dynamic voltage restorer[J].Electric Power Automation Equipment,2010,30(7):65—68. 行分析,分别从动态响应指标、稳态补偿精度等方 面评价了二者的优缺点,并通过仿真进行了验证。 [5]林新春,段善旭,康勇,等.UPS无互联线并联中基于解耦控制 的下垂特性控制方案[J].中国电机工程学报,2003,23(12): 117—122. 传统的PR控制器本身具有一定的带宽,可以 在谐波干扰较小的情况下达到理想的补偿效果;改 进后的PR控制器的谐波补偿范围可以人工设定, 理论上可以补偿任意次谐波,但较差的动态响应指 标有待进一步提高。 LIN Xinchun,DUAN Shanxu,KANG Yong,et a1.The droop char- acteristie controi scheme based on decoupiing control in the parai— iei operation of UPS with no contoir interconnection f J]Proceed— ings ofthe CSEE,2003,23(12):117—122. 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