分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用的製作方法
2023-06-15 05:27:16
本發明涉及電網用電安全、用電設計等領域，尤其涉及一種應用於分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用。
背景技術：
由於環境逐漸惡化，能源資源的日益短缺，以風電、光伏電源、小水電等可再生能源的充分利用已經成為全球關注的焦點。太陽能作為一種清潔可再生的能源，有著其他新能源無法比擬的優勢。光伏發電系統一般分為集中式光伏發電系統和分布式光伏發電系統。分布式光伏發電是指建在用戶側，通過光伏組件將太陽能轉化為電能的發電方式，其有別於我國比較典型的集中式光伏發電，分布式光伏發電一般容量較小，在數千瓦以內，因此宜就地併網發電，就近消納，不僅可以有效解決集中式光伏發電長距離輸電和併網的問題，而且能夠提高供電安全可靠性以及解決偏遠地區用電的問題。
而現有技術下的高密度、多接入點的分布式光伏電源接入配電網後將對配電產生一系列影響。需要合理地配置分布式光伏電源可支撐起配電網的電壓，然而不加約束地接入分布式光伏電源又會引起配電網節點過電壓、潮流分布不合理，進而對電網的安全經濟運行帶來不利影響。
而產生上述問題的原因在於，配電網有環形、輻射型的接線方式，任何一種接線方式中，分布式光伏的接入必然會引起饋線中傳輸功率的大小和方向發生變化，進而影響各節點的穩態電壓分布。而配電網電壓的分布同時受到了多個分布式光伏和系統中負荷的影響，一般情況下，配電網在穩態運行狀態時，沿饋線潮流方向電壓逐漸降低，配電網中的功率流動方向是在電壓等級中從高到低，逐漸分配到電力用戶。電壓分布情況由潮流分布決定，如果電源注入功率或負荷消耗功率發生變化，則各節點的穩態電壓將相應變化。按有關規定，分布式光伏不應主動參與配電網電壓調節。多個點接入分布式光伏後，最好實現多個點就近消耗光伏發電，防止潮流逆流進入電網。
技術實現要素：
本發明為了解決上述問題，提出了分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，該模型的應用對分布式光伏(分布式光伏)多點接入電網後，對電網的穩態電壓分布的影響進行探究，符合城市配電網中分布式光伏高密度接入的特徵，研究了多點接入的分布式光伏容量、運行方式、線路的負荷、供電線路的阻抗、變壓器分接頭的選擇對饋線上電壓分布的影響。
本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，採用如下技術方案：
1.分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，包括以下步驟：
1)首先，採用恆電流靜態模型來表示饋線上各節點的負荷，將所有的線路阻抗均折合到系統電壓等級，然後進行相應的計算分析；
2)然後，分別按負荷沿饋線均勻分布、遞增分布與遞減分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離-即與配網供電站的距離之間的函數關係；
3)步驟2完成後，選取基準值，將電網參數轉化為標么值，然後進行相應的計算分析；
4)最後，基於實際電力應用場景，分析多點接入的分布式光伏容量、運行方式、線路的負荷、供電線路的阻抗、變壓器分接頭的選擇對饋線上電壓分布的影響。
根據本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，其特徵在於，所述的步驟1)其具體為：
單位長度線路的阻抗為z＝r+jx，饋線上各節點的負荷為近似連續，從l點位置流向線路下遊的總電流i(l)等於從該點到線路末端的負荷電流id(l)之和，設ipv(l)為從l點位置到線路末端接入的分布式光伏的總注入電流，ipv(l)與i(l)都是非增函數。其中l為標么化後的線路長度，取值位於區間[0,1]，線路上任一處的電壓為u(l)，λ為分布式光伏的功率因數，相對於送端的母線電壓u0，供電線路上l處電壓u(l)為：
而在實際電網中，考慮到負荷是離散的，故將上述方程中的電流用功率與線路阻抗之間的關係近似代替、積分用累加式代替，則上述方程可以簡化為以下形式：
其中，饋線節點總數為n；
u0是平衡點，即變電站側節點的電壓；
um是線路節點m處的電壓；
zi＝ri+jxi為饋線各負荷出口之間的饋線阻抗；
pi、qi為節點i處的負荷；
ppvi、qpvi為接入電網的第i個分布式光伏的有功、無功出力。
根據本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，所述步驟2)共分為3個部分，如下：
步驟2-1)：按負荷沿饋線均勻分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離，即與配網供電站的距離之間的函數關係，如下：
均勻分布：
線路每段沿線負荷pi＝p/n，每個分布式光伏電源ppvi＝ppv/n；
其中，p為線路總負荷；
ppv為饋線上光伏的總接入容量；
當分布式光伏多點接入後，電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點的電氣距離的函數關係式為：
上述公式中，令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即可將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點的電氣距離m的函數關係式為：
均勻分布：
步驟2-2)：按負荷沿饋線遞增分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離(與配網供電站的距離)之間的函數關係為：
遞增分布：
其中，pend為線路末端負荷；
而分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站(平衡節點)電氣距離的函數關係式為：
令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站(平衡節點)電氣距離m的函數關係式為：
遞增分布：
步驟2-3)：按負荷沿饋線遞減分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離，即與配網供電站的距離之間的函數關係：
遞減分布：
線路沿線負荷
其中，p1為線路首端節點負荷，在總負荷p確定的情況下，由可得負荷遞減分布下，p1＝2p/(n+1)，pi＝2(n-i+1)p/n(n+1)；
當分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點電氣距離的函數關係式為：
令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點電氣距離m的函數關係式為：
遞減分布：
根據本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，其特徵在於，所述步驟3)中的基準值及計算分析如下：
電壓基準值取10kv，基準容量取1mva，則阻抗基準值為100ω，選取變壓器分接頭為+2*2.5％，即u0取1.05。線路長度取10km，線路阻抗按照典型10kv配網架空線jklyj-240參數選取，電阻0.132ω/km，電抗0.357ω/km，總負荷為p、q，線路負荷p＝5，換成有名值為5mw，負荷功率因數為0.85，接入的分布式光伏電源功率因數λ＝0.98，按分布式光伏接入饋線中段考慮，即k＝0.5。
根據本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，其特徵在於：所述步驟4)共分為5個部分，其具體如下：
步驟4-1)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和分布式光伏接入容量的關係式與曲線；
步驟4-2)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和分布式光伏運行方式的關係式與曲線；
步驟4-3)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和線路負荷的關係式與曲線；
步驟4-4)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和輸電線路單位長度阻抗的關係式與曲線；
步驟4-5)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到饋線負荷均勻分布下的電網穩態電壓分布與電氣距離m和送端母線處的電壓u0的關係式與曲線。
本發明提出分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，具有如下有益效果：
1.本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，對分布式光伏多點接入電網後，對電網的穩態電壓分布的影響進行探究，符合城市配電網中分布式光伏高密度接入的特徵；
2.本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用研究了多點接入的分布式光伏容量、運行方式、線路的負荷、供電線路的阻抗、變壓器分接頭的選擇對饋線上電壓分布的影響，具有較強實用價值；
3.本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用設計思路清晰，使用方式較為簡便，在工程實際中，具有廣泛的適用性，提高了用電安全。
附圖說明
圖1為分布式光伏多點接入的的多節點鏈式恆電流離散負荷網絡示意圖；
圖2為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入容量的關係(負荷均勻分布)示意圖；
圖3為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入容量的關係(負荷遞增分布)示意圖；
圖4為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入容量的關係(負荷遞減分布)示意圖；
圖5為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入的運行方式的關係(負荷均勻分布)示意圖；
圖6為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入的運行方式的關係(負荷遞增分布)示意圖；
圖7為電網穩態電壓分布與分布式光伏多點接入的運行方式的關係(負荷遞減分布)示意圖；
圖8為電網穩態電壓分布與線路負荷的關係(多點接入，負荷均勻分布)示意圖；
圖9為電網穩態電壓分布與線路負荷的關係(多點接入，負荷遞增分布)示意圖；
圖10為電網穩態電壓分布與線路負荷的關係(多點接入，負荷遞減分布)示意圖；
圖11為電網穩態電壓分布與輸電線路阻抗的關係(多點接入，三種分布)示意圖；
圖12為電網穩態電壓分布與變壓器分接頭的關係(分布式光伏多點接入，負荷均勻分布)示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的做進一步的描述。
實施例
本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，採用如下技術方案：
1.分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，包括以下步驟：
1)首先，採用恆電流靜態模型來表示饋線上各節點的負荷，將所有的線路阻抗均折合到系統電壓等級，然後進行相應的計算分析；
2)然後，分別按負荷沿饋線均勻分布、遞增分布與遞減分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離-即與配網供電站的距離之間的函數關係；
3)步驟2完成後，選取基準值，將電網參數轉化為標么值，然後進行相應的計算分析；
4)最後，基於實際電力應用場景，分析多點接入的分布式光伏容量、運行方式、線路的負荷、供電線路的阻抗、變壓器分接頭的選擇對饋線上電壓分布的影響。
分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，步驟1)其具體為：
單位長度線路的阻抗為z＝r+jx，饋線上各節點的負荷為近似連續，從l點位置流向線路下遊的總電流i(l)等於從該點到線路末端的負荷電流id(l)之和，設ipv(l)為從l點位置到線路末端接入的分布式光伏的總注入電流，ipv(l)與i(l)都是非增函數。其中l為標么化後的線路長度，取值位於區間[0,1]，線路上任一處的電壓為u(l)，λ為分布式光伏的功率因數，相對於送端的母線電壓u0，供電線路上l處電壓u(l)為：
如圖1所示，而在實際電網中，考慮到負荷是離散的，故將上述方程中的電流用功率與線路阻抗之間的關係近似代替、積分用累加式代替，則上述方程可以簡化為以下形式：
其中，饋線節點總數為n；
u0是平衡點，即變電站側節點的電壓；
um是線路節點m處的電壓；
zi＝ri+jxi為饋線各負荷出口之間的饋線阻抗；
pi、qi為節點i處的負荷；
ppvi、qpvi為接入電網的第i個分布式光伏的有功、無功出力。
分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，步驟2)共分為3個部分，如下：
步驟2-1)：按負荷沿饋線均勻分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離，即與配網供電站的距離之間的函數關係，如下：
均勻分布：
線路每段沿線負荷pi＝p/n，每個分布式光伏電源ppvi＝ppv/n；
其中，p為線路總負荷；
ppv為饋線上光伏的總接入容量；
當分布式光伏多點接入後，電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點的電氣距離的函數關係式為：
上述公式中，令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即可將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點的電氣距離m的函數關係式為：
均勻分布：
步驟2-2)：按負荷沿饋線遞增分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離(與配網供電站的距離)之間的函數關係為：
遞增分布：
其中，pend為線路末端負荷；
而分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站(平衡節點)電氣距離的函數關係式為：
令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站(平衡節點)電氣距離m的函數關係式為：
遞增分布：
步驟2-3)：按負荷沿饋線遞減分布推導分布式光伏電源多點接入後電網的穩態電壓分布與電氣距離，即與配網供電站的距離之間的函數關係：
遞減分布：
線路沿線負荷
其中，p1為線路首端節點負荷，在總負荷p確定的情況下，由可得負荷遞減分布下，p1＝2p/(n+1)，pi＝2(n-i+1)p/n(n+1)；
當分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點電氣距離的函數關係式為：
令m＝m/n為饋線上任一點的位置，並將n取極限，即將負荷看作連續分布，分布式光伏多點接入後電網穩態電壓分布與饋線上任一位置到配網供電變電站，即平衡節點電氣距離m的函數關係式為：
遞減分布：
分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，步驟3)中的基準值及計算分析如下：
電壓基準值取10kv，基準容量取1mva，則阻抗基準值為100ω，選取變壓器分接頭為+2*2.5％，即u0取1.05。線路長度取10km，線路阻抗按照典型10kv配網架空線jklyj-240參數選取，電阻0.132ω/km，電抗0.357ω/km，總負荷為p、q，線路負荷p＝5，換成有名值為5mw，負荷功率因數為0.85，接入的分布式光伏電源功率因數λ＝0.98，按分布式光伏接入饋線中段考慮，即k＝0.5。
分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用，步驟4)共分為5個部分，其具體如下：
步驟4-1)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和分布式光伏接入容量的關係式與曲線；
本實施例中，該步驟4-1)的關係式與曲線如圖2～圖4所示：
均勻分布：
遞增分布：
遞減分布：
由上述可見，在三種不同的負荷分布中，負荷遞增分布的電壓降落最明顯，單位電氣距離內的電壓降落比較大，容易越過線路允許運行的電壓下限，負荷遞減分布對於減小電壓降落有明顯的效果，但如果接入的分布式光伏容量太大，容易越過線路允許運行的電壓上限。為將供電線路的電壓控制在合理範圍內，應該根據負荷的分布情況對選擇合適的分布式光伏接入總容量，如果負荷遞增分布，選擇較小的分布式光伏接入總容量，防止饋線電壓越過線路允許運行的電壓上限；若負荷遞減分布，選擇較大的分布式光伏接入總容量，提升饋線電壓，防止饋線電壓越過線路允許運行的電壓下限。
與分布式光伏單點接入相比，分布式光伏多點接入後，有效的改善了分布式光伏單點接入後的電壓越限問題，電壓的支撐作用比分布式光伏單點接入時更明顯，電壓降落比較小。
步驟4-2)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和分布式光伏運行方式的關係式與曲線；
本實施例中，該步驟4-2)的關係式與曲線如圖5～圖7所示：
均勻分布：
遞增分布：
遞減分布：
由上述可見，分布式光伏應儘可能維持高功率因數運行，減少或避免無功出力(而由無功補償裝置提供無功時，即使分布式光伏退出運行，配電網也不會因無功缺額增大而加劇電壓波動)。各個國家和地區對分布式電源功率因數均有要求，如美國部分地區要求功率因數在[-0.9,+0.9]之間，國網電科院《光伏電站接入電網技術規定》，大型和中型光伏電站的功率因數應能夠在0.98(超前)～0.98(滯後)範圍內連續可調，有特殊要求時，可以與電網企業協商確定。因此一般10kv光伏電站配置的無功設施應具備能夠使得功率因素為0.98的容量，而接入380v的光伏電站應儘量避免收發無功，功率因數應為1。
與分布式光伏單點接入相比，分布式光伏多點接入後，有效的改善了分布式光伏單點接入後的電壓越限問題，電壓的支撐作用比分布式光伏單點接入時更明顯，電壓降落比較小。
步驟4-3)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和線路負荷的關係式與曲線；
本實施例中，該步驟4-3)的關係式與曲線如圖8～圖10所示：
均勻分布：
遞增分布：
遞減分布：
由上述可見，與分布式光伏單點接入相比，分布式光伏多點接入後，有效的改善了分布式光伏單點接入後的電壓越限問題，電壓的支撐作用比分布式光伏單點接入時更明顯，電壓降落比較小。
步驟4-4)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到三種不同負荷分布方式下的電網穩態電壓與電氣距離m和輸電線路單位長度阻抗的關係式與曲線；
本實施例中，該步驟4-4)的關係式與曲線如圖11所示：
均勻分布：
遞增分布：
遞減分布：
有上述可見，與分布式光伏單點接入相比，分布式光伏多點接入後，有效的改善了分布式光伏單點接入後的電壓越限問題，電壓的支撐作用比分布式光伏單點接入時更明顯，電壓降落比較小。無論是分布式光伏單點接入電網還是分布式光伏多點接入電網，本小節中，電纜線路與架空線路相比，電纜線路在饋線上的電壓降落比較小，且在三種不同的負荷分布中，電壓可以控制在合理範圍內，不會越限。
步驟4-5)：參照步驟3)選取實際的參數後，得到饋線負荷均勻分布下的電網穩態電壓分布與電氣距離m和送端母線處的電壓u0的關係式與曲線。
本實施例中，該步驟4-5)的關係式與曲線如圖12所示：
圖12中可見，五條曲線分別代表10kv配網變壓器的5檔分接頭：+2×2.5％、+1×2.5％、+0×2.5％、-1×2.5％、-2×2.5％，可以看到分接頭選擇不同，對於整條饋線的電壓起到了不同的影響。變壓器分接頭位置對穩態電壓分布的影響，不會改變函數規律，而是在原有函數關係上進行平移。
與分布式光伏單點接入相比，分布式光伏多點接入後，有效的改善了分布式光伏單點接入後的電壓越限問題，電壓的支撐作用比分布式光伏單點接入時更明顯。
本發明的分布式光伏多點接入配網的穩態電壓分布模型的應用對分布式光伏多點接入電網後，對電網的穩態電壓分布的影響進行探究，符合城市配電網中分布式光伏高密度接入的特徵，且本發明研究了多點接入的分布式光伏容量、運行方式、線路的負荷、供電線路的阻抗、變壓器分接頭的選擇對饋線上電壓分布的影響，具有較強實用價值，另外本發明設計思路清晰，使用方式較為簡便，在工程實際中，具有廣泛的適用性，提高了用電安全。