配电网中分布式电源最大注入功率确定方法

摘要

本发明公开了一种配电网中分布式电源最大注入功率确定方法，其步骤为确定逆流的功率约束限值S

说明书

技术领域

本发明属于电力系统分布式电源与配电网领域，尤其涉及一种配电网中分 布式电源最大注入功率确定方法。

背景技术

分布式电源一般是指发电功率在数千瓦至50兆瓦的小型化、模块化、分散 式、布置在用户附近为用户供电的连接到配电系统的小型发电系统。随着电力 政策的放开，分布式电源作为一种新兴的发电模式显现出来，这种小容量的发 电机组在配电网用户附近提供电力，可以成为集中式发电的有益补充。它可以 减少电力传输时功率的损耗以及由配网升级带来的费用。而对于用户来说，较 低的费用、较高的可靠性、较好的电能质量、较高的能源利用率和一定独立性 的能源供应是他们引入分布式电源的兴趣所在。同时，运用可再生能源技术的 分布式发电，如风力发电、太阳能光伏发电、水力发电，还提供了相当好的环 境效应。集中式发电仍将主导电力供应是公认的，然而，世界范围内能源的紧 张、环境保护问题的突出、电力市场改革的深入，迫切需要分布式电源这种新 的有价值的发电模式出现和发展。

分布式电源接入配电网将会对电压波动，短路电流，潮流流向等方面带来 不利影响。为了使配电网在接入分布式电源后仍然能够安全稳定的运行，需要 考虑分布式电源的最大注入功率问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种方法简单易行、科学合理的配电网中 分布式电源最大注入功率确定方法。

为了解决上述技术问题，本发明包括如下步骤：

1）确定分布式电源所接入配电线路或者母线的最大负荷，进而确定出逆流 的功率约束限值S_inv；

2）获取分布式电源所接入配电线路或者母线的电压和等值阻抗参数，用以 进行电压波动约束条件的计算，进而确定出电压波动限值ΔU_lim；

3）确定分布式电源接入电压等级下的短路电流限值，以及分布式电源接入 前的短路电流水平，从而得出分布式电源允许引起的最大短路电流增量ΔI_lim；

4）向配电线路或者母线中输入一个分布式电源的注入功率S₀；

5）验证注入功率S₀是否满足逆流约束条件，逆流约束的条件为：

S_inv=k×L_max

S₀<S_inv

其中，S_inv为逆流的功率约束限值，L_max为最大负荷，k可以依情况取值，S₀为分布式电源的注入功率，

若满足逆流约束条件，则进行下一步验证，若不满足逆流约束条件，则输 出注入功率S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件的分布式 电源的最大注入功率；

6）验证注入功率S₀是否满足电压波动约束条件，电压波动约束的条件为：

$\mathrm{\Delta U}=(R_s+{\mathrm{jX}}_s)·({\mathrm{\Delta I}}_p+\mathrm{j\Delta }{I}_q)$

$=\left|Z_s\right|(\cos \phi +j\sin \phi )·\left|\mathrm{\Delta I}\right|(\cos \theta +j\sin \theta )$

$=\frac{u^2}{S_k}\frac{{\mathrm{\Delta S}}_n}{U}·[(\cos \phi \cos \theta -\sin \phi \sin \theta )+j(\sin \phi \cos \theta +\cos \phi \sin \theta )]$

ΔU<ΔU_lim

其中，ΔU为发电量波动时接入点的电压变化值，S_k为并网接入点短路容量， ΔS_n为分布式电源注入的功率变化，θ为分布式电源功率因数角，(R_s+jX_s)为电 网等效阻抗，U为接入点电压，φ为从接入点看入的电网阻抗角，ΔU_lim为电压波 动限值，

若满足电压波动约束条件，则进行下一步验证，若不满足电压波动约束条 件，则输出注入功率S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件 的分布式电源的最大注入功率；

7）验证注入功率S₀是否满足短路电流约束条件，短路电流约束的条件为：

ΔI_lim=I_thr-I₀

ΔI<ΔI_lim

其中，I₀为配电网中未接入分布式电源时短路电流水平，I_thr在同一电压等 级下的短路电流极限值，ΔI_lim为分布式电源允许引起的最大短路电流增量，

若满足短路电流约束条件，则增大注入功率，即在原注入功率的基础上增 加注入功率变化量ΔS并重新返回到上述第5）步骤，再次逐步验证直到出现任 何一个约束条件不再满足，输出前一轮的注入功率，则此时输出的注入功率即 为分布式电源的最大注入功率；若不满足短路电流约束条件，则输出注入功率 S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件的分布式电源的最大 注入功率。

初始化时，向配电线路或者母线中输入一个分布式电源的初始注入功率S′， 所述初始注入功率S′满足所述逆流约束条件、电压波动约束条件及短路电流约 束条件，且初始化时，S₀=S′。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、方法简单易行，科学合理；

2、能够在满足技术要求的前提下，确定出分布式电源的最大注入功率；

3、指导和促进分布式电源并网，获得可观的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明配电网中分布式电源最大注入功率确定方法的计算流程图；

图2为含分布式电源的系统在其接入点上的戴维南等效电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

参见图1和图2，本发明的配电网中分布式电源最大注入功率确定方法包括 如下步骤：

1）确定分布式电源所接入配电线路或者母线的最大负荷，进而确定出逆流 的功率约束限值S_inv；

2）获取分布式电源所接入配电线路或者母线的电压和等值阻抗参数，用以 进行电压波动约束条件的计算，进而确定出电压波动限值ΔU_lim；

3）确定分布式电源接入电压等级下的短路电流限值，以及分布式电源接入 前的短路电流水平，从而得出分布式电源允许引起的最大短路电流增量ΔI_lim；

4）向配电线路或者母线中输入一个分布式电源的注入功率S₀；

5）验证注入功率S₀是否满足逆流约束条件，逆流约束的条件为：

S_inv=k×L_max

S₀<S_inv

其中，S_inv为逆流的功率约束限值，L_max为最大负荷，k可以依情况取值，S₀为分布式电源的注入功率，

若满足逆流约束条件，则进行下一步验证，若不满足逆流约束条件，则输 出注入功率S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件的分布式 电源的最大注入功率；

6）验证注入功率S₀是否满足电压波动约束条件，电压波动约束的条件为：

$\mathrm{\Delta U}=(R_s+{\mathrm{jX}}_s)·({\mathrm{\Delta I}}_p+\mathrm{j\Delta }{I}_q)$

$=\left|Z_s\right|(\cos \phi +j\sin \phi )·\left|\mathrm{\Delta I}\right|(\cos \theta +j\sin \theta )$

$=\frac{u^2}{S_k}\frac{{\mathrm{\Delta S}}_n}{U}·[(\cos \phi \cos \theta -\sin \phi \sin \theta )+j(\sin \phi \cos \theta +\cos \phi \sin \theta )]$

ΔU<ΔU_lim

其中，ΔU为发电量波动时接入点的电压变化值，S_k为并网接入点短路容量， ΔS_n为分布式电源注入的功率变化，θ为分布式电源功率因数角，(R_s+jX_s)为电 网等效阻抗，U为接入点电压，φ为从接入点看入的电网阻抗角，ΔU_lim为电压波 动限值，

若满足电压波动约束条件，则进行下一步验证，若不满足电压波动约束条 件，则输出注入功率S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件 的分布式电源的最大注入功率；

7）验证注入功率S₀是否满足短路电流约束条件，短路电流约束的条件为：

ΔI_lim=I_thr-I₀

ΔI<ΔI_lim

其中，I₀为配电网中未接入分布式电源时短路电流水平，I_thr在同一电压等 级下的短路电流极限值，ΔI_lim为分布式电源允许引起的最大短路电流增量，

若满足短路电流约束条件，则增大注入功率，即在原注入功率的基础上增 加注入功率变化量ΔS并重新返回到上述第5）步骤，再次逐步验证直到出现任 何一个约束条件不再满足，输出前一轮的注入功率，则此时输出的注入功率即 为分布式电源的最大注入功率；若不满足短路电流约束条件，则输出注入功率 S₀-ΔS，其中，ΔS为注入功率变化量且S₀-ΔS为满足条件的分布式电源的最大 注入功率。

初始化时，向配电线路或者母线中输入一个分布式电源的初始注入功率S′， 所述初始注入功率S′满足所述逆流约束条件、电压波动约束条件及短路电流约 束条件，且初始化时，S₀=S′。

下面对三个约束条件作进一步说明：

1.逆流约束

在配电网中，分布式电源发出功率不允许穿越其接入设备注入上一电压等 级。为防止逆流对上一级电网产生较大的影响，导致上一级电网需要在继电保 护设置等方面做出大范围的调整，分布式电源所产生的电力电量应该尽量在本 级配电区域内平衡，因此分布式电源的最大出力应该小于该电压等级下变压器 供电范围内的最大负荷。

对于10kV就地接入模式，考虑负荷峰谷差这一因素，为了使分布式电源所 产生的电力能在本供电区域内全部平衡掉，需要满足在分布式电源出力为额定 功率且负荷为其谷值时依然能够满足不出现逆流的限制，就必须使得接入分布 式电源的最大出力小于负荷的谷值。据统计，典型地区“负荷谷值/负荷峰值” 这一比值约为0.4-0.6。因此，分布式电源总容量必须不超过中压馈线最大负荷 的40%-60%，即可保证分布式电源所产生电力在本级配电区域内平衡。若考虑负 荷发展的不确定性，则应考虑分布式电源总容量不超过中压馈线最大负荷的 30%。

对于专线接入模式，国家电网在《分布式电源接入电网技术规定》中指出： 分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%。因 此，在分析专线接入问题时，分布式电源容量最大不超过变压器所带负荷的25%。

综合以上情况逆流约束的现值可以取为：

S_inv=k×L_max          (1)

其中，S_inv表示逆流的功率约束限值，L_max表示最大负荷，k可以依情况取值。

逆流约束要求：

S₀<S_inv            (2)

其中，S_inv表示逆流的功率约束限值，S₀表示分布式电源的注入功率。

2.电压波动约束

分布式电源接入电网后，公共连接点的电压偏差应满足GB/T12325-2008 《电能质量供电电压偏差》的规定，即：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝 对值之和不超过标称电压的10%。20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的 ±7%。

分布式电源引起的电压波动并网接入点的影响是最大的，因此，以此点来 评估电压变化，图2为并网接入点的戴维南等效电路。

当分布式电源注入系统的功率发生改变时，线路上的电流变化值ΔI。当发 电量波动时，接入点的电压变化值为ΔU。由图2估算如下：

$\mathrm{\Delta U}=(R_s+{\mathrm{jX}}_s)·({\mathrm{\Delta I}}_p+\mathrm{j\Delta }{I}_q)---\left(3\right)$

$=\left|Z_s\right|(\cos \phi +j\sin \phi )·\left|\mathrm{\Delta I}\right|(\cos \theta +j\sin \theta )$

$=\frac{u^2}{S_k}\frac{{\mathrm{\Delta S}}_n}{U}·[(\cos \phi \cos \theta -\sin \phi \sin \theta )+j(\sin \phi \cos \theta +\cos \phi \sin \theta )]$

在上式中，并网接入点短路容量为S_k，分布式电源注入的功率变化为ΔS_n， 分布式电源功率因数角θ，电网等效阻抗为(R_s+jX_s)，接入点电压U，从接入点 看入的电网阻抗角为φ。

分布式电源并网点接至无限大系统引起的电压降落为：

$\mathrm{\Delta U}=\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U_N}+j\frac{\mathrm{PX}-\mathrm{QR}}{U_N}---\left(4\right)$

式中，P为注入系统的有功；Q为注入系统的无功；U_N为系统额定电压；R+jX 为线路阻抗。

当分布式电源采用电力电子装置并网时，电网线路较短，两端电压相角相 差不大，可忽略(4)式的虚部分量，当注入功率发生变动时，对功率分量求微分 得电压波动的表达式为：

$d\left(\mathrm{\Delta U}\right)=\frac{d\left(P\right)R+d\left(Q\right)X}{U_N}---\left(5\right)$

含分布式电源的配电网电压等级一般较低（≤35kV）。中低压传输线和高压 输电线路参数特点不同，高压输电线呈现电抗特性，而分布式电源并网的中低 压配电网，系统呈现电阻性质，R>>X，故分析时电抗可以忽略不计，式(5)可 以简化为：

$d\left(\mathrm{\Delta U}\right)\approx \frac{d\left(P\right)R}{U_N}---\left(6\right)$

由此可见，线路电阻R和电网额定电压U_N恒定的情况下，分布式电源采用 电力电子装置并网引起的电压波动主要取决于有功功率的波动。

通过以上的公式计算可以获得分布式电源接入点的电压波动ΔU值，与相应 电压等级的电压波动限值ΔU_lim相比较，能够验证当时分布式电源注入功率是否 满足电压波动约束。

3.短路电流约束

中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障 电流。分布式电源可以用一个电源串联电抗的模型来表示。因此所需要考虑的 是，在故障发生时分布式电源能够提供多大的故障电流。对于不同类型的分布 式电源，其电抗值是不同的，它代表着该电源的故障电流注入能力。各种类型 分布式电源的故障电流注入能力如表1所示。

表1不同类型分布式电源的短路电流注入能力

从表中可以发现，以同步发电机作为接口的分布式电源最大的故障电流注 入能力可以达到1000%，该值可用于短路计算以确定最坏的故障情况。

分布式电源接入配电网引起的最大短路电流增量可以按照电路理论中的叠 加法进行计算。分布式电源可以依据其并网接口处理成电流源或者电压源。

配电网中未接入分布式电源时短路电流水平是I₀，在该电压等级下的短路 电流极限值是I_thr，则接入的分布式电源允许引起的最大短路电流增量为：

ΔI_lim=I_thr-I₀           (7)

当一定功率的分布式电源接入配电网引起的短路电流增量ΔI满足ΔI<ΔI_lim时，即认为此时的注入功率是满足短路电流约束的。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员 可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在 本发明的范围之内。