基于光伏資源分布的配電網(wǎng)光伏系統(tǒng)容量研究

摘 要：為了設(shè)計合理的光伏資源分布方案，并計算配電網(wǎng)的分布式光伏最大準入容量，本文將IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)作為分析對象。該配電網(wǎng)的部分節(jié)點設(shè)置了分布式光伏系統(tǒng)，本文在其基礎(chǔ)上提出新型最大準入容量計算模型，建立了相關(guān)計算流程和性能評價指標。完成計算模型構(gòu)建后，將經(jīng)典的蒙特卡羅法作為對照算法，結(jié)合具體算例，進行光伏資源優(yōu)化配置和最大準入容量計算。結(jié)果顯示，本文建立的新模型在計算速率和誤差控制方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠有效提高配電網(wǎng)中光伏資源分布的合理性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；分布式光伏系統(tǒng)；最大準入容量計算模型

中圖分類號：TM 615" " 文獻標志碼：A

在光伏并網(wǎng)設(shè)計階段必須合理設(shè)計安裝容量，保證電壓和線路載流量不越限。但是配電網(wǎng)節(jié)點眾多，光伏接入方案數(shù)量龐大。為了提高設(shè)計效率，需要建立算法模型，快速計算最大準入容量，同時規(guī)劃優(yōu)秀的光伏資源分布方案。

針對上述問題，國內(nèi)科研人員已經(jīng)進行了廣泛的探索。段瑤等[1]充分發(fā)揮5G基站的調(diào)度潛力，提出分布式光伏最大準入容量評估方法。蔡秀雯等[2]將配電網(wǎng)需求管理和主動管理作為目標，提出了分布式光伏最大準入容量計算方法。王鶴等[3]提出基于蒙特卡羅法的逐時估算模型，用于計算住宅配電網(wǎng)中分布式光伏的最大準入容量。

本文建立了包括分布式光伏的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)，在考慮最大負荷和最小負荷的條件下，提出計及已有分布式光伏的最大準入容量計算模型，為光伏工程擴容提供新的思路和技術(shù)支撐。

1 分布式光伏系統(tǒng)最大準入容量計算方法設(shè)計

1.1 分布式光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)獲取

1.1.1 分布式光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立

本文將如圖1所示的光伏拓撲結(jié)構(gòu)作為分析對象，光伏拓撲結(jié)構(gòu)主體為IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)，電源為12.66 kV的變電站母線，在節(jié)點6、7、8、10、20、22、25和27處安裝分布式光伏發(fā)電設(shè)備，編號為PV1～PV8。

1.1.2 配電網(wǎng)和已接入光伏參數(shù)獲取

在圖1所示的含光伏配電網(wǎng)中，已接入光伏設(shè)備的參數(shù)包括裝機容量、最大負荷對應(yīng)時刻的光伏發(fā)電功率以及最小負荷對應(yīng)時刻的光伏發(fā)電功率，各項參數(shù)的取值見表1。配電網(wǎng)的線路型號統(tǒng)一設(shè)置為YJV-3×70，其載流量上限為4 714.33 kVA，電壓上限為1.05 p.u.，電壓下限為0.95 p.u.。IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)各個節(jié)點的可開發(fā)光伏容量限制設(shè)置見表2。

表1 配電網(wǎng)已有光伏系統(tǒng)參數(shù)取值

已接入光伏設(shè)備編號 安裝

節(jié)點 裝機

容量/kW 最大負荷對應(yīng)時刻

的光伏發(fā)電功率/kW 最小負荷對應(yīng)時刻的光伏發(fā)電功率/kW

PV1 6 120 114.5 44.0

PV2 7 120 114.5 44.0

PV3 8 40 38.3 15.0

PV4 10 40 38.3 15.0

PV5 20 50 47.9 18.7

PV6 22 50 47.9 18.7

PV7 25 40 38.3 15.0

PV8 27 40 38.3 15.0

表2 IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)各節(jié)點可開發(fā)光伏容量限值

節(jié)點編號 可開發(fā)光伏容量/kW 節(jié)點編號 可開發(fā)光

伏容量/kW 節(jié)點

編號 可開發(fā)光伏容量/kW 節(jié)點

編號 可開發(fā)光

伏容量/kW

1 600 9 500 17 400 25 300

2 800 10 500 18 300 26 400

3 800 11 500 19 400 27 300

4 2 500 12 500 20 200 28 300

5 2 000 13 500 21 200 29 400

6 2 500 14 500 22 200 30 400

7 2 500 15 400 23 400 31 300

8 600 16 400 24 300 32 200

1.2 分布式光伏系統(tǒng)最大準入容量計算模型設(shè)計

1.2.1 計算模型的實施流程

基于圖1所示的含分布式光伏配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計最大準入容量計算模型，其實施流程如下所示。1） 對配電網(wǎng)參數(shù)進行初始化（例如第1.1小節(jié)），運用蒙特卡羅法模擬生成大量分布式光伏系統(tǒng)部署方案。2） 校驗各個部署方案的接入節(jié)點是否包括已有光伏所在的節(jié)點，如果不包括，就淘汰該方案，否則保留該方案。3） 對于符合第2步要求的分布式光伏系統(tǒng)部署方案，根據(jù)初始化參數(shù)計算部署方案中各節(jié)點位置處的光伏初始容量。對于拓撲結(jié)構(gòu)中已經(jīng)部署了光伏系統(tǒng)的節(jié)點，比較計算所得的初始光伏容量是否大于初始化參數(shù)設(shè)置的光伏容量，如果不滿足要求，就淘汰該方案，否則保留該方案[4]。4） 對于第3步中保留的光伏系統(tǒng)部署方案，校驗全局度量指標（Global Metric，GM）。5） 在考慮配電網(wǎng)分支結(jié)構(gòu)的情況下，校驗節(jié)點電壓越上限局部度量指標。6） 校驗線路載流量局部度量指標。7） 根據(jù)光伏接入方案計算考慮線路載流量約束的光伏系統(tǒng)裝機容量和各節(jié)點位置處的光伏比例，再利用系統(tǒng)裝機容量和各個節(jié)點的光伏比例計算各節(jié)點處的光伏容量。8） 校驗各已有光伏節(jié)點的計算光伏容量是否大于初始參數(shù)設(shè)置的光伏容量，如果不滿足要求，就淘汰該方案，否則保留該方案。9） 檢驗第8步的保留方案中各光伏所在節(jié)點的光伏容量計算值是否小于可開發(fā)光伏容量的限值，如果不滿足該條件，淘汰部署方案，否則保留部署方案。10） 計算負荷百分比α，當α=100%時，輸出最大負荷條件下的光伏最大準入容量和最小負荷條件下的光伏最大準入容量，記錄相應(yīng)的分布式光伏接入方案。如果α≠100%，就返回第2步。

1.2.2 最大準入容量計算模型關(guān)鍵指標的計算方法

1.2.2.1 全局度量指標GM的計算方法

為了提高光伏最大準入容量的計算效率，可利用全局度量指標縮小計算范圍。該指標要求光伏重心RbLD超前于負荷重心RbPV，并應(yīng)盡量縮短光伏重心與配電網(wǎng)根節(jié)點間配電線路的距離[5]。全局度量指標GM的數(shù)學表示方法為RbPV≤RbLD，其中RbPV、RbLD的計算方法如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：j為負荷節(jié)點編號；PjPV為第j個節(jié)點處的負荷功率；RjPV為第j個節(jié)點至配電網(wǎng)根節(jié)點輸電線路的電阻；i為分布式光伏節(jié)點的編號；PiLD為第i個光伏節(jié)點的有功出力；RiLD為第i個光伏節(jié)點至配電網(wǎng)根節(jié)點間輸電線路的電阻[6]。

1.2.2.2 計算模型計算速率評價指標的計算方法

計算模型的計算速率對其工程應(yīng)用效果具有重要影響，計算速率的評價指標為速度比。該指標的定義為蒙特卡羅法計算最大準入容量耗時與本文算法模型計算最大準入容量耗時的比值，速度比越小，表明算法模型的計算速率越高。速度比的計算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：ε為計算模型的速度比；N0為負荷節(jié)點百分比數(shù)量；j為負荷節(jié)點的編號；tSj為第j個負荷節(jié)點百分比對應(yīng)方案的蒙特卡羅法計算耗時；tWj為第1.2.1小節(jié)中計算模型的計算耗時。

1.2.2.3 計算模型誤差評價指標的計算方法

計算模型的誤差評價指標采用加權(quán)平均誤差，該指標記為eWAE，計算方法如公式（4）所示。

（4）

式中：Ncj為線路載流量越限方案的數(shù)量；ej為第j個負荷節(jié)點百分比對應(yīng)方案的平均絕對百分比誤差。

2 基于光伏資源分布的最大準入容量計算方法算例分析

以圖1所示的分布式光伏配電系統(tǒng)作為算例，利用第1節(jié)建立的最大準入容量計算模型規(guī)劃光伏資源的分布方式，并且計算不同條件下的最大準入容量，算例分析過程如下所示。

2.1 最大準入容量與光伏資源分布的關(guān)系

根據(jù)第1.2.1節(jié)中的計算模型，光伏資源分布主要體現(xiàn)在光伏重心（分布式光伏的幾何重心）。在配電網(wǎng)最小負荷條件下模擬計算光伏最大準入容量，計算過程中的約束條件為線路載流量越限和節(jié)點電壓越限。根據(jù)公式（1）計算出負荷重心的位置，在滿足約束條件的情況下，確定光伏最大準入容量，結(jié)果如圖2所示。由圖2數(shù)據(jù)可知，分布式光伏系統(tǒng)的幾何重心約為7.3km，對應(yīng)的光伏最大準入容量為5021.8kW。以配電網(wǎng)最大負荷為條件，采用相同方法確定光伏重心和最大準入容量。計算結(jié)果顯示，光伏重心約為6.6km，對應(yīng)的最大準入容量為6372.9kW。因此，考慮已有光伏資源的情況下，最大準入容量的取值為5021.8kW～6372.9kW。

2.2 各節(jié)點光伏資源最優(yōu)分布方案規(guī)劃

由第2.1節(jié)可知，當算例負荷最小時，對應(yīng)的光伏最大準入容量為5 021.8 kW。當算例負荷最大時，對應(yīng)的光伏最大準入容量為6 372.9 kW。可利用計算模型求出每一個節(jié)點處的新增光伏接入容量。

2.2.1 算例最小負荷條件下各節(jié)光伏資源分布規(guī)劃

圖1所示的算例模型具有32個節(jié)點，其中節(jié)點6、7、8、10、20、22、25和27處已安裝光伏電機，裝機容量分別為120kW、120kW、40kW、40kW、50kW、50kW和40kW。在滿足最小負荷的條件下，光伏系統(tǒng)的最大準入容量為5021.8kW。此時，可根據(jù)計算模型確定光伏資源的最佳分配方式，即各個節(jié)點的最大光伏準入容量。規(guī)劃結(jié)果見表3，已有裝機容量和新增裝機容量之和為5022kW。

2.2.2 算例最大負荷條件下各節(jié)光伏資源分布規(guī)劃

針對算例模型，在配電網(wǎng)最大負荷條件下計算各個節(jié)點的新增光伏裝機容量。已有光伏裝機容量和新增光伏裝機容量之和為6373kW，新增光伏安裝節(jié)點為2、3、4、9、11、12、13、14、15、18、19、21、23、24、26、28、29、30、31和32。節(jié)點7新增裝機容量最大，為1730kW，如圖3所示。

2.3 最大準入容量計算模型性能評價

將蒙特卡羅法作為第1.2.1節(jié)算法模型的對照組，比較2種算法的速度比和加權(quán)平均誤差，結(jié)果如下所示。

2.3.1 計算速率評價

在算例最大負荷、最小負荷條件下，利用2種算法計算算例的最大準入容量，同時規(guī)劃各個節(jié)點的新增裝機容量，統(tǒng)計并規(guī)劃過程的計算耗時。根據(jù)公式（3）計算速度比ε，結(jié)果見表4。顯然，第1.2.1節(jié)算法模型的計算耗時遠低于蒙特卡羅法，其計算速率具有顯著優(yōu)勢。

2.3.2 計算精度評價

在最大負荷和最小負荷條件下，利用2種算法規(guī)劃光伏接入方案，并根據(jù)公式（3）計算出2種算法的平均加權(quán)誤差，結(jié)果見表5。由數(shù)據(jù)可知，第1.2.1節(jié)設(shè)計的算法誤差更小，優(yōu)于對照組的蒙特卡羅法。

表4 最大準入容量計算模型的計算速率

負荷條件 算法生成的光伏

接入方案數(shù)量/個 總計算耗時/s 速度比ε

蒙特卡羅法 第1.2.1節(jié)算法

最小負荷 446 005 77 199.2 898.6 955.0

最大負荷 446 005 910 615.8 922.5 991.7

3 結(jié)論

為了建立分布式光伏配電網(wǎng)光伏系統(tǒng)最大準入容量快速計算方法，本文建立了包括分布式光伏的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)，在其基礎(chǔ)上提出了新的計算模型，得出以下2個基本觀點。1） 該計算模型的約束條件為線路載流量和電壓，將負荷重心和光伏重心作為控制因素，要求光伏重心超前于負荷重心。再運用全局度量指標和局部度量指標進行方案篩選，縮小可選方案的范圍，同時降低計算量。2） 當評價計算模型的性能時，可采用2個關(guān)鍵指標，分別為速度比和加權(quán)平均誤差。將經(jīng)典的蒙特卡羅法作為對照算法，計算最大準入容量，并規(guī)劃各個節(jié)點光伏裝機容量。由比較可知，本文建立的新模型具有顯著的速度優(yōu)勢和精度優(yōu)勢。

參考文獻

[1]段瑤，高崇，程苒，等.考慮5G基站可調(diào)度潛力的配電網(wǎng)分布式光伏最大準入容量評估[J].中國電力，2023，56（12）：80-85，99.

[2]蔡秀雯，陳茂新，陳鋼，等.考慮主動管理與需求側(cè)管理的主動配電網(wǎng)分布式光伏最大準入容量計算方法[J].電力建設(shè)，2021，42（5）：38-47.

[3]王鶴，王鉦淇，韓皓，等.使用蒙特卡羅逐時估算模型的住宅配電網(wǎng)光伏準入容量研究[J].東北電力大學學報，2023，43（1）：9-19，2，99.

[4]張曉雨，王英，吳卓娟.基于廣義短路比約束的光伏最大準入容量優(yōu)化[J].半導(dǎo)體光電，2023，44（3）：486-492.

[5]張嘉澍，呂泉，郭雪麗，等.考慮合理棄光的配電網(wǎng)光伏最大接入容量研究[J].太陽能學報，2023，44（2）：418-426.

[6]馬臨超，楊捷，郭貝貝，等.考慮電壓約束的分布式光伏最大準入功率模型[J].河南工學院學報，2022，30（1）：6-12.