电气工程学报, 2023, 18(3): 242-249 doi: 10.11985/2023.03.026

电力系统

考虑光储一体化电站的直流配电网供电能力分析*

陈翔宇,1,2, 王畅,1,2, 李路畅3, 王安琪3, 杨林1,2, 傅守强1,2, 韩民晓3, 刘海军,4

1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院 北京 100038

2.北京京研电力工程设计有限公司 北京 100038

3.华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206

4.国网智能电网研究院有限公司(全球能源互联网研究院有限公司) 先进输电技术国家重点实验室 北京 102209

Analysis of Power Supply Capacity of DC Distribution Network Considering Optical Storage Integrated Power Station

CHEN Xiangyu,1,2, WANG Chang,1,2, LI Luchang3, WANG Anqi3, YANG Lin1,2, FU Shouqiang1,2, HAN Minxiao3, LIU Haijun,4

1. Economic and Technological Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Beijing 100038

2. Beijing Jingyan Electric Power Engineering Design Co., Ltd., Beijing 100038

3. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206

4. State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology, State Grid Smart Grid Research Institute Co., Ltd. (Global Energy Internet Research Institute Co., Ltd.), Beijing 102209

通讯作者: 刘海军,男,1985年生,高级工程师。主要研究方向为柔性交流输配电技术。E-mail:369190173@qq.com

收稿日期: 2022-08-10   修回日期: 2023-03-2  

基金资助: * 国网冀北电力公司科技资助项目(52018F20001M)

Received: 2022-08-10   Revised: 2023-03-2  

作者简介 About authors

陈翔宇,男,1991年生,工程师。主要研究方向为电力系统分析及柔性交直流配网技术。E-mail:chenxiangyu-cxy@163.com

王畅,女,1992年生,工程师。主要研究方向为电力系统分析及电力系统信息通信技术。E-mail:805457878@qq.com

摘要

对含有绿色能源的直流配电系统的供电能力进行科学的评估与计算,已成为当前城市电网精细化评估与规划工作的关键一环。针对这一需求提出一种直流配电网供电能力分析方法,以N-1安全准则作为系统运行的边界条件,考虑直流配电网中换流站站内供电能力和电网供电转移能力,分析了直流配电系统供电能力的计算方法。在此计算方法的基础上研究了光储一体化电站的接入对直流配电网供电能力的影响,进而研究了储能容量在同一个光储电站内以及多个不同光储电站之间如何配置可以使直流配电网的供电能力达到最大的问题。最后,通过对一组直流配电网络拓扑案例的供电能力计算验证了所提分析方法的有效性,仿真结果为含光储一体化电站的直流配电网规划、评估、设计提供理论依据。

关键词: 直流配电网; 最大供电能力; 光储一体化; N-1安全准则

Abstract

The scientific evaluation and calculation of the power supply capacity of DC power distribution system containing green energy has become a key part of the fine evaluation and planning of urban power grid. In view of this demand, a method for analyzing the power supply capacity of DC distribution network is proposed. Taking N-1 safety criterion as the boundary condition of system operation, the calculation method of power supply capacity of DC distribution system is analyzed considering the power supply capacity of converter station and the power transfer capacity of the grid. Based on this calculation method, the influence of the access of the integrated optical storage power station on the power supply capacity of the DC distribution network is studied, and then how to configure the energy storage capacity in the same optical storage power station and among several different optical storage power stations to maximize the power supply capacity of the DC distribution network is studied. Finally, the effectiveness of the proposed analysis method is verified by calculating the power supply capacity of a group of DC distribution network topology cases. The simulation results provide a theoretical basis for the planning, evaluation and design of DC distribution network of integrated power station with optical storage.

Keywords: DC distribution network; maximum power supply capacity; integration of photovoltaic and storage; N-1 safety criterion

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本文引用格式

陈翔宇, 王畅, 李路畅, 王安琪, 杨林, 傅守强, 韩民晓, 刘海军. 考虑光储一体化电站的直流配电网供电能力分析*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 242-249 doi:10.11985/2023.03.026

CHEN Xiangyu, WANG Chang, LI Luchang, WANG Anqi, YANG Lin, FU Shouqiang, HAN Minxiao, LIU Haijun. Analysis of Power Supply Capacity of DC Distribution Network Considering Optical Storage Integrated Power Station[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(3): 242-249 doi:10.11985/2023.03.026

1 引言

随着双碳目标的提出,以及近年来我国正在进行的以绿色低碳发展为要求的新型电力系统中长期规划的推进,包含绿色能源的新型配电系统受到越来越多的关注。直流配电系统在保证对用户安全、可靠、连续供电方面发挥着重要作用。对含有绿色能源的直流配电系统的供电能力进行科学的评估与计算,已成为当前城市电网精细化评估与规划工作的关键一环,对于优化网络结构、指导城市电网的规划和运行,具有巨大的经济效益和社会效益[1]。配电网供电能力是指一定供电区域内电网满足N−1条件下最大能满足用户用电的能力,电网供电能力大小取决于换流站站内供电能力和电网供电转移能力[2-6]

文献[7]提出了电网在满足N−1安全准则条件下进行负荷转移时的供电恢复能力指标,该方法侧重于评估电网不同运行方式的供电恢复能力,没有直接计算电网的最大供电能力;文献[8]提出了配电网安全分析的k(N-1+1)安全准则以及基于k(N-1+1)安全准则的故障后供电恢复的重构算法;文献[9]提出能够计算N-1安全准则条件下的配电网站内、网络转移供电能力的实用方法,但该方法未严格建立模型。文献[10]利用蒙特卡洛抽样法建立了分布式电源输出功率的概率模型,在此基础上分析了辐射型、环形、网状结构对直流配电网供电能力的影响。文献[11]提出了系统最大供电能力和系统潜在最大供电能力两个指标的定义、模型和算法,但是并未考虑新型直流配电网中绿色能源的接入对供电能力的影响。

本文以N-1作为系统运行的边界条件,分析直流配电系统供电能力,提出了一种直流配电网供电能力分析方法,并通过一个研究案例验证了其有效性。此外,还研究了光储一体化电站的接入对直流配电网供电能力的影响,以及储能容量在一个光储电站内和多个光储电站之间如何配置可以实现配电网供电能力最大的问题。

2 直流配电网供电能力的计算方法

2.1 联络关系矩阵

以N-1作为系统运行的边界条件,当网络中的某一个主换流器所带的负荷经过联络开关可以转带给另一个主换流器时,称这样的两个主换流器存在联络关系。联络关系可以分为两种形式:站内主换流器之间的联络和站间主换流器之间的联络。以上两种联络关系分别对应换流站内供电能力分析和电网供电转移能力分析。

设直流配电网共有n座换流站,对换流站进行编号为1,2,…,n。同时,编号的每座换流站主换流器台数分别为N1N2,…,Nn。因此第i座换流站第j号主换流器的编号为

${{N}_{\text{(}i-1)\Sigma }}+j$

式中,N(i-1)∑为前i-1座换流站内所有主换流器之和。取NnΣ=N1+N2+…+Nn,表示配电网中的主换流器总台数。设Rj表示第j号主换流器容量。根据主换流器的联络关系映射得到系统的联络关系矩阵Llink

${{L}_{link}}=\left[ \begin{matrix} {{L}_{1,1}} & \cdots & {{L}_{1,j}} & \cdots & {{L}_{1,{{N}_{\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{i,1}} & \cdots & {{L}_{i,j}} & \cdots & {{L}_{i,{{N}_{\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{{{N}_{\Sigma }},1}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{\Sigma }},j}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{\Sigma }},{{N}_{\Sigma }}}} \\ \end{matrix} \right]$

式中,Li,j为第i台主换流器与第j台主换流器的联络关系,有联络关系时映射为Li,j=1,否则Li,j=0。

矩阵第i行或第i列表示该系统中与第i台主换流器具有联络关系的一组主换流器,称之为以第i台主换流器为中心的主换流器联络单元。可根据该联络单元的N−1分析结果得到该联络单元各主换流器的最大平均负载率和最大允许负荷。

2.2 联络单元的最大负载率分析

Llink所示主换流器联络关系矩阵中,由第i行向量可确定与第i台主换流器有联络关系的主换流器最大负载情况,依此矩阵可定义如下联络单元主换流器最大负载率矩阵

$T=\left[ \begin{matrix} {{T}_{1,1}} & \cdots & {{T}_{1,j}} & \cdots & {{T}_{1,{{N}_{\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{i,1}} & \cdots & {{T}_{i,j}} & \cdots & {{T}_{i,{{N}_{\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{{{N}_{\Sigma }},1}} & \cdots & {{T}_{{{N}_{\Sigma }},j}} & \cdots & {{T}_{{{N}_{\Sigma }},{{N}_{\Sigma }}}} \\ \end{matrix} \right]$

以第i行为例说明:若该行非零元素为Qi个,则表明该联络单元的主换流器台数为Qi,可定义出该联络单元各台主换流器的平均负载率Ti,j

当第i台主换流器与第j台主换流器没有联络关系时,Li,jTi,j等于0,表示以第j台主换流器与以第i台主换流器为中心的联络单元不存在联络关系,N−1情况下无法参与转带联络单元的N−1负荷;当第i台主换流器与第j台主换流器存在联络关系时,Ti,j可根据第i台主换流器的联络情况考虑第j台主换流器发生N−1时均分N−1负荷得到,则有

${{T}_{i,j}}=\frac{\sum\limits_{j=1}^{_{{{N}_{\Sigma }}}}{{{L}_{i,j}}{{R}_{j}}-{{R}_{i}}}}{\sum\limits_{j=1}^{_{{{N}_{\Sigma }}}}{{{L}_{i,j}}{{R}_{j}}}}$

矩阵T是以最大负载率形式表示的联络单元主换流器最大负载能力水平。主换流器j与不同联络单元的其他主换流器联络时允许达到的最大运行负载率具有不同的数值,表现为T矩阵第j列不同行的元素具有不同的值,为了保证主换流器j在不同联络情况下都满足“N-1”,主换流器j的最大允许负载率Tj只能按矩阵的列最小值确定,即

${{T}_{j}}=\underset{1\le i\le {{N}_{\Sigma }},{{T}_{i,j}}\ne 0}{\mathop{\min }}\,\left\{ {{T}_{i,j}} \right\}$

2.3 光伏接入后直流配电网联络关系矩阵、最大负载率分析

直流配电网发展的驱动力之一为更加高效地实现新能源接入。相比于传统换流站,新能源电站的出力受到环境条件的影响,具有随机性[12]

本节以光伏电站接入直流配电网为例分析新能源接入对系统供电能力的影响。

(1) 光伏电站出力建模。光伏的出力与光照强度、光电转换效率以及光伏电池板总面积相关。在光照强度一定的情况下,光伏的出力为

${{P}_{PV}}=r\eta A$

式中,PPV为光伏出力(W);r为光照强度(W/m2);η为光电转换效率;A为光伏电池板总面积(m2)。

在特定时间段内太阳光照强度近似服从Beta分布[13-14],结合光伏出力与光照强度的关系,可得光伏出力的概率函数为

$f\left( {{P}_{PV}} \right)=\frac{\Gamma \left( \alpha +\beta \right)}{{{P}_{PVmax}}\Gamma \left( \alpha \right)\Gamma \left( \beta \right)}{{\left( \frac{{{P}_{PV}}}{{{P}_{PVmax}}} \right)}^{\alpha -1}}{{\left( 1-\frac{{{P}_{PV}}}{{{P}_{PVmax}}} \right)}^{\beta -1}}$

式中,PPVmax=rmaxηA为光伏发电的最大输出功率;rmax为最大光照强度;αβ为分布参数;Γ为Gamma函数。考虑到光伏出力的随机性,根据光伏出力的概率密度函数,采用蒙特卡洛法对选取的光伏出力求取平均值,得到等价的光伏供电能力。

(2) 算法更新。设ND∑为直流配电网的分布式光伏电站的总台数,则系统的联络关系矩阵可更新为

${{L}_{link}}=\left[ \begin{matrix} {{L}_{1,1}} & \cdots & {{L}_{1,j}} & \cdots & {{L}_{1,{{N}_{n\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{i,1}} & \cdots & {{L}_{i,j}} & \cdots & {{L}_{i,{{N}_{n\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},1}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},j}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},{{N}_{n\Sigma }}}} \\ \end{matrix}\begin{matrix} {{L}_{1,{{N}_{n\Sigma }}+1}} & \cdots & {{L}_{1,{{N}_{\text{n}\Sigma }}+k}} & \cdots & {{L}_{1,{{N}_{n\Sigma }}+{{N}_{D\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{i,{{N}_{n\Sigma }}+1}} & \cdots & {{L}_{i,{{N}_{\text{n}\Sigma }}+k}} & \cdots & {{L}_{i,{{N}_{n\Sigma }}+{{N}_{D\Sigma }}}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},{{N}_{n\Sigma }}+1}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},{{N}_{\text{n}\Sigma }}+k}} & \cdots & {{L}_{{{N}_{n\Sigma }},{{N}_{n\Sigma }}+{{N}_{D\Sigma }}}} \\ \end{matrix} \right]$

Li,j为第i台主换流器与第j台主换流器或DG的联络关系,有联络关系时Li,j=1,否则Li,j=0。每一行对应一个主换流器联络单元。

联络单元的最大负载率矩阵可按式(9)更新

${{T}_{i,j}}=\frac{\sum\limits_{j=1}^{_{{{N}_{\left( x-1 \right)\Sigma }}}}{{{L}_{i,j}}{{R}_{j}}+\sum\limits_{j={{N}_{\left( x-1 \right)\Sigma }}+1}^{_{{{N}_{x\Sigma }}}}{{{R}_{j}}-{{R}_{i}}}+\sum\limits_{j={{N}_{x\Sigma +1}}}^{_{{{N}_{\text{n}\Sigma }}}}{{{L}_{i,j}}{{R}_{j}}}+\sum\limits_{j=1}^{_{{{N}_{D\Sigma }}}}{{{R}_{Dj}}{{L}_{i,{{N}_{n\Sigma }}+j}}}}}{\sum\limits_{j=1}^{_{{{N}_{n\Sigma }}{{+}_{{{N}_{D\Sigma }}}}}}{{{L}_{i,j}}{{R}_{j}}}}$

式(9)表示当第i台主换流器发生故障时,由其他正常运行的联络主换流器及联络DG将共同转带“N-1”负荷。

系统内各个主换流器的最大允许负载率可按照式(5)分析。

2.4 系统综合供电能力

通过上述分析,计算得出每个主换流器的最大允许负载率,进而得出该网络的最大供电能力,即各台主换流器最大允许负荷之和

${{S}_{N-1}}=\sum\limits_{i=1}^{_{{{N}_{\Sigma }}}}{{{T}_{i}}_{\left( N-1 \right)}\times {{R}_{i}}}$

进而可以得到系统所有主换流器的平均负载率

${{T}_{\text{avg}}}\text{=}\frac{{{S}_{N-1}}}{{{S}_{N}}}\cdot 100\%$

式中,SN为系统中所有主换流器的额定容量之和。

3 供电能力仿真分析

3.1 无光伏接入的直流配电网供电能力计算

本节研究了一个三端直流配电网络,采用环形拓扑。如图1所示,该直流配电网共有3个换流站、6个换流器。换流站编号分别为1、2、3,换流器编号为1、2、3、4、5、6,容量分别为25 MW、25 MW、20 MW、20 MW、31.5 MW、31.5 MW。

图1

图1   直流配电网主换流器互联关系简化示意图


由各主换流器之间的连接关系可求关系矩阵为

$\boldsymbol{L}_{\text {link }}=\left[\begin{array}{ccccc} L_{1,1} & \cdots & L_{1, j} & \cdots & L_{1,6} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ L_{i, 1} & \cdots & L_{i, j} & \cdots & L_{i, 6} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ L_{6,1} & \cdots & L_{6, j} & \cdots & L_{6,6} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 \end{array}\right]$

以式(12)中Llink矩阵第3行为例进行说明,第3行有4个非零元素分别代表2345号主换流器,这4台主换流器组成一个联络单元。为满足N-1的要求,可求得主换流器的负载率矩阵为

$\begin{matrix} T=\left[ \begin{matrix} {{T}_{1,1}} & \cdots & {{T}_{1,j}} & \cdots & {{T}_{1,6}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{i,1}} & \cdots & {{T}_{i,j}} & \cdots & {{T}_{i,6}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{6,1}} & \cdots & {{T}_{6,j}} & \cdots & {{T}_{6,6}} \\ \end{matrix} \right]= \\ \left[ \begin{matrix} 0.693\ 3 & 0.693\ 3 & 0 & 0 & 0 & 0.693\ 3 \\ 0.812\ 0 & 0.812\ 0 & 0.812\ 0 & 0 & 0.812\ 0 & 0.812\ 0 \\ 0 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0 \\ 0 & 0 & 0.805\ 8 & 0.805\ 8 & 0.805\ 8 & 0.805\ 8 \\ 0 & 0.753\ 9 & 0.753\ 9 & 0.753\ 9 & 0.753\ 9 & 0.753\ 9 \\ 0.763\ 2 & 0.763\ 2 & 0 & 0.763\ 2 & 0.763\ 2 & 0.763\ 2 \\ \end{matrix} \right] \\ \end{matrix}$

在式(13)所示的T矩阵中,其各列元素表示该列对应的主换流器在不同联络单元中的最大负载率。以第6列为例,在矩阵第1行中,6号主换流器与1号主换流器、2号主换流器组成一个联络单元,这组联络单元中仅有3台主换流器,为满足“N−1”,T1,6=0.693 3。同时,在矩阵第2行中,6号主换流器与1号主换流器、2号主换流器、3号主换流器、5号主换流器也形成了一组联络单元,这组联络关系中的5台主换流器均需要满足“N−1”,即T2,6=0.812 0,按照此分析方法可以计算出T4,6=0.805 8,T5,6=0.753 9,T6,6=0.763 2。为保证第6台主换流器在各种组合联络情况下都满足N−1要求,确定其实际最大允许负载率为T矩阵中该主换流器所在列的最小值,即0.693 3。

最后计算出拓扑中6台主换流器的最大允许负载率列向量TN−1

$\begin{array} \boldsymbol{T}_{N-1}=\left[\begin{array}{llllll} T_{1(N-1)} & T_{2(N-1)} & T_{3(N-1)} & T_{4(N-1)} & T_{5(N-1)} & T_{6(N-1)} \end{array}\right]^{\mathrm{T}}= \\ \left[\begin{array}{llllll} 69.33 \% & 69.33 \% & 75.39 \% & 75.39 \% & 75.39 \% & 75.39 \% \end{array}\right]^{\mathrm{T}} \end{array}$

系统的最大供电能力为

${{S}_{N-1}}=\sum\limits_{i=1}^{6}{{{T}_{i}}_{\left( N-1 \right)}\times {{R}_{i}}}\text{=110}\text{.40}\ \text{MW}$

所有主换流器的平均允许负载率为

${{T}_{\text{avg}}}\text{=}\frac{{{S}_{N-1}}}{{{S}_{N}}}\cdot 100\%=72.16%$

3.2 光伏接入对直流配电网供电能力的影响

图2可知,在三端直流配电网络中的1、3换流站之间加入光伏电站PV1,将其编号为7,此时,由各主换流器之间的连接关系可求关系矩阵为

$\begin{matrix} {{L}_{link}}=\left[ \begin{matrix} {{L}_{1,1}} & \cdots & {{L}_{1,j}} & \cdots & {{L}_{1,7}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{i,1}} & \cdots & {{L}_{i,j}} & \cdots & {{L}_{i,7}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{L}_{7,1}} & \cdots & {{L}_{7,j}} & \cdots & {{L}_{7,7}} \\ \end{matrix} \right]= \\ \left[ \begin{matrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ \end{matrix} \right] \\ \end{matrix}$

图2

图2   接入光伏电站的直流配电网主换流器互联关系简化示意图


光伏的输出受光强、光电转换效率、光伏板总面积的影响。在一定时间内,太阳光强度近似符合Beta分布。图3图4展示了考虑太阳光强度的Beta分布,在分布参数αβ取不同值时,光伏出力的概率密度曲线。可以看出光伏输出功率是随机的,且最大光伏出力PPVmax=5.6 MW。本算例取光伏电站出力为3.6 MW。

图3

图3   α取不同数值时的光伏出力概率密度曲线(β=4)


图4

图4   β取不同数值时的光伏出力概率密度曲线(α=4)


为满足N-1的要求,可求得主换流器的负载率矩阵T和各台主换流器的最大允许负载率列向量TN−1分别为

$T=\left[ \begin{matrix} {{T}_{1,1}} & \cdots & {{T}_{1,j}} & \cdots & {{T}_{1,7}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{i,1}} & \cdots & {{T}_{i,j}} & \cdots & {{T}_{i,7}} \\ \vdots & \cdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ {{T}_{7,1}} & \cdots & {{T}_{7,j}} & \cdots & {{T}_{7,7}} \\ \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} 0.706\ 2 & 0.706\ 2 & 0 & 0 & 0 & 0.706\ 2 & 0.706\ 2 \\ 0.812\ 0 & 0.812\ 0 & 0.812\ 0 & 0 & 0.812\ 0 & 0.812\ 0 & 0 \\ 0 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0.792\ 7 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0.812\ 4 & 0.812\ 4 & 0.812\ 4 & 0.812\ 4 & 0.812\ 4 \\ 0 & 0.760\ 6 & 0.760\ 6 & 0.760\ 6 & 0.760\ 6 & 0.760\ 6 & 0.760\ 6 \\ 0.769\ 4 & 0 & 0 & 0.769\ 4 & 0.769\ 4 & 0.769\ 4 & 0.769\ 4 \\ 0.967\ 7 & 0 & 0 & 0.967\ 7 & 0.967\ 7 & 0.967\ 7 & 0.967\ 7 \\ \end{matrix} \right]$
$\begin{array}{l} \boldsymbol{T}_{N-1}=\left[\begin{array}{lllllll} T_{1(N-1)} & T_{2(N-1)} & T_{3(N-1)} & T_{4(N-1)} & T_{5(N-1)} & T_{6(N-1)} & T_{7(N-1)} \end{array}\right]^{\mathrm{T}}= \\ {\left[\begin{array}{lllllll} 70.62 \% & 70.62 \% & 76.06 \% & 76.06 \% & 76.06 \% & 76.06 \% & 76.06 \% \end{array}\right]^{\mathrm{T}}} \\ \end{array}$

系统的最大供电能力为

${{S}_{N-1}}=\sum\limits_{i=1}^{7}{{{T}_{i}}_{\left( N-1 \right)}\times {{R}_{i}}}\text{=114}\text{.49}\ \text{MW}$

所有主换流器的平均允许负载率为

${{T}_{\text{avg}}}\text{=}\frac{{{S}_{N-1}}}{{{S}_{N}}}\cdot 100\%=73.11\%$

将式(15)、(16)与式(20)、(21)进行对比可以看出,接入光伏后的直流配电网供电能力比未接入时有了明显提高。

3.3 光储一体化电站接入对直流配电网供电能力的影响

直流配电网中储能的加入可以起到平抑光伏发电出力波动性的作用[15-19],如图5所示。

图5

图5   含光储电站的直流配电网主换流器互联关系简化示意图


在第3.1节三端直流配电网络的基础上添加3个光储一体化电站,采用环形拓扑。光储电站PV1、PV2、PV3分别作为7、8、9号主换流器,则主换流器联络矩阵可更新为

${{L}_{link}}\text{=}\left[ \begin{matrix} 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{matrix} \right]$

图6为光伏电站PV1出力指令值及ESS1储能容量分别在一定区间波动时对该直流配电网供电能力的影响。由图6可知,加入光储充电站后直流配电网的供电能力比无光储电站的情况下供电能力(110.40 MW)有了明显提升。并且在光伏电站出力大于0.6 MW的情况下,在该配电网配置储能容量范围内,储能数值越大,对直流配电网供电能力的提升作用越显著。

图6

图6   接入光储一体化电站后的系统最大供电能力


3.4 储能容量在不同光储电站之间分配对直流配电网供电能力的影响

本文研究的直流配电网共配置3个光储电站,因此在3个光储电站中储能容量如何分配,以求得对直流配电网供电能力提升作用最大值得研究[20]

考虑实际光储电站的储能容量配置原则,设定图7图8所示的3个光储电站总储能容量为2 MW时,即PESS1+PESS2+PESS3=2 MW,通过循环遍历计算,得到该直流配电网取得最大供电能力的储能分配情况。由图8可知,PESS1PESS2取值在0.5 MW附近,PESS3取值在1 MW附近时,该直流配电网的系统最大供电能力取得最大值。

图7

图7   储能容量在3个光储一体化电站之间分配时的系统最大供电能力正视图


图8

图8   储能容量在3个光储一体化电站之间分配时的系统最大供电能力俯视图


4 结论

本文提出了一种直流配电网供电能力分析方法,研究了光储一体化电站的接入对该直流配电网供电能力的影响,以及储能容量在不同光储电站之间分配对直流配电网供电能力的影响,通过一个研究案例验证了其有效性。针对本文研究的直流配电网,通过供电能力计算得出以下结论。

(1) 接入光伏并考虑了光伏出力的随机性特征,直流配电网供电能力有了显著提升。

(2) 直流配电网接入光储电站之后,在一定光伏出力范围内,储能容量越大,对供电能力的提升作用也越显著,但需要考虑储能的投资费用,具体配置多少储能容量可以实现经济性、技术性的最优仍需要进一步研究。

(3) 为了达到配电网供电能力最大,考虑到配电网的主换流器容量、连接方式、光伏出力等因素,同一个配电网中的不同光储电站配置的储能容量也应相互配合、综合分析。对于不同配电网,储能之间的容量分配需要针对性计算,这种储能分配计算方法还需要进一步优化。

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