本发明涉及配电网的电能质量治理方案，特别涉及一种针对高功率密度分布式光伏接入配电网后引起的电压越限和谐波污染问题的电能治理方法。
背景技术：
随着化石能源的枯竭和节能减排的趋势，分布式发电技术得到了广泛的应用。其中分布式光伏发电由于其资源丰富、装置可靠和不受场地约束的特点而得到了普遍的关注。随着高功率密度分布式光伏接入配电网，由于其波动性和间歇性的特点和电力电子装置的应用，导致配电网中出现严重的电压质量问题。高功率密度分布式光伏接入配电网引起的电能质量问题主要包括电压越限和谐波污染问题。当系统中某节点接入分布式光伏输出超过节点自身消纳能力时，容易发生节点电压越限的现象。由于分布式电源通常通过电力电子设备接入配电网，在实现能量转换时将会产生谐波，影响负荷正常运行。目前，通过在相应节点配置储能，可以达到改善电能质量的目标。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中存在以下缺点和不足：
传统的电能质量治理方法中使用的单一储能装置，如蓄电池，虽然能满足电网对能量密度的要求，但动态响应能力差，瞬时功率动态支撑能力不足。同时，储能的配置地点和容量没有得到有效优化，导致高功率密度分布式光伏接入配电网后引起的电压越限和谐波污染问题不能得到有效治理。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种在相应节点配置复合储能装置改善配电网电能质量的方法，该方法可以改善因为高功率密度分布式光伏接入配电网引起的电压越限和谐波污染等电能质量问题。
为了解决技术问题，本发明采用的技术方案:
一种针对高功率密度分布式光伏接入配电网多目标电能治理方法，包括如下步骤：
步骤1，在配电网相应位置配置蓄电池和超级电容器构建复合储能系统；
步骤2，对复合储能系统制定约束条件；
步骤3，采用节点电压偏差和电流总谐波畸变率作为复合储能系统的电能治理评价指标；
步骤4，对电能质量治理后的配电网进行复合储能系统配置指标评价。
所述步骤中2中复合储能系统约束条件制定采用如下步骤进行：
步骤1，节点电压限定
系统中各节点电压应当维持在一定范围内，即：
vmin≤vi≤vmax(1)
其中vi为第i个节点电压，vmin和vmax为系统电压下限和系统电压上限，由系统对电压越限要求确定。
步骤2，功率平衡制定
系统中应当随时保持功率平衡，即：
其中ps为输入配网总功率，pli为第i个节点负荷功率，
步骤3，复合储能功率约束是限制负荷储能的充放电容量，即：
eoc_min≤eoc_i≤eoc_max(3)
其中eoc_min为复合储能系统输出功率下限，eoc_max为复合储能系统输出功率上限。
所述步骤3通过如下公式进行电能质量质量指标制定：
其中，n为系统节点个数，t为检测时刻数，uij为j时刻i节点的电压，un为系统额定电压，ih为第h次谐波电流的方均根值，i1为基波电流方均根值。
所述步骤4中通过如下步骤进行配置指标评价：
步骤1，选取复合储能系统总成本作为评价指标之一，其数学表达式如下：
其中，pc和pb为系统中需要配置的超级电容器和蓄电池的容量，η1和η2分别表示超级电容器和蓄电池的能量转换效率，c1和c2为超级电容器和蓄电池单位容量的价格，psum为复合储能系统总容量，cm表示复合储能系统的日常维护成本；
步骤2，复合储能系统配置评价指标为：
为了解决现有技术问题，本发明还提供另外一种针对权利要求1所述的复合储能系统选址定容方法，包括如下步骤：
步骤1，对高功率密度光伏接入配电网进行初始化；
步骤2，根据配电网包括的节点数选取配电网区间建立粒子群；
步骤3，对粒子群每个粒子按照公式(8)设定其初始速度和位置；
其中位置的前n维代表复合储能系统所接入的系统节点，后n维代表复合储能系统的容量；
步骤4，对粒子群每个粒子按照公式(9)计算其在t+1时刻的速度和位移分别为：
vij(t+1)＝ωvij(t)+c1r1[pij-xij(t)]+c2r2[pgj-xij(t)]
xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1),j＝1,2,...,d(9)
其中，ω为惯性权重，c1和c2为正的加速因子，r1和r2为在(0,1)区间内均匀分布的随机数，pg＝(pg1,pg2,...,pgd)为最优粒子的位置，pi＝(p1,p2,...,pd)为个体最优位置；
步骤5，通过步骤3和步骤4迭代计算生成优化的粒子群；
步骤6，对优化的粒子群进行若干的选址定容方案；
步骤7，对若干的选址定容方案分别进行配置评价指标；
步骤8，选取配置评价指标最高的选址定容方案作为复合储能系统。
有益效果
与现有技术相比较，本方案在高功率密度光伏接入的配电网中配置复合储能装置，达到以下有益效果：
(1)当系统中某节点接入分布式光伏输出超过节点自身消纳能力时，能够保证配电网中各节点电压维持在系统允许范围内，改善电压偏差问题，保障配电网内负荷的正常运行；
(2)当大量分布式光伏通过电力电子设备接入电网时，能够保证降低配电网中各节点处电流谐波畸变率，维持配电网内负荷的正常运行，保证配电网的安全、稳定和经济运行。
附图说明
图1为复合储能系统选址定容流程图。
图2为本发明实施例的33节点配电系统图。
表1为33节点系统的支路参数和母线负荷数据。
表2为高功率密度光伏接入位置及容量。
表3为本发明实施例的复合储能装置安装位置及容量。
表4为本发明实施例的配网电能质量指标治理前后对比。
具体实施方式
本发明提供了一种高功率密度分布式光伏接入配电网多目标电能质量治理方法，该方法是通过在配电网相应位置配置包括蓄电池和超级电容器在内的复合储能装置达到治理因高功率密度光伏接入引起的电压越限和谐波污染等电能质量问题。此外，利用改善的粒子群算法对复合储能系统进行选址定容，综合提升配置复合储能系统的经济性和改善电能质量效果。
详见下文描述：
本发明在高功率密度分布式光伏接入的配电网相应节点接入复合储能装置，其运行满足系统运行的约束条件和储能运行的约束条件如式(1)-(3)所示。同时，在满足电能质量治理指标式(4)-(5)的前提下，考虑储能系统的成本问题，保证负荷储能系统配置的经济性，根据复合储能系统配置评价指标式(7)选择最优的配置容量和配置位置。
所述方案包括以下内容：
(1)复合储能系统约束条件
复合储能系统所满足的系统运行约束条件以及储能设备运行约束条件的表达式为：
1)节点电压
系统中各节点电压应当维持在一定范围内，即：
vmin≤vi≤vmax(1)
其中vi为第i个节点电压，vmin和vmax为系统电压下限和系统电压上限，由系统对电压越限要求确定。
2)功率平衡
系统中应当随时保持功率平衡，即：
其中ps为输入配网总功率，pli为第i个节点负荷功率，pdgj为第j个节点接入分布式光伏出力，pstorek为第k个复合储能系统容量。
3)复合储能功率约束
为避免蓄电池过充过放减少蓄电池循环次数和损伤使用寿命，应当限制负荷储能的充放电容量，即：
eoc_min≤eoc_i≤eoc_max(3)
其中eoc_min为复合储能系统输出功率下限，eoc_max为复合储能系统输出功率上限。
(2)电能质量治理指标
分布式光伏接入配电网后，相应节点的电压有一定的提升，当分布式光伏出力超出配网消纳能力时，在一些节点可能会发生电压越限的问题。另外，由于分布式光伏大多通过电力电子设备接入电网，所以将会给系统带来谐波污染，对配网中的负荷和各种设备带来不利影响。因此，本发明采用节点电压偏差和电流总谐波畸变率作为电能质量治理指标。
其中，n为系统节点个数，t为检测时刻数，uij为j时刻i节点的电压，un为系统额定电压，ih为第h次谐波电流的方均根值，i1为基波电流方均根值。
(3)复合储能系统配置评价指标
在满足电能质量治理指标的前提下，考虑储能系统的成本问题，保证负荷储能系统配置的经济性。选取复合储能系统总成本评价指标之一，其数学表达式如下：
其中，pc和pb为系统中需要配置的超级电容器和蓄电池的容量，η1和η2分别表示超级电容器和蓄电池的能量转换效率，c1和c2为超级电容器和蓄电池单位容量的价格，psum为复合储能系统总容量，cm表示复合储能系统的日常维护成本。
综合考虑系统的节点电压偏差，电流总谐波畸变率以及储能装置的容量，复合储能系统配置评价指标为：
(4)复合储能系统选址定容方法
本发明提供一种复合储能系统选址定容方法，充分考虑高功率密度光伏接入配电网后的电能质量、复合储能设备的投资成本、配电网正常运行等约束条件，通过取整求得粒子中的运行状态、开关状态等离散变量，取值范围为系统所有包含的节点数，初始化时在给定区间随机生成负荷变化范围、复合储能容量等区间变化较大的变量，利用改进的自适应权重粒子群算法确定复合储能系统最优配置地点和容量。
在利用改进的自适应权重粒子群算法计算时，设2n维的搜索空间中，每个粒子具有自己的速度和位置：
其中位置的前n维代表复合储能系统所接入的系统节点，后n维代表复合储能系统的容量。每个粒子所代表的解对于优化目标的适应度利用复合储能系统选址定容配置评价指标进行评估。
粒子在t+1时刻的速度和位移分别为：
vij(t+1)＝ωvij(t)+c1r1[pij-xij(t)]+c2r2[pgj-xij(t)]
xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1),j＝1,2,...,d
(9)
其中，ω为惯性权重，c1和c2为正的加速因子，r1和r2为在(0,1)区间内均匀分布的随机数，pg＝(pg1,pg2,...,pgd)为最优粒子的位置，pi＝(p1,p2,...,pd)为个体最优位置。作为算法中重要的可调参数，较大的ω会增强算法的全局搜索能力，而较小的ω对于局部的搜索过程更有利，为了平衡算法的全局寻优能力和局部搜索能力，本方法采用非线性的动态惯性权系数ω，其计算公式如下：
其中ωmin和ωmax分别代表ω的最大值和最小值，f代表目前粒子的目标函数值，fmin和favg分别代表了当前粒子目标函数的最小值和平均值。
复合储能系统选址定容流程如图1所示，其原理及步骤如下所示：
1)初始化101，确定配电网的网络拓扑结构、开关状态、节点电压范围、分布式光伏接入位置及容量，对复合储能系统允许接入位置、最大安装数目及最大安装功率进行初始化。
2)根据配电网包括的节点数选取配电网区间建立粒子群102；；
3)对粒子群每个粒子的设定其初始速度和位置103；
4)迭代计算单个粒子t+1时的速度和位置104；对单粒子进行加速因子c1和c2，自适应惯性权值ω的范围、粒子的速度范围和最大迭代次数等参数进行设定
5)迭代计算完成后生成优化的粒子群105；
6)对优化的粒子群中每个粒子分别代表一种复合储能系统选址定容的方案106；
7)计算各方案对应的复合储能系统配置评价指标107；
9)选择复合储能系统配置评价指标最高的方案作为最优方案；按照最优方案方案配置复合储能系统108。
本发明最佳实施方式：
某33节点配电系统如图2所示，系统总有功负荷为3715.0kw，总无功负荷为2300.0kvar。系统线电压基准值为12.66kv，支路参数和节点负荷参数见表1。
表1为33节点系统的支路参数和母线负荷数据
该系统在相应节点接入16台高功率密度光伏，接入位置和功率如表2所示。设置复合储能装置安装范围为节点1～32，最大接入个数为2，最大安装功率为600kw。
表2高功率密度光伏接入位置及容量
设定改进的粒子群算法粒子数100，迭代次数为50次，同时设定加速因子c1和c2，自适应惯性权值ω的范围以及粒子的速度范围。
经过迭代运算，得到复合储能装置最优配置方案如表3所示。
表3实施例复合储能装置安装位置及容量
比较复合储能装置配置前后配网电能质量指标变化如表4所示，验证了该方法有效地改善了由于高密度分布式光伏接入配电网导致的节点电压偏差和谐波污染的问题。
表4实施例配网电能质量指标治理前后对比
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。