分布式電源接入對系統(tǒng)脆弱性影響分析

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(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330063)

0 引言

分布式電源作為普通大電網(wǎng)的補(bǔ)充，以其高效環(huán)保，就地消納電力的優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的發(fā)展。而脆弱性作為電力系統(tǒng)本身的固有屬性， DG的大規(guī)模接入勢必影響系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體的脆弱性。因此研究分布式電源接入電網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的影響意義重大。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對分布式電源已經(jīng)有較多的研究成果[1-2]，詳細(xì)介紹了含DG的潮流計(jì)算方法以及對系統(tǒng)電壓的影響；對于電力系統(tǒng)的脆弱性也有一些研究成果[3-10],文獻(xiàn)[11]從微電網(wǎng)的可靠性角度出發(fā)分析了系統(tǒng)的安全性能； 文獻(xiàn)[12]分析風(fēng)電接入對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱性的影響，主要分析了風(fēng)電場帶來的影響；文獻(xiàn)[13]評估了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)可靠性。

基于上述思想以及現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的不足，本文綜合考慮靜態(tài)結(jié)構(gòu)脆弱性和動態(tài)運(yùn)行脆弱性，構(gòu)造加權(quán)的綜合脆弱性函數(shù)。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入DG，計(jì)算含DG的節(jié)點(diǎn)脆弱度，通過不同的算例說明了脆弱性指標(biāo)的合理性以及對比分析了不同類型DG以及不同并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)脆弱性的影響，從而更好地保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。

1 含DG的微電網(wǎng)脆弱性評估模型

1.1 微網(wǎng)脆弱性指標(biāo)要求

微電網(wǎng)的脆弱性可以理解為當(dāng)系統(tǒng)中某一部分或元件受到干擾而崩潰,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中其他部分崩潰的行為。因此如何正確評估系統(tǒng)的脆弱性以及分析不同類型DG和不同并網(wǎng)點(diǎn)對系統(tǒng)脆弱性的影響是關(guān)鍵問題。

目前微電網(wǎng)會大量引入DG，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則變得更加復(fù)雜，因此對微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性進(jìn)行評估十分必要。另外，微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)與脆弱性有緊密聯(lián)系， 因此本文建立基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的綜合脆弱性指標(biāo)，從而較好的評估系統(tǒng)的脆弱性。

分布式電源(DG)指的是直接分布在配電網(wǎng)或負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，DG作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的補(bǔ)充，隨著其技術(shù)性能的不斷改善，在提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量的同時(shí)還減少了化石能源的損耗和污染。

1.2 分布式電源的節(jié)點(diǎn)類型

分布式電源主要有太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等幾種[14-17]。DG主要有以下3種接口方式：1)同步發(fā)電機(jī)接口;2)異步發(fā)電機(jī)接口;3)電力電子變換器接口。根據(jù)DG的種類以及其并網(wǎng)接口的不同，可將其分成4種不同的節(jié)點(diǎn)類型：PQ型節(jié)點(diǎn)、PV型節(jié)點(diǎn)、PI型節(jié)點(diǎn)以及PQ(V)型節(jié)點(diǎn)。

采用同步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)控制的DG通常作為PQ型節(jié)點(diǎn)，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[4],另外采用恒功率因數(shù)控制的電力電子變換器接口型的DG也作為PQ型節(jié)點(diǎn)。

采用恒電壓控制模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為PV節(jié)點(diǎn)[4],通過電壓控制逆變器接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電作為PV節(jié)點(diǎn),微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池也作為PV節(jié)點(diǎn)。

通過電流控制逆變器接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電作為PI節(jié)點(diǎn)處理。

在潮流計(jì)算中，采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電作為PQ(V)節(jié)點(diǎn)處理[4]。

1.3 含DG的脆弱性評估模型

不含DG的配電網(wǎng)在進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，通常只有兩種節(jié)點(diǎn)類型：節(jié)點(diǎn)和PQ節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)是出口母線根節(jié)點(diǎn)，PQ節(jié)點(diǎn)為其他負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。DG的加入使配電網(wǎng)增加了新的節(jié)點(diǎn)類型，下面介紹各類節(jié)點(diǎn)型DG在潮流計(jì)算中的模型。

1.3.1 PQ節(jié)點(diǎn)

PQ節(jié)點(diǎn)型DG的特點(diǎn)是恒定的輸出有功功率和無功功率，其潮流計(jì)算公式為：

(1)

式中,Ps和Qs分別表示PQ節(jié)點(diǎn)型DG的有功功率和無功功率。

1.3.2 PV節(jié)點(diǎn)

PV節(jié)點(diǎn)型DG的特點(diǎn)是有功功率和額定電壓是恒定的，其潮流計(jì)算公式為：

(2)

式中，Ps為PV節(jié)點(diǎn)型DG的有功輸出；Vs為PV節(jié)點(diǎn)型DG的端口額定電壓。用前推回帶法進(jìn)行配電網(wǎng)潮流計(jì)算時(shí)要求負(fù)荷類型為PQ節(jié)點(diǎn)，故需對PV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理使其轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)PV節(jié)點(diǎn)電壓偏差對無功功率進(jìn)行修正，即:

QT=Qt-1+ΔQ=Qt-1+f(ΔVt-1)

(3)

式中，f(ΔVt-1)是根據(jù)ΔVt-1求得的無功功率修正量，t為當(dāng)前迭代數(shù)。

1.3.3 PI節(jié)點(diǎn)

PI節(jié)點(diǎn)型DG的特點(diǎn)是有功功率和節(jié)點(diǎn)注入電流是恒定的，其潮流計(jì)算公式為：

(4)

式中，PS和IS分別為PI節(jié)點(diǎn)型DG的有功輸出功率和節(jié)點(diǎn)注入電流。

1.3.4 PQ(V)節(jié)點(diǎn)

PQ(V)節(jié)點(diǎn)型DG的特點(diǎn)是有功功率恒定不變，迭代過程中的無功功率可由上次迭代的電壓幅值算出，潮流計(jì)算公式為：

(5)

2 微電網(wǎng)的脆弱性評估

2.1 結(jié)構(gòu)脆弱性評估指標(biāo)

微電網(wǎng)作為一個復(fù)雜的電力系統(tǒng)，其包括發(fā)電機(jī)等各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，以及各輸電線路，而在此文中，線路的權(quán)值則用電抗值來表示，從而在系統(tǒng)模型中加入了電氣元件參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加貼近實(shí)際。目前對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性研究大部分采用計(jì)算節(jié)點(diǎn)的重要度來描述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如節(jié)點(diǎn)收縮法等，主要考慮了節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，節(jié)點(diǎn)介數(shù)以及線路介數(shù)等，有些則單獨(dú)的考慮節(jié)點(diǎn)或線路的差異性，考慮節(jié)點(diǎn)的度數(shù)，從而定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵。雖然能夠較好的分析網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性，但是從節(jié)點(diǎn)或線路單一的考慮其差異性，存在片面性。

因此本文結(jié)合節(jié)點(diǎn)和線路，考慮其差異性，并定義加權(quán)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵概念，構(gòu)造結(jié)構(gòu)脆弱性評估指標(biāo)，進(jìn)而分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)脆弱性。

節(jié)點(diǎn)差異性體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)重要度之間的區(qū)別，用節(jié)點(diǎn)度的分布情況來描述，可得節(jié)點(diǎn)差異性如下：

Di=(1-P(ki))*N

(6)

其中:P(ki)表示節(jié)點(diǎn)度數(shù)為ki的概率，ki表示節(jié)點(diǎn)度，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)度數(shù)為ki，所以當(dāng)選擇一條線路時(shí)，節(jié)點(diǎn)被選中連接的概率應(yīng)為ki倍，綜合思量節(jié)點(diǎn)與線路的關(guān)聯(lián)性，線路的權(quán)重則用節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)的電抗值∑Wij來表示，因此定義線路差異性為：

Li=ki*Di*∑Wij

(7)

歸納上述節(jié)點(diǎn)和線路差異性，確定中間量Bi如下:

Bi=(Di+Li)/2

(8)

因此節(jié)點(diǎn)重要度為：

(9)

2.2 運(yùn)行脆弱性評估指標(biāo)

2.2.1 電壓質(zhì)量指標(biāo)

運(yùn)行狀態(tài)脆弱性是從不同的運(yùn)行角度對微電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行分析，包括節(jié)點(diǎn)電壓，有功功率等，目前對于運(yùn)行脆弱性指標(biāo)的建立還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是大部分都有考慮其節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量。因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的結(jié)構(gòu)或者運(yùn)行狀態(tài)的改變都會引起節(jié)點(diǎn)電壓的變化，所以用節(jié)點(diǎn)電壓的偏移量與節(jié)點(diǎn)允許的最大電壓偏移量的比值作為電壓質(zhì)量指標(biāo)，它的值越大，表明該節(jié)點(diǎn)越不穩(wěn)定，脆弱性更高，其公式如下所示：

(10)

式中,N表示節(jié)點(diǎn)數(shù)目，Vi表示節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓，Vcr表示參考額定電壓，△Vlim為節(jié)點(diǎn)的最大允許電壓偏移量，VQ為節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量指標(biāo)。

2.2.2 有功功率平衡度指標(biāo)

微電網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷實(shí)際功率、線路的實(shí)際傳輸功率、電流大小和線路有功損耗等都與電網(wǎng)運(yùn)行息息相關(guān)。而分布式電源DG接入網(wǎng)絡(luò)，可以有效降低線路遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠泄β?，減少線路有功損耗。同樣，線路的權(quán)值用電抗表示，定義微電網(wǎng)的有功功率平衡度指標(biāo)[17]為：

(11)

式中,Wl為線路電抗值，Pi為線路傳輸?shù)挠泄β?，OLi為有功功率平衡度指標(biāo)。指標(biāo)OLi反應(yīng)了微電網(wǎng)線路傳輸功率在距離上的均勻程度，OLi越大表明傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離有功功率 越多，對電網(wǎng)有功功率的均勻分布越不利。另外,該指標(biāo)的權(quán)值為電網(wǎng)各個線路的電抗值，能夠較好的體現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)中有功功率的傳輸情況，因此，OLi指標(biāo)值越小，即電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸功率越少，有功功率在網(wǎng)絡(luò)中的潮流則越均勻，即脆弱性越低。

2.3 綜合脆弱性評估指標(biāo)

結(jié)合結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和運(yùn)行脆弱性指標(biāo)建立加權(quán)綜合脆弱性指標(biāo)。對于各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)用層次分析法[6]賦予不同的權(quán)重值，得到綜合脆弱性評估指標(biāo)ISV如下所示：

ISVi=w1*I(i)+w2*VQ(i)+w3*OL(i)

(12)

(13)

式中,w1,w2,w3表示各項(xiàng)脆弱性指標(biāo)的權(quán)重值，ISVi表示系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的脆弱度，ISV為微電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合脆弱度。

2.4 評估仿真內(nèi)容

根據(jù)上文3.1節(jié)和3.2節(jié)所述的結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和運(yùn)行脆弱性指標(biāo)兩個脆弱性指標(biāo)可以求得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合整體脆弱性情況，另外，根據(jù)2.2節(jié)所述的不同類型DG的評估模型可以仿真出系統(tǒng)在不同DG類型接入以及不同并網(wǎng)點(diǎn)狀態(tài)下的脆弱性指標(biāo)值，根據(jù)仿真得出的不同結(jié)果值可以對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性的分析，從而可以得出不同類型DG以及不同并網(wǎng)點(diǎn)對系統(tǒng)不同程度的影響，以及判斷網(wǎng)絡(luò)在接入哪種DG以及并網(wǎng)在哪個節(jié)點(diǎn)時(shí)所受的脆弱性更低，即更不容易崩潰，更安全。在此結(jié)果之上，可以通過合理的接入分布式電源從而更好地保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 算例分析

本文通過IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析系統(tǒng)在不同DG以及不用并網(wǎng)點(diǎn)下的系統(tǒng)脆弱性，系統(tǒng)總負(fù)荷為3 715.0 kW+j2300 kvar，基準(zhǔn)電壓12.66 kV，有5個聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)參見文獻(xiàn)[7]。

圖1 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖

為更好地分析不同類型DG以及不同并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)脆弱性的影響，通過3種方案進(jìn)行比較分析，如下：

方案一：并入4個相同類型的DG，參數(shù)如表1所示；

方案二：并入4個不同類型的DG，參數(shù)如表2所示；

方案三：節(jié)點(diǎn)類型同方案二，并入節(jié)點(diǎn)號不同；

表1 方案一DG并網(wǎng)參數(shù)

方案一中并入的4個DG都為PQ節(jié)點(diǎn)類型，通過該方案與原始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)果對比，可以得出接入PQ節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)脆弱性帶來的影響，為了更好地測試不同節(jié)點(diǎn)類型對系統(tǒng)脆弱性的不同程度的影響，在方案二中加入4種不同種類的節(jié)點(diǎn)型DG，如表2所示。

表2 方案二DG并網(wǎng)參數(shù)

方案二中DG4為異步風(fēng)電發(fā)電機(jī)，額定電壓為0.69 kV，定子電抗0.00453 Ω，轉(zhuǎn)子電抗0.149152 Ω，定子電抗與轉(zhuǎn)子電抗之和0.199904 Ω，轉(zhuǎn)子電阻0.00486 Ω，勵磁電抗2.205952 Ω，單組電容器的額定容量40 kvar，初始功率因數(shù)0.9。

方案三中4個DG種類以及參數(shù)均與方案二相同，把DG1的并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)從4號改到16號，其他3個DG的節(jié)點(diǎn)位置保持不變。通過對比分析方案二和方案三可以得出不同的并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)產(chǎn)生的不同程度的影響。

根據(jù)公式(6)～(11)，仿真計(jì)算出原始網(wǎng)絡(luò)以及各種方案的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行脆弱性，并根據(jù)公式(12)～(13)得出綜合脆弱度如表3所示。

表3 DG加入前后節(jié)點(diǎn)綜合脆弱度

由表3和圖2結(jié)果可知，相對于原始網(wǎng)絡(luò)，加入4個DG之后的節(jié)點(diǎn)綜合脆弱度均有所降低；對比方案一和二，當(dāng)4個DG為不同類型的節(jié)點(diǎn)時(shí)，其綜合脆弱度比相同節(jié)點(diǎn)類型時(shí)的脆弱度更低，比如節(jié)點(diǎn)7，從0.0976降到了0.0743，降低了23.87%，節(jié)點(diǎn)30，從0.1059降到了0.0897，降低了15.30%；對比方案二和三可知，當(dāng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號從4號改到16號之后，各節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱度均有所降低，如節(jié)點(diǎn)17，從0.1074降到了0.0752，降低了29.98%，且節(jié)點(diǎn)16號的脆弱度從0.0988降到了0.0596，降低了39.68%，降低幅度較大，說明在節(jié)點(diǎn)16號并入DG能夠更好地降低系統(tǒng)的綜合脆弱度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定安全系能。為更好地分析系統(tǒng)整體脆弱性的變化，系統(tǒng)綜合脆弱性列表如圖2所示。

圖2 DG加入前后節(jié)點(diǎn)綜合脆弱度

表4 各方案系統(tǒng)綜合脆弱度

圖3 各方案系統(tǒng)綜合脆弱度

由表4和圖3結(jié)果可知，各個方案的系統(tǒng)脆弱性均有所降低，加入4個DG之后的系統(tǒng)綜合脆弱度從2.9241降到了2.7058，降低了7.47%，方案二從2.9241降到了2.3164，降低了20.78%，方案三降低了34.75%，說明DG的加入能夠很好的降低系統(tǒng)的脆弱性，提高系統(tǒng)的安全性能，且當(dāng)加入不同類型DG之后的系統(tǒng)綜合脆弱度更低，系統(tǒng)更安全，另外當(dāng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生改變后，系統(tǒng)的綜合脆弱度也相應(yīng)變化，且并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)從4改到16號之后，系統(tǒng)的脆弱性更加低，說明不同的并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)脆弱度有不同的影響，且當(dāng)合理并網(wǎng)的時(shí)候能夠有效降低系統(tǒng)脆弱度，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能。

表5為原始網(wǎng)絡(luò)以及方案三的十個節(jié)點(diǎn)的脆弱度排序結(jié)果，由表中結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)13、17、29、16、30排序變化明顯，表明DG的接入會改變節(jié)點(diǎn)脆弱度的排序，對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱度有不同程度的影響，是因?yàn)榉植际诫娫吹慕尤敫淖兞讼到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而改變系統(tǒng)的綜合脆弱性，另外如節(jié)點(diǎn)6、7、3等的排序沒有變化，說明脆弱性還受電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)的影響。

表5 加入DG之后節(jié)點(diǎn)脆弱度排序結(jié)果

4 總結(jié)

本文結(jié)合系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)重要度，線路電抗值，節(jié)點(diǎn)度數(shù)以及電壓質(zhì)量，有功功率平衡度等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，確定微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和運(yùn)行脆弱性指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)造加權(quán)的綜合脆弱性指標(biāo)，通過各算例的仿真結(jié)果表明，分布式電源的接入能夠有效的降低系統(tǒng)的脆弱度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的安全性能，且不同類型DG以及不同并網(wǎng)點(diǎn)對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱度的影響各不相同，節(jié)點(diǎn)脆弱度的排序也發(fā)生了變化，是因?yàn)榉植际诫娫吹募尤敫淖兞讼到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而改變了系統(tǒng)的綜合脆弱度。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理適當(dāng)?shù)丶尤敕植际诫娫匆越档拖到y(tǒng)脆弱度，減少發(fā)現(xiàn)奔潰的可能，以提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能。

另外，可深入研究加入DG容量和位置對系統(tǒng)脆弱性的影響，以便更好地找出系統(tǒng)的脆弱節(jié)點(diǎn)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù)。