含分布式電源的配電網(wǎng)脆弱性分析

張凱

摘 要：電力系統(tǒng)中的某些脆弱環(huán)節(jié)會(huì)加劇故障的蔓延，如何準(zhǔn)確的辨識(shí)出這些脆弱環(huán)節(jié)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。一方面將配電網(wǎng)由單電源輻射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)，另一方面也改變了配電系統(tǒng)的潮流分布，進(jìn)而對(duì)脆弱線(xiàn)路的識(shí)別產(chǎn)生一定的影響。分布式發(fā)電可作為備用電源為高峰負(fù)荷提供電力，提高供電可靠性；可為邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶(hù)、商業(yè)區(qū)和居民供電；可作為本地電源節(jié)省輸變電的建設(shè)成本和投資、改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)電力能源可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：含分布式電源；配電網(wǎng)脆弱性

分布式電源（DG），通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶(hù)附近的高效、可靠的發(fā)電單元。主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電（光伏電池、光熱發(fā)電）、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等。它的投資少、占地小、建設(shè)周期短、節(jié)能、環(huán)保，對(duì)于高峰期電力負(fù)荷比集中供電更經(jīng)濟(jì)、有效。另外，當(dāng)前針對(duì)電力系統(tǒng)的脆弱性研究大多集中在輸電領(lǐng)域，很少涉及到配電系統(tǒng)。因此，建立一套符合電網(wǎng)實(shí)際物理意義的配電網(wǎng)脆弱線(xiàn)路識(shí)別體系變得尤為重要。

一、優(yōu)勢(shì)

目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式分別是集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離傳輸以及大電網(wǎng)互聯(lián)。由這三種方式組成的電力系統(tǒng)承擔(dān)著全世界90%的電力負(fù)荷。但是它也存在著局部事故易擴(kuò)散、容易受到戰(zhàn)爭(zhēng)或者恐怖勢(shì)力破壞以及無(wú)法靈活跟蹤電力負(fù)荷等等弊端。而分布式發(fā)電有著自身特有的優(yōu)勢(shì)，下面將對(duì)其作簡(jiǎn)單的介紹：（1）節(jié)能降耗。首先，分布式電源供電距離較集中發(fā)電方式短得多，網(wǎng)損降低明顯；其次，分布式電源則能夠提供多種形式的能量，能實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，典型的是冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)，符合“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原則，從而大大提高了能源的總體利用效率。（2）減少空氣污染。分布式發(fā)電以天然氣、輕油等清潔能源和風(fēng)力、水力、潮汐、地?zé)岬瓤稍偕茉礊榘l(fā)電原料，能夠有效減少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害氣體的排放。同時(shí)，由于分布式能源系統(tǒng)發(fā)電的電壓等級(jí)比較低，電磁污染比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電要小得多。（3）提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。由于分布式發(fā)電的削峰填谷、平衡負(fù)荷的作用，現(xiàn)有發(fā)輸電設(shè)施的利用率將大大提高，那些利用率極低、僅為滿(mǎn)足高峰負(fù)荷需要的發(fā)輸電設(shè)施將不再有建設(shè)的必要，大大地提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。此外，分布式發(fā)電還可以作為備用電源為高峰負(fù)荷提供電力，通過(guò)自身開(kāi)停機(jī)方便、操作簡(jiǎn)單、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)，與大電網(wǎng)配合，彌補(bǔ)其安全穩(wěn)定性方面的不足，在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下也可維持重要用戶(hù)的供電，大大提高供電可靠性。

二、含分布式電源的配電網(wǎng)脆弱性

1.目前，配電網(wǎng)中考慮脆弱性的DG 規(guī)劃研究。主要可歸結(jié)于以下3 個(gè)方面。（1）脆弱性因素的建模研究。脆弱性因素的建模研究是配電網(wǎng)中考慮不確定性的DG 規(guī)劃的基礎(chǔ)，其涉及風(fēng)電和光伏的出力特性、負(fù)荷的不確定性、未來(lái)電價(jià)的不確定性和燃料成本的不確定性等。（2）TDN 中的DG 規(guī)劃方法。DG 接入TDN 后，遵循“安裝即忘記”的原則，即DG 在運(yùn)行過(guò)程中不接受來(lái)自配電網(wǎng)的主動(dòng)管理和控制。目前，TDN 中考慮不確定性的DG 規(guī)劃方法主要有3 類(lèi)：第1 類(lèi)是基于多場(chǎng)景技術(shù)的規(guī)劃方法；第2類(lèi)是基于機(jī)會(huì)約束理論的規(guī)劃方法；第3 類(lèi)則是基于模糊數(shù)學(xué)理論的規(guī)劃方法。（3）ADN 中的DG 規(guī)劃方法。ADN 是目前智能配電網(wǎng)一種新的發(fā)展模式，能利用先進(jìn)的自動(dòng)化、通信和電力電子等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接入配電網(wǎng)的DG 和其他設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)管理。目前，ADN 中考慮不確定性的DG 規(guī)劃方法主要包括單層規(guī)劃方法和基于雙層規(guī)劃理論的雙層規(guī)劃方法。

2.DG 規(guī)劃。在TDN 中，DG 接入后遵照“安裝即忘記”的原則，這樣不僅無(wú)法充分利用DG 在降低網(wǎng)損、改善系統(tǒng)潮流分布等方面的積極作用，還很大程度上限制了DG 的滲透容量。針對(duì)TDN 的弊端，ADN 應(yīng)運(yùn)而生。ADN 是目前智能配電網(wǎng)一種新的發(fā)展模式，能利用先進(jìn)的自動(dòng)化、通信和電力電子等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)DG和其他設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)管理和控制。ADN 的出現(xiàn)給考慮不確定性的DG 規(guī)劃問(wèn)題帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在A(yíng)DN 中進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí)，除了需要計(jì)及各種不確定性因素的影響外，還需在規(guī)劃階段模擬ADN 的運(yùn)行和主動(dòng)管理措施。現(xiàn)有文獻(xiàn)中考慮的主動(dòng)管理措施主要包括調(diào)節(jié)DG的有功出力、調(diào)節(jié)DG 的功率因數(shù)、調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器抽頭、調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償裝置和切負(fù)荷等。目前，ADN 中進(jìn)行考慮不確定性的DG 規(guī)劃時(shí)，通常采用多場(chǎng)景技術(shù)或概率模型來(lái)處理各種不確定性因素。并利用概率最優(yōu)潮流技術(shù)或者概率潮流技術(shù)來(lái)計(jì)及不確定性因素。ADN 中考慮不確定性的DG 規(guī)劃方法可以歸納為2 類(lèi)：一類(lèi)是DG 單層規(guī)劃方法；另一類(lèi)是基于雙層規(guī)劃理論的DG 雙層規(guī)劃方法。

3.分布式電源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。受環(huán)境和氣候條件、用戶(hù)需求、政策法規(guī)等因素的影響，分布式電源的起停與投切，其不確定性易造成配電網(wǎng)明顯的電壓波動(dòng)和閃變。同時(shí)，分布式電源的控制設(shè)備和反饋環(huán)節(jié)的相互作用也會(huì)直接或間接引起電壓閃變；分布式電源采用基于電力電子技術(shù)的逆變器接入配電網(wǎng)，與傳統(tǒng)電網(wǎng)的方式有很大不同，開(kāi)關(guān)器件的頻繁開(kāi)關(guān)易產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波分量，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染；分布式電源常位于配電網(wǎng)的終端，離負(fù)荷較近，輸出的無(wú)功會(huì)使負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓升高，甚至超出電壓偏移標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)分布式電源退出運(yùn)行時(shí)，受其影響較大的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷又因缺少電壓支撐而遭受低電壓等嚴(yán)重電能質(zhì)量問(wèn)題，受影響程度的大小與分布式電源的類(lèi)型、位置和容量有關(guān)；大量分布式電源在電網(wǎng)隨機(jī)投入和退出運(yùn)行加大了電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性，使配電系統(tǒng)規(guī)劃者難于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)負(fù)荷增長(zhǎng)情況；配電網(wǎng)規(guī)劃是動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題，其動(dòng)態(tài)屬性同其維數(shù)密切相關(guān)，系統(tǒng)增加的大量分布式發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，使得在所有可能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)布置方案更加困難；

三、未來(lái)發(fā)展方向

1.考慮需求側(cè)響應(yīng)的DG 規(guī)劃。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，各種需求側(cè)響應(yīng)和管理應(yīng)運(yùn)而生。目前，對(duì)需求側(cè)響應(yīng)的研究包括直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷控制、緊急需求響應(yīng)機(jī)制、分時(shí)電價(jià)機(jī)制、可靠性電價(jià)機(jī)制和關(guān)鍵峰荷電價(jià)等。不同的需求側(cè)響應(yīng)方式具有不同的特性。因此，如何針對(duì)需求側(cè)響應(yīng)本身的特性進(jìn)行建模，并將其融入現(xiàn)有的考慮不確定性的DG 規(guī)劃模型將是未來(lái)智能配電網(wǎng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2.考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)接入的DG 規(guī)劃。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)已在配電網(wǎng)中得到了示范性應(yīng)用，能夠起到平抑間歇性DG 出力波動(dòng)和削峰填谷等作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要遵循充放電狀態(tài)約束、最大充放電功率約束、剩余容量約束和充放電次數(shù)約束等。若在DG 規(guī)劃階段考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入，其物理特性約束將使得配電網(wǎng)的前后運(yùn)行狀態(tài)之間存在時(shí)序耦合關(guān)系，意味著在規(guī)劃過(guò)程中需要模擬包括儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的時(shí)序動(dòng)態(tài)特性，這將大幅增加規(guī)劃模型的復(fù)雜度。因此，如何在進(jìn)行DG 規(guī)劃時(shí)合理地對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模并計(jì)及其帶來(lái)的時(shí)序動(dòng)態(tài)特性，將是未來(lái)研究的一大挑戰(zhàn)。此外，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需求側(cè)響應(yīng)和儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中得到了推廣，這大幅增加了規(guī)劃模型的復(fù)雜度。因此，研究規(guī)劃模型的合理簡(jiǎn)化方法、采用新思路或者新的數(shù)學(xué)理論來(lái)研究更高效的求解算法也將是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。

隨著分布式電源水平的不斷提高、設(shè)備性能的不斷改進(jìn)，分布式電源并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題也將被逐步解決，分布式電源也會(huì)逐步占據(jù)能源綜合利用上最重要的位置。

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