何若太, 張曉燕, 張 航, 黃 堃, 趙 銳
(1.國網(wǎng)大同供電公司, 山西 大同 037008; 2.國網(wǎng)南瑞科技股份有限公司, 江蘇 南京 211106; 3.南京師范大學 電氣與自動化工程學院, 江蘇 南京 210046)
大量化石能源的使用對環(huán)境造成嚴重的污染, 使用太陽能和風能等可再生能源可以有效緩解環(huán)境污染問題,并實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。但光伏和風力輸出電壓不穩(wěn)定,隨機波動性大。隨著太陽能和風能在電網(wǎng)中的滲透率越來越高, 對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量造成了一定程度的影響[1]。 文獻[2]基于多智能體技術(shù)提出了一種含分布式電源的配電網(wǎng)的電壓協(xié)調(diào)控制策略, 提高配電網(wǎng)的電壓靜態(tài)穩(wěn)定性。 文獻[3]針對分布式電源出力波動, 提出了分布式電源高滲透率下的配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化方法。 文獻[4]通過分布式電源與有載調(diào)壓變壓器分接頭、無功補償裝置配合,優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)損與治理電壓偏差。
本文首先建立了光伏電池和風力發(fā)電系統(tǒng)模型,說明分布式電源輸出功率的波動特征;其次,借鑒復雜系統(tǒng)的脆性理論, 定義了有分布式能源接入的配電網(wǎng)的脆性基元, 制定了脆性源的辨識流程;然后,確定了IEEE33 節(jié)點配電系統(tǒng)的脆性基元, 并通過觀察脆性基元上節(jié)點電壓的波動情況驗證該風險辨識方法的可行性;最后,對本研究工作進行了總結(jié)。
光伏和風能為主的分布式可再生能源在配電網(wǎng)中的滲透率越來越高, 提高了能源利用的靈活性[5]。 然而其間歇性和不確定性,影響了配電網(wǎng)的電壓水平,降低了供電可靠性[6]。
光伏電池通常由硅構(gòu)成, 其電路模型如圖1所示[7]。
圖1 光伏電池等效模型Fig.1 Photovoltaic battery equivalent model
由圖1 可得光伏電池的輸出電流為
式中:Iph為光子激發(fā)的電流;Io為無光照時二極管的反向飽和電流;q 為電子的電荷量;k 為波爾茲曼常數(shù);A 為二極管的特性因子;T 為環(huán)境溫度;RS為光伏電池的內(nèi)部等效電阻。
光伏電池輸出特性如圖2 所示。
圖2 光伏電池的輸出特性Fig.2 Photovoltaic cell output characteristics
為了反映單位時間的風速變化, 采用從風速的韋伯分布中抽樣得到風速值,并判斷是否處于風電機組正常運行的風速范圍內(nèi), 再根據(jù)風電機組的功率輸出模型計算風電機組的輸出功率。 風電機組輸出功率分段函數(shù)為[8],[9]
式中:Pw為風機實際輸出功率;V 為實際風速;Pwn為風機額定輸出功率;Vci為切入風速;Vco為切出風速;Vn為額定風速。
由此可知,風電機組的輸出功率與風速有關(guān)。在實際應(yīng)用時, 風速往往隨著自然界實時的溫度和氣壓等因素變化, 因此風電機組的輸出功率也呈現(xiàn)波動的態(tài)勢。
脆性理論是當復雜系統(tǒng)的某一小部分受到擾動或者沖擊產(chǎn)生故障時, 由此引起復雜系統(tǒng)的其他部分也受到直接或者間接的影響而故障, 最后導致整個系統(tǒng)的崩潰[10]。 脆性理論同樣適用于配電網(wǎng)中。當有分布式能源接入配電網(wǎng)時,配電網(wǎng)的潮流分布發(fā)生改變, 潮流的傳遞性使得配電網(wǎng)各個節(jié)點的電壓都相應(yīng)地發(fā)生不同程度的變化[11]。配電網(wǎng)接入分布式電源容量越大, 節(jié)點電壓幅值越高。當某節(jié)點接入容量超過合理范圍時,引起電壓上升,超過正常的范圍,同時潮流的傳遞使得與該節(jié)點相連的節(jié)點電壓也上升, 這就是脆性理論在配電網(wǎng)中的體現(xiàn)。
配電網(wǎng)具有復雜系統(tǒng)脆性行為的3 個基本要素:脆性源、脆性聯(lián)系、脆性接受者。根據(jù)脆性理論分析,當在配電網(wǎng)的某個節(jié)點接入分布式能源時,配電網(wǎng)的潮流分布改變, 潮流的變化引起節(jié)點電壓變化的同時, 潮流的轉(zhuǎn)移會使得與該節(jié)點相連的節(jié)點也產(chǎn)生電壓波動。 當多個節(jié)點電壓的波動程度超過合理的范圍時, 配電網(wǎng)整體的電壓也不再穩(wěn)定。相應(yīng)地,若能夠采取措施使配電網(wǎng)所有節(jié)點的電壓波動都控制在較小的數(shù)值時, 配電網(wǎng)整體的電壓也可以處于穩(wěn)定的狀態(tài)。
將脆性理論運用于含分布式電源的配電網(wǎng)時, 配電網(wǎng)不同的節(jié)點對配電網(wǎng)潮流變化的反應(yīng)程度不同,這就與該節(jié)點所在線路的脆性度有關(guān);電壓波動的傳播主要是依靠配電網(wǎng)線路上潮流的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的, 這就與配電網(wǎng)線路之間的脆性關(guān)聯(lián)度有關(guān)。 因此, 分析配電網(wǎng)的電壓波動脆性行為, 首先要對配電網(wǎng)線路的脆性度和脆性關(guān)聯(lián)度進行定量分析, 繼而確定電壓波動脆性源線路和其它線路與其脆性聯(lián)系的程度, 從而確定脆性接收者線路,最終得到完整的脆性行為三要素。
定義配電網(wǎng)線路脆性度T 為
式中:N 為配電網(wǎng)線路數(shù);ηi為線路i 的負載率;Eij為線路i 斷開引起的線路j 的功率變化;Xi為線路 j 的電抗值;α 為線路 j 的過負荷權(quán)重;β 為線路j 的電壓越限權(quán)重。
在分析配電網(wǎng)的電壓波動脆性行為時, 線路的脆性度體現(xiàn)的是線路對配電網(wǎng)潮流變化的反應(yīng)程度,脆性度T 越大,說明該線路對潮流變化越敏感,越容易發(fā)生較大的電壓波動,該線路就是電壓波動脆性行為的脆性源線路。
定義配電網(wǎng)線路的熱穩(wěn)裕度μi為
式中:Pj,max,Pj,0分別 為某 一線 路 j 的有功 熱 穩(wěn) 極限、實際運行時的有功。
定義線路i 對線路j 的脆性關(guān)聯(lián)程度為
在分析配電網(wǎng)的電壓波動脆性行為時, 線路的脆性關(guān)聯(lián)度體現(xiàn)的是線路對脆性源線路電壓波動的響應(yīng)程度, 線路與脆性源線路的脆性關(guān)聯(lián)度I 越大, 說明該線路越容易接收到脆性源線路的電壓波動信息并進行響應(yīng),引起自身的電壓波動。
在確定配電網(wǎng)電壓波動脆性行為的脆性源線路和脆性聯(lián)系線路后,定義線路過載系數(shù)為
當配電網(wǎng)i 線路斷路, 導致另一線路j 出現(xiàn)過載,即 λj<0 時,該線路 i 為脆性接收者線路。
脆性源線路辨識流程如圖3 所示[12]。
圖3 脆性源線路辨識流程Fig.3 identification process of Brittle source line
按照該辨識流程, 首先通過對線路的脆性度T 進行排序, 依次將脆性度T 較大的線路定為電壓波動的脆性源線路; 然后通過計算其余線路在脆性源線路斷開時的過載系數(shù)和與脆性源線路的脆性關(guān)聯(lián)程度I, 確定電壓波動的脆性接收者線路也就是新的脆性源線路,循環(huán)往復,得到完整的一個電壓波動脆性行為環(huán)節(jié)要素。
本文基于IEEE33 節(jié)點配電系統(tǒng)搭建配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定風險辨識模型。IEEE33 節(jié)點配電網(wǎng)接線如圖4 所示。
圖4 IEEE33 節(jié)點配電系統(tǒng)接線圖Fig.4 IEEE33 node power distribution system wiring diagram
為了分析分布式電源接入對配電網(wǎng)節(jié)點電壓的影響, 需要反映分布式電源輸出功率的波動特征。 本文在不同節(jié)點依次接入系統(tǒng)總?cè)萘康?%,10%,15%,20%,25%,30%的分布式電源,觀察配電網(wǎng)節(jié)點電壓的變化。
根據(jù)式(3)計算得到IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)所有37 條線路的脆性度值,并按照從大到小的順序排列出脆性度最大的8 條線路, 其脆性度數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 脆性度最大的8 條線路Table 1 8 lines with the highest brittleness
根據(jù)辨識流程得到的表1 中脆性度最大的8條線路作為脆性源對應(yīng)的脆性基元,如表2 所示。
表2 IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)脆性基元Table 2 IEEE33 node system fragile primitive
選取脆性基元 L27-L5,L8-L5,L5-L2 在輸入節(jié)點處接入系統(tǒng)總?cè)萘康?%~30%的分布式電源,通過觀察各節(jié)點的電壓波動,驗證脆性源辨識的正確性。
①在L27-L5 的脆性源輸入節(jié)點27 處接入,各容量下各節(jié)點的電壓分布如圖5 所示。
圖5 節(jié)點27 電壓分布Fig.5 Voltage distribution after node 27
②在脆性基元L8-L5 的脆性源輸入節(jié)點8處接入,各容量下各節(jié)點的電壓分布情況見圖6。
圖6 節(jié)點8 電壓分布Fig.6 Voltage distribution after node 8
③在脆性基元L5-L2 的脆性源輸入節(jié)點5處接入,各容量下各節(jié)點的電壓分布如圖7 所示。
圖7 節(jié)點5 電壓分布Fig.7 Voltage distribution after node 5
由圖5,6 可知:與初始電壓相比,從脆性源輸入節(jié)點27,8 處電壓波動開始變大的同時,脆性接收者節(jié)點5 處電壓波動也變大;同理,圖7 中從脆性源輸入節(jié)點5 處電壓波動開始變大的同時,脆性接收者節(jié)點2 處電壓波動也變大, 即電壓波動經(jīng)歷了2 次增長的過程。
采用電壓變化率對分布式電源接入引起的配電網(wǎng)電壓波動程度進行量化處理, 達到全面精確分析的目的。電壓變化率越大,說明節(jié)點電壓波動的程度越大。 電壓變化率為
式中:L 為電壓變化率;Vi為當前節(jié)點電壓;Vi0為該節(jié)點原電壓。
根據(jù)上述量化指標,以節(jié)點27 為例,接入系統(tǒng)總?cè)萘康?%~30%的分布式電源時, 各節(jié)點的電壓變化率如表3 所示。由表可知:在脆性源節(jié)點27 處接入分布式電源時,該處電壓變化率開始增大,并且與之有電氣聯(lián)系的節(jié)點電壓變化率也隨之增大;同時對應(yīng)的脆性接收者節(jié)點5 處也經(jīng)歷一次電壓變化率增大的情況, 并且與之相聯(lián)系的節(jié)點電壓變化率也增大。 計算在節(jié)點8,5 處接入系統(tǒng)總?cè)萘康?%~30%的分布式電源時, 各節(jié)點的電壓變化率情況也可以得到相似的結(jié)論。
表3 節(jié)點27 接入時各節(jié)點電壓變化率Table 3 Voltage change rate of each node when node 27 is accessed
通過上述驗證可知, 配電網(wǎng)的脆性基元判斷正確。 只要采取一定的措施控制好脆性基元上節(jié)點的電壓波動, 后續(xù)節(jié)點的電壓波動也會相應(yīng)變小,線路上的電壓波動整體下降,保證了配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。
在脆性基元處接入分布式能源, 對配電網(wǎng)電壓波動的影響有:①分布式能源接入配電網(wǎng)時,接入容量越大,配電網(wǎng)電壓上升越明顯。 因此,在配電網(wǎng)的規(guī)劃中需要合理選擇分布式能源的接入容量, 并且要重點關(guān)注分布式能源接入點附近的節(jié)點的電壓波動; ②基于脆性理論辨識出配電網(wǎng)脆性基元, 并且發(fā)現(xiàn)若在脆性基元處接入分布式能源,對整個配電網(wǎng)的電壓波動的影響會加大,配電網(wǎng)各節(jié)點電壓上升的程度會加大。因此,必須制定相應(yīng)的風險預警和防御方法, 在脆性基元上節(jié)點電壓波動過大時,及時采取措施加以控制,以保持整個配電網(wǎng)的電壓水平。