有源智能配電網(wǎng)供電安全性與脆弱性的研究

張龍斌　袁瑤　孟晗輝

摘 要：針對(duì)分布式電源在智能配電網(wǎng)中的影響，該文著重分析了配電網(wǎng)現(xiàn)有變化，以及這些變化在配電網(wǎng)安全性與脆弱性評(píng)估產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)，并且研究了蒙特卡洛仿真法在配電網(wǎng)絡(luò)概率指標(biāo)計(jì)算中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分布式電源 智能配電網(wǎng) 蒙特卡洛法 安全性 脆弱性

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（b）-0015-02

隨著工業(yè)時(shí)代的快速發(fā)展，世界各國政府都在不同程度的鼓勵(lì)倡導(dǎo)發(fā)展可再生能源，以解決全球環(huán)境問題。這些新能源的利用，已經(jīng)成為人類社會(huì)節(jié)能減排、綠色低碳生活的重要手段。其中風(fēng)能和太陽能得到了飛速的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了小功率安裝。由于公眾的積極參與，形成了按總體平均功率量化的風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場。

大力改善分布式發(fā)電并網(wǎng)的目標(biāo)是不斷吸收新的發(fā)電容量，又能確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然而事實(shí)上，配電網(wǎng)原本不是用來直接接入發(fā)電廠的，更況且這些發(fā)電還是隨機(jī)的、間歇性的、不可調(diào)度的。因此，大多數(shù)新能源發(fā)電方式給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來了安全性和脆弱性的問題，配電網(wǎng)的相關(guān)評(píng)估方法也不得不適應(yīng)這些變化。

1 分布式電源對(duì)智能配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響

當(dāng)配電網(wǎng)接入分布式電源后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將由單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成了遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。如果只是引入少量的分布式電源對(duì)整個(gè)電網(wǎng)不會(huì)構(gòu)成太大的影響，然而，當(dāng)電網(wǎng)中存在較多的分布式電源單元時(shí)，將對(duì)電壓質(zhì)量、供電可靠性、線損等都會(huì)產(chǎn)生較大影響。

1.1 分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響

分布式電源接入配電網(wǎng)后，在穩(wěn)態(tài)情況下，由于饋線上減少了傳輸功率以及其輸出無功功率，使得并網(wǎng)點(diǎn)附近出現(xiàn)電壓提升。電壓被抬高的程度與其安裝位置和容量大小有關(guān)。分布式電源總出力越多，與負(fù)荷的比值越高，電壓提升的幅度就越大，整體電壓水平就越高；安裝點(diǎn)越接近系統(tǒng)母線，對(duì)線路電壓分布的影響越??；安裝位置如果集中在同一節(jié)點(diǎn)，對(duì)電壓的提升效果要小于分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的情況。同步發(fā)電機(jī)型設(shè)備的并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性具有負(fù)面影響，異步發(fā)電機(jī)型設(shè)備和逆變器型設(shè)備并網(wǎng)能改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。因此，合理的規(guī)劃分布式電源接入位置、接入容量，以及有效的協(xié)調(diào)其輸出有功、無功的配比，就能使其對(duì)配電網(wǎng)電壓，尤其是末端電壓起到良好的支撐作用。

1.2 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)頻率的影響

在正常運(yùn)行工作狀態(tài)下，整個(gè)電力系統(tǒng)在任意瞬間的頻率都應(yīng)該是相同的。頻率反應(yīng)了同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，有功功率的供需平衡確保了頻率的穩(wěn)定性，改變負(fù)荷容量或者發(fā)電機(jī)功率都可以改變頻率。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，或者通過改變出力來參與調(diào)頻調(diào)節(jié)，或者通過增加儲(chǔ)能來獲得功率儲(chǔ)備。目前尚無明確要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻，只要它們的裝機(jī)容量還保留有邊際功率，它們就很少影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

1.3 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響

分布式電源引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的原因在于其輸出的功率波動(dòng)很大，不確定性高。對(duì)于自然能發(fā)電系統(tǒng)來說，外界能源輸入的變動(dòng)是重要原因；對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，供熱要求的變動(dòng)會(huì)引起輸出功率改變；分布式電源的調(diào)度和運(yùn)行由設(shè)備產(chǎn)權(quán)所有者控制，可能會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)啟停機(jī)組；異步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中需要吸收無功功率，采用異步發(fā)電機(jī)的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備以抑制電壓波動(dòng)。此外，控制器的算法和參數(shù)設(shè)定也可能導(dǎo)致輸出功率變動(dòng)，帶有良好控制系統(tǒng)的逆變器，能夠很好的實(shí)現(xiàn)恒功率電壓源外特性，減少其不良影響。

1.4 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

分布式電源的位置、容量與負(fù)荷的相對(duì)大小以及電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素都能影響網(wǎng)損。當(dāng)其容量較小時(shí)，接入點(diǎn)的位置越靠近負(fù)荷中心，網(wǎng)損呈下降趨勢；而當(dāng)其容量大到某一限度時(shí)，網(wǎng)損開始增加，甚至?xí)笥诓⒕W(wǎng)前的網(wǎng)損。所以，引入分布式電源既可以增大網(wǎng)損，也可能減少網(wǎng)損。

1.5 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)諧波的影響

很多分布式電源是通過逆變器接入配電網(wǎng)的，電子開關(guān)器件頻繁的開斷可產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的諧波分量，功率變換器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了諧波的類型和嚴(yán)重程度，其中以IGBT為基礎(chǔ)的逆變器在正常運(yùn)行時(shí)能輸出較高質(zhì)量的電壓波形。而且，分布式電源的總?cè)萘空伎傌?fù)荷的比例越高，對(duì)諧波的影響越大；其安裝位置越接近線路末端，電壓波形畸變也越嚴(yán)重。

2 分布式電源對(duì)智能配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

分布式電源接入配電網(wǎng)后，單一電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成雙端或多端網(wǎng)絡(luò)，潮流分布及故障電流的幅值與方向都會(huì)發(fā)生改變。這些變化會(huì)給繼電保護(hù)的配置變得更復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：（1）分布式電源提供的故障電流降低了所在線路保護(hù)的測量值，使相應(yīng)的保護(hù)不能啟動(dòng)；（2）相鄰線路發(fā)生故障時(shí)，分布式電源提供短路電流，使其所在的線路檢測到電流越限，從而引起保護(hù)誤動(dòng)作；（3）如果某地區(qū)的分布式電源容量很大，將導(dǎo)致故障電流有大幅度的變化，因此必須提高其斷路器的容量，并且調(diào)整相應(yīng)保護(hù)的整定值；（4）大容量分布式電源并網(wǎng)使電壓升高很多，而在其退出后又導(dǎo)致線路電壓越下限，因此必須考慮電壓調(diào)整的問題。

目前，我國對(duì)含有分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究還處于探索階段，主要有如下研究方向：對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理調(diào)整，減少分布式電源對(duì)保護(hù)的不利影響；研究分布式發(fā)電設(shè)備本身的特點(diǎn)，提出新的保護(hù)配置理論；研發(fā)新型的繼電保護(hù)設(shè)備。

3 分布式電源對(duì)智能配電網(wǎng)自愈的影響

故障后快速恢復(fù)供電是智能電網(wǎng)自愈的基本要求。在故障恢復(fù)過程中，分布式電源的首要作用是支持電網(wǎng)從故障后到恢復(fù)正常的“黑啟動(dòng)”過程，其次為重要負(fù)荷提供持續(xù)供電的“孤島”模式。按照故障后分布式電源的狀態(tài)可以將孤島分為計(jì)劃孤島和非計(jì)劃孤島兩種類型。其中，非計(jì)劃孤島是一個(gè)沒有條件控制的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電和供電之間存在功率不平衡，孤島電網(wǎng)中沒有電壓、頻率控制，所以其特性是不確定的。非計(jì)劃孤島對(duì)配電網(wǎng)的自愈也將產(chǎn)生不利影響：非計(jì)劃孤島的電壓和頻率得不到有效的控制，無法保障用戶的供電質(zhì)量，而且還有可能損壞用電設(shè)備；系統(tǒng)故障后需要維修線路，而由于分布式電源的存在，將對(duì)線路檢修人員造成不可預(yù)計(jì)的人身危險(xiǎn)；非計(jì)劃孤島重新并網(wǎng)時(shí)，有可能會(huì)對(duì)外部電網(wǎng)造成沖擊，也有可能損壞孤島系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)電設(shè)備。endprint

4 智能配電網(wǎng)安全性與脆弱性評(píng)估方法

對(duì)電網(wǎng)安全性、脆弱性評(píng)估的概率指標(biāo)很多，其中包括年平均故障率、平均修復(fù)時(shí)間、年平均停電時(shí)間等等。從計(jì)算方法上可以分成以客戶為導(dǎo)向的指標(biāo)和以能源為導(dǎo)向的指標(biāo)兩種類型。以能源供給為導(dǎo)向的計(jì)算指標(biāo)有：未提供能源指數(shù)和平均未提供能源指數(shù)。以客戶為導(dǎo)向的計(jì)算指標(biāo)有：平均停電時(shí)間（配電網(wǎng)中運(yùn)行的客戶在一年時(shí)間內(nèi)的平均停電次數(shù)）、平均停電持續(xù)時(shí)間（電網(wǎng)中運(yùn)行的用戶在一年內(nèi)經(jīng)受的平均停電持續(xù)時(shí)間）、客戶平均停電頻率指標(biāo)（每個(gè)受停電影響的客戶在一年時(shí)間里面經(jīng)受的平均停電次數(shù)）、客戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)（在一年中被停電的客戶所經(jīng)受的平均停電持續(xù)時(shí)間）。

為了計(jì)算安全性與脆弱性指標(biāo)，一般有解析法和隨機(jī)仿真法。解析法給出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)簡化模型，由數(shù)學(xué)方法直接計(jì)算出指標(biāo)。隨機(jī)仿真法是將問題處理為一連串的仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，它通過記錄事件的次數(shù)來評(píng)估概率指標(biāo)。隨機(jī)仿真方法很多，其中經(jīng)常使用的是蒙特卡洛法，其一般算法包括六個(gè)方面的內(nèi)容：（1）概率密度函數(shù)；（2）隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；（3）采樣原則（規(guī)定采樣方法）；（4）將仿真結(jié)果的和累積；（5）評(píng)估誤差；（6）減小方差（用來減少給定精度下的計(jì)算時(shí)間）。蒙特卡洛仿真法可以得到每個(gè)用戶的概率指標(biāo)，為了提高計(jì)算效率，可以將供電層次和區(qū)域相同的用戶集合起來計(jì)算。

對(duì)分布式發(fā)電設(shè)備而言，當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，可以作為后備電源啟動(dòng)，這樣就極大地提高了供電的可靠性，從而改善系統(tǒng)的安全性與脆弱性指標(biāo)。分布式電源安裝位置越接近客戶端，相關(guān)指標(biāo)改善的效果就越好。

5 結(jié)語

分布式電源影響了配電網(wǎng)的運(yùn)行的安全性，同時(shí)也帶來了許多供電質(zhì)量問題，并將在未來幾十年內(nèi)更為明顯，可能需要重新考慮配電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則，甚至是改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，配電網(wǎng)安全性與脆弱性的評(píng)估方法也逐步完善，以找到可靠性水平與投資成本的最佳結(jié)合點(diǎn)。在供電安全性與脆弱性指標(biāo)研究方面，蒙特卡洛方法的地位越來越重要，而且隨著計(jì)算量呈指數(shù)增加，該方法很可能成為主流研究方法。蒙特卡洛仿真法不必為每個(gè)用戶分別建立研究模型，就可以計(jì)算出完整的概率評(píng)估指標(biāo)。也可以將蒙特卡洛法與解析法結(jié)合起來，根據(jù)系統(tǒng)的詳細(xì)程度和計(jì)算速度要求，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)處理，以達(dá)到更好的計(jì)算效果。

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