針對含分布式電源的配網(wǎng)無功補償方法研究

李重香

（皋蘭縣城郊供電公司，甘肅 皋蘭 730200）

1 分布式發(fā)電的基本概述

1.1 基本內(nèi)涵

分布式發(fā)電是含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)的接入表現(xiàn)形式，即在一定區(qū)域內(nèi)規(guī)劃基于發(fā)電設(shè)備的多形式電能生產(chǎn)，滿足區(qū)域大規(guī)模配電用電需求。

通常，分布式電源設(shè)置在用電負荷集中和發(fā)電設(shè)施附近位置，配置時需將此能源的規(guī)模納入計算之中。鑒于分布式電源接近電力用戶，多選擇小型模塊發(fā)電設(shè)備形式，既可集成在大型分布式發(fā)電電源之上，也可獨立使用，且容量在50 mW以下。為滿足大規(guī)模區(qū)域供電需求，當前我國多采用集中式供電與分布式供電混合形式。而隨著發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，小型的分布式發(fā)電設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，可借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)勢，為可再生能源的有效利用創(chuàng)造新的發(fā)展路徑[1]。

1.2 基本特征

（1）地區(qū)配網(wǎng)供電多采用含分布式電源的配網(wǎng)設(shè)備，該設(shè)備建設(shè)工期較短，且投資較少，多使用風(fēng)能、太陽能與水能等可再生能源，環(huán)境污染可能性小且成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模供電。

（2）接近電力用戶，輸電路徑短且輸電簡單，不會出現(xiàn)太大損耗，通常分布式電源均可靠近用戶側(cè)實現(xiàn)直接供電，無需花費大量資金建設(shè)高壓輸電線路。

（3）污染小，且與環(huán)境的相容性強。當前，含分布式電源的設(shè)備包括諸多可再生能源發(fā)電設(shè)備，如太陽能發(fā)電機、水利發(fā)電站等。這些發(fā)電設(shè)備少有污染排放且發(fā)電噪聲小，實現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)較好的環(huán)境相容性和對能源供應(yīng)壓力的有效緩解。

（4）分布式發(fā)電系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)運行，提供全面的遠程支持且具備一定的補充價值，可減緩整個系統(tǒng)的供電壓力。當前，分布式發(fā)電系統(tǒng)的改造大多圍繞可再生能源展開，如地?zé)?、水利、風(fēng)力、光伏與生物質(zhì)能發(fā)電等。當然，燃料發(fā)電與蓄電池儲能兩種相對傳統(tǒng)的發(fā)電配電方式同樣有重要使用。

分布式發(fā)電系統(tǒng)擁有的交流系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。同時，它也具備直流系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)，選用哪一種類型要結(jié)合配網(wǎng)地區(qū)的實際情況、建設(shè)成本以及電磁干擾等因素。從圖1可以看出，分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制中心負責(zé)監(jiān)控整個供電系統(tǒng)的主要工作情況，如電源發(fā)電情況、負荷用電情況與電壓頻率等。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 含分布式電源配網(wǎng)的無功優(yōu)化基本思路

隨著城市建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，分布式電源已被廣泛應(yīng)用于地區(qū)電力系統(tǒng)之中。在實際應(yīng)用過程中，對含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)開展無功補償屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)。考慮到地方電網(wǎng)系統(tǒng)與分布式電源互相存在影響，當分布式電源接入到傳統(tǒng)電網(wǎng)后，電網(wǎng)潮流分布運行方式會發(fā)生變化，對系統(tǒng)造成消極與積極雙重影響。其中，積極影響指它能夠有效改善系統(tǒng)運行方式，確保電網(wǎng)運行足夠安全穩(wěn)定。具體有如下幾點：（1）在分布式電源接入后，地區(qū)配網(wǎng)的峰值與負荷調(diào)整變得更加靈活，有效加大電力系統(tǒng)的備用容量；（2）考慮到分布式電源建設(shè)投入較大，采用該種措施可在一定程度上減少某些不必要的發(fā)電站建設(shè)工程，節(jié)約電廠建設(shè)投資費用；（3）通過將分布式電源安裝在接近負荷的位置，可降低傳輸網(wǎng)絡(luò)損耗，解決偏遠山區(qū)供電困難問題[2]。

3 含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)潮流計算

在含分布式電源配網(wǎng)實施的的潮流計算主要采用牛頓—拉夫遜法，可有效求解以潮流形式表示的非線性方程式組。首先，利用牛頓法潮流計算地區(qū)配網(wǎng)所有節(jié)點，選取最高電壓頂點，并選擇合理平衡節(jié)點，將該平衡節(jié)點與其他節(jié)點電壓相位進行參考對比，結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)生成導(dǎo)納矩陣，分別計算含分布式電源地區(qū)配網(wǎng)的基本電阻、電納與電抗，最終賦予節(jié)點電壓初值，將電壓初值代入修正方程式矩陣，計算出修正節(jié)點電壓向量。

在上述計算分析中，所提到的節(jié)點類型中含有PQ節(jié)點，PQ節(jié)點分別圍繞有功功率P和無功功率Q展開，進而通過節(jié)點電壓V明確未知相位，形成PV節(jié)點。通常，該類節(jié)點不與發(fā)電設(shè)備相匹配，其發(fā)電功率計為0。若發(fā)現(xiàn)發(fā)電功率不為0，則表示系統(tǒng)中區(qū)域配電的送出功率在一定時間內(nèi)固定且電網(wǎng)發(fā)電量較大，此時為該區(qū)域的發(fā)電潮流計算設(shè)置PQ節(jié)點，保證區(qū)域配網(wǎng)輸電的絕大部分節(jié)點皆圍繞PQ節(jié)點展開。

4 含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)無功補償優(yōu)化方法與算例分析

4.1 建立無功補償優(yōu)化基本流程

地區(qū)配網(wǎng)中分布式電源多圍繞PQ節(jié)點展開，實際上是對PV節(jié)點的處理，可基于風(fēng)機發(fā)電和水利發(fā)電兩種形式研究含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)無功補償優(yōu)化方法。針對含分布式電源配網(wǎng)的輸電無功補償優(yōu)化流程如下：

（1）圍繞區(qū)域電網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)、發(fā)電機數(shù)據(jù)以及支路數(shù)據(jù)展開分析，并將這些數(shù)據(jù)全部輸入到matlab表格；

（2）結(jié)合電網(wǎng)電壓分析無功、變壓器分接頭等相關(guān)約束條件，建立初始種群；

（3）計算各種群中每一個體對應(yīng)的網(wǎng)損值，找出其中最小的網(wǎng)損值，對其進行賦值并得出Gbest；

（4）設(shè)置初始進化代數(shù)為0，建立網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建區(qū)域配網(wǎng)輸電的無功補償優(yōu)化鄰接矩陣；

（5）為上述模型加入隨機化條件，保證模型鄰域拓撲結(jié)構(gòu)的絕對完整；

（6）開展量子進化算法計算，分析其中的量子旋轉(zhuǎn)門，找出旋轉(zhuǎn)門中可能存在的全部干擾交叉項，并結(jié)合這些交叉項進行個體更新分析；

（7）圍繞新的種群開展計算，計算出群體中每一個體的網(wǎng)損值，并與之前的Gbest進行對比分析，若Gbest值更小，則要為其重新賦值。

（8）計算得出迭代結(jié)果，同時設(shè)定迭代次數(shù)，若迭代沒有完成需要重新進行無功補償優(yōu)化鄰接矩陣的建立，直至計算得出輸出結(jié)果方能結(jié)束整個程序。

4.2 算例簡析

結(jié)合算例進行實證分析，對地區(qū)配網(wǎng)輸電的無功補償效果開展優(yōu)化。某地區(qū)配網(wǎng)擁有190個節(jié)點、200條線路和2個平衡節(jié)點，還配置有52個無功補償節(jié)點、60臺變壓器與5臺風(fēng)機，采用風(fēng)機無功補償方式對其進行優(yōu)化，并按照風(fēng)機額定功率配合PQ節(jié)點進行電能輸出。

在計算中，針對電網(wǎng)系統(tǒng)實施35次無功補償優(yōu)化算法，獲得仿真結(jié)果，進而得出最優(yōu)解節(jié)點分布，如圖2所示。

圖2 無功補償優(yōu)化最優(yōu)解節(jié)點分布圖

對于節(jié)點數(shù)據(jù)，主要分析其數(shù)據(jù)降損率與標幺值?？梢钥紤]將分布式電源從地區(qū)配網(wǎng)電網(wǎng)中去掉，然后運用無功補償優(yōu)化算法進行35次的無功優(yōu)化仿真計算，計算得出分布節(jié)點的平均值為0.088 3 pu，證明分布式電源對區(qū)域配網(wǎng)的有功損耗影響較大[3]。

考慮對不同節(jié)點實施無功補償優(yōu)化，需要控制風(fēng)機出力的變量數(shù)據(jù)，特別是對發(fā)電機的節(jié)點電壓、無功補償總量與變壓器分接頭電源檔位等進行深度分析。如將風(fēng)機與地區(qū)配網(wǎng)相連接，并建立含分布式電源的無功優(yōu)化補償模型，則可運用無功補償優(yōu)化算法對所轄地區(qū)的無功補償優(yōu)化電能進行仿真計算，但獲得的計算結(jié)果具有實效性，且需保證所有算法指標皆與算法相匹配，滿足計算規(guī)則與結(jié)果要求。在對算法進行優(yōu)化后，平均降損率最大可達55.9%，表明該算法具備較強的全局尋優(yōu)能力，對區(qū)域內(nèi)電壓質(zhì)量與網(wǎng)損的降低控制效果顯著，無功補償效果與收斂穩(wěn)定性良好，可提高電網(wǎng)的電能輸送質(zhì)量。

5 結(jié) 論

通過分析含分布式電源的地區(qū)配網(wǎng)的無功補償原則、特征及算法等內(nèi)容，證實開展無功補償優(yōu)化可實現(xiàn)高效降損，確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，值得廣泛推廣與應(yīng)用。