基于越限風(fēng)險(xiǎn)評估的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)適應(yīng)性研究

王 洲, 楊昌海, 彭 婧, 楊婷婷, 白永利

(國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 甘肅 蘭州 730050)

太陽能是我國重要的可再生能源之一，分布式光伏己經(jīng)成為太陽能利用的重要途徑.近年來，由于分布式光伏發(fā)電成本降低、技術(shù)成熟及政策利好等原因，使得分布式光伏發(fā)電得到較大發(fā)展.

隨著區(qū)域分布式光伏滲透率的不斷增大，配電網(wǎng)逐步由傳統(tǒng)的無源、潮流單向向有源、潮流雙向轉(zhuǎn)變，并對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的沖擊.特別是在偏遠(yuǎn)農(nóng)村光伏扶貧地區(qū)，由于配電網(wǎng)自動化水平較低，大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)已經(jīng)給當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，個別地區(qū)甚至出現(xiàn)了電壓越限、潮流越限及潮流向上一級電網(wǎng)倒送等一系列問題，因此基于風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究分布式光伏接入配電網(wǎng)的適應(yīng)性，有利于為分布式光伏的安全并網(wǎng)提供科學(xué)合理的技術(shù)指導(dǎo)和政策支撐.

現(xiàn)有部分研究工作集中于分布式光伏接入配電網(wǎng)引起的電壓波動和潮流越限分析.黃煒等[1]建立了分布式電源(DG，distributed generator)引起的電壓偏差和電壓波動模型，分析了DG可接入電源容量極限；劉健等[2]以城市配電網(wǎng)和農(nóng)村配電網(wǎng)典型參數(shù)為例，建立了DG在各種分布下引起的電壓波動數(shù)學(xué)模型，研究了允許接入的DG準(zhǔn)入容量范圍；李升[3]建立了DG接入0.4 kV配電網(wǎng)典型仿真模型，分析了在DG接入配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時，DG出口母線暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性；郭鵬超等[4]在考慮無功負(fù)荷和線路阻抗的情況下，分析了DG不同接入位置對準(zhǔn)入容量極限的影響；Abad、Al-Saadi等[5-6]從配電網(wǎng)規(guī)劃可靠性角度分析了DG接入對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響；李清然等[7]提出了DG的有功/無功綜合控制方案，能夠在節(jié)點(diǎn)電壓越限的情況下，利用逆變器吸收感性無功功率，有效避免由DG接入引起的電壓越限問題；趙波等[8]建立了合理的光伏滲透率指標(biāo)群，通過研究DG容量對光伏滲透率指標(biāo)群的影響來確定DG接入配電網(wǎng)準(zhǔn)入容量，為區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏電源發(fā)展規(guī)劃提供參考;劉健、李濱等[9-10]在接入點(diǎn)母線電壓允許上限的前提下，推導(dǎo)了電壓越限臨界點(diǎn)對應(yīng)的允許DG接入最大容量模型.

但是在實(shí)際工程中，分布式光伏接入配電網(wǎng)準(zhǔn)入容量受并網(wǎng)點(diǎn)線路截面、變電站容量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等多方面條件的限制.與以上文獻(xiàn)采用的電壓偏差分析方法不同的是，本文在考慮配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流風(fēng)險(xiǎn)越限評估，對分布式電源的準(zhǔn)入容量進(jìn)行分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上，還考慮了支路潮流雙向流動、分布式光伏可為就近負(fù)荷提供備用電源的現(xiàn)實(shí)因素,即在對含分布式光伏的配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估時，在傳統(tǒng)的電壓偏差評估體系基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn).通過選取甘肅光伏扶貧重點(diǎn)區(qū)域通渭縣配電網(wǎng)網(wǎng)架典型案例，驗(yàn)證了基于風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究分布式光伏接入配電網(wǎng)適應(yīng)性的合理性和正確性.

1 分布式光伏電源接網(wǎng)拓?fù)?/h2>

1.1 分布式光伏電源接網(wǎng)拓?fù)?/h3>

由于分布式光伏電源自身特點(diǎn)，其可以靈活地選擇并網(wǎng)方式和并網(wǎng)點(diǎn)，如圖1所示.分布式光伏通過電源輸出匯總點(diǎn)或升壓站高壓側(cè)母線節(jié)點(diǎn)并入配電網(wǎng)，接入點(diǎn)為電源上網(wǎng)負(fù)荷和下網(wǎng)負(fù)荷的潮流匯集平衡點(diǎn)，分布式光伏系統(tǒng)通過公共連接點(diǎn)與公用大電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流通.

通常分布式光伏接入配電網(wǎng)的技術(shù)要求與其裝機(jī)容量密切相關(guān)，并網(wǎng)容量需與并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級相匹配.并網(wǎng)電壓等級應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)條件，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選論證確定.

1.2 分布式光伏接入配電網(wǎng)典型模式

根據(jù)分布式電源接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)規(guī)范和算例分析區(qū)域通渭地區(qū)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)實(shí)際網(wǎng)架，分布式光伏電源在不同電壓等級下并網(wǎng)典型接線有3種模式,如圖2所示.

2 研究模型建立

2.1 分布式光伏電源建模

根據(jù)電子學(xué)理論，太陽能光伏電池的等效電路如圖3所示.

太陽能光伏電池的發(fā)電狀態(tài)的電流方程為

I=Iph-Id-Ish

(1)

由電子學(xué)理論可知，太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型可等效為

(2)

式中:I為光伏電池輸出電流;V為光伏電池輸出電壓;Iph為光生電流;I0為二極管飽和電流;Ish為流過二極管的電流;q為電子的電荷量;Rsh為光伏電池的并聯(lián)電阻;Rs為光伏電池的串聯(lián)電阻;A為二極管特性因子;K為玻爾茲曼常數(shù);T為光伏電池溫度.

本文在光伏電源建模中考慮以下近似條件，在光伏電池中，并聯(lián)電阻Rsh阻值很大，而串聯(lián)電阻Rs阻值則非常小，使得(V+RsI)/Rsh遠(yuǎn)小于光伏電池的電流，通常將該項(xiàng)忽略，則下面兩式成立：

此外，還需要考慮光伏電池處于最大功率點(diǎn)和開路狀態(tài)情況條件下，電壓和電流的關(guān)系.

1) 處于最大功率點(diǎn)時，V=Vm，I=Im，則

(5)

2) 開路狀態(tài)下，V=Voc，I=0，則

(6)

綜合以上對光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的分析，可將式(4)簡化為

I=Isc[1-C1(eV/(C2Voc)-1)]

(7)

本模型只需要輸入太陽電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc、Voc、Im、Vm，就可以根據(jù)下式得出C1、C2：

C1=eV/(C2Voc)(1-Im/Ic)

(8)

(9)

最后得出太陽電池的I-V特性曲線.

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選取

根據(jù)上文建立的光伏電源數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/simulink環(huán)境下，搭建分布式光伏電源仿真模型，以通渭縣配電網(wǎng)網(wǎng)架實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真.分布式光伏電源以圖2所示接線模式接入IEEE34標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行分布式光伏電源接入配電網(wǎng)適應(yīng)性研究，系統(tǒng)接線如圖4所示.

該系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓為24.9 kV，根節(jié)點(diǎn)參考電壓為1.03 p.u.=25.647 kV，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量S=1 MVA，廠站端分布式電源按圖2模式接入.本文通過調(diào)整分布式光伏電源的位置與容量，分別計(jì)算配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓與潮流的越限概率以及電壓與潮流越限的風(fēng)險(xiǎn)值.通過風(fēng)險(xiǎn)值指標(biāo)，確定分布式電源的規(guī)劃接入位置與容量.

3 基于電壓和潮流越限的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)模型

建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，通過概率與后果兩個因素來綜合反應(yīng)由分布式光伏引起的電壓和潮流越限可能性和嚴(yán)重性.本文對分布式光伏接入配電網(wǎng)適應(yīng)性主要基于電壓與潮流越限的風(fēng)險(xiǎn)值指標(biāo)進(jìn)行研究.根據(jù)不同位置不同容量的光伏電源接入對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的影響來確定分布式光伏接入容量和接入點(diǎn).

本文主要考慮分布式電源的隨機(jī)出力擾動和負(fù)荷波動給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)，建立節(jié)點(diǎn)電壓越限和支路潮流越限評估指標(biāo)來定量評價(jià)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)水平.運(yùn)用隨機(jī)潮流計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流的概率分布，求出其概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)，根據(jù)累積分布函數(shù)求得各節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流越限的概率，再通過建立的嚴(yán)重度指標(biāo)求出越限風(fēng)險(xiǎn)大小.

1) 節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i電壓越上限和越下限的概率計(jì)算公式如下：

(10)

采用電壓偏移量作為風(fēng)險(xiǎn)定義中的嚴(yán)重性后果函數(shù)，節(jié)點(diǎn)電壓越上限和越下限的嚴(yán)重度指標(biāo)計(jì)算如下式：

(11)

式中:Vi表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值;Vmin、Vmax為節(jié)點(diǎn)i所允許的電壓幅值的上下限，本文假設(shè)其上下限分別為1.05和0. 95；F(V)表示節(jié)點(diǎn)電壓的累積分布函數(shù).

定義電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為

(12)

2) 支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后支路越限概率的計(jì)算中只關(guān)注到支路潮流是否過載，即考慮支路潮流越上限問題，支路ij潮流越上限和越下限的概率計(jì)算公式及潮流過載的嚴(yán)重度函數(shù)如下式：

式中：Sij為支路ij的有功潮流;Sij,max為支路ij所允許的有功潮流的上限，假設(shè)其上限為正常值的1.3倍，正常值為未接入分布式電源情況下支路的功率期望值;F(Sij,max)表示支路潮流的累積分布函數(shù).

定義支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為

RS=PS(Sij)Sev(Sij)

(15)

4 仿真分析

4.1 節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流越限分析

基于依據(jù)實(shí)際典型接線模式建立的分布式光伏模型、節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)評估模型及IEEE34標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)，分別在以下兩種情況下進(jìn)行仿真分析.

1) 分布式光伏電源位接入點(diǎn)為第24節(jié)點(diǎn)，接入容量分別為0.8、1.2、1.6 MW，IEEE34各節(jié)點(diǎn)電壓越限概率及越限風(fēng)險(xiǎn)值曲線分別如圖5和圖6所示，支路潮流越限概率及越限風(fēng)險(xiǎn)值曲線如圖7和圖8所示.

2) 當(dāng)容量為0.55 MW的分布式光伏電源在給配電網(wǎng)系統(tǒng)中位置變動，分別接入6節(jié)點(diǎn)、10節(jié)點(diǎn)、14節(jié)點(diǎn)、20節(jié)點(diǎn)、25節(jié)點(diǎn)及30節(jié)點(diǎn)時，對IEEE34系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流的影響分別如圖9和圖10所示.

4.2 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)準(zhǔn)入容量分析

當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中共有22個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的有功負(fù)荷為0.02 MW，且位于同一條支路上時，其配電網(wǎng)系統(tǒng)連接如圖11a所示.該系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為1 MVA，基準(zhǔn)電壓為24.9 kV，每段支路的電阻為0.002 Ω，電抗為0.000 9 Ω.經(jīng)本文建立的節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)評估模型分析，在電壓和潮流均不越限的情況下，不同位置接入分布式光伏電源的允許最大容量見表1.

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)不變，22節(jié)點(diǎn)均勻分布于多條支路上時，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11b所示，同樣在電壓和潮流均不越限的情況下，不同位置接入分布式光伏電源的允許最大容量見表1.

22節(jié)點(diǎn)場景1和場景2的系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)一定時，支路長度越長允許接入的分布式電源容量越大；同時，越靠近支路末端允許接入的分布式電源容量越小.

表1 分布式光伏電源準(zhǔn)入容量

5 結(jié)論

本文對分布式光伏電源接入配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論，通過分析建立分布式光伏電源數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了用于分析分布式光伏電源接入配電網(wǎng)適應(yīng)性研究的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型，運(yùn)用隨機(jī)潮流下節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流的概率分布，重點(diǎn)建立了節(jié)點(diǎn)電壓和支路潮流越限風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)模型，通過在具有實(shí)際參數(shù)配電網(wǎng)模型不同場景下的仿真研究，驗(yàn)證了本文建立的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)模型的合理性與正確性，對研究分布式光伏電源接入配電網(wǎng)適應(yīng)性具有一定的參考作用.