含分布式扶貧光伏電源的農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量研究

紀(jì)青春， 許建榮， 岳文華， 夏春輝， 李小燕

(1.國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730500)

0 引 言

分布式光伏發(fā)電接入農(nóng)村配電網(wǎng)是必然趨勢(shì)和必需選擇。農(nóng)村配電系統(tǒng)與用戶直接相連接，其特點(diǎn)是呈輻射狀運(yùn)行結(jié)構(gòu)，負(fù)荷分散，且線路較長(zhǎng)導(dǎo)致阻抗較大。農(nóng)網(wǎng)低壓線路一般以三相四線制的方式進(jìn)行供電，通常采用單相二線的供電方式，極少數(shù)采用三相動(dòng)力負(fù)荷。因此，農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不可忽略三相不平問(wèn)題，那么負(fù)荷的不平衡將導(dǎo)致零序電流流過(guò)中性線形成新的回路，且具有疊加性，中性線的零序電流大小為相線的三倍[1-2]。

目前, 不確定性潮流計(jì)算方法主要有概率潮流[3-4]、模糊潮流[5-6]和區(qū)間潮流[7]等3類計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8]提出了對(duì)于輸配電網(wǎng)的正、負(fù)以及零序分量較為適應(yīng)的動(dòng)態(tài)潮流計(jì)算方法，無(wú)法適用于中低壓型配電網(wǎng)。

考慮到配電網(wǎng)的輻射狀結(jié)構(gòu)與高阻抗比特性，將前推回代潮流算法應(yīng)用于配電網(wǎng)潮流計(jì)算時(shí)具有較好的精度與計(jì)算效率。首先對(duì)弱環(huán)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流分析，然后將前推回代法基本原理應(yīng)用于配電網(wǎng)的潮流計(jì)算中，通過(guò)MATLAB仿真軟件對(duì)潮流計(jì)算程序進(jìn)行運(yùn)行，且描述了通過(guò)概率潮流計(jì)算具有弱環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)方法，通過(guò)33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。然后在光伏出力服從Beta分布的基礎(chǔ)上提出基于半不變量法的概率潮流計(jì)算方法，利用概率評(píng)估方法評(píng)估農(nóng)網(wǎng)的電壓質(zhì)量。最后通過(guò)仿真研究且與蒙特卡羅模擬法進(jìn)行對(duì)比，表明此研究所提方法的普適性。

1 概率潮流算法理論基礎(chǔ)

1.1 概率潮流計(jì)算的線性化模型

本文采用概率潮流的線性化模型，其表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：X為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)量；W為節(jié)點(diǎn)注入功率量；Z為支路潮流功率量。將式(1)按照泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，然后做線性化處理，則可得到式(2)表達(dá)式。

(2)

式中：S0和T0為靈敏度矩陣；ΔW為各節(jié)點(diǎn)的注入擾動(dòng)量；ΔX為各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量擾動(dòng)量；ΔZ為各支路功率的擾動(dòng)量。

1.2 農(nóng)網(wǎng)電壓質(zhì)量的評(píng)估指標(biāo)

本文利用概率潮流進(jìn)行電壓質(zhì)量指標(biāo)的評(píng)估。電壓質(zhì)量的指標(biāo)以電壓偏移和電壓偏差為主進(jìn)行分析。指標(biāo)如下：

(1) 電壓偏差

(3)

式中：U為該點(diǎn)實(shí)際電壓有效值；UN為額定電壓的有效值。

(2) 電壓波動(dòng)

(4)

式中：Umax、Umin分別為該點(diǎn)實(shí)際電壓的最大值和最小值。

利用平均均方根誤差指標(biāo)(average root mean square，ARMS)對(duì)兩種方法進(jìn)行準(zhǔn)確性比較，且以蒙特卡羅為參考對(duì)象，通過(guò)兩種方法計(jì)算分別得出其概率分布。ARMS的計(jì)算如式(5)所示：

(5)

2 配電網(wǎng)電壓質(zhì)量評(píng)估研究

2.1 不含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量評(píng)估

為了更好地說(shuō)明所提方法的準(zhǔn)確性，本文以33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例，利用MATLAB2014a軟件編寫(xiě)了33節(jié)點(diǎn)輻射狀配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流計(jì)算程序。不含分布式光伏的節(jié)點(diǎn)電壓幅值結(jié)果如圖1所示。不含光伏電源的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)如圖2所示。

由于負(fù)荷具有不對(duì)稱性，因此通過(guò)潮流計(jì)算得到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值也存在不對(duì)稱現(xiàn)象。由圖1可以看出，不對(duì)稱性較為明顯。圖2的分析結(jié)果更顯而易見(jiàn)，從靜態(tài)電壓穩(wěn)定性來(lái)看，節(jié)點(diǎn)23和節(jié)點(diǎn)24最不穩(wěn)定，其次是節(jié)點(diǎn)29和節(jié)點(diǎn)30。因此，本文選取節(jié)點(diǎn)24和節(jié)點(diǎn)29兩個(gè)較為特殊的節(jié)點(diǎn)接入光伏對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析。從圖3可以看出，配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)23和24的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性相對(duì)與其他節(jié)點(diǎn)較為不理想，其次是29和30節(jié)點(diǎn)。因此選擇在24和29節(jié)點(diǎn)處接入光伏進(jìn)行分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖1 無(wú)光伏接入的節(jié)點(diǎn)電壓幅值

圖2 無(wú)光伏接入的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)

2.2 含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量評(píng)估

由仿真分析可得光伏發(fā)電接入后的配電網(wǎng)電壓幅值,如圖3所示。光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)前后的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)如圖4所示。

圖3 光伏接入的節(jié)點(diǎn)電壓幅值

圖4 光伏接入前后電壓穩(wěn)定指標(biāo)

從圖1～圖4中可以看出，光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)后提高了電壓幅值水平以及電壓的穩(wěn)定性，對(duì)電壓的平衡調(diào)節(jié)也較為顯著。

2.3 實(shí)際配電網(wǎng)模型的算例分析

前一小節(jié)中僅分析了IEEE標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量指標(biāo)，為了驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，本節(jié)以甘肅省會(huì)寧縣某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，選取部分配電網(wǎng)，其參數(shù)如圖5所示，其仿真結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖5 甘肅省會(huì)寧縣某地實(shí)際配電網(wǎng)接線

由圖6可以看出，對(duì)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的概率密度曲線半不變量的擬合更加準(zhǔn)確。由圖7可知，支路有功功率的概率分布曲線在擬合時(shí)有很大誤差。因此，本文提出了一種在蒙特卡羅的基礎(chǔ)上結(jié)合半不變量的方法進(jìn)行潮流計(jì)算。

圖6 節(jié)點(diǎn)的電壓PDF

圖7 有功功率CDF

在仿真運(yùn)行中，兩種概率潮流的計(jì)算時(shí)間如表1所示。從表1得出，半不變量法的計(jì)算時(shí)間比蒙特卡羅法計(jì)算時(shí)間約縮短了11倍?；诖耍梢缘贸隼冒氩蛔兞糠ㄓ?jì)算概率潮流的評(píng)估方法大規(guī)模的縮小了計(jì)算時(shí)間。

表1 兩種方法的運(yùn)行時(shí)間比較

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)扶貧光伏發(fā)電系統(tǒng)接入農(nóng)村配電網(wǎng)后電壓質(zhì)量的變化，此研究在半不變量的基礎(chǔ)上通過(guò)概率潮流算法計(jì)算了電壓質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)，且對(duì)甘肅省實(shí)際配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，定性分析了扶貧光伏系統(tǒng)接入后對(duì)配電網(wǎng)的影響程度。相較于具有普遍性的蒙特卡洛方法，本文所提方法在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)提高了計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)實(shí)際配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，表明了本文所提方法的有效性及準(zhǔn)確性。在電壓質(zhì)量的分析中利用了半不變量算法，提高了計(jì)算效率，優(yōu)化了計(jì)算精度。