含多類型分布式電源的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法

劉小愷，范曉龍，房文軒，米 夏，安 東

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

為實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”的目標，隨著以清潔能源為代表的新能源被廣泛開發(fā)利用，正驅(qū)動傳統(tǒng)電網(wǎng)朝著高效、靈活、智能的能源互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展［1-2］，主要表現(xiàn)為分布式電源（Distributed Generation，DG）特別是大規(guī)模間歇式可再生能源的接入與應用。隨著配電網(wǎng)向含大量不同類型分布式電源的主動配電網(wǎng)（Active Distribution Network，ADN）轉(zhuǎn)變，配電網(wǎng)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡，由配電管理系統(tǒng)（Distribution Management System，DMS）進行在線實時監(jiān)控。當ADN 孤島運行時，若負荷突然增加或網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，松弛節(jié)點的容量可能不足以承擔全部功率缺額。因此，如何通過分布式電源的調(diào)節(jié)控制對網(wǎng)絡潮流進行管理，同時提高清潔能源的利用率，是主動配電網(wǎng)優(yōu)化運行研究中的難點之一［3-5］。動態(tài)潮流（Dynamic Power Flow，DPF）算法可以在系統(tǒng)中設置多個平衡節(jié)點來共同承擔系統(tǒng)的不平衡功率，所以能夠滿足分布式電源接入后主動配電網(wǎng)的潮流計算要求［6-8］。

文獻［9-11］較早提出了基于分布式松弛節(jié)點模型的配電網(wǎng)三相潮流算法，通過定義參與因子使各電源動態(tài)分配網(wǎng)絡損耗，但采用相分量形式的三相潮流算法計算時間較長，導致計算效率不高。文獻［12］提出基于網(wǎng)損靈敏度的參與因子計算方法，在潮流計算中由降壓變電站和各個分布式電源共同分擔配電網(wǎng)有功網(wǎng)損，但未考慮主動配電網(wǎng)三相不平衡的特點。文獻［13-14］僅考慮了PQ節(jié)點類型DG接入，且未考慮DG出力的限值約束條件。

基于序分量形式的潮流算法可以實現(xiàn)三相解耦并行計算，能夠大幅提升計算速度［15-17］。因此，提出一種基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法，并給出功率缺額分擔系數(shù)的概念，由不同控制策略的DG參與分擔系統(tǒng)的有功和無功功率缺額，同時考慮了各種DG的出力限制，使主動配電網(wǎng)的潮流計算更接近實際在線運行情況。

1 基于序分量的三相動態(tài)潮流算法

含DG接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流計算中，將輸配電網(wǎng)的公共連接點定義為松弛節(jié)點，該節(jié)點有兩層含義，一是作為系統(tǒng)節(jié)點電壓相位的參考節(jié)點；一是承擔系統(tǒng)的功率不平衡量，即作為平衡節(jié)點。當DG 接入后，可由各類分布式電源承擔平衡節(jié)點的作用，共同分擔系統(tǒng)的功率不平衡量。

首先，利用對稱分量變換矩陣T將系統(tǒng)狀態(tài)變量由相分量形式轉(zhuǎn)換為序分量形式，如式（1）所示。

式中：V120和Vabc分別為節(jié)點序分量電壓向量和相分量電壓向量。

1.1 功率缺額分擔系數(shù)

假設節(jié)點i為主動配電網(wǎng)中有DG 接入的節(jié)點，在潮流計算過程中，每次迭代后DG 出力與負荷功率、線路功率損耗的正序功率缺額為：

式中：N為系統(tǒng)的節(jié)點總數(shù)；和分別為節(jié)點i處DG 的有功出力和無功出力；和為 節(jié) 點i的負荷功率；s和分別為正序系統(tǒng)的有功損耗和無功損耗；V1和θ1分別為正序系統(tǒng)的節(jié)點電壓幅值向量和相角向量。

定義Kp1和Kq1為松弛節(jié)點的有功功率缺額分擔系數(shù)和無功功率缺額分擔系數(shù)；Kpi和Kqi分別為DG的有功功率缺額分擔系數(shù)和無功功率缺額分擔系數(shù)，i=m，…，N，表示m號至N號節(jié)點有DG接入。則有：

式中：當Kp1=Kq1=1時，即為常規(guī)潮流計算模式。在實際情況下，Kpi可根據(jù)DG 的頻率調(diào)節(jié)特性選取，Kqi可根據(jù)DG的電壓調(diào)節(jié)特性選?。?］。

1.2 序分量三相動態(tài)潮流方程

在動態(tài)潮流計算中，每次迭代后的功率缺額由松弛節(jié)點和DG按分擔系數(shù)共同承擔，則正序系統(tǒng)的動態(tài)潮流方程為：

式中：和分別為節(jié)點i和節(jié)點j正序節(jié)點電壓；為節(jié)點i和節(jié)點j的正序電壓相角差；和分別為正序節(jié)點導納矩陣中的電導和電納；和分別為負序、零序系統(tǒng)對正序系統(tǒng)的補償功率。

式（6）和式（7）與常規(guī)潮流方程的區(qū)別在于，利用牛頓-拉夫遜法進行每次迭代計算之前，需要先通過式（2）和式（3）計算功率缺額，然后按分擔系數(shù)加入DG接入節(jié)點的功率平衡方程中，即可解算出正序系統(tǒng)的狀態(tài)變量V1和θ1。

1.3 DG出力越限處理方法

在動態(tài)潮流計算中，若分擔功率缺額后的DG 出力越限，則須對DG的分擔系數(shù)進行如下修正：

式中：h為當前的迭代次數(shù)；和分別為DG 有功出力和無功出力的上限值。

當發(fā)生DG 出力越限時，為滿足式（4）和式（5），還須對松弛節(jié)點的分擔系數(shù)進行調(diào)整，如式（10）和式（11）所示。

2 DG潮流模型

DG 有燃料電池、風機、光伏發(fā)電、儲能裝置、微型燃氣輪機等多種類型，主要通過電力電子逆變器并網(wǎng)，如圖2 所示。根據(jù)不同DG 的并網(wǎng)控制特性，將其分為功率控制型、電壓控制型和功率因數(shù)控制型［17］。圖2中，和分別為DG的三相有功功率和無功功率。

圖2 電力電子逆變器并網(wǎng)接口

對于功率控制型DG，按PQ 節(jié)點處理，正序有功功率和無功功率的計算公式為

對于電壓控制型DG，按PV 節(jié)點處理，正序有功功率和節(jié)點電壓幅值的計算公式為

式中：V1為正序系統(tǒng)的節(jié)點電壓；Vs為正序節(jié)點電壓給定值。

對于電流控制型DG，按PI 節(jié)點處理，在潮流計算中可將其轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點形式

式中：Is為正序注入電流給定值。在動態(tài)潮流計算過程中，將式（12）—式（14）直接代入式（6）和式（7）中即可。

3 算法流程

基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法可以實現(xiàn)三相解耦并行計算，其中正序系統(tǒng)采用牛頓-拉夫遜法進行迭代計算，負序和零序系統(tǒng)可以通過節(jié)點電壓方程直接解算，從而大幅提高了計算效率，具體計算流程如圖3 所示。首先，形成節(jié)點導納矩陣，同時初始化各節(jié)點電壓、功率、分擔系數(shù)等初始變量，其次，計算出分擔功率缺額后的分布式電源的出力，并判斷節(jié)點電壓是否越限，若越限，則調(diào)整松弛節(jié)點和分布式電源的分擔系數(shù)，最后通過所得計算功率失配量和雅克比矩陣，求解系統(tǒng)各項參數(shù)，直至系統(tǒng)收斂。

圖3 基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法流程

4 仿真算例

4.1 算例1

對蒙西某地區(qū)35 kV 配電網(wǎng)進行仿真，分析單DG 接入的情況。額濟納220 kV 變電站的低壓節(jié)點為整個配電網(wǎng)的松弛節(jié)點，天風哈日布勒風電場為接入的分布式電源，如圖4所示。

圖4 蒙西某地區(qū)35 kV配電網(wǎng)

設定方案1 為基態(tài)負荷運行方式，DG 不參與分擔功率缺額；方案2 相對基態(tài)運行方式負荷有所增加，DG不參與分擔功率缺額；方案3研究負荷增加且DG參與分擔功率缺額的情況。對3個方案進行仿真計算，結(jié)果如表1所示。

表1 3種方案計算結(jié)果

從表1 可以看出，相比于方案1 的計算結(jié)果，方案2 中系統(tǒng)負荷增加后，造成了網(wǎng)絡損耗同步增加，同時DG 接入節(jié)點電壓出現(xiàn)了下降；方案3 中，DG 參與分擔功率缺額后，不僅降低了系統(tǒng)網(wǎng)損，而且提高了節(jié)點電壓。

4.2 算例2

對IEEE33節(jié)點三相配電系統(tǒng)進行仿真，分析多種DG接入的情況。在系統(tǒng)中接入4臺DG，如圖5所示。電壓基準值取為12.66 kV，功率基準值取為10 MW。

圖5 多DG接入的IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)

DG 的類型、接入位置和參數(shù)如表2 所示。設定方案1 即為常規(guī)潮流計算方式，DG 不參與分擔功率缺額；方案2—方案4 研究DG 參與分擔功率缺額的情況，且DG 的功率缺額分擔系數(shù)逐漸上升，同時按出力裕度的比例確定各DG 的分擔系數(shù)，如表3所示。

表2 DG接入情況

表3 4種方案參數(shù)設置

對4 種方案進行仿真分析，計算其系統(tǒng)松弛節(jié)點的出力、系統(tǒng)有功網(wǎng)損、節(jié)點電壓水平，如圖6—圖8所示。

對比分析4 種方案的仿真計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）根據(jù)圖6可知，DG分擔系數(shù)的逐步增加，表明DG 在參與分擔功率缺額中的作用越來越大；與此同時，松弛節(jié)點分擔的功率越來越小，表明在動態(tài)潮流計算中，DG 參與分擔功率不平衡量可以減輕松弛節(jié)點的分擔壓力，從而釋放更多容量，保留足夠裕度，以應對系統(tǒng)其他突發(fā)情況。

2）根據(jù)圖7 可知，當DG 分擔系數(shù)增加后，使DG的出力同步增加，即向系統(tǒng)注入了更多功率，對三相配電系統(tǒng)起到了功率補償作用，從而降低了系統(tǒng)的網(wǎng)損。

圖7 4種方案中系統(tǒng)有功網(wǎng)損

圖8 4種方案中系統(tǒng)節(jié)點電壓分布

3）根據(jù)圖8可知，DG出力增加后，一方面降低了支路功率損耗，同時向接入節(jié)點注入了更多無功功率，從而對周圍節(jié)點電壓起到了支撐作用；當多DG接入時，便能夠提升整個系統(tǒng)的電壓水平。

需要指出的是，對于實際運行中的主動配電網(wǎng)，若DG本身無調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)能力有限，如果此時賦予DG 較大的功率缺額分擔系數(shù)，以至于超出DG 的調(diào)節(jié)能力時，將對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性造成影響。

5 結(jié)語

提出一種基于序分量的主動配電網(wǎng)三相動態(tài)潮流算法，通過定義功率缺額分擔系數(shù)，使不同控制策略的DG能夠參與分擔系統(tǒng)的有功和無功功率缺額，并給出了DG出力越限后的處理方法，克服了傳統(tǒng)常規(guī)潮流計算中全部功率缺額均由松弛節(jié)點承擔的弊端，從而更好地模擬主動配電網(wǎng)實際運行情況。通過對蒙西某地區(qū)配電網(wǎng)和IEEE33 節(jié)點配電系統(tǒng)進行仿真，對比分析了多種不同方案，仿真結(jié)果表明DG 參與分擔系統(tǒng)功率缺額后，能夠減輕松弛節(jié)點的分擔壓力、降低網(wǎng)絡損耗、提升系統(tǒng)電壓水平。