分布式電源接入位置對(duì)配網(wǎng)電壓影響研究

郭紅娟，王海云，和敬祥，王維慶

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊 830049；3.國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊 830049)

1 引言

隨著煤炭、石油等一次能源的短缺以及環(huán)境問(wèn)題愈加惡化，以風(fēng)電、光伏為代表的分布式能源因其具有綠色、節(jié)能、友好等優(yōu)點(diǎn)備受各國(guó)政府青睞。因我國(guó)資源稟賦條件來(lái)看，風(fēng)光資源主要集中在“三北地區(qū)”，特高壓、長(zhǎng)距離輸電往往造價(jià)成本高，一旦出現(xiàn)閉鎖將會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成巨大威脅。因此DG往往接入配電網(wǎng)中使用，DG并網(wǎng)后根據(jù)需求側(cè)負(fù)荷用電需求可以合理向配電網(wǎng)輸送電能[4-6]以此達(dá)到配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，此外，含DG的配電網(wǎng)因DG的容量往往較小可隨時(shí)與電網(wǎng)并網(wǎng)具有離網(wǎng)可靠性和靈活性[1-3]。然而系統(tǒng)能否高效、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行還與DG的接入位置、運(yùn)行工況等有關(guān)。在高滲透率、低負(fù)載運(yùn)行工況下，不恰的的接入地點(diǎn)反而會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本、降低配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

關(guān)于DG接入位置尋優(yōu)問(wèn)題研究，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)取得了一定的成果。文獻(xiàn)[7]引用用戶滿意度來(lái)衡量敏感用戶的電能質(zhì)量需求，然而僅考慮單DG接入的情況，并未對(duì)多DG進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8]在對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的位置以及容量展開研究時(shí)，考慮了網(wǎng)絡(luò)損耗、靜態(tài)電壓穩(wěn)定以及線路熱穩(wěn)定等3個(gè)指標(biāo)的綜合影響，然而僅對(duì)電能質(zhì)量尋優(yōu)時(shí)，用該指標(biāo)評(píng)估不太適用。文獻(xiàn)[9]建立分布式光伏多點(diǎn)接入低壓配電網(wǎng)的優(yōu)化模型，但針對(duì)配電網(wǎng)在高滲透率、低負(fù)載狀態(tài)下的DG接入并未分析。文獻(xiàn)[10]考慮了單個(gè)和多個(gè)DG接入滲透率不同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響，但未分析DG位置不同對(duì)配網(wǎng)帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[11]雖然是基于對(duì)高滲透率的分布式電源接入配網(wǎng)的研究，但僅考慮了配網(wǎng)的正常負(fù)載狀態(tài)，未對(duì)低負(fù)載配網(wǎng)分析。

含DG的配電網(wǎng)在電壓質(zhì)量尋優(yōu)求解方面，大多采用仿生算法進(jìn)行求解，仿生算法雖然在求解速度上具有很大優(yōu)勢(shì)，但是往往易于陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)：文獻(xiàn)[12]在含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃研究中，雖然引用了支路交換于禁忌搜索算法中，但是改進(jìn)后算法仍舊嚴(yán)重依賴于初始解，當(dāng)初始解不夠優(yōu)良時(shí)，就會(huì)陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]采用粒子群算法來(lái)求解分布式電源的裝機(jī)容量，運(yùn)算速度較快，然而粒子群算法對(duì)于離散的優(yōu)化問(wèn)題處理不佳，容易陷入局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[14]將灰狼算法應(yīng)用于分布式系統(tǒng)的多個(gè)DG選址和定容研究中，但是灰狼算法同樣容易陷入局部最優(yōu)，且收斂速度較慢。與上述算法相比，新穎帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法(ICA)[15-16]收斂速度更快、精度更高，且具有較強(qiáng)全局搜索性。因此本文采用ICA算法對(duì)并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)電壓值尋優(yōu)。

綜合以上問(wèn)題，文章對(duì)配電網(wǎng)在低負(fù)載、高DG滲透率狀態(tài)下進(jìn)行研究，提出多DG接入狀態(tài)下6種典型并網(wǎng)方式。首先利用前推回代潮流法求解并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)電壓值；然后以電壓質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，支路容量、節(jié)點(diǎn)電壓、有功及無(wú)功功率平衡為約束條件，利用新穎帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法對(duì)模型進(jìn)行求解；最后在IEEE-33節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算

對(duì)于含分布式電源的輻射狀配電網(wǎng)，采用前推回代潮流計(jì)算法，其運(yùn)算步驟如下：

1)假設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓為一定值，由輻射配電網(wǎng)線路的末端功率，可得線路末端至線路首端支路的功率及損耗，從而最終得到根節(jié)點(diǎn)的功率。

2)假設(shè)支路功率為一定值，由根節(jié)點(diǎn)的電壓值，可以得出線路由首端到末端各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值以及功率損耗值。

文章選取含分布式電源的輻射配電網(wǎng)主干圖加以說(shuō)明，如下圖1所示，在該圖中可以任意選擇a、b、c三個(gè)連續(xù)的節(jié)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

以上計(jì)算利用了回推迭代的計(jì)算方法，節(jié)點(diǎn)a與b間的支路功率損耗公式、功率公式分別如下所示

(1)

(2)

Pab=Pb+Pbc+ΔPab-PDG

(3)

Qab=Qb+Qbc+ΔQab-QDG

(4)

其中，Rab、Xab分別是a、b間支路的電阻電抗；△Pab、△Qab分別是a、b間支路的功率損耗;Pab、Qab分別是a、b間支路的有功功率和無(wú)功功率;Pb、Qb分別為b節(jié)點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率；PDG、QDG分別為b節(jié)點(diǎn)接入分布式電源后的有功功率以及無(wú)功功率。

節(jié)點(diǎn)b的電壓計(jì)算公式為

ΔUb=(PabRab+QabXab)/Ua

(5)

Ub=Ua-ΔUb

(6)

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 影響參數(shù)

文章選取了兩個(gè)重要的參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即線路節(jié)點(diǎn)電壓變化率δ以及系統(tǒng)電壓影響參數(shù)?。其中，線路節(jié)點(diǎn)電壓變化率δ公式為

(7)

系統(tǒng)電壓影響參數(shù)其公式為

(8)

式中，配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n；Ui為節(jié)點(diǎn)i的實(shí)際電壓值，而Un則為各個(gè)節(jié)點(diǎn)處于穩(wěn)態(tài)下的電壓額定值。式中?的值越小，說(shuō)明了配電網(wǎng)中的電壓質(zhì)量越高。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓變化率和整個(gè)系統(tǒng)電壓值分別用電壓變化率δ和系統(tǒng)電壓影響參數(shù)?兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)這兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的評(píng)估指標(biāo)，可以更加全面的分析出分布式電源接入配網(wǎng)后對(duì)電壓的影響。因此文章以電壓質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)

(9)

其中，k為權(quán)重系數(shù)，k1+k2=1

3.3 約束條件

1)節(jié)點(diǎn)電壓約束

Uimin≤Ui≤Uimax?i∈NR

(10)

2)支路容量約束：

Sj≤Sjn; ?i∈Nb

(11)

其中，Uimin為節(jié)點(diǎn)i電壓的最小值，Uimax為節(jié)點(diǎn)i電壓的最大值，Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓實(shí)際值；Sj為支路j上的功率，Sjn為支路j上的額定功率。

4 帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法

4.1 帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法

帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法(ICA)是一種基于群體的優(yōu)化算法。該算法由于受到社會(huì)行為的啟發(fā)，因此其搜索空間是—個(gè)個(gè)的國(guó)家。該算法的優(yōu)點(diǎn)主要是具有較高的計(jì)算效率、較快的尋優(yōu)速度以及占用較少的內(nèi)存等。帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法把這些被搜索的國(guó)家按照勢(shì)力的強(qiáng)弱劃分為幾個(gè)不同的群體，將之稱為帝國(guó)。帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法使用同化機(jī)制，將這些帝國(guó)之中的作為殖民地的非最優(yōu)的國(guó)家向最優(yōu)國(guó)家即帝國(guó)主義國(guó)家不斷靠近，此過(guò)程與粒子群優(yōu)化算法非常相似。帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法的核心在于帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。經(jīng)過(guò)帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，較強(qiáng)帝國(guó)便會(huì)占據(jù)被較弱的帝國(guó)所屬的殖民地，直到該較弱帝國(guó)的全部殖民地被其它帝國(guó)瓜分完畢之后，那么這個(gè)較弱帝國(guó)意味著已被消亡。不斷重復(fù)以上過(guò)程，最終最強(qiáng)的帝國(guó)將會(huì)擁有全部的殖民地。此時(shí)帝國(guó)勢(shì)力值相同，并在同一個(gè)位置收斂，這便是帝國(guó)統(tǒng)一。不同帝國(guó)之間可以通過(guò)帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來(lái)相互交換信息。該過(guò)程如下所示：

1)隨機(jī)在搜索空間選取M個(gè)國(guó)家，分別計(jì)算它們每個(gè)國(guó)家所所擁有的勢(shì)力，其中擁有最強(qiáng)勢(shì)力的幾個(gè)成為帝國(guó)(imp)。

與模擬照片不同，數(shù)碼照片在被具象化——作為可見物被閱讀——之前，它的歧異受到尊重，同時(shí)還提供隱藏的進(jìn)一步的信息來(lái)確認(rèn)和引發(fā)其他觀點(diǎn)。[1]71

2)按照每個(gè)帝國(guó)所擁有的勢(shì)力，每個(gè)帝國(guó)獲得其相應(yīng)殖民地并形成帝國(guó)集團(tuán)。

3)殖民地朝著新的歸屬帝國(guó)不斷移動(dòng)并同原屬帝國(guó)的勢(shì)力相互比較，如果超過(guò)原屬帝國(guó)，那么便取代原來(lái)的帝國(guó)。

4)計(jì)算全部帝國(guó)集團(tuán)的總勢(shì)力。

5)不同帝國(guó)集團(tuán)之間開始競(jìng)爭(zhēng)，弱小的帝國(guó)集團(tuán)將被強(qiáng)大的帝國(guó)集團(tuán)所瓜分。

6)當(dāng)某個(gè)帝國(guó)集團(tuán)的所有殖民地被其它帝國(guó)集團(tuán)瓜分完畢時(shí)時(shí)，該帝國(guó)集團(tuán)即宣告滅亡。

7)經(jīng)過(guò)多次以上操作，當(dāng)算法中出現(xiàn)最強(qiáng)的帝國(guó)集團(tuán)或者到達(dá)了算法設(shè)定次數(shù)時(shí)，該算法終止。

4.2 帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)法主要流程圖

競(jìng)爭(zhēng)算法主要流程如圖2所示。

圖2 帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法流程圖

算法終止條件：當(dāng)?shù)\(yùn)算的次數(shù)到達(dá)最大值時(shí)，則該算法終止并輸出運(yùn)算結(jié)果；當(dāng)強(qiáng)勢(shì)帝國(guó)侵占了所有殖民地以及弱勢(shì)帝國(guó)并達(dá)到統(tǒng)一時(shí)，則算法結(jié)束并輸出運(yùn)算結(jié)果。

5 仿真分析

文章采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)架空網(wǎng)輻射狀接線方式下的配網(wǎng)模型(結(jié)構(gòu)圖如下圖3)所示來(lái)進(jìn)行仿真。該節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)模型具有1個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為0的平衡節(jié)點(diǎn)以及32個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。該配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型上還有能夠形成5個(gè)環(huán)網(wǎng)的5條安裝了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的線路。該配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)模型系統(tǒng)的額定電壓、有功負(fù)荷以及無(wú)功負(fù)荷分別是12.66kV、3715kW、2300kVar。

圖3 IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)接線圖

當(dāng)中壓線路負(fù)載率處于較低水平(負(fù)載率10%)，而分布式光伏系統(tǒng)滲透率處于較高(K=8，滲透率800)水平的時(shí)候，要分析不同分布式電源接入方式給系統(tǒng)電壓帶來(lái)什么樣的影響時(shí)，首先應(yīng)該確定所接入分布式電源的個(gè)數(shù)。如果分布式電源接入數(shù)量過(guò)多，就會(huì)使運(yùn)行運(yùn)行成本增大，所以文章接入4個(gè)分布式電源。文章的仿真模型采用了架空網(wǎng)接線方式，如圖4所示。

5.1 輻射狀接線仿真模型

當(dāng)IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所有的聯(lián)絡(luò)開關(guān)都分閘時(shí)，該系統(tǒng)為輻射狀供電模式，如圖4所示。

圖4 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)輻射狀運(yùn)行模型圖

5.2 輻射狀接線模式

為了能夠通過(guò)對(duì)比分析得出接入位置的優(yōu)劣，對(duì)于輻射狀接線模式的配電網(wǎng)，設(shè)置了6種DG接入方案，各種方案下DG的接入節(jié)點(diǎn)分別如表1、圖5到圖10所示。

表1 輻射狀接線模式的分布式光伏接入位置方案

圖5 饋線末端接入方案

圖6 分支節(jié)點(diǎn)接入方案

圖7 負(fù)荷較重節(jié)點(diǎn)接入方案

圖8 集中接入方案

圖9 沿線接入方案

圖10 饋線首端接入方案

按照上文提出的6種DG接入方案，分別仿真計(jì)算各種接入方案對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響，節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖11所示，各節(jié)點(diǎn)電壓變化率如圖12所示，不同接入位置方案的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)如表2所示。

圖11 不同接入位置各節(jié)點(diǎn)電壓曲線圖

圖12 不同接入位置各節(jié)點(diǎn)電壓變化率曲線圖

表2 不同接入位置系統(tǒng)電壓影響參數(shù)

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，由于線路負(fù)載率較低(10%)，線路上各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的電壓均比較高，接近于額定電壓。當(dāng)DG的輸出功率非常大時(shí)，除了第6種接入方案(饋線首端接入)之外，其它接入方案均會(huì)導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)電壓顯著提升。

從系統(tǒng)電壓影響參數(shù)來(lái)看，除了第3種方案和第6種方案，即DG接入“負(fù)荷較重節(jié)點(diǎn)”和“饋線首端節(jié)點(diǎn)”這兩種模式之外，分布式電源的接入降低了系統(tǒng)電壓質(zhì)量。因此，從系統(tǒng)電壓質(zhì)量的角度來(lái)說(shuō)，在線路低負(fù)載率、DG高滲透率情況下，DG的接入方式推薦采用“饋線首端節(jié)點(diǎn)”和“負(fù)荷較重節(jié)點(diǎn)”這兩種接入方案，并優(yōu)先推薦接入饋線首端。

6 結(jié)論

文章首先利用前推回代潮流法求解并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)電壓值；然后以電壓質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，支路容量、節(jié)點(diǎn)電壓、有功及無(wú)功功率平衡為約束條件，利用新穎帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法對(duì)模型進(jìn)行求解；最后在IEEE-33節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，一：配電網(wǎng)在高滲透率、低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，第3種方案和第6種方案，即DG接入“負(fù)荷較重節(jié)點(diǎn)”和“饋線首端節(jié)點(diǎn)”這兩種模式下，分布式電源的接入后系統(tǒng)電壓質(zhì)量較理想。但是配電網(wǎng)在其它狀態(tài)下，該結(jié)論并非適用；二：ICA算法在尋求高滲透、低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下DG接入位置具有正確性和實(shí)用性。為DG并網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定參考。