含分布式光伏的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究*

寧 超 楊 俊 朱詠明 劉 莎 李衛(wèi)華

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司 昌吉 831100)

1 引言

為節(jié)省能源消耗，光伏發(fā)電日漸趨于完善，與此同時(shí)，光伏發(fā)電配電網(wǎng)也需要不斷與時(shí)俱進(jìn)。本文對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，對(duì)接入的分布式光伏進(jìn)行分析研究。分布式光伏發(fā)電概述從基本模式角度出發(fā)，可以將其分為輸電側(cè)并網(wǎng)以及配電側(cè)并網(wǎng)兩種。輸電側(cè)并網(wǎng)主要應(yīng)用于較大規(guī)模的發(fā)電站，將其中的電能集中并入電網(wǎng)，之后接受電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)配；配電側(cè)并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模小，發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能就近接入配電網(wǎng)，電能會(huì)直接被消耗。由此使分布式光伏電源接入配電網(wǎng)更加順暢，避免造成配電網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)。

通過(guò)大量的文獻(xiàn)和試驗(yàn)材料，參考多種規(guī)劃方案，最終提出本文的設(shè)計(jì)方案。其中文獻(xiàn)[1]采用層次分析法對(duì)分布式光伏接入方式進(jìn)行研究，通過(guò)控制接入點(diǎn)的諧波振動(dòng)使配網(wǎng)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。但這種方法對(duì)配網(wǎng)本身供能效率并沒(méi)有顯著提升。文獻(xiàn)[2]利用粗糙集理論的蟻群算法對(duì)現(xiàn)有光伏接入方法進(jìn)行優(yōu)化，增加數(shù)據(jù)處理速度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集能力，進(jìn)而提升配網(wǎng)運(yùn)行的供能效率。但對(duì)于分布式光伏的接入方法比較單一，不能及時(shí)調(diào)節(jié)光伏接入時(shí)的諧波振動(dòng)，容易出現(xiàn)并網(wǎng)振蕩故障。文獻(xiàn)[3]建立了帶約束的3目標(biāo)優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)了基于進(jìn)化狀態(tài)評(píng)估的自適應(yīng)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(AMOPSO/ESE)來(lái)求解Pareto最優(yōu)解集。根據(jù)“先粗后精”的決策行為模式提出了由興趣最優(yōu)解集和鄰域最優(yōu)解集構(gòu)成的Pareto前沿來(lái)輔助決策過(guò)程，但計(jì)算處理過(guò)程較為復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)硬件要求較高。

根據(jù)上述方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)理論中存在的問(wèn)題，本研究在其基礎(chǔ)上對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)輸電指令的統(tǒng)一調(diào)度；利用信賴(lài)域算法對(duì)分布式光伏數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)合理分配[3]。通過(guò)改進(jìn)，所提設(shè)計(jì)很好地解決了電網(wǎng)供能效率低、諧波振蕩大和抗干擾能力差的問(wèn)題，具有良好的適用性。

2 配電網(wǎng)總體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)實(shí)地勘測(cè)并參考現(xiàn)有配電網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖，對(duì)配電網(wǎng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使配電系統(tǒng)更加匹配分布式光伏的接入，使光伏電源接入時(shí)盡可能造成小的擾動(dòng)[4]。本文設(shè)計(jì)規(guī)劃方案如圖1所示。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的總體方案通過(guò)TCP/IPZ總線進(jìn)行供能和數(shù)據(jù)調(diào)度，由上層軟件程序進(jìn)行指令傳達(dá)，下層設(shè)備進(jìn)行接受指令并執(zhí)行，上下兩層通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)綜合分配和整理。其中上層指令傳達(dá)層由UPS電源負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)軟件能量消耗，通過(guò)CPS時(shí)鐘設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間，利用檢測(cè)機(jī)和監(jiān)控機(jī)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行把控，通過(guò)打印機(jī)打印報(bào)表記錄系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后輸入到 Internet云端網(wǎng)絡(luò)中，最后進(jìn)行整體調(diào)度規(guī)劃[5]。下層設(shè)備層主要由人機(jī)界面、通信服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行，人機(jī)界面裝有微機(jī)保護(hù)裝置和溫濕控制器，負(fù)責(zé)對(duì)配電網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行把控；通信服務(wù)包括信息顯示、儀表抄錄，職能是記錄設(shè)備狀態(tài)；通信網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)電路的保護(hù)，由智能斷路器、遙控單元和直流屏組成[6]。

3 分布式光伏接入方法判定

分布式光伏接入在總體設(shè)計(jì)方案下進(jìn)行，為保證供電質(zhì)量需要對(duì)接入條件進(jìn)行判定，符合接入條件才能被允許接入，對(duì)符合接入條件的光伏電源給予解決方案，使之能夠滿(mǎn)足配電網(wǎng)接入需求[7]，光伏接入判定如圖2所示。

圖2 分布式光伏接入判定圖

分布式光伏的接入條件判定根據(jù)約定的光伏發(fā)電接入容量進(jìn)行綜合分析，通過(guò)判斷接入后配電網(wǎng)的電能質(zhì)量決定是否接入電網(wǎng)，判定良好可以直接進(jìn)行接入，判定一般需要進(jìn)行高壓供電，判定較差進(jìn)入分析階段。對(duì)判定一般的進(jìn)行高壓供電，供電完成可以進(jìn)行后續(xù)接入操作，供電失敗需要進(jìn)入分析階段[8]。分析階段主要分析接入時(shí)的電流諧波畸變率、電壓偏差和電壓波動(dòng)，根據(jù)分析出的原因分別給出解決方法，對(duì)于電流畸變率較高的需要改變接入位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；電壓偏差較大需要增加無(wú)功補(bǔ)償；電壓波動(dòng)較大的需要提高短路容量。原因排查結(jié)束后才能進(jìn)行后續(xù)的接入操作[9]。

4 配電網(wǎng)等效電路

配電網(wǎng)的有源系統(tǒng)接入時(shí)往往會(huì)造成擾動(dòng)，對(duì)于分布式光伏電源的接入，本文通過(guò)分析接入點(diǎn)位置的電路走線，找到最佳接入位置，使配電網(wǎng)擾動(dòng)達(dá)到最小[10]，分布式光伏接入點(diǎn)簡(jiǎn)要電路圖和等效電路圖如圖3、4所示。

圖3 接入點(diǎn)簡(jiǎn)要電路圖

圖4 光伏接入點(diǎn)等效電路圖

分布式光伏電源的接入代表配電網(wǎng)系統(tǒng)具有了有源系統(tǒng)，將其進(jìn)行等效變換得到接入節(jié)點(diǎn)的電流為

式中，Rh表示電網(wǎng)側(cè)等效諧波阻抗；Rf表示接入點(diǎn)等效電阻值；I˙t表示輸出側(cè)匯合電流值。根據(jù)基爾霍夫定律對(duì)等效電路圖進(jìn)行分析，多個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的電路阻抗等效為公共節(jié)點(diǎn)的總阻值[11]，從而得到整個(gè)配電網(wǎng)諧波電壓為

假設(shè)圖3中各接入點(diǎn)位置存在一定的相似性，可以進(jìn)行合并同化，則式(2)可簡(jiǎn)化為

式中，k表示分布式光伏電源接入位置；n表示接入點(diǎn)數(shù)量；RC表示母線節(jié)點(diǎn)線路等效阻抗；RL表示負(fù)荷間的等效阻抗。根據(jù)式(3)進(jìn)行分析，對(duì)分布式光伏電源的接入位置進(jìn)行簡(jiǎn)單把控，根據(jù)不同的計(jì)算結(jié)果選擇合適的接入點(diǎn)，使接入時(shí)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響達(dá)到最小[12-15]。

根據(jù)分布式光伏電源接入條件判定方法和等效電路分析，對(duì)接入位置更加清晰，使光伏接入配電更易成功，及時(shí)避免接入時(shí)的擾動(dòng)影響，使本文設(shè)計(jì)更加具有信服力[16]。

5 分布式數(shù)據(jù)信賴(lài)域算法

由于本文研究的是有源配電網(wǎng)絡(luò)，而且接入的電源是分布式光伏電源，因此需要對(duì)分布式電力數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，為更加快速合理處理電網(wǎng)接入過(guò)程中的分布式數(shù)據(jù)，本文采用信賴(lài)域算法[17-20]。

根據(jù)接入分布式光伏電源采集的數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)中的有功和無(wú)功功率進(jìn)行分析得到

式中，PLi、QLi分別為節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的實(shí)際有功、無(wú)功功率；f0和f分別為設(shè)定頻率值和實(shí)際頻率值；P0i、Q0i分別為未接入時(shí)的配電網(wǎng)運(yùn)行的功率數(shù)據(jù)；α為電網(wǎng)接入電源的無(wú)功電壓增加系數(shù)；β為接入位置的有功增加電壓系數(shù)；Kpfi、Kqfi為負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性參數(shù)。

對(duì)電源接入位置進(jìn)行分析，通過(guò)標(biāo)注接入點(diǎn)位置為PQ，建立方程組，從而更加準(zhǔn)確地了解接入點(diǎn)的功率變化。PQ節(jié)點(diǎn)功率方程為

式中，SPQ為PQ節(jié)點(diǎn)集合；FPpQi、FQpQi分別為PQ節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功功率方程；PGi表示接入點(diǎn)PQ位置的無(wú)功輸出；QGi表示有功輸出；PLi表示光伏接入位置的無(wú)功輸入；QLi表示光伏有功輸入量；Pi表示節(jié)點(diǎn)功率總量；Qi表示節(jié)點(diǎn)有功總量。若節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有DG裝置，則PGi=0、QGi=0；若節(jié)點(diǎn)上有DG裝置，則PGi、QGi為指定的有功和無(wú)功功率輸出。則節(jié)點(diǎn)注入有功和無(wú)功功率為

對(duì)式(6)中的接入點(diǎn)位置總功率方程組進(jìn)行合并，得到分布式光伏接入電網(wǎng)式的總功率變化方程。

式中，SPV為PV節(jié)點(diǎn)集合；FPpVi為PV節(jié)點(diǎn)的有功功率方程。下垂節(jié)點(diǎn)的功率方程為

式中，SD為下垂節(jié)點(diǎn)集合；FPDi、FQDi分別為下垂節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功功率方程。

對(duì)下垂節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行限制，限制功率最小值為

式中，f(x)表示下垂節(jié)點(diǎn)變化規(guī)律方程，根據(jù)接入點(diǎn)前后功率數(shù)據(jù)變化得到

對(duì)下垂節(jié)點(diǎn)的限制最小值進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)限制條件和配電網(wǎng)擾動(dòng)量進(jìn)行優(yōu)化，從而得到優(yōu)化后的下垂節(jié)點(diǎn)最小功率為

式中，sk=xk+1-xk； ?f(xk)、?2f(xk)分別為f(x)在當(dāng)前迭代點(diǎn)xk處的梯度向量。

接入點(diǎn)位置的功率方程是否值得信賴(lài)，通過(guò)判定體系進(jìn)行判斷，對(duì)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行判定，即

式中， Δfk、Δqk分別為f(x)在第k個(gè)接入點(diǎn)的前后變化量，對(duì)其進(jìn)行整定

式中，γ1、γ2為信賴(lài)域半徑修正系數(shù)，0＜γ1≤ 1≤γ2；η1、η2為迭代成功判別系數(shù)，0＜η1＜ 1 ＜η2。

通過(guò)修正后的判定條件對(duì)電源接入進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證比對(duì)，使接入方法更加有效，造成的影響最小，對(duì)接入后的配電網(wǎng)系統(tǒng)更加具有信賴(lài)性[21]。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文研究試驗(yàn)在傳統(tǒng)電源接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真和對(duì)比，對(duì)接入點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)具體數(shù)據(jù)分析本研究設(shè)計(jì)方案的有效性。在試驗(yàn)中有一定的環(huán)境要求：處理器 CPU的額定功率大于75%，電負(fù)荷預(yù)測(cè)精度大于 80%，試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)采用Intel i5以上處理器，應(yīng)用Power Factory進(jìn)行模型預(yù)測(cè)仿真，配電網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境如表1所示。

表1 配電網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境

本研究在Windows操作系統(tǒng)下，通過(guò)模擬配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄，得到分布式光伏接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總功率測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)結(jié)果分析，在節(jié)點(diǎn)40和節(jié)點(diǎn)10分別達(dá)到接入電源功率最大和最小值，節(jié)點(diǎn)10的有功容量最小，表明節(jié)點(diǎn)之間的有功功率分配是基于其有功容量大小，接入點(diǎn)功率越大，證明系統(tǒng)存在頻率振蕩。由表2可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)30發(fā)出的無(wú)功功率最大，而節(jié)點(diǎn)30的無(wú)功容量不是最大，表明接入點(diǎn)之間的無(wú)功功率分配不是基于其無(wú)功容量大小。

為更清晰直觀了解分布式光伏接入配電網(wǎng)的影響，對(duì)各接入點(diǎn)進(jìn)行諧波振動(dòng)分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)出對(duì)比度曲線如圖5所示。

圖5 接入節(jié)點(diǎn)諧波振蕩對(duì)比曲線

分析圖5發(fā)現(xiàn)從P0～P40諧波振蕩一直處于上升狀態(tài)，表明一直處于干擾狀態(tài)；在 P40～P50節(jié)點(diǎn)，諧波振動(dòng)持續(xù)下降，表明本研究接入方法對(duì)接入擾動(dòng)產(chǎn)生作用；P50之后的節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，表明接入擾動(dòng)停止。

為驗(yàn)證本研究規(guī)劃的優(yōu)越性，利用 Power Factory仿真軟件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證仿真，與傳統(tǒng)電源接入配電網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)仿真電壓變化幅度對(duì)比曲線如圖6、7所示。

圖6 傳統(tǒng)電源接入電網(wǎng)電壓幅度

圖7 分布式光伏接入電網(wǎng)電壓幅度

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電源接入配電網(wǎng)會(huì)存在一段時(shí)間的接入延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為0.1 s，而且接入瞬間存在滯留效應(yīng)，容易對(duì)配電網(wǎng)造成沖擊；而分布式光伏接入時(shí)不存在延時(shí)狀態(tài)，在接入時(shí)也沒(méi)有滯留效應(yīng)，接入配電網(wǎng)時(shí)能夠平滑過(guò)渡，電壓幅度沒(méi)有顯著變化。

綜上所述，本文研究的設(shè)計(jì)方案更加穩(wěn)定，方法更加有效，能夠有效調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的振蕩諧波，接入瞬間對(duì)配電網(wǎng)影響能夠達(dá)到最小，從而體現(xiàn)出本研究方案在配電網(wǎng)中的實(shí)用性。

7 結(jié)論

本文對(duì)光伏電源在配電網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，在有源接入方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。

(1) 對(duì)整體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)光伏有源應(yīng)用方法，使配電網(wǎng)盡可能小地造成擾動(dòng)。

(2) 分析節(jié)點(diǎn)位置的線路，通過(guò)電流和等效電阻進(jìn)行分析，找到最佳光伏接入電網(wǎng)位置。

(3) 利用信賴(lài)域算法進(jìn)行光伏接入節(jié)點(diǎn)的功率計(jì)算。

(4) 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并給出接入點(diǎn)諧波振蕩對(duì)比度曲線。

通過(guò)以上改進(jìn)，并與傳統(tǒng)有源接入電網(wǎng)方案的電壓幅度分析驗(yàn)證，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)很好地解決了電網(wǎng)供能效率低、諧波振蕩大和抗干擾能力差的問(wèn)題，具有良好的適用性。

但是本研究在試驗(yàn)驗(yàn)證中存在一些硬件上的問(wèn)題，只能在模擬環(huán)境下進(jìn)行光伏接入，與實(shí)際情況存在差距；由于設(shè)備問(wèn)題和人工讀取數(shù)據(jù)容易造成一定的誤差等問(wèn)題仍待解決。