考慮分布式發電的配電網電壓穩定性判據

伍榮江　夏宇濤　張秋實　李恩文

【摘 要】考慮分布式發電接入，提出了一種改進的基于潮流解存在性的配電網電壓穩定判據。結合現有的電壓穩定性指標和分布式發電的特點，在分布式發電的接入點及其上游節點處采集電壓、電流、功率等信息，根據改進的電壓穩定性判據實時監測配網的電壓穩定性，并建立相應的仿真模型對該判據有效性進行仿真驗證，理論分析和模擬仿真都驗證了該改進判據的有效性。

【關鍵詞】分布式發電；配電網；電壓穩定性

中圖分類號： TM611 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0035-003

Voltage Stability Criteria for Distribution Network Considering Distributed Generation

WU Rong-jiang1 XIA Yu-tao2 ZHANG Qiu-shi3 LI En-wen3

（1.Guizhou Power Grid Co.，Ltd.Guiyang Power Supply Bureau，Guiyang Guizhou 550001，China；

2. Technical Training Center of State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430072，China；

3.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

【Abstract】Considering the distributed power generation，an improved voltage stability criterion for distribution network based on the solutions existence of power flow is proposed.The collection of voltage，current，power and other information are carried out in the distributed power generation access point and its upstream node.According to the improved voltage stability criterion，the voltage stability of the distribution network is monitored in real time，and the corresponding simulation model is established to verify the validity of the criterion.The theoretical and simulation tests verify the effectiveness of the improved criterion.

【Key words】Distributed power generation；Distribution network；Voltage stability

0 引言

伴隨著現代社會的發展，傳統能源的利用中暴露出的能源枯竭和環境污染問題日益嚴重，可再生能源獲得越來越多的關注。目前，可再生能源在實際應用中多以分布式發電或者微網的形式接入配電網運行[1]。因其具有低能耗、污染少、供電靈活性和可靠性的優勢，可以彌補大電網安全穩定性的不足，改善電網的調峰性能，同時由于分布式發電靠近用戶，輸配電損耗低，并網后可以降低輸配電成本。在帶來良好效益的同時，也在各方面影響著傳統電網的安全穩定運行。我國的中低壓配電網主要是中性點不接地（或經消弧線圈接地）、單側電源、輻射型供電網絡。大量分布式發電接入會改變系統潮流，造成系統擾動下功角失穩，電壓崩潰等問題[2]。因此，在分布式發電快速發展和大量接入電力系統的背景下，考慮其接入配網給電網結構、運行帶來的不確定性影響，研究分布式發電接入下電網電壓穩定性問題是十分必要的[3]。

雖然近年來，各國對電壓穩定性問題展開研究并取得了大量研究成果[4]，但是電壓穩定性研究多以輸電網為研究對象，較少涉及到配網。分布式發電或微網的接入改變了配電系統原有的輻射結構，使系統的潮流、電壓也隨之發生變化，國內外出現過多起因大容量風電注入導致系統電壓失穩的事故[5]。因此，需要針對分布式發電及微網的運行特點，采用合理電壓穩定指標對含微網的配電網電壓穩定盡心深入系統的研究。本文針對當前越來越多微網接入配電網帶來的電壓穩定性問題進行了理論分析和仿真驗證，為今后的分布式發電并網的研究與發展提供了全新的思路。

1 基于潮流解存在性的配電網電壓穩定判據

目前，配電網已經具有了較為成熟的電壓穩定性評價指標。較為成熟的方法是基于潮流的靜態分析法。基于潮流解存在性的電壓穩定判據就是用代數方程代替系統的線性化微分方程，負荷用靜態模型代替。在最初的配電網支路電壓穩定性研究中，電壓穩定指標Lij是通過兩節點配電系統推導出的，之后采用等效阻抗的方法，使該方法推廣到多節點配電網。

圖1 配電網支路等效電路圖

如圖1所示，配電網中含有N個節點，設任一條支路為bij，其中i和j分別為該支路的兩個節點，潮流從節點i流向節點j，流過節點i和j的負荷分別為Si=Pi+jQi，Sj=Pj+jQj，支路bij等效阻抗Zij=Rij+jXij，節點i和j的電壓分別為Ui和Uj，則

■■=■■-（R■+jX■）（P■-jQ■）/■■■＼*MERGEFORMAT（1）endprint

式中，■■、■■分別為節點i和j的電壓在直角坐標形式下的向量。將其虛部和實部分解開，列寫方程后，根據一元二次方程的實數解存在性判據可以得出：

4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]≤U■■（2）

式（2）即為第一類配電網電壓穩定條件。定義支路bij的第一類電壓穩定指標為

Lij=4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]/U■■（3）

則式（2）可以表述為Lij≤1。Lij越小，該節點處的電壓也就越穩定，因此對于整個電網，其第一類電壓指標有各支路中Lij的最大值確定，即L=max{Lij}。

以上便是經過改進的基于潮流解存在性的判據。L反映整個配電網的電壓穩定情況，L值越小，配電網電壓越穩定。L值綜合考慮了系統負荷分布和節點電壓對電壓穩定性的影響，具有計算方便，便于監測等優點。

2 含分布式發電的配電網在線電壓穩定指標

分布式發電接入配網后，其向配電網輸出的功率通常是變化的。例如，風力發電機輸出隨風力條件的變化而變化，太陽能光伏發電也隨光照條件的變化而變化。這類分布式發電接入配網后，使得接入分布式發電的節點功率變化，嚴重的會引起電壓失穩。在這種情況下，要求能夠在線準確地獲取分布式發電接入下的配電網電壓穩定性。

如圖2所示，在支路bij中，分布式發電DG接入到節點j，此時該節點的功率S'j=P'j+jQ'j是處于不斷變化之中。根據圖中電路，有

Ui=Uj+■（R+jX）=U■+■（R+jX）（4）

圖2 帶DG的配電網支路等效電路圖

變形得到：

|Uj|4+[2（P'jR+Q'jX）-|Ui|2]|Uj|2+（P'jR+Q'jX）2+（P'jX-Q'jR）2=0（5）

根據方程解存在性得到判據：

|Ui|4-4[|Ui|2（P'jR+Q'jX）+（P'jX-Q'jR）2]≥0（6）

根據2.1的分析，定義參數Lij，使得

Lij=■（7）

由之前的分析可知，若Lij≤1，則節點j的電壓穩定，且Lij的值越小，節點j的電壓穩定性則越高。由于接入了分布式發電，式（7）中的參數P■■和Q■■的值會不斷發生變化，導致Lij的值也在實時變化，即節點j處的電壓穩定性發生變化。因此，通過實時監測式（7）中的各項參數就可以監測各點的電壓穩定性。

同樣，為了表示整個電網在接入分布式發電后的電壓穩定性，定義L=max{Lij}。其中，{Lij}代表整個電網所有節點經式（7）計算的結果，L取其中的最大值，即以電壓穩定性最低的點代表整個電網的電壓穩定性。

定義bij支路的穩定裕度為Bij=1-Lij。顯然，Bij越大，該支路的電壓越穩定，準許接入的分布式發電容量越大。同樣，對于整個電網，其穩定裕度定義為：B=1-L。

上述方法中的電壓穩定性指標清晰地反映了負荷分布與電壓穩定性的關系，而且可以利用線路實時數據獲取，能夠準確衡量分布式發電接入下配網節點電壓穩定性。

3 仿真分析

為了驗證上述判據的實用性與準確性，搭建如圖3所示的仿真電路。其中，分布式發電DG1和DG2經過各自的變壓器T1和T2并聯在一起，各變壓器出口母線側配備STATCOM作為無功補償裝置。分布式發電經公共耦合點PCC接入10kV配電網。在仿真中，先投入圖3中的容量較小的DG1，一段時間后投入容量較大的DG2。在總線1和總線2處裝設測量裝置，能夠實時獲取該條饋線潮流數據，用于計算前述分析中的電壓穩定指標。

圖3 仿真電路

圖4 功率變化

仿真總時長設計為1s，在0.3s時投入分布式發電DG1，在0.6s時投入另一分布式發電DG2。其中DG1為3MVA，DG2為30MVA。分布式發電投入后，總線3處功率變化如圖4所示。從圖中可以看出，在DG1投入后總線3處功率上升，而DG2投入后母線3處的功率卻急劇下降到0。

總線3處電壓的變化如圖5所示，在DG1投入時，電壓略微上升之后恢復到額定值，說明DG1的投入依舊能保證節點電壓保持穩定，而DG2投入后，電壓迅速下降到約0.3pu，與額定值差距較大，此時電壓已經失去穩定。

根據式（15）計算出的電壓穩定性指標L的變化如圖6所示，電壓在0.6s時失去穩定，而L也在0.6s處突變到大于1，這與前面的理論分析一致。對應的穩定裕度如圖7所示，當穩定裕度為正時，說明電壓穩定，穩定裕度為負時，電壓已經失去穩定。

4 總結

本文針對分布式發電大量接入配電網，對配電網電壓穩定性帶來的問題，提出了一種改進的基于潮流解存在性的電壓穩定性判據，該判據充分考慮了分布式發電容量變化對配電網電壓穩定性的影響，通過測量分布式發電接入點及其上游節點的功率和電壓，實時監測接入點電壓的穩定性。理論計算和仿真分析都驗證了該判據的有效性，為今后的分布式發電并網的研究與發展提供了全新的思路。

【參考文獻】

[1]莫穎濤.影響我國分布式發電發展的關鍵因素[J].電網技術，2008（S1）：47-51.

[2]段獻忠，何仰贊，陳德樹.電力系統電壓穩定性的研究現狀[J].電網技術，2005（4）：20-24.

[3]Lasseter R H，Paigi P.Microgrid：a conceptual solution[C].// Power Electronics Specialists Conference，2014.Pesc 04.2004 IEEE.IEEE，2004：4285-4290Vol.6.

[4]包黎昕，段獻忠，何仰贊.狀態空間中電壓穩定性的動態分析[J].中國電機工程學報，2014，21（5）：17-22.

[5]Prada R B，Souza L J.Voltage stability and thermal limit： Constraints on the maximum loading of electrical energy distribution feeders[J].IET Proceedings-Generation Transmission and Distribution，2016，145（5）：573-577.endprint