分布式電源接入對系統脆弱性影響分析

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(南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063)

0 引言

分布式電源作為普通大電網的補充，以其高效環保，就地消納電力的優點得到了迅速的發展。而脆弱性作為電力系統本身的固有屬性， DG的大規模接入勢必影響系統節點的運行狀態，進而影響系統整體的脆弱性。因此研究分布式電源接入電網給系統帶來的影響意義重大。

目前，國內外相關學者對分布式電源已經有較多的研究成果[1-2]，詳細介紹了含DG的潮流計算方法以及對系統電壓的影響；對于電力系統的脆弱性也有一些研究成果[3-10],文獻[11]從微電網的可靠性角度出發分析了系統的安全性能； 文獻[12]分析風電接入對系統節點脆弱性的影響，主要分析了風電場帶來的影響；文獻[13]評估了含風電場的電力系統可靠性。

基于上述思想以及現有文獻研究的不足，本文綜合考慮靜態結構脆弱性和動態運行脆弱性，構造加權的綜合脆弱性函數。在微電網系統中加入DG，計算含DG的節點脆弱度，通過不同的算例說明了脆弱性指標的合理性以及對比分析了不同類型DG以及不同并網節點對系統脆弱性的影響，從而更好地保證微電網系統的安全穩定性能。

1 含DG的微電網脆弱性評估模型

1.1 微網脆弱性指標要求

微電網的脆弱性可以理解為當系統中某一部分或元件受到干擾而崩潰,進而導致系統中其他部分崩潰的行為。因此如何正確評估系統的脆弱性以及分析不同類型DG和不同并網點對系統脆弱性的影響是關鍵問題。

目前微電網會大量引入DG，網絡結構則變得更加復雜，因此對微電網的結構脆弱性進行評估十分必要。另外，微電網的運行狀態與脆弱性有緊密聯系， 因此本文建立基于網絡結構和運行的綜合脆弱性指標，從而較好的評估系統的脆弱性。

分布式電源(DG)指的是直接分布在配電網或負荷附近的發電設施，DG作為傳統電網的補充，隨著其技術性能的不斷改善，在提高配電網供電質量的同時還減少了化石能源的損耗和污染。

1.2 分布式電源的節點類型

分布式電源主要有太陽能光伏發電、風力發電、燃料電池、微型燃氣輪機等幾種[14-17]。DG主要有以下3種接口方式：1)同步發電機接口;2)異步發電機接口;3)電力電子變換器接口。根據DG的種類以及其并網接口的不同，可將其分成4種不同的節點類型：PQ型節點、PV型節點、PI型節點以及PQ(V)型節點。

采用同步發電機功率因數控制的DG通常作為PQ型節點，例如風力發電機組[4],另外采用恒功率因數控制的電力電子變換器接口型的DG也作為PQ型節點。

采用恒電壓控制模式的風力發電機作為PV節點[4],通過電壓控制逆變器接入電網的光伏發電作為PV節點,微型燃氣輪機和燃料電池也作為PV節點。

通過電流控制逆變器接入電網的光伏發電作為PI節點處理。

在潮流計算中，采用異步發電機的風力發電作為PQ(V)節點處理[4]。

1.3 含DG的脆弱性評估模型

不含DG的配電網在進行潮流計算時，通常只有兩種節點類型：節點和PQ節點。節點是出口母線根節點，PQ節點為其他負荷節點。DG的加入使配電網增加了新的節點類型，下面介紹各類節點型DG在潮流計算中的模型。

1.3.1 PQ節點

PQ節點型DG的特點是恒定的輸出有功功率和無功功率，其潮流計算公式為：

(1)

式中,Ps和Qs分別表示PQ節點型DG的有功功率和無功功率。

1.3.2 PV節點

PV節點型DG的特點是有功功率和額定電壓是恒定的，其潮流計算公式為：

(2)

式中，Ps為PV節點型DG的有功輸出；Vs為PV節點型DG的端口額定電壓。用前推回帶法進行配電網潮流計算時要求負荷類型為PQ節點，故需對PV節點進行處理使其轉化為PQ節點。可以根據PV節點電壓偏差對無功功率進行修正，即:

QT=Qt-1+ΔQ=Qt-1+f(ΔVt-1)

(3)

式中，f(ΔVt-1)是根據ΔVt-1求得的無功功率修正量，t為當前迭代數。

1.3.3 PI節點

PI節點型DG的特點是有功功率和節點注入電流是恒定的，其潮流計算公式為：

(4)

式中，PS和IS分別為PI節點型DG的有功輸出功率和節點注入電流。

1.3.4 PQ(V)節點

PQ(V)節點型DG的特點是有功功率恒定不變，迭代過程中的無功功率可由上次迭代的電壓幅值算出，潮流計算公式為：

(5)

2 微電網的脆弱性評估

2.1 結構脆弱性評估指標

微電網作為一個復雜的電力系統，其包括發電機等各負荷節點，以及各輸電線路，而在此文中，線路的權值則用電抗值來表示，從而在系統模型中加入了電氣元件參數，使得網絡運行更加貼近實際。目前對于復雜網絡結構的特性研究大部分采用計算節點的重要度來描述網絡結構，例如節點收縮法等，主要考慮了節點之間的最短路徑，節點介數以及線路介數等，有些則單獨的考慮節點或線路的差異性，考慮節點的度數，從而定義網絡結構熵。雖然能夠較好的分析網絡的結構特性，但是從節點或線路單一的考慮其差異性，存在片面性。

因此本文結合節點和線路，考慮其差異性，并定義加權的網絡結構熵概念，構造結構脆弱性評估指標，進而分析系統的結構脆弱性。

節點差異性體現在節點重要度之間的區別，用節點度的分布情況來描述，可得節點差異性如下：

Di=(1-P(ki))*N

(6)

其中:P(ki)表示節點度數為ki的概率，ki表示節點度，N為節點數目。

因為節點度數為ki，所以當選擇一條線路時，節點被選中連接的概率應為ki倍，綜合思量節點與線路的關聯性，線路的權重則用節點領域內的電抗值∑Wij來表示，因此定義線路差異性為：

Li=ki*Di*∑Wij

(7)

歸納上述節點和線路差異性，確定中間量Bi如下:

Bi=(Di+Li)/2

(8)

因此節點重要度為：

(9)

2.2 運行脆弱性評估指標

2.2.1 電壓質量指標

運行狀態脆弱性是從不同的運行角度對微電網的狀態進行分析，包括節點電壓，有功功率等，目前對于運行脆弱性指標的建立還沒有統一標準，但是大部分都有考慮其節點電壓質量。因為微電網的結構或者運行狀態的改變都會引起節點電壓的變化，所以用節點電壓的偏移量與節點允許的最大電壓偏移量的比值作為電壓質量指標，它的值越大，表明該節點越不穩定，脆弱性更高，其公式如下所示：

(10)

式中,N表示節點數目，Vi表示節點運行電壓，Vcr表示參考額定電壓，△Vlim為節點的最大允許電壓偏移量，VQ為節點電壓質量指標。

2.2.2 有功功率平衡度指標

微電網中的各節點負荷實際功率、線路的實際傳輸功率、電流大小和線路有功損耗等都與電網運行息息相關。而分布式電源DG接入網絡，可以有效降低線路遠距離傳輸的有功功率，減少線路有功損耗。同樣，線路的權值用電抗表示，定義微電網的有功功率平衡度指標[17]為：

(11)

式中,Wl為線路電抗值，Pi為線路傳輸的有功功率，OLi為有功功率平衡度指標。指標OLi反應了微電網線路傳輸功率在距離上的均勻程度，OLi越大表明傳輸的遠距離有功功率 越多，對電網有功功率的均勻分布越不利。另外,該指標的權值為電網各個線路的電抗值，能夠較好的體現運行狀態中有功功率的傳輸情況，因此，OLi指標值越小，即電網遠距離傳輸功率越少，有功功率在網絡中的潮流則越均勻，即脆弱性越低。

2.3 綜合脆弱性評估指標

結合結構脆弱性指標和運行脆弱性指標建立加權綜合脆弱性指標。對于各項指標運用層次分析法[6]賦予不同的權重值，得到綜合脆弱性評估指標ISV如下所示：

ISVi=w1*I(i)+w2*VQ(i)+w3*OL(i)

(12)

(13)

式中,w1,w2,w3表示各項脆弱性指標的權重值，ISVi表示系統節點的脆弱度，ISV為微電網系統的綜合脆弱度。

2.4 評估仿真內容

根據上文3.1節和3.2節所述的結構脆弱性指標和運行脆弱性指標兩個脆弱性指標可以求得網絡系統的綜合整體脆弱性情況，另外，根據2.2節所述的不同類型DG的評估模型可以仿真出系統在不同DG類型接入以及不同并網點狀態下的脆弱性指標值，根據仿真得出的不同結果值可以對網絡系統進行脆弱性的分析，從而可以得出不同類型DG以及不同并網點對系統不同程度的影響，以及判斷網絡在接入哪種DG以及并網在哪個節點時所受的脆弱性更低，即更不容易崩潰，更安全。在此結果之上，可以通過合理的接入分布式電源從而更好地保證電力系統的安全穩定運行。

3 算例分析

本文通過IEEE33節點系統分析系統在不同DG以及不用并網點下的系統脆弱性，系統總負荷為3 715.0 kW+j2300 kvar，基準電壓12.66 kV，有5個聯絡開關，其網絡拓撲圖如圖1所示，具體網絡參數參見文獻[7]。

圖1 IEEE33節點配電系統圖

為更好地分析不同類型DG以及不同并網節點對系統脆弱性的影響，通過3種方案進行比較分析，如下：

方案一：并入4個相同類型的DG，參數如表1所示；

方案二：并入4個不同類型的DG，參數如表2所示；

方案三：節點類型同方案二，并入節點號不同；

表1 方案一DG并網參數

方案一中并入的4個DG都為PQ節點類型，通過該方案與原始網絡進行結果對比，可以得出接入PQ節點對系統脆弱性帶來的影響，為了更好地測試不同節點類型對系統脆弱性的不同程度的影響，在方案二中加入4種不同種類的節點型DG，如表2所示。

表2 方案二DG并網參數

方案二中DG4為異步風電發電機，額定電壓為0.69 kV，定子電抗0.00453 Ω，轉子電抗0.149152 Ω，定子電抗與轉子電抗之和0.199904 Ω，轉子電阻0.00486 Ω，勵磁電抗2.205952 Ω，單組電容器的額定容量40 kvar，初始功率因數0.9。

方案三中4個DG種類以及參數均與方案二相同，把DG1的并網節點從4號改到16號，其他3個DG的節點位置保持不變。通過對比分析方案二和方案三可以得出不同的并網節點對系統產生的不同程度的影響。

根據公式(6)～(11)，仿真計算出原始網絡以及各種方案的節點結構和運行脆弱性，并根據公式(12)～(13)得出綜合脆弱度如表3所示。

表3 DG加入前后節點綜合脆弱度

由表3和圖2結果可知，相對于原始網絡，加入4個DG之后的節點綜合脆弱度均有所降低；對比方案一和二，當4個DG為不同類型的節點時，其綜合脆弱度比相同節點類型時的脆弱度更低，比如節點7，從0.0976降到了0.0743，降低了23.87%，節點30，從0.1059降到了0.0897，降低了15.30%；對比方案二和三可知，當并網節點號從4號改到16號之后，各節點的綜合脆弱度均有所降低，如節點17，從0.1074降到了0.0752，降低了29.98%，且節點16號的脆弱度從0.0988降到了0.0596，降低了39.68%，降低幅度較大，說明在節點16號并入DG能夠更好地降低系統的綜合脆弱度，提高系統的穩定安全系能。為更好地分析系統整體脆弱性的變化，系統綜合脆弱性列表如圖2所示。

圖2 DG加入前后節點綜合脆弱度

表4 各方案系統綜合脆弱度

圖3 各方案系統綜合脆弱度

由表4和圖3結果可知，各個方案的系統脆弱性均有所降低，加入4個DG之后的系統綜合脆弱度從2.9241降到了2.7058，降低了7.47%，方案二從2.9241降到了2.3164，降低了20.78%，方案三降低了34.75%，說明DG的加入能夠很好的降低系統的脆弱性，提高系統的安全性能，且當加入不同類型DG之后的系統綜合脆弱度更低，系統更安全，另外當并網節點發生改變后，系統的綜合脆弱度也相應變化，且并網節點從4改到16號之后，系統的脆弱性更加低，說明不同的并網節點對系統脆弱度有不同的影響，且當合理并網的時候能夠有效降低系統脆弱度，提高系統安全穩定性能。

表5為原始網絡以及方案三的十個節點的脆弱度排序結果，由表中結果可知，節點13、17、29、16、30排序變化明顯，表明DG的接入會改變節點脆弱度的排序，對系統節點脆弱度有不同程度的影響，是因為分布式電源的接入改變了系統運行狀態，進而改變系統的綜合脆弱性，另外如節點6、7、3等的排序沒有變化，說明脆弱性還受電網自身結構的影響。

表5 加入DG之后節點脆弱度排序結果

4 總結

本文結合系統的節點重要度，線路電抗值，節點度數以及電壓質量，有功功率平衡度等運行狀態參數，確定微電網的結構脆弱性指標和運行脆弱性指標，進而構造加權的綜合脆弱性指標，通過各算例的仿真結果表明，分布式電源的接入能夠有效的降低系統的脆弱度，進而提高系統的安全性能，且不同類型DG以及不同并網點對系統節點脆弱度的影響各不相同，節點脆弱度的排序也發生了變化，是因為分布式電源的加入改變了系統的運行狀態，進而改變了系統的綜合脆弱度。因此在實際應用中，應合理適當地加入分布式電源以降低系統脆弱度，減少發現奔潰的可能，以提高系統安全穩定性能。

另外，可深入研究加入DG容量和位置對系統脆弱性的影響，以便更好地找出系統的脆弱節點，為電網的安全穩定運行提供可靠的理論依據。