含分布式電源的配電網脆弱性分析

張凱

摘 要：電力系統中的某些脆弱環節會加劇故障的蔓延，如何準確的辨識出這些脆弱環節，是當前研究的熱點問題。一方面將配電網由單電源輻射狀結構變為多電源結構系統，另一方面也改變了配電系統的潮流分布，進而對脆弱線路的識別產生一定的影響。分布式發電可作為備用電源為高峰負荷提供電力，提高供電可靠性；可為邊遠地區用戶、商業區和居民供電；可作為本地電源節省輸變電的建設成本和投資、改善能源結構、促進電力能源可持續發展。

關鍵詞：含分布式電源；配電網脆弱性

分布式電源（DG），通常是指發電功率在幾千瓦至數百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電單元。主要包括：以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、太陽能發電（光伏電池、光熱發電）、風力發電、生物質能發電等。它的投資少、占地小、建設周期短、節能、環保，對于高峰期電力負荷比集中供電更經濟、有效。另外，當前針對電力系統的脆弱性研究大多集中在輸電領域，很少涉及到配電系統。因此，建立一套符合電網實際物理意義的配電網脆弱線路識別體系變得尤為重要。

一、優勢

目前電能生產、輸送和分配的主要方式分別是集中發電、遠距離傳輸以及大電網互聯。由這三種方式組成的電力系統承擔著全世界90%的電力負荷。但是它也存在著局部事故易擴散、容易受到戰爭或者恐怖勢力破壞以及無法靈活跟蹤電力負荷等等弊端。而分布式發電有著自身特有的優勢，下面將對其作簡單的介紹：（1）節能降耗。首先，分布式電源供電距離較集中發電方式短得多，網損降低明顯；其次，分布式電源則能夠提供多種形式的能量，能實現能量的梯級利用，典型的是冷、熱、電三聯產，符合“溫度對口、梯級利用”的原則，從而大大提高了能源的總體利用效率。（2）減少空氣污染。分布式發電以天然氣、輕油等清潔能源和風力、水力、潮汐、地熱等可再生能源為發電原料，能夠有效減少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害氣體的排放。同時，由于分布式能源系統發電的電壓等級比較低，電磁污染比傳統的集中式發電要小得多。（3）提高電網的經濟性和可靠性。由于分布式發電的削峰填谷、平衡負荷的作用，現有發輸電設施的利用率將大大提高，那些利用率極低、僅為滿足高峰負荷需要的發輸電設施將不再有建設的必要，大大地提高了電網的經濟性。此外，分布式發電還可以作為備用電源為高峰負荷提供電力，通過自身開停機方便、操作簡單、負荷調節靈活的特點，與大電網配合，彌補其安全穩定性方面的不足，在電網崩潰和意外災害情況下也可維持重要用戶的供電，大大提高供電可靠性。

二、含分布式電源的配電網脆弱性

1.目前，配電網中考慮脆弱性的DG 規劃研究。主要可歸結于以下3 個方面。（1）脆弱性因素的建模研究。脆弱性因素的建模研究是配電網中考慮不確定性的DG 規劃的基礎，其涉及風電和光伏的出力特性、負荷的不確定性、未來電價的不確定性和燃料成本的不確定性等。（2）TDN 中的DG 規劃方法。DG 接入TDN 后，遵循“安裝即忘記”的原則，即DG 在運行過程中不接受來自配電網的主動管理和控制。目前，TDN 中考慮不確定性的DG 規劃方法主要有3 類：第1 類是基于多場景技術的規劃方法；第2類是基于機會約束理論的規劃方法；第3 類則是基于模糊數學理論的規劃方法。（3）ADN 中的DG 規劃方法。ADN 是目前智能配電網一種新的發展模式，能利用先進的自動化、通信和電力電子等新技術實現對接入配電網的DG 和其他設備進行主動管理。目前，ADN 中考慮不確定性的DG 規劃方法主要包括單層規劃方法和基于雙層規劃理論的雙層規劃方法。

2.DG 規劃。在TDN 中，DG 接入后遵照“安裝即忘記”的原則，這樣不僅無法充分利用DG 在降低網損、改善系統潮流分布等方面的積極作用，還很大程度上限制了DG 的滲透容量。針對TDN 的弊端，ADN 應運而生。ADN 是目前智能配電網一種新的發展模式，能利用先進的自動化、通信和電力電子等新技術實現對DG和其他設備進行主動管理和控制。ADN 的出現給考慮不確定性的DG 規劃問題帶來了新的挑戰。在ADN 中進行考慮不確定性的DG規劃時，除了需要計及各種不確定性因素的影響外，還需在規劃階段模擬ADN 的運行和主動管理措施。現有文獻中考慮的主動管理措施主要包括調節DG的有功出力、調節DG 的功率因數、調節有載調壓變壓器抽頭、調節無功補償裝置和切負荷等。目前，ADN 中進行考慮不確定性的DG 規劃時，通常采用多場景技術或概率模型來處理各種不確定性因素。并利用概率最優潮流技術或者概率潮流技術來計及不確定性因素。ADN 中考慮不確定性的DG 規劃方法可以歸納為2 類：一類是DG 單層規劃方法；另一類是基于雙層規劃理論的DG 雙層規劃方法。

3.分布式電源并網對電網電能質量的影響。受環境和氣候條件、用戶需求、政策法規等因素的影響，分布式電源的起停與投切，其不確定性易造成配電網明顯的電壓波動和閃變。同時，分布式電源的控制設備和反饋環節的相互作用也會直接或間接引起電壓閃變；分布式電源采用基于電力電子技術的逆變器接入配電網，與傳統電網的方式有很大不同，開關器件的頻繁開關易產生開關頻率附近的諧波分量，對電網造成諧波污染；分布式電源常位于配電網的終端，離負荷較近，輸出的無功會使負荷節點處電壓升高，甚至超出電壓偏移標準。當分布式電源退出運行時，受其影響較大的節點負荷又因缺少電壓支撐而遭受低電壓等嚴重電能質量問題，受影響程度的大小與分布式電源的類型、位置和容量有關；大量分布式電源在電網隨機投入和退出運行加大了電力系統負荷預測的不確定性，使配電系統規劃者難于準確預測負荷增長情況；配電網規劃是動態規劃問題，其動態屬性同其維數密切相關，系統增加的大量分布式發電機節點，使得在所有可能網絡結構中尋找最優網絡布置方案更加困難；

三、未來發展方向

1.考慮需求側響應的DG 規劃。隨著智能配電網的發展，各種需求側響應和管理應運而生。目前，對需求側響應的研究包括直接負荷控制、可中斷負荷控制、緊急需求響應機制、分時電價機制、可靠性電價機制和關鍵峰荷電價等。不同的需求側響應方式具有不同的特性。因此，如何針對需求側響應本身的特性進行建模，并將其融入現有的考慮不確定性的DG 規劃模型將是未來智能配電網中的一個研究熱點。

2.考慮儲能系統接入的DG 規劃。隨著儲能技術的成熟，儲能系統已在配電網中得到了示范性應用，能夠起到平抑間歇性DG 出力波動和削峰填谷等作用。儲能系統在運行過程中需要遵循充放電狀態約束、最大充放電功率約束、剩余容量約束和充放電次數約束等。若在DG 規劃階段考慮儲能系統的接入，其物理特性約束將使得配電網的前后運行狀態之間存在時序耦合關系，意味著在規劃過程中需要模擬包括儲能系統在內的時序動態特性，這將大幅增加規劃模型的復雜度。因此，如何在進行DG 規劃時合理地對儲能系統進行建模并計及其帶來的時序動態特性，將是未來研究的一大挑戰。此外，隨著智能電網的發展，需求側響應和儲能技術在配電網中得到了推廣，這大幅增加了規劃模型的復雜度。因此，研究規劃模型的合理簡化方法、采用新思路或者新的數學理論來研究更高效的求解算法也將是一個非常重要的研究領域。

隨著分布式電源水平的不斷提高、設備性能的不斷改進，分布式電源并網引起的電能質量問題也將被逐步解決，分布式電源也會逐步占據能源綜合利用上最重要的位置。

參考文獻

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