高滲透率分布式電源配電網下基于發電功率的孤島劃分策略

朱俊瑞 馮凱濱 余勇

摘 要：高滲透率分布式電源下配電網發生故障后，孤島運行可以保證非故障區失電負荷的可靠供電，制定合理有效的孤島劃分方案是實現孤島運行的關鍵。對僅包含風、光等間歇性電源和儲能裝置的配電網，在故障發生后，通過計算故障停電時間中各個時間段的多個電能參數，考慮儲能約束的劃分準則，尋找重要負荷和一般負荷，通過對負荷的控制保證整個孤島的功率動態平衡，提出了高滲透率分布式電源配電網下基于發電功率預測的孤島劃分策略，該策略既能保證故障期間重要負荷的持續穩定供電，又能更多的恢復其它負荷，實現恢復供電收益最大。

關鍵詞：高滲透率;分布式電源;孤島運行

中圖分類號：TM611 文獻標識碼：A

0 引言

進入新世紀以來，隨著風力、光伏等分布式發電技術的日益成熟和電網的大力發展，大量分布式電源（distributed generator，DG）接入了配電網中[1]。由于DG具有獨立的供電能力，在配電網故障發生后，可以以孤島運行為非故障區域負荷進行供電[2-3]。

如何高效、準確的進行孤島劃分，國內外學者已有深入研究。文獻[4]基于圖論中的樹背包問題，建立了基于二進制編碼和分支定界的算法，提出以“搜索+調整”的兩步策略求解孤島區域。文獻[2]在考慮了DG及負荷需求不確定性下實現配電網孤島劃分，是基于樹背包理論的隨機最優劃分，并采用隨機最優潮流二次調整。文獻[5]提出一種基于分光荷功率曲線，考慮孤島控制方式以及多時間段的動態有源配電網孤島劃分策略。

對高滲透率分布式電源下的配電網，本文以保證重要負荷的持續穩定供電的基礎下，更多的恢復一般負荷為目標，綜合考慮了各時段下DG的發電功率、儲能的最大儲能功率、儲能的最大輸出功率以及儲能的最大輸入功率等相關因素，提出了一種高滲透率分布式電源配電網下基于發電功率預測的孤島劃分策略。在故障發生后，通過計算故障停電時間中各個時間段的多個電能參數，考慮儲能約束的劃分準則，尋找重要負荷和一般負荷，通過對負荷的控制保證整個孤島的功率動態平衡，該策略既能保證故障期間重要負荷的持續穩定供電，又能更多的恢復其它負荷，實現恢復供電收益最大。

1 孤島劃分準則

為實現故障期間重要負荷的持續穩定供電，同時還能更多的恢復其它負荷的目標，應滿足以下準則。

1.1 重要負荷持續穩定準則

在故障期間，需要保證重要負荷能夠持續穩定的供電，不受分布式電源出力隨機性的影響。

1.2 最小準則

在故障期間應盡可能少的棄電，盡可能通過調節一般負荷去實現功率的動態平衡。

1.3 零準則

在故障結束后儲能中的剩余電量應為零，實現孤島運行恢復供電收益最大。

2 孤島劃分策略

2.1 孤島劃分條件

分布式電源的出力具有隨機性，儲能也受到容量和最大輸入、輸出功率限制，需要通過接入/斷開一般負荷去實現功率的動態平衡。

設配電網故障總時間為T，劃分為n個時間段，分別為t1，t2，t3…tn，分布式電源在各個時間段的出力為p1，p2，p3，…pn，儲能的最大儲存電量為Wmax，故障時刻的儲存電量為Wc，儲能的最大輸入功率為Pin，最大輸出功率為Pout。孤島運行時的接入重要負荷為Pmax，各時段下接入的一般負荷為Pb1，Pb2，Pb3，…Pbn。

2.2 故障期間接入重要負荷計算方法

通過下式計算最理想狀態下的重要負荷功率Pmax：

Pmax=（Wc+∑pt）/T

其中，t為所述劃分的某一時間段，p為該時段下分布式電源的預測發電功率。判斷最理想狀態下的輸出功率Pmax是否大于0，若不大于0則在整個停電期間不能夠接入重要負荷，只能根據分布式電源各時段下分布式電源發電預測動態的接入一般負荷。

在各時段下校驗是否滿足以下約束條件：

Pout+p>=Pmax，和Wc-（Pmax-p）*t>=0

其中，每過一個時間段需要重新計算Wc。

若不滿足所述約束條件，則將所述最理想狀態下的輸出功率Pmax減去一定的步長，重復進行上述判斷，直到所有的時間段都滿足約束條件，此時所述最理想狀態下的輸出功率Pmax即為故障期間重要負荷的功率。

2.3 各時段接入一般負荷計算方法

算出故障期間接入的重要負荷后，可基于以下步驟計算出各時段接入的一般負荷，步驟如下：

1）由重要負荷功率Pmax和各時段下預測的發電功率Pi，計算出各時段下儲能功率輸出：Pd=Pmax-Pi;2）如果Pd>0，則該時段的儲能剩余電量為Wc=Wc-Pd*ti，儲能輸出功率為Pd，一般負荷功率Pb為0。

如果Pd<=0，則進行以下分析：

（a）如果|Pd|>Pin，此時先記一般負荷功率Pb=|Pd|-Pin，儲能輸出功率為Pd=-Pin;（b）如果|Pd|≤Pin，則先記一般負荷功率Pb=0，儲能輸出功率為Pd=Pd;（c）判斷儲能上一階段的剩余電量減去這一階段的輸出電量（即儲能輸出功率*時間）是否大于儲能最大容量;（d）如果大于儲能最大容量，則該時段的儲能剩余電量為Wmax，儲能輸出功率為Pd，一般負荷功率輸出為Pb=（Wcf-Pd*ti-Wmax）/ti+Pd;（e）如果小于等于儲能最大容量，則該時段的儲能剩余電量為Wc=Wc-Pd*ti，儲能輸出功率為Pd，一般負荷功率輸出為Pb。

為滿足盡可能多的接入負荷約束條件，儲能最終剩余電量應為0。如果儲能剩余電量大于0，可按時間段從后到前順序依次進行儲能放電，直至儲能剩余電量為0，此時可獲取到所述各個時間段下可恢復供電的最大一般負荷，獲取各個時間段下可恢復供電的最大一般負荷的具體步驟如下：

1）如果儲能剩余儲存電量Wc>0，假設讓Wc在該時段內全部釋放完，計算儲能輸出功率為Pd+Wc/t;2）如果所述儲能輸出功率大于Pout，則該時段下的一般負荷功率為Pb=Pb+Pout-Pd，儲能剩余電量為Wc=Wc-（Pout-Pd）*t;3）如果不大于Pout，則儲能剩余電量在該時段釋放完畢，該時段下一般負荷功率為Pb=Pb+Wc/t，儲能剩余電量為0;4）重復進行以上步驟即可。

2.4 孤島劃分方法

以分布式電源為根節點，按由近及遠原則尋找重要負荷，直到功率總和為Pmax作為基礎負荷用分布式電源持續供電，尋找一般負荷作為調節負荷，一般負荷總功率不得大于各時段下Pb中最大值，其中，所述Pb為所述各時間段除去所述最理想狀態下的輸出功率Pmax后的剩余功率。

根據每個時段的Pb進行接入/斷開一般負荷，保證整個孤島的功率動態平衡，此時即形成了每個所述時間段內的孤島。

3 結語

本文基于故障期間重要負荷的持續穩定供電，同時還能更多的恢復其它負荷的目標，提出了高滲透率分布式電源配電網下基于發電功率的孤島劃分策略，實現恢復供電收益最大。但是，本策略對故障期間分布式電源各時段下發電功率預測的準確性要求較高，下一步需對分布式電源的各時段下的發電功率預測方法進行進一步研究。

參考文獻：

[1]王雨婷，張筱慧，唐巍，等.考慮光伏及負荷時變性的配電網故障恢復[J].電網技術，2016，40（09）：2706-2716.

[2]李飛，徐弢，林濟鏗，等.計及分布式電源出力和負荷不確定性的配電網孤島劃分[J].電力系統自動化，2015，39（14）：105-113+132.

[3]李紅偉，林山峰，吳華兵，等.基于動態規劃算法的配電網孤島劃分策略[J].電力自動化設備，2017，37（01）：47-52.

[4]王旭東，林濟鏗.基于分支定界的含分布式發電配網孤島劃分[J].中國電機工程學報，2011，31（07）：16-20.

[5]李振坤，周偉杰，王堅敏，等.基于風光荷功率曲線的有源配電網動態孤島劃分方法[J].電力系統自動化，2016，40（14）：58-64+71.