含多類型分布式電源的主動配電網三相動態潮流算法

劉小愷，范曉龍，房文軒，米 夏，安 東

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

為實現國家“碳達峰、碳中和”的目標，隨著以清潔能源為代表的新能源被廣泛開發利用，正驅動傳統電網朝著高效、靈活、智能的能源互聯網方向發展［1-2］，主要表現為分布式電源（Distributed Generation，DG）特別是大規模間歇式可再生能源的接入與應用。隨著配電網向含大量不同類型分布式電源的主動配電網（Active Distribution Network，ADN）轉變，配電網變為有源網絡，由配電管理系統（Distribution Management System，DMS）進行在線實時監控。當ADN 孤島運行時，若負荷突然增加或網絡結構發生變化，松弛節點的容量可能不足以承擔全部功率缺額。因此，如何通過分布式電源的調節控制對網絡潮流進行管理，同時提高清潔能源的利用率，是主動配電網優化運行研究中的難點之一［3-5］。動態潮流（Dynamic Power Flow，DPF）算法可以在系統中設置多個平衡節點來共同承擔系統的不平衡功率，所以能夠滿足分布式電源接入后主動配電網的潮流計算要求［6-8］。

文獻［9-11］較早提出了基于分布式松弛節點模型的配電網三相潮流算法，通過定義參與因子使各電源動態分配網絡損耗，但采用相分量形式的三相潮流算法計算時間較長，導致計算效率不高。文獻［12］提出基于網損靈敏度的參與因子計算方法，在潮流計算中由降壓變電站和各個分布式電源共同分擔配電網有功網損，但未考慮主動配電網三相不平衡的特點。文獻［13-14］僅考慮了PQ節點類型DG接入，且未考慮DG出力的限值約束條件。

基于序分量形式的潮流算法可以實現三相解耦并行計算，能夠大幅提升計算速度［15-17］。因此，提出一種基于序分量的主動配電網三相動態潮流算法，并給出功率缺額分擔系數的概念，由不同控制策略的DG參與分擔系統的有功和無功功率缺額，同時考慮了各種DG的出力限制，使主動配電網的潮流計算更接近實際在線運行情況。

1 基于序分量的三相動態潮流算法

含DG接入的配電網系統結構如圖1所示。

圖1 含DG的配電網系統結構

在傳統配電網的潮流計算中，將輸配電網的公共連接點定義為松弛節點，該節點有兩層含義，一是作為系統節點電壓相位的參考節點；一是承擔系統的功率不平衡量，即作為平衡節點。當DG 接入后，可由各類分布式電源承擔平衡節點的作用，共同分擔系統的功率不平衡量。

首先，利用對稱分量變換矩陣T將系統狀態變量由相分量形式轉換為序分量形式，如式（1）所示。

式中：V120和Vabc分別為節點序分量電壓向量和相分量電壓向量。

1.1 功率缺額分擔系數

假設節點i為主動配電網中有DG 接入的節點，在潮流計算過程中，每次迭代后DG 出力與負荷功率、線路功率損耗的正序功率缺額為：

式中：N為系統的節點總數；和分別為節點i處DG 的有功出力和無功出力；和為 節 點i的負荷功率；s和分別為正序系統的有功損耗和無功損耗；V1和θ1分別為正序系統的節點電壓幅值向量和相角向量。

定義Kp1和Kq1為松弛節點的有功功率缺額分擔系數和無功功率缺額分擔系數；Kpi和Kqi分別為DG的有功功率缺額分擔系數和無功功率缺額分擔系數，i=m，…，N，表示m號至N號節點有DG接入。則有：

式中：當Kp1=Kq1=1時，即為常規潮流計算模式。在實際情況下，Kpi可根據DG 的頻率調節特性選取，Kqi可根據DG的電壓調節特性選取［8］。

1.2 序分量三相動態潮流方程

在動態潮流計算中，每次迭代后的功率缺額由松弛節點和DG按分擔系數共同承擔，則正序系統的動態潮流方程為：

式中：和分別為節點i和節點j正序節點電壓；為節點i和節點j的正序電壓相角差；和分別為正序節點導納矩陣中的電導和電納；和分別為負序、零序系統對正序系統的補償功率。

式（6）和式（7）與常規潮流方程的區別在于，利用牛頓-拉夫遜法進行每次迭代計算之前，需要先通過式（2）和式（3）計算功率缺額，然后按分擔系數加入DG接入節點的功率平衡方程中，即可解算出正序系統的狀態變量V1和θ1。

1.3 DG出力越限處理方法

在動態潮流計算中，若分擔功率缺額后的DG 出力越限，則須對DG的分擔系數進行如下修正：

式中：h為當前的迭代次數；和分別為DG 有功出力和無功出力的上限值。

當發生DG 出力越限時，為滿足式（4）和式（5），還須對松弛節點的分擔系數進行調整，如式（10）和式（11）所示。

2 DG潮流模型

DG 有燃料電池、風機、光伏發電、儲能裝置、微型燃氣輪機等多種類型，主要通過電力電子逆變器并網，如圖2 所示。根據不同DG 的并網控制特性，將其分為功率控制型、電壓控制型和功率因數控制型［17］。圖2中，和分別為DG的三相有功功率和無功功率。

圖2 電力電子逆變器并網接口

對于功率控制型DG，按PQ 節點處理，正序有功功率和無功功率的計算公式為

對于電壓控制型DG，按PV 節點處理，正序有功功率和節點電壓幅值的計算公式為

式中：V1為正序系統的節點電壓；Vs為正序節點電壓給定值。

對于電流控制型DG，按PI 節點處理，在潮流計算中可將其轉化為PQ節點形式

式中：Is為正序注入電流給定值。在動態潮流計算過程中，將式（12）—式（14）直接代入式（6）和式（7）中即可。

3 算法流程

基于序分量的主動配電網三相動態潮流算法可以實現三相解耦并行計算，其中正序系統采用牛頓-拉夫遜法進行迭代計算，負序和零序系統可以通過節點電壓方程直接解算，從而大幅提高了計算效率，具體計算流程如圖3 所示。首先，形成節點導納矩陣，同時初始化各節點電壓、功率、分擔系數等初始變量，其次，計算出分擔功率缺額后的分布式電源的出力，并判斷節點電壓是否越限，若越限，則調整松弛節點和分布式電源的分擔系數，最后通過所得計算功率失配量和雅克比矩陣，求解系統各項參數，直至系統收斂。

圖3 基于序分量的主動配電網三相動態潮流算法流程

4 仿真算例

4.1 算例1

對蒙西某地區35 kV 配電網進行仿真，分析單DG 接入的情況。額濟納220 kV 變電站的低壓節點為整個配電網的松弛節點，天風哈日布勒風電場為接入的分布式電源，如圖4所示。

圖4 蒙西某地區35 kV配電網

設定方案1 為基態負荷運行方式，DG 不參與分擔功率缺額；方案2 相對基態運行方式負荷有所增加，DG不參與分擔功率缺額；方案3研究負荷增加且DG參與分擔功率缺額的情況。對3個方案進行仿真計算，結果如表1所示。

表1 3種方案計算結果

從表1 可以看出，相比于方案1 的計算結果，方案2 中系統負荷增加后，造成了網絡損耗同步增加，同時DG 接入節點電壓出現了下降；方案3 中，DG 參與分擔功率缺額后，不僅降低了系統網損，而且提高了節點電壓。

4.2 算例2

對IEEE33節點三相配電系統進行仿真，分析多種DG接入的情況。在系統中接入4臺DG，如圖5所示。電壓基準值取為12.66 kV，功率基準值取為10 MW。

圖5 多DG接入的IEEE33節點配電系統

DG 的類型、接入位置和參數如表2 所示。設定方案1 即為常規潮流計算方式，DG 不參與分擔功率缺額；方案2—方案4 研究DG 參與分擔功率缺額的情況，且DG 的功率缺額分擔系數逐漸上升，同時按出力裕度的比例確定各DG 的分擔系數，如表3所示。

表2 DG接入情況

表3 4種方案參數設置

對4 種方案進行仿真分析，計算其系統松弛節點的出力、系統有功網損、節點電壓水平，如圖6—圖8所示。

對比分析4 種方案的仿真計算結果，可以得出如下結論：

1）根據圖6可知，DG分擔系數的逐步增加，表明DG 在參與分擔功率缺額中的作用越來越大；與此同時，松弛節點分擔的功率越來越小，表明在動態潮流計算中，DG 參與分擔功率不平衡量可以減輕松弛節點的分擔壓力，從而釋放更多容量，保留足夠裕度，以應對系統其他突發情況。

2）根據圖7 可知，當DG 分擔系數增加后，使DG的出力同步增加，即向系統注入了更多功率，對三相配電系統起到了功率補償作用，從而降低了系統的網損。

圖7 4種方案中系統有功網損

圖8 4種方案中系統節點電壓分布

3）根據圖8可知，DG出力增加后，一方面降低了支路功率損耗，同時向接入節點注入了更多無功功率，從而對周圍節點電壓起到了支撐作用；當多DG接入時，便能夠提升整個系統的電壓水平。

需要指出的是，對于實際運行中的主動配電網，若DG本身無調節能力或調節能力有限，如果此時賦予DG 較大的功率缺額分擔系數，以至于超出DG 的調節能力時，將對系統的頻率穩定性造成影響。

5 結語

提出一種基于序分量的主動配電網三相動態潮流算法，通過定義功率缺額分擔系數，使不同控制策略的DG能夠參與分擔系統的有功和無功功率缺額，并給出了DG出力越限后的處理方法，克服了傳統常規潮流計算中全部功率缺額均由松弛節點承擔的弊端，從而更好地模擬主動配電網實際運行情況。通過對蒙西某地區配電網和IEEE33 節點配電系統進行仿真，對比分析了多種不同方案，仿真結果表明DG 參與分擔系統功率缺額后，能夠減輕松弛節點的分擔壓力、降低網絡損耗、提升系統電壓水平。