配電網(wǎng)中分布式電源準(zhǔn)入容量優(yōu)化研究

田中偉

（國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277500）

0 引 言

目前，在規(guī)劃分布式電源的位置和規(guī)模時通常使用3種類型的積極管理措施[6]。一是通過控制接入節(jié)點(diǎn)分布式電源機(jī)的輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電壓，以改善系統(tǒng)的潮流分布；二是通過調(diào)整有載調(diào)壓變壓器（On-Load Tap Changer，OLTC）一側(cè)可變抽頭的位置，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)在安全范圍內(nèi)；三是通過切換分布式電源接入點(diǎn)的無功容量補(bǔ)償裝置，改變網(wǎng)絡(luò)中的無功容量分配，以優(yōu)化配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)電壓水平和系統(tǒng)潮流分布。上述主動管理措施可用于配電網(wǎng)規(guī)劃，以建立最優(yōu)潮流模型。分布式電源、OLTC抽頭調(diào)節(jié)量、無功功率補(bǔ)償開關(guān)可以用作模型的控制變量，同時可以使用電壓和潮流限制[7,8]。

本文旨在建立分布式電源的最大接收容量模型，同時考慮分布式電源的不確定性，提出更好的建模方法，以實(shí)現(xiàn)分布式電源可行的最優(yōu)配置方案。考慮到分布式電源的不確定性，對準(zhǔn)入容量的最優(yōu)分配進(jìn)行研究，可以更好地反映大規(guī)模分布式電源網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

1 分布式電源最大準(zhǔn)入容量建模

1.1 分布式電源出力概率模型

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電概率模型

評估某地區(qū)風(fēng)能資源的前提是要獲取該地區(qū)風(fēng)能歷史統(tǒng)計資料，在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中，一般通過概率分布模型來表現(xiàn)物理量的隨機(jī)特性。根據(jù)風(fēng)速概率分布模型和風(fēng)機(jī)輸出功率與風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系來獲得特定地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電概率模型。通常認(rèn)為，風(fēng)速服從Weibull分布，其概率密度函數(shù)為

式中：kw為Weibull分布的形狀指數(shù)；cw為Weibull分布的規(guī)模指數(shù)。

風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出功率PWT與實(shí)際風(fēng)速v之間的關(guān)系可以表示為

式中：PWTn為風(fēng)機(jī)的額定輸出功率；vn為額定風(fēng)速；vci為切入風(fēng)速；vco為切出風(fēng)速。

1.1.2 光伏發(fā)電概率模型

對于港口區(qū)域內(nèi)的企業(yè)來說，集群化帶來的結(jié)果往往是合作和競爭共存，集群內(nèi)的企業(yè)之間既有分工也有合作，既互相合作又存在競爭，不斷的內(nèi)部競爭帶來的壓力，給集群內(nèi)部企業(yè)提供了持續(xù)創(chuàng)新的源源動力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步升級，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從而提升競爭力，企業(yè)個體的行為也影響著整個區(qū)域內(nèi)競爭力的提升。由此可見，在臨港地區(qū)實(shí)現(xiàn)正確的、有針對性的企業(yè)集群化發(fā)展，對提高港口產(chǎn)業(yè)群競爭力有決定性的作用。在經(jīng)濟(jì)全球化日益發(fā)展的今天，國際競爭日趨激烈，產(chǎn)業(yè)集群化如何有效配置資源，利用優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，合理有效的進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)，是提升江蘇臨港產(chǎn)業(yè)集群競爭力的最重要的命題。

光伏發(fā)電容量主要由陽光強(qiáng)度決定，其概率密度函數(shù)可以表示為

式中：rmax為某段時間內(nèi)的最大光照強(qiáng)度；α、β分別為Beta分布的2個形狀參數(shù)。

光伏發(fā)電的輸出功率Ps與光照強(qiáng)度r之間的關(guān)系為

式中：Ps(t)為光伏電池在t時刻的輸出功率；r(t)為光伏電池在t時刻的光照強(qiáng)度；T(t)為t時刻光伏列陣的表面溫度；rstc為標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的光照強(qiáng)度；Tstc為標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的光伏列陣溫度；Pstc為標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的最大輸出功率；k為溫度系數(shù)。

1.2 分布式電源最大準(zhǔn)入容量模型

對于以上模型，首先選用改進(jìn)的牛頓-拉夫遜法計算潮流，繼而采用基于免疫的粒子群算法對模型進(jìn)行優(yōu)化求解，從而得到分布式電源最大并網(wǎng)容量[9]。在模型求解過程中重點(diǎn)設(shè)計了一個系統(tǒng)優(yōu)化軟件，利用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）進(jìn)行界面設(shè)置，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化軟件GUI界面

2 算例分析

使用標(biāo)準(zhǔn)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為算例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括1個電源、5個聯(lián)絡(luò)開關(guān)支路、32個支路以及33個節(jié)點(diǎn)，其參考電壓為12.66 kV，參考視在功率為10 MVA，總網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為7631.58 kVA。在算例中，分布式電源根據(jù)實(shí)際情況接入2#、9#以及17#節(jié)點(diǎn)，并在符合模型限制的情況下應(yīng)用優(yōu)化免疫粒子群算法，以獲得分布式電源的最大準(zhǔn)入容量。

將分布式電源視為PQ節(jié)點(diǎn)，功率因數(shù)為0.9，采用標(biāo)幺值計算。分布式電源未接入時，配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓平均幅值、下限電壓幅值、上限電壓幅值以及有功網(wǎng)絡(luò)損耗的計算結(jié)果如表1所示。

表1 分布式電源未接入時的系統(tǒng)指標(biāo)

在分布式電源接入容量未知的情況下，采用基于免疫的粒子群算法求解所建模型。根據(jù)所得優(yōu)化配置結(jié)果，在所選3個節(jié)點(diǎn)處共接入0.97 MW的分布式電源，具體規(guī)劃方案如表2所示。

表2 分布式電源接入方案

基于配置結(jié)果，對分布式電源接入網(wǎng)絡(luò)后的節(jié)點(diǎn)電壓平均幅值、下限幅值、上限幅值以及有功網(wǎng)損等系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 分布式電源接入后系統(tǒng)指標(biāo)

配電系統(tǒng)接入分布式電源后，節(jié)點(diǎn)的平均電壓值從0.949 kV增加到0.962 kV，節(jié)點(diǎn)電壓下限值從0.913 kV增加到0.930 kV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，有功網(wǎng)絡(luò)的損耗從0.20 MW減少到0.11 MW。由此可知，此種配置方案不僅確保了分布式電源大比例并網(wǎng)時的安全可靠運(yùn)行，而且還提高了節(jié)點(diǎn)的電壓水平，減少了配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的有功損耗。

在主動管理模式與非主動管理模式下，分布式電源接入到配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的最大準(zhǔn)入容量如表4所示。

表4 不同模式下的分布式電源最大準(zhǔn)入容量

根據(jù)表4，主動管理模式下分布式電源的準(zhǔn)入容量高于非主動管理模式，越靠近配電網(wǎng)末端，準(zhǔn)入容量越大。主動管理模式可以控制分布式電源機(jī)的輸出，調(diào)整OLTC分接頭的位置并投切無功功率補(bǔ)償裝置，使配電網(wǎng)始終在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)更高程度的分布式電源消納。

除此之外，分布式電源在不同節(jié)點(diǎn)的最大準(zhǔn)入容量存在差異，主動配電網(wǎng)末端的分布式電源系統(tǒng)的接收容量明顯低于前端的分布式電源系統(tǒng)。在配電系統(tǒng)的前端，接入分布式電源對配電系統(tǒng)電力側(cè)附近的節(jié)點(diǎn)電壓影響較小，因此準(zhǔn)入容量較大。當(dāng)靠近配電系統(tǒng)末端時，線路損耗將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓幅值降低，接入分布式電源顯著增加了電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓，為了避免超過配電網(wǎng)末端的最大節(jié)點(diǎn)電壓，分布式電源的準(zhǔn)入容量較低。總而言之，分布式電源對配電網(wǎng)前端的節(jié)點(diǎn)電壓幅值影響很小，如果需要消納大量分布式電源，可以優(yōu)先接入到配電網(wǎng)前端。在配電網(wǎng)末端，節(jié)點(diǎn)電壓的幅值將因線路損耗而降低，適當(dāng)接入分布式電源能夠提高節(jié)點(diǎn)電壓水平，但特別需要注意限制分布式電源的接入容量，以防電壓超過限值。

3 結(jié) 論

通過對分布式電源其特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，在此基礎(chǔ)上建立了風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的概率模型和主動配電網(wǎng)中分布式電源最大準(zhǔn)入容量模型，并提出相應(yīng)的優(yōu)化算法。運(yùn)用IEEE33節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析，其不僅保證了分布式電源大比例并網(wǎng)時的安全可靠運(yùn)行，而且還提高了節(jié)點(diǎn)電壓水平，減少了配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。基于該優(yōu)化模型，分布式電源的規(guī)劃并網(wǎng)接容量已滿足通用標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于研究配電網(wǎng)中大容量分布式發(fā)電的接入。