含高比例分布式電源的自洽型配電單元構建方法研究

施天成 ，楊 欣 ，李志偉 ，種亞林 ，王 蕊 ，王 磊

（1. 國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230031; 2. 合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

在“雙碳”目標的指引下，我國分布式電源裝機得到了爆發式增長。然而，出力具有隨機性和間歇性的分布式電源大量并網將給電網的安全穩定運行帶來了系列問題[1-3]。雖然，現有文獻對接入配電網中的分布式發電的選址定容等規劃問題開展了深入研究，一定程度上解決了高比例分布式發電對配電網造成的不利影響[4-5]。但是，隨著分布式發電并網比例的進一步提升以及需求響應激勵政策的推廣，含高比例分布式電源的配電網的運行特性將變得異常復雜。為此，需要在配電網的規劃階段，開展運行特性研究[6-7]。針對高比例分布式電源并網的配電網，可將配電網按照電壓的不同采用分層規劃方法，針對集中控制過程的復雜性，可采用集群控制方法[8-10]。

因此，本文在充分計及新型配電網中高比例可再生能源與負荷在時空上的互補耦合特性，通過集群方式解決可再生能源能源并網和消納問題[11]。從分布式電源互補特性、多元化負荷互補特性和電源-負荷匹配特性3 個角度展開分析，以集群結構為切入點，提出自洽型配電單元的概念，然后對分布式可再生能源發電特性及需求響應機制下的負荷特性進行充分的分析，依據源、荷特性進行自洽型配電單元的構建，結合仿真分析進行佐證。

1 自洽型配電單元的概念

當前，為解決高比例分布式電源接入新型配電網所造成的一些列問題，電力系統中主要采用集群、微電網、虛擬電廠等新技術。微電網（micro-grid，MG）主要由一定空間范圍內的分布式發電、儲能裝置和負荷等共同組成的小型發配電系統[12-13]。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）是一套高度智能的能源管理系統[14-15]，可以很好的實現其內部的分布式資源的聚合和協調優化，使其可以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。分布式發電集群（distributed generation cluster，DGC）并沒有一個明確的定義，但是一般多針相同類的單元設備所組成的一個集合體。可理解為地理空間或電氣上相互接近或形成互補關系的若干分布式發電單元集合所構成，易于實現運行控制的垂直化、扁平化，其劃分的依據更側重于分布式電源之間的聚合[16-17]。

自洽型配電單元（self-consistent power distribution units，SCPDU）是本文在DGC 的基礎上構建的一種新型的配電單元形式。所謂自洽，就是在空間和時間上便于源荷的平衡，減少因負荷過高而停電或冗余電源的一個概念。當負荷過高時，對電源、需求側的負載進行平衡計算，多方達成共識，自動降低非重要負荷（如空調低降低溫度），達成平衡，保障可靠性；當負荷過低時，加大生產或儲能，減少電力損失。自洽是更敏感的，在負荷過高或不平衡時，能夠協同供需側多點達成用電“智能合約”，自我形成平衡。類似虛擬電廠關注點在儲能、微電網關注點在自治電網，而SCPDU 關注點聚焦與分布式發電和用電終端的智能交互響應。

顯然，SCPDU 仍然屬于“集群”的范疇。相比傳統集群僅考慮分布式發電特性的構建方法，SCPDU 的集群構建則不僅僅關注分布式發電的特性，還要更多的考慮負荷的特性，尤其在需求響應發展迅速的當下。某種意義上也可以將自洽型配電單元稱為“源荷集群”或“集群”。另外，從某種程度上而言，也可將其視為大量接入分布式電源的智能電網。實現了物理空間和邏輯上大量分散資源接入和匯集的分布式智能電網。可見，SCPDU 更加強調“分布式 + 智能”：分布式能源靠近負荷，利于實現就地平衡和就近消納；用戶將從剛性電力消費者變為具有負荷調節能力和需求彈性的“產銷者”；形成“源網荷儲”靈活互動的一體化系統。其特征是：小型、分散、自平衡。所謂自平衡，指能源平衡范圍是彈性的、可伸縮的，沒有“微電網”的物理邊界特征和“增量配網”的產權特征，資源調節的范圍更廣、程度更深、靈活性更強。從覆蓋的對象看，無論是“增量配電網”試點還是各類“微網”或綜合能源示范項目、需求側響應試點項目，都是以大工業用戶作為參與主體，調節對象數量有限。“自洽型配電單元”不僅僅強調大用戶的調節能力，還要更加著力提高配網中的中小型用戶負荷調節能力。從技術上而言，對配電網主動感知能力和調節能力提出了更高的要求，尤其是連接用戶的低壓配電網，促使“配電”和“用電”的聯系更加緊密，提高配電網對分布式新能源的主動響應和服務能力。自洽型配電單元與其他相關技術比較方案如表1 所示，其構成示意圖如圖1 所示。

圖1 自洽型配電單元構成示意圖

表1 自洽型配電單元與相關技術解決方案比較

2 基于源荷特性匹配的自洽型配電單元構建

配電網中的多元化分布式電源和負荷之間存在一定的關聯性，電源之間、負荷之間存在互補特性，電源-負荷之間存在匹配特性，關聯程度的大小對供需雙側的運行和協同產生差異化的影響。同時，由于可再生能源的滲透不斷增加，基于集群模式的自洽型配電單元可實現不同電壓等級及不同區域內分布式電源和負荷的最佳匹配。通過聚類劃分所得到的集群分成物理集群和虛擬集群2 種，因后者不存在實際集群管控裝置的集群，具有靈活、適應性好的優點，將成為未來電力系統發展的方向。

2.1 源荷互補匹配理論

在電力系統中，不同類型的電源出力、負荷用電規律不同，其在時間尺度上的形態可以用典型日源荷曲線來描繪。不同特性的電源出力曲線、負荷曲線疊加之后，得到的新的曲線或許會比兩者各自的曲線都要平滑，因為它們在出力、用電時間上具有一定的互補性。因此，為了定量的研究電源與電源、負荷與負荷之間的這種互補性，定義互補度為不同電源、用電設備的典型日出力曲線、負荷曲線之間的互補程度。不同源荷曲線的互補程度越低，互補度越小；互補程度越高，互補度越大；當源荷曲線能夠峰和谷互補時，互補度最大。以負荷互補度的計算方法為例，電源互補度計算方法類似。電力源荷有功互補評估指標包含縱向互補度PV及橫向互補度PH，縱向互補度是指各時刻不同源荷大小之和的平均值與和的最大值之比，反映的是不同源荷曲線疊加后，新源荷曲線整體的平滑程度。橫向互補度是指各時刻不同源荷大小之和的最小值與和的最大值之比，反映的是不同源荷曲線疊加后新源荷曲線的峰谷差大小。互補度綜合評估指標由縱向互補度PV及橫向互補度PH2 個指標組成，從而更加準確全面的描述源荷有功功率曲線間的互補程度。其計算公式為：

式中：n為統計周期內的時刻數；m為各時刻參與匹配計算的源荷數目；Px,t為t時刻源荷設備x的有功功率；PΣ.max和PΣ.min分別為統計周期內源荷聯合有功出力的最大值和最小值。

同理，類似源荷有功功率曲線互補度的定義，也可以定義源荷無功功率曲線互補度φQ，其計算公式為：

式中：Qx,t為t時刻源荷設備x的無功功率；QΣ.max和QΣ.min分別為統計周期內源荷聯合無功出力的最大值和最小值。

2.2 自洽型配電單元的構建原則

自洽型配電單元的構建需遵循如下原則。

自洽型配電單元構建對象依照電氣距離的大小進行集群構建，一個自洽型配電單元內的各構建對象必有電氣聯系，且各對象的電氣距離相近，以便進行功率互補交換；可通過各構建對象之間的無功電壓靈敏度體現各構建對象的距離遠近程度。

自洽型配電單元內部的各元件的空間距離相近，利于進行線路擴展來增加元件間功率交流。

自洽型配電單元內部的各構建對象的凈負荷特性盡量具有互補功能，對外特性相對較為平坦，實現自洽型配電單元內部有功供需平衡，從而增強各自洽型配電單元之間的功率協調能力。

自洽型配電單元內部各節點的無功供需應盡量維持平衡，避免出現過電壓情況。

可采用基于源荷互補特性的模塊度指標ρ0評價自洽型配電單元構建效果，該指標能夠反映網絡構建的最優分區數目及網絡的結構強度，其具體定義如下：

式中：Aij為兩個節點i和j之間邊的權重；Ai、Aj分別為節點i、j的權重，表示與節點i、j相連的所有邊的權重之和；為網絡中所有節點的權重之和，Ak為任一節點k的權重； Φ 為網絡中的節點集合； δ(i,j) 采用基于源荷互補特性的修正鄰接矩陣表述，即：

3 自洽型配電單元的構建方法

為解決基于復雜網絡理論中的自洽型配電單元構建，可采用近年來發展比較迅速的社團發現算法。該算法在人工智能、模式識別各領域都取得了廣泛的應用和成果，并且已被逐漸引入到電力網絡的復雜行為研究中。社團就是網絡中部分頂點的集合，但該集合內部頂點之間具有緊密的耦合關系，對外則相對稀疏，即不同社團之間的為較為松散的耦合關系。基于上述分析，將電力系統構建為若干社團結構，如圖2 所示。

圖2 虛擬集群示意圖

則基于Fast-Newman 算法的網絡集群構建步驟如下所示：

步驟1，對具有n個節點的網絡集群進行初始化構建，將每一節點當作一個集群，則初始集群有n個；

步驟2，依次將具有邊連接關系的兩個群進行合并，計算合并后的模塊度增量Δρ；

根據貪婪算法的思想，每次應沿使著Δρ 最大的方向合并；

步驟3，更新操作，重復執行步驟2，直至網絡成為一個群；

步驟4，選擇對應ρ 最大的集群個數進行分解，得到的自洽型配電單元構建結構就是基于此方法的最優結構。

4 仿真分析

利用本文所提出的方法對某10 kV 線路進行自洽型配電單元構建仿真分析，選用社團構建算法Fastnewman 算法進行集群構建演示，通過模塊度指標對集群構建的質量以及自洽型配電單元個數進行衡量，所得自洽型配電單元劃分結果如圖3 所示。

圖3 基于源荷匹配的自洽型配電單元構建結果示意圖

選擇空間距離和基于電壓無功耦合程度的電氣距離為依據進行自洽型配電單元構建并與基于本文所述方法的自洽型配電單元構建結果進行對比，計劃將空間距離與電氣距離綜合較近的節點劃入同一集群。對兩距離進行歸一化處理后各取0.5 權重相加，所得集群結果如表2 所示。

表2 自洽型配電單元構建指標

從指標上可以看出，采用計及源荷匹配特性并考慮電氣距離和空間距離耦合的自洽型配電單元模塊度顯著提高，說明集群在結構上更加合理，內部聯系上更為緊密。綜合構建結果與單一依據構建結果進行比較，將有變動的節點對展示如表3 所示（為便于比較，表中對電氣距離進行了歸一化處理）。

表3 變動節點間數據

從表3 可以看出，節點對68-69、81-82 的空間距離以及電氣距離比節點對69-70、82-83 的要小，因而將68-69 節點對、81-82 節點對劃入同一自洽型配電單元，將69-70、82-83 節點對劃入不同自洽型配電單元；節點對74-112，雖然其空間距離較遠，但是其電氣距離很近，綜合比較，將它們劃入同一自洽型配電單元較為合理。

5 結束語

本文將自洽型配電單元定義為考慮源荷特性匹配的源荷集群，相比微電網、分布式發電集群及虛擬電廠等現有技術手段，其具有更高等級的自治能力，能夠促使“配電”和“用電”的聯系更加緊密，顯著提升配電網對分布式新能源的主動響應和服務能力。在傳統分布式發電集群的基礎上，充分考慮到負荷之間的特性匹配、分布式電源之間的特性匹配以及分布式電源與負荷特性的匹配，本文提出了基于源荷特性匹配特性及綜合評價指標的自洽型配電單元構建方法，通過算例分析，驗證了本文所述方法的有效性，為智能配電網的規劃建設典型理論基礎。