基于電壓調節的分布式可再生能源發電功率波動平抑策略

李曉東劉廣一賈宏杰楊占勇范士雄

（1.中國電力科學研究院北京100192 2.天津大學智能電網教育部重點實驗室天津300072）

基于電壓調節的分布式可再生能源發電功率波動平抑策略

李曉東1，2劉廣一1賈宏杰2楊占勇1范士雄1

（1.中國電力科學研究院北京100192 2.天津大學智能電網教育部重點實驗室天津300072）

接入配電網的分布式可再生能源受自然條件影響，其輸出功率隨機波動，進而影響全系統運行。針對分布式可再生能源發電的特點和用戶負荷特性，提出了一種基于電壓調節的功率波動平抑方法，通過適當調整系統電壓來改變負荷水平，利用負荷變化追蹤電源出力，從而減小其波動對電網的影響。對簡化配電系統和IEEE 13節點測試饋線系統仿真的結果表明，通過電壓調節，用戶負荷能夠有效平抑光伏和風力發電機的出力波動，驗證了所提方法的可靠性。

分布式可再生能源發電負荷特性電壓調節波動平抑

3　引言

隨著社會經濟的飛速發展，世界各國對能源的需求與日俱增，電能以其獨特的優勢在人們工作和生活中起著不可替代的作用，電能的消費持續增長，供需矛盾日益突出。為滿足人們對電能的需求，世界電力工業已出現了由傳統的集中供電模式向集中和分散相結合的供電模式過渡的趨勢［1］。分布式可再生能源發電憑借其在環保和新能源方面的優勢在經濟社會發展中起著重要作用［2-4］。

分布式可再生能源發電是指發電量相對較小，分散布置在負荷現場或附近，充分利用各種形式的可再生能源進行發電的一類分布式發電（Distributed Generation，DG）技術，主要包括太陽能發電、風力發電等。分布式發電可在系統正常運行或故障產生“孤島”的情況下為負荷不間斷供電，提高了電網的可靠性，同時緩解了能源危機，有利于環境保護［5］，但是DG的并網使配電網由單電源、輻射型結構變為遍布電源和負荷的復雜網絡，饋線中傳輸的有功、無功數量和方向發生改變，電能質量、元件保護配置等不可避免地受到影響［6-8］，可能導致過電壓或低電壓問題，同時DG增大了電網的短路容量，影響電氣設備的動熱穩定和系統重合閘。DG對配電網的影響與其接入位置、發電量和負荷量的相對大小有關，并且和配電網的拓撲結構關系密切［9］。對于接入DG的配電網電壓控制問題，文獻［10］提出了一種無功控制方法來抑制DG引起的系統電壓升高。文獻［11］研究了利用DG與電網之間的電力電子器件控制系統電壓的方法，DG也可與配電網相互配合優化系統電壓分布，并使電壓穩定在設定值［12，13］。

利用可再生能源發電的DG受自然條件等因素的影響（如光伏、風機的出力依賴于安裝位置的光照、風速等），輸出功率具有明顯的隨機性，這可能引起系統電壓波動，嚴重時會出現電壓失穩問題。為減小光伏和風機輸出功率波動對電網穩定運行的影響，文獻［14，15］建立了太陽能和風力發電裝置的數學模型及其輸出功率的概率模型。文獻［16］研究了通過投切負荷對含有風機的配電網電壓控制問題，但切除負荷會影響用戶用電。文獻［17，18］應用儲能手段來減小可再生能源功率波動對電網的影響，但需要配備一定容量的外部儲能裝置。

本文根據分布式可再生能源發電的特點和用戶側負荷電壓特性，提出了一種通過調壓使系統負荷變化追蹤DG出力，利用負荷平抑功率波動的方法。應用GridLAB-D對簡化配電系統和IEEE 13節點測試饋線系統算例進行仿真的結果表明，適當調節負荷電壓能有效平抑光伏和風機的出力波動，減小其對電網的影響。

3　負荷特性

負荷特性是電力系統的重要組成部分，是指電力負荷從電源吸收的有功、無功功率隨負荷端電壓及系統頻率變化的規律。配電網中的居民負荷和商業負荷含有相當大比重的靜止型用電設備，可用靜態負荷模型來表示，該模型描述了負荷的電壓特性和頻率特性，主要包括多項式模型和冪函數模型以及這兩種模型的變形或組合。通常電網頻率變化可忽略不計，則多項式模型即ZIP模型的有功、無功消耗及其約束可表示為

式中：P、Q分別為負荷消耗的有功、無功功率；Va、Vn分別為負荷實際電壓和額定電壓；Sn為額定視在功率；Z%、I%、P%分別為恒阻抗、恒電流和恒功率部分在負荷中占的比例；θZ、θI、θP分別為恒阻抗、恒電流和恒功率部分的相角。配電網中幾種常見的不同類型負荷設備如表1所示，某些負荷可能是恒阻抗和恒功率負荷的組合（如洗碗機）。

表1　不同類型負荷設備Tab.1 Equipments of different load types

為辨識負荷模型的參數，將不同電壓下實際負荷值與負荷模型計算值之間的偏差作為目標函數，通過求取目標函數的最小值，得到負荷模型各參數值，目標函數表達式為

式中：V（k）為第k個測試電壓值；P（V（k））、Q（V（k））分別為負荷在電壓V（k）下的實際有功、無功消耗；Pm（V（k））、Qm（V（k））分別為負荷模型在電壓V（k）下的有功、無功功率計算值；n為測試電壓V（k）的總數量，其中參數應滿足式（3）約束條件。

為計算目標函數的最小值，可用最小二乘法、遺傳算法和內點法等，為提高結果的準確性，可計算多組模型參數求其平均值。由于遺傳算法計算時間相對較長且穩定性較差，用內點法根據式（4）求出負荷模型參數，模型的有功電壓曲線與實際功率點的對比如圖1所示，額定電壓120 V。

圖1　負荷有功對比Fig.1 Comparision of real power

3　基于電壓調節的功率波動平抑策略

2.1功率波動平抑策略

在含有分布式電源的配電系統中，電源出力受外部環境影響，輸出功率不斷波動，進而對整個系統產生不利影響。本文所提功率波動平抑策略，根據實際系統中電壓敏感型負荷的電壓特性，適當調節系統電壓，使負荷功率變化符合預期，實現負荷功率變化對電源出力的追蹤，減少對分布式電源功率波動的影響。

在實施本策略時，首先如前文所述對系統進行負荷特性分析，得到系統負荷信息，包括負荷水平和恒阻抗、恒電流型負荷所占比例。首先根據分布式電源出力水平，計算出負荷所需平抑的功率量；其次根據負荷和功率信息，計算出系統電壓設定值；最后調節負荷電壓達到平抑分布式電源功率波動的目的。具體流程如圖2所示。

圖2　系統策略實施流程Fig.2 Realization process of system strategy

2.2電壓調節量計算

由式（1）～式（3）可知，恒阻抗、恒電流部分消耗的功率隨電壓變化，因此為實現本文所提功率波動平抑策略，需要對系統電壓進行適當調節。設ZIP模型的額定有功為Pn，某一時刻DG輸出功率的波動量為ΔPdg，為平抑該功率波動，令負荷電壓設定值為Vset，根據式（1）知Vset應滿足

則Vset可表示為

式中

根據式（7）、式（8）計算Vset較復雜，由式（1）可知負荷消耗的有功功率對電壓的導數為

考慮電壓調整量遠小于額定電壓值，因此電壓調整量可表示為

根據式（10）計算出ΔV近似值后，負荷電壓設定值也可表示為

由于實際系統負荷組成經常未知，因此可通過上述負荷模型參數辨識方法求出模型參數值，代入式（10）、式（11）得到負荷電壓設定值，調節負荷電壓至該設定值，從而改變負荷水平達到利用負荷平抑DG出力波動的效果。為保證電壓調節不對用戶用電需求產生影響，Vset值應在［0.95Vn，1.05Vn］范圍內，當超過1.05Vn或小于0.95Vn時，分別取值1.05Vn和0.95Vn。由式（6）可知，負荷能夠平抑的最大DG出力波動量為10.25%的恒阻抗部分與5%的恒電流部分之和。

3　算例分析

為驗證本文所提功率波動平抑策略在實際配電網中的適用性，應用GridLAB-D仿真軟件對以下3種場景進行研究。場景1為負荷水平和DG出力波動量均恒定的簡化配電系統，場景2、3分別為含有光伏和風機的IEEE 13節點測試饋線系統。設在各場景中，Vset1為根據實際負荷參數利用式（7）計算得到的電壓設定值，根據負荷模型參數辨識法求出模型參數后，利用式（11）計算得到的電壓設定值用Vset2表示，則Vset1和Vset2分別為理論上和簡化后的電壓設定值；ZIP0、ZIP1和ZIP2分別表示原負荷、設定電壓為Vset1和Vset2時的負荷；Change1和Change2分別為兩種設定電壓下的負荷變化，即Change1=ZIP1-ZIP0，Change2=ZIP2-ZIP0。

3.1場景1

為簡化分析，本場景中將配電系統負荷用等效ZIP模型表示，分布式可再生能源發電用DG表示，該簡化配電系統如圖3所示。

圖3　簡化配電系統Fig.3 The simplified distribution system

圖3中負荷從DG處或經降壓變壓器和調壓器從外部電網吸收電能，負荷水平基本恒定，且Pn= 100 kW，cos（θZ）=cos（θI）=cos（θP）=0.98，Z%= 0.4、I%=0.2、P%=0.4，假設DG出力在8∶00和16∶00分別增加和減少了4 kW，持續時間均為1 h。系統額定電壓120 V，利用系統負荷平抑DG功率波動，在DG出力增大和減小時，根據式（7）得Vset1分別為124.7 V和115.1 V。假設系統負荷組成參數未知，根據式（4）計算負荷模型參數，令其功率因數滿足則有根據式（11）得Vset2分別為124.9 V和115.1 V。應用Vset1和Vset2值進行調壓時，調壓前后的負荷曲線如圖4所示。

圖4　調壓前后負荷Fig.4 Loads before and after voltage regulation

由計算出的Vset1和Vset2可知，應用簡化后的電壓設定值調壓范圍稍大，但電壓調整量未超過額定電壓的5%，故未對用戶用電需求產生影響，并且提高了計算速度。由圖4可知，在兩種電壓設定值下，負荷均能有效平抑DG出力波動，減小了其對電網的影響，初步驗證了本文所提方法的有效性。

3.2場景2

為進一步驗證本文所提功率波動平抑方法在DG出力隨機波動、負荷隨時間變化的情況下的有效性，對IEEE 13節點測試饋線系統進行仿真分析，在節點675處安裝輸出功率波動的分布式可再生能源發電裝置，系統結構如圖5所示，本例中DG為光伏。系統負荷滿足cos（θZ）=cos（θI）=cos（θP）=0.98，Z%= 0.4、I%=0.2、P%=0.4，但負荷大小隨時間變化。

圖5　IEEE 13節點測試饋線系統Fig.5 IEEE 13 nodes test feeder system

假設負荷組成參數未知，應用負荷模型參數辨識法求其模型參數值，令模型中各部分功率因數滿足得到夏季某一天光伏在光照充足的一段時間內輸出的有功功率如圖6所示。

圖6　光伏輸出Fig.6 The output of photovoltaic cells

由圖6可知，光伏輸出功率在12∶00～16∶00之間出現較大幅度的上升和下降，為減小該時段內光伏對配電網的影響，調控中心根據光伏功率波動和系統負荷水平，應用功率波動平抑策略計算得到負荷電壓設定值如圖7所示，額定電壓120 V，圖中兩種設定電壓相差很少。原負荷與調壓后的負荷曲線如圖8所示。

圖7　場景2電壓設定值Fig.7 The setting values of voltage in scene 2

圖8　場景2負荷對比Fig.8 Comparison of loads in scene 2

對比圖7、圖8可知，負荷隨電壓的升高或降低相應地增大或減小，調節電壓能有效改變系統負荷水平。圖9為負荷功率變化追蹤光伏輸出的效果，在光伏出力波動較大的時段內，應用兩種電壓設定值均能實現負荷變化追蹤光伏輸出，有效平抑光伏出力波動，減少其對系統的影響。

圖9　負荷變化追蹤光伏輸出效果Fig.9 The effect of load changes tracking the output of photovoltaic cells

3.3場景3

場景3與場景2相比，系統實際負荷參數和經負荷模型參數辨識得到的模型參數均與場景2相同，系統結構也如圖5所示，但圖中DG為風機。夏季某一天風機輸出的有功功率如圖10所示。

圖10　風機輸出Fig.10 The output ofwind turbines

由圖10可知，風機輸出功率在一天內變化較大，為減小風機對電網的影響，調節系統電壓使負荷平抑一天內的風機出力波動，電壓設定值如圖11所示，額定電壓120 V，調壓前后系統負荷對比如圖12所示。

圖11　場景3電壓設定值Fig.11 The setting values of voltage in scene 3

圖12　場景3負荷對比Fig.12 Comparison of loads in scene 3

由圖11可知，兩電壓設定值相差較少，且均在額定電壓5%的誤差范圍內，未影響用戶用電需求。由圖12可知，負荷隨電壓調整相應地增大或減小，并未出現劇烈變化。圖13為負荷功率變化追蹤風機出力的效果，在兩種設定電壓下均實現了負荷變化對風機輸出的追蹤，有效平抑了風機出力波動。

圖13　負荷變化追蹤風機輸出效果Fig.13 The effect of load changes tracking the output of wind turbines

綜合各場景仿真結果可知，應用簡化后的電壓設定值調壓范圍稍大，但未影響用戶用電需求，并且提高了計算速度。在兩種設定電壓下，系統負荷均能有效平抑分布式可再生能源的功率波動。

3　結論

本文提出的基于電壓調節的分布式可再生能源功率波動平抑策略，能夠使負荷變化追蹤光伏或風機的輸出功率，有效平抑DG出力波動，減少其對電網的影響，且電壓調整量不超過額定電壓的5%，在用戶可接受范圍內。研究各具體負荷的調壓效果將是今后工作的重點，在分布式可再生能源發電日益增多的今天，該方法著力于用戶側負荷控制，具有廣闊的應用前景，并對電力系統安全穩定運行具有一定的指導意義。

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M itigation of Output Power Fluctuations for Distributed Renewable Energy Generation Based on Voltage Regulation

Li Xiaodong1，2Liu Guangyi1Jia Hongjie2Yang Zhanyong1Fan Shixiong1
（1.China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin University Tianjin 300072 China）

Distributed renewable energies in the distribution network are influenced by natural conditions.And the corresponding probabilistic output power affects the whole system operation.According to the features of the distributed renewable energy generations and load characteristics，this paper presents amethod for mitigation of power fluctuations based on voltage regulation.It can change the load by adjusting the system voltage and utilize the load change to track the output power of the generation.In this way，it reduces the effect of the fluctuation on the power grid.The simulation results of a simplified distribution system and the IEEE 13 nodes test feeder show that，by voltage regulation，residential loads can mitigate output power fluctuations of photovoltaic cells and wind turbines effectively.The results verify the effectiveness of the proposed method.

Distributed renewable energy generation，load characteristics，voltage regulation，fluctuation mitigation

TM61；TM71

李曉東男，1989年生，碩士，研究方向為智能配電網下的電壓無功控制。（通信作者）

劉廣一男，1963年生，博士，教授級高級工程師，研究方向為智能電網、分布式能源管理和控制技術、能量管理系統、電力市場等。

國家電網公司科技項目（DZB17201200260）、國家高技術研究發展（863）計劃項目（2014AA051901）和國家自然科學基金（51261130472）資助。

2015-05-28改稿日期2015-08-11