利用DFACTS設(shè)備降低分布式電源對配電網(wǎng)的影響

于小艷　李國寧

摘 要：針對位置和容量不合理的分布式電源（Distributed generation，DG）會對配電網(wǎng)的網(wǎng)損、電壓穩(wěn)定性及可靠性等方面帶來不利影響，導致風能、太陽能等分布式能源非充分利用的問題。以實測的風力發(fā)電機出力數(shù)據(jù)為支撐，采用配電網(wǎng)柔性交流輸電系統(tǒng)（distributed flexible AC transmission system，DFACTS）對配電網(wǎng)潮流進行優(yōu)化減少對DG位置和容量限制的方法，仿真模擬不同時刻風力發(fā)電機出力和負荷的雙重變化，并對系統(tǒng)的網(wǎng)損、電壓水平和可靠性進行分析，經(jīng)IEEE36配電系統(tǒng)驗證表明：在大量投運DG的配電網(wǎng)上加裝DFACTS設(shè)備起到降低網(wǎng)損、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和提高可靠性的作用。

關(guān)鍵詞：分布式電源;配電網(wǎng)柔性交流輸電系統(tǒng);最優(yōu)潮流;電壓穩(wěn)定性;網(wǎng)損;可靠性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.013

中圖分類號： TM744

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）03-0082-05

Abstract：Distributed generation （DG） with undesirable location and capacity has adverse impacts on transmission losses of the distribution network，voltage stability and network reliability，which could not? make full use of the renewable energy sources.In this paper， the distribution network is optimized by using distributed flexible transmission system （DFACTS）， which reduces the limitation of DG position and capacity. Based on the measured data of the wind power generator， the Monte Carlo simulation is used to simulate the change of the output and load of the wind power generator at different times， and the line losses， voltage level and reliability are analyzed. Finally， the use of IEEE36 power distribution system verification shows that DFACTS equipment installed on a large number of DG distribution network can reduce the line losses， stabilize the system voltage and improve the reliability.

Keywords：distributed generation;distributed flexible AC transmission system;optimal power flow;voltage stability;line losses;reliability

0 引 言

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一個單電源供電的網(wǎng)絡(luò)[1]，由于分布式電源的投運使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生根本性的變化，成為一個多電源供電網(wǎng)絡(luò)，導致潮流分布隨DG機組的投運產(chǎn)生較大的變化。若使這些變化處于可控范圍內(nèi)，則需限定DG機組的容量和位置。當在電網(wǎng)中接入DG機組，則接入DG地區(qū)的電壓就會升高，導致電壓值不在規(guī)定范圍內(nèi)。當在電網(wǎng)中投運較多DG機組，則會造成系統(tǒng)中某些線路過負荷，嚴重影響到配電網(wǎng)的可靠性。

在DG并網(wǎng)研究方面，文[2-3]研究表明了當DG的投運位置和容量起到增強電網(wǎng)的作用時，則能降低網(wǎng)損和改善電壓。文[4]描述如何在配電網(wǎng)中對DG機組進行最優(yōu)配置。文[5]闡明了分布式電源和靜止無功補償?shù)呐潆娋W(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。文[6]提出一種改進的非支配排序遺傳算法求解DG的最大有功出力，從而對DG機組進行最優(yōu)配置。文[7]提出一種基于模型預(yù)測控制的電壓優(yōu)化控制方案減少接入DG所帶來的影響。文[8-9]研究了配電網(wǎng)投運分布式電源的位置和容量對系統(tǒng)的電能質(zhì)量和可靠性有較大影響。文[10]提出系統(tǒng)網(wǎng)損影響因子概念模型用于指導DG的調(diào)配達到降低網(wǎng)損的目的。文[11]將分布式電源位置和容量設(shè)為隨機參數(shù)，利用蒙特卡洛仿真不同情況下的不確定性。上述文獻充分表明DG機組并網(wǎng)時的一系列問題，并提出一些具體的解決方法，這些方法在一定條件下會有比較好的效果，但不能適應(yīng)DG投運時容量和地點的隨機性。考慮上述不足，本文提出利用DFACTS技術(shù)最大程度減小DG給配電系統(tǒng)帶來的不利影響。

DFACTS技術(shù)[12]通過應(yīng)用電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)及控制技術(shù)，從而有效的提高配電系統(tǒng)的傳輸容量、穩(wěn)定性、運行靈活性及電能質(zhì)量。本文旨在利用DFACTS設(shè)備對配電網(wǎng)潮流進行優(yōu)化，使某些電壓敏感的節(jié)點電壓控制在合理范圍內(nèi)，最大限度降低易發(fā)生阻塞線路（DG機組出力送不出去）的阻塞程度，降低分布式電源的接入對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，最終達到充分利用分布式電源的目的。

1 分析方法

1.1 DFACTS最優(yōu)配置

依據(jù)節(jié)點電壓和無功功率相關(guān)，線路傳輸容量和阻抗相關(guān)的特性，在系統(tǒng)某些節(jié)點或者線路裝設(shè)DFACTS后，就能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，增加線路傳輸容量的作用[13-14]，能夠最大程度的降低DG機組投運時給系統(tǒng)造成的影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

本文以裝設(shè)DFACTS后DG機組運行于最大出力狀態(tài)為條件，根據(jù)發(fā)電機運行費用最小而建立目標函數(shù)。因此將配電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)電機等值成固定容量的發(fā)電機模型，并且其運行費用遠大于DG機組運行費用，DG機組等值成發(fā)電機模型，以低于高壓側(cè)發(fā)電機運行費用模擬分布式電源優(yōu)先上網(wǎng)。

該目標函數(shù)基于發(fā)電機運行費用最小的最優(yōu)潮流模型，DG機組出力變化是根據(jù)實測數(shù)據(jù)修改分布式電源的出力極限來實現(xiàn)的。由于分布式電源的運行費用遠小于配電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)電機的運行費用，且目標函數(shù)使發(fā)電機運行費用最小，因此確保了分布式電源在每種運行方式下都能處于最大出力狀態(tài)。目標函數(shù)如下：

式（1）表示目標函數(shù)為系統(tǒng)運行費用最小，ai，bi和ci 分別為發(fā)電機運行費用函數(shù)的二次項系數(shù)，一次項系數(shù)和常數(shù)項，都為常數(shù);式（2）和（3）為節(jié)點功率平衡方程;式（4）和（5）為發(fā)電機出力約束，包括配電網(wǎng)高壓側(cè)等值發(fā)電機的出力約束，以及配電網(wǎng)中DG機組的出力約束;式（6）為節(jié)點電壓約束;式（7）為線路傳輸容量約束。式（8）為DFACTS補償容量約束。當ΔPijtcsc、Qsvgmin和Qsvgmax都為零時，此時表明，系統(tǒng)中未裝設(shè)DFACTS設(shè)備。但通過最優(yōu)潮流計算可得到兩種有用的拉格朗日乘子[15-16]，分別為潮流不等式約束和DFACTS容量不等式約束的拉格朗日乘子。

CQi為節(jié)點無功負荷消減量。

約束條件在保證其它約束條件不改變的情況下增加負荷消減量的約束，這樣既可保證消除系統(tǒng)約束違限時，又可避免負荷消減，同時保證在無法避免的情況下使得負荷消減最小。

本文采用狀態(tài)抽樣法[17]，利用蒙特卡洛模擬選擇系統(tǒng)狀態(tài)。假設(shè)對于一條發(fā)生故障或者負荷量過大的線路，需要切除該線路，此時依據(jù)最小負荷消減模型，得出該情況下的最小負荷消減量，同時進行記錄。一旦最優(yōu)潮流發(fā)散，則可能發(fā)生系統(tǒng)電壓崩潰的情況，這時的最優(yōu)負荷消減量即為總負荷量。采用期望缺供電力[18]（expected energy not supplied，EDNS）和切負荷概率（loss of load probability，LOLP）等特性來作為系統(tǒng)的可靠性指標。

2 算例分析

本文采用了IEEE36節(jié)點配電系統(tǒng)（見附錄），并將節(jié)點17和節(jié)點34聯(lián)結(jié)形成環(huán)網(wǎng)運行，通過聯(lián)結(jié)形成環(huán)網(wǎng)運行，既能充分發(fā)揮DFACTS的靈活控制能力，又能節(jié)省投資，減少DFACTS設(shè)備的安裝數(shù)量。該算例模擬了當系統(tǒng)風力機組安裝位置固定時，加裝DFACTS設(shè)備后對系統(tǒng)網(wǎng)損、電壓和可靠性的影響。表1給出了DG機組的安裝位置、種類和容量。

圖2給出了模擬5000次系統(tǒng)運行狀態(tài)后，當系統(tǒng)節(jié)點安裝的DFACTS設(shè)備運行范圍為零時的越限次數(shù)（運行范圍為零相當于系統(tǒng)未裝設(shè)DFACTS設(shè)備）。由于該算例線路傳輸容量約束范圍較寬，因此在模擬過程中，未出現(xiàn)線路潮流越限情況。負荷的波動及風力機組出力的變化即為模擬系統(tǒng)變化。

根據(jù)圖2所示可以看出在負荷和風力機組出力變化的情況下，節(jié)點6、12、13的DFACTS設(shè)備約束越限次數(shù)比較高，節(jié)點6相對更高。若想使系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，可以在相應(yīng)的節(jié)點上裝設(shè)DFACTS設(shè)備。

根據(jù)圖2可以選擇出安裝DAFCS設(shè)備的位置、種類和容量如表2所示。

在式（8）中修改相應(yīng)節(jié)點約束的Qsvgmin和Qsvgmax的值，此時等效為在系統(tǒng)節(jié)點6、12和30節(jié)點上分別安裝了可調(diào)節(jié)容量為±100KVA的可控DFACTS無功補償裝置。重新模擬5000次系統(tǒng)運行狀態(tài)，系統(tǒng)負荷、風力機組出力等條件同未安裝DFACTS前一樣。對其每次運行狀態(tài)的網(wǎng)損做了分析。圖3為任意截取5000次模擬運行狀態(tài)中的300次運行狀態(tài)的網(wǎng)損。

圖3中，黑色曲線表示系統(tǒng)裝設(shè)DFACTS時的網(wǎng)損率，灰色曲線表示未安裝DFACTS時的網(wǎng)損率。從圖3中可以得出當系統(tǒng)裝設(shè)DFACTS后網(wǎng)損有較明顯的下降情況，而且在波動較大時安裝DFACTS能更有效的降低網(wǎng)損。該網(wǎng)損的波動是由于負荷的變化和風電機組出力變化造成的，但是從圖中可以看出無論網(wǎng)損增加還是減小，安裝DFACTS設(shè)備后，網(wǎng)損都有所下降。

圖4對比節(jié)點平均電壓在系統(tǒng)裝設(shè)DFACTS設(shè)備前后的不同值。圖4中灰色柱狀線為系統(tǒng)未安裝DFACTS設(shè)備時的節(jié)點電壓幅值，黑色線為系統(tǒng)安裝DFACTS設(shè)備后的節(jié)點電壓幅值。

如圖4所示，在系統(tǒng)中沒有DFACTS設(shè)備情況下，節(jié)點36即為配電系統(tǒng)和主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點，為了維持系統(tǒng)中其它節(jié)點的電壓，該節(jié)點電壓嚴重越限，同時節(jié)點1和2也越限，此時嚴重影響了連接在這些節(jié)點的用戶的電壓安全。在節(jié)點6、12和30上安裝DFACTS設(shè)備后，所有節(jié)點電壓都處于安全范圍內(nèi)，降低了由于電壓不合格所導致的負荷消減。

由于DG的接入，配電網(wǎng)的運行可靠性在一定程度上有所提升。例如在接入DG的地區(qū)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)某些故障，就可由該地區(qū)的DG繼續(xù)向重要負荷供電，但前提是該區(qū)域的DG處于可利用狀態(tài)，如果此時該區(qū)域的DG由于氣候、環(huán)境等因素不能出力，則該區(qū)域的重要負荷仍然會被中斷供電的。該算例利用1.2模型中的最優(yōu)負荷消減模型對配電網(wǎng)中接入DG和DFACTS的可靠性做了評估。由于DG出力波動較大，因此對DG機組的故障將不予考慮認為其除了由于氣候、環(huán)境等因素造成停運和出力變化外，本身不發(fā)生故障。表3為系統(tǒng)原件停運率。

可靠性指標采用期望缺供電力（EDNS）和期望切負荷概率（LOLP）用來反應(yīng)系統(tǒng)的可靠性[19-20]。本文模擬了10000次系統(tǒng)運行狀況，其可靠性指標如下表4。

從表4中可以得到，當分布式電源接入系統(tǒng)時，期望缺供電力（EDNS）和期望切負荷概率（LOLP）降低，說明系統(tǒng)可靠性有所提升，即：如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可由DG為一些重要用戶供電，或者系統(tǒng)出現(xiàn)孤島后，如果孤島中有DG，則孤島可以繼續(xù)維持部分用戶的供電。

DFACTS的裝設(shè)對可靠性改善也較明顯，期望缺供電力（EDNS）與投運DG但未裝設(shè)DFACTS相比有明顯改善。由于該系統(tǒng)所裝設(shè)的DFACTS設(shè)備只調(diào)節(jié)無功大小，不能從根本上減少切負荷的頻率，所以期望切負荷概率（LOLP）沒有多大變化。由于無功的調(diào)節(jié)可以使一些需要吸收（發(fā)出）無功的DG機組繼續(xù)提供有功出力，因此減小了切負荷量的大小，縮小了事故規(guī)模，從根本上減少了EDNS，提高系統(tǒng)可靠性水平。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)負荷變化和風電機組出力的變化， 利用蒙特卡洛模擬了系統(tǒng)在接入DG機組后的運行情況，通過IEEE36節(jié)點配電系統(tǒng)算例表明在已有的配電網(wǎng)上加裝DFACTS設(shè)備，在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、降低網(wǎng)損和提高可靠性方面有重大作用，尤其是在改善電壓穩(wěn)定性和降低網(wǎng)損方面效果顯著。該方法更加充分利用分布式能源解決部分地區(qū)供電緊張、分布不合理等問題。

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（編輯：關(guān) 毅）