含分布式扶貧光伏電源的農村配電網電壓質量研究

紀青春， 許建榮， 岳文華， 夏春輝， 李小燕

(1.國網蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730500)

0 引 言

分布式光伏發電接入農村配電網是必然趨勢和必需選擇。農村配電系統與用戶直接相連接，其特點是呈輻射狀運行結構，負荷分散，且線路較長導致阻抗較大。農網低壓線路一般以三相四線制的方式進行供電，通常采用單相二線的供電方式，極少數采用三相動力負荷。因此，農網運行時不可忽略三相不平問題，那么負荷的不平衡將導致零序電流流過中性線形成新的回路，且具有疊加性，中性線的零序電流大小為相線的三倍[1-2]。

目前, 不確定性潮流計算方法主要有概率潮流[3-4]、模糊潮流[5-6]和區間潮流[7]等3類計算方法。文獻[8]提出了對于輸配電網的正、負以及零序分量較為適應的動態潮流計算方法，無法適用于中低壓型配電網。

考慮到配電網的輻射狀結構與高阻抗比特性，將前推回代潮流算法應用于配電網潮流計算時具有較好的精度與計算效率。首先對弱環配電網進行潮流分析，然后將前推回代法基本原理應用于配電網的潮流計算中，通過MATLAB仿真軟件對潮流計算程序進行運行，且描述了通過概率潮流計算具有弱環網的配電網方法，通過33節點系統對計算程序進行了仿真驗證。然后在光伏出力服從Beta分布的基礎上提出基于半不變量法的概率潮流計算方法，利用概率評估方法評估農網的電壓質量。最后通過仿真研究且與蒙特卡羅模擬法進行對比，表明此研究所提方法的普適性。

1 概率潮流算法理論基礎

1.1 概率潮流計算的線性化模型

本文采用概率潮流的線性化模型，其表達式如式(1)所示。

(1)

式中：X為節點狀態量；W為節點注入功率量；Z為支路潮流功率量。將式(1)按照泰勒級數展開，然后做線性化處理，則可得到式(2)表達式。

(2)

式中：S0和T0為靈敏度矩陣；ΔW為各節點的注入擾動量；ΔX為各節點的狀態量擾動量；ΔZ為各支路功率的擾動量。

1.2 農網電壓質量的評估指標

本文利用概率潮流進行電壓質量指標的評估。電壓質量的指標以電壓偏移和電壓偏差為主進行分析。指標如下：

(1) 電壓偏差

(3)

式中：U為該點實際電壓有效值；UN為額定電壓的有效值。

(2) 電壓波動

(4)

式中：Umax、Umin分別為該點實際電壓的最大值和最小值。

利用平均均方根誤差指標(average root mean square，ARMS)對兩種方法進行準確性比較，且以蒙特卡羅為參考對象，通過兩種方法計算分別得出其概率分布。ARMS的計算如式(5)所示：

(5)

2 配電網電壓質量評估研究

2.1 不含光伏發電的配電網電壓質量評估

為了更好地說明所提方法的準確性，本文以33節點系統為算例，利用MATLAB2014a軟件編寫了33節點輻射狀配電網系統的潮流計算程序。不含分布式光伏的節點電壓幅值結果如圖1所示。不含光伏電源的配電網電壓穩定性指標如圖2所示。

由于負荷具有不對稱性，因此通過潮流計算得到的各個節點的電壓幅值也存在不對稱現象。由圖1可以看出，不對稱性較為明顯。圖2的分析結果更顯而易見，從靜態電壓穩定性來看，節點23和節點24最不穩定，其次是節點29和節點30。因此，本文選取節點24和節點29兩個較為特殊的節點接入光伏對電壓穩定性進行分析。從圖3可以看出，配電網系統節點23和24的靜態電壓穩定性相對與其他節點較為不理想，其次是29和30節點。因此選擇在24和29節點處接入光伏進行分析靜態電壓穩定性。

圖1 無光伏接入的節點電壓幅值

圖2 無光伏接入的電壓穩定性指標

2.2 含光伏發電的配電網電壓質量評估

由仿真分析可得光伏發電接入后的配電網電壓幅值,如圖3所示。光伏發電接入配電網前后的電壓穩定性指標如圖4所示。

圖3 光伏接入的節點電壓幅值

圖4 光伏接入前后電壓穩定指標

從圖1～圖4中可以看出，光伏發電接入配電網后提高了電壓幅值水平以及電壓的穩定性，對電壓的平衡調節也較為顯著。

2.3 實際配電網模型的算例分析

前一小節中僅分析了IEEE標準節點系統的電壓質量指標，為了驗證本文方法的實用性，本節以甘肅省會寧縣某地區實際配電網為例進行仿真分析，選取部分配電網，其參數如圖5所示，其仿真結果如圖6～圖7所示。

圖5 甘肅省會寧縣某地實際配電網接線

由圖6可以看出，對于各個節點電壓的概率密度曲線半不變量的擬合更加準確。由圖7可知，支路有功功率的概率分布曲線在擬合時有很大誤差。因此，本文提出了一種在蒙特卡羅的基礎上結合半不變量的方法進行潮流計算。

圖6 節點的電壓PDF

圖7 有功功率CDF

在仿真運行中，兩種概率潮流的計算時間如表1所示。從表1得出，半不變量法的計算時間比蒙特卡羅法計算時間約縮短了11倍。基于此，可以得出利用半不變量法計算概率潮流的評估方法大規模的縮小了計算時間。

表1 兩種方法的運行時間比較

3 結束語

針對扶貧光伏發電系統接入農村配電網后電壓質量的變化，此研究在半不變量的基礎上通過概率潮流算法計算了電壓質量的各項指標，且對甘肅省實際配電網進行仿真，定性分析了扶貧光伏系統接入后對配電網的影響程度。相較于具有普遍性的蒙特卡洛方法，本文所提方法在節省時間的同時提高了計算精度。通過對實際配電網模型進行仿真分析，表明了本文所提方法的有效性及準確性。在電壓質量的分析中利用了半不變量算法，提高了計算效率，優化了計算精度。