分布式電源接入位置對配網電壓影響研究

郭紅娟，王海云，和敬祥，王維慶

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830049；2.可再生能源發電與并網控制技術教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊 830049；3.國網烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊 830049)

1 引言

隨著煤炭、石油等一次能源的短缺以及環境問題愈加惡化，以風電、光伏為代表的分布式能源因其具有綠色、節能、友好等優點備受各國政府青睞。因我國資源稟賦條件來看，風光資源主要集中在“三北地區”，特高壓、長距離輸電往往造價成本高，一旦出現閉鎖將會給整個電力系統安全穩定造成巨大威脅。因此DG往往接入配電網中使用，DG并網后根據需求側負荷用電需求可以合理向配電網輸送電能[4-6]以此達到配電網運行的經濟性，此外，含DG的配電網因DG的容量往往較小可隨時與電網并網具有離網可靠性和靈活性[1-3]。然而系統能否高效、經濟、安全運行還與DG的接入位置、運行工況等有關。在高滲透率、低負載運行工況下，不恰的的接入地點反而會增加系統的運行成本、降低配電網運行的靈活性。

關于DG接入位置尋優問題研究，國內外專家學取得了一定的成果。文獻[7]引用用戶滿意度來衡量敏感用戶的電能質量需求，然而僅考慮單DG接入的情況，并未對多DG進行分析。文獻[8]在對分布式電源接入配電網的位置以及容量展開研究時，考慮了網絡損耗、靜態電壓穩定以及線路熱穩定等3個指標的綜合影響，然而僅對電能質量尋優時，用該指標評估不太適用。文獻[9]建立分布式光伏多點接入低壓配電網的優化模型，但針對配電網在高滲透率、低負載狀態下的DG接入并未分析。文獻[10]考慮了單個和多個DG接入滲透率不同時對配電網電壓分布的影響，但未分析DG位置不同對配網帶來的影響。文獻[11]雖然是基于對高滲透率的分布式電源接入配網的研究，但僅考慮了配網的正常負載狀態，未對低負載配網分析。

含DG的配電網在電壓質量尋優求解方面，大多采用仿生算法進行求解，仿生算法雖然在求解速度上具有很大優勢，但是往往易于陷入局部最優等缺點：文獻[12]在含DG的配電網規劃研究中，雖然引用了支路交換于禁忌搜索算法中，但是改進后算法仍舊嚴重依賴于初始解，當初始解不夠優良時，就會陷入局部最優的缺點。文獻[13]采用粒子群算法來求解分布式電源的裝機容量，運算速度較快，然而粒子群算法對于離散的優化問題處理不佳，容易陷入局部最優。文獻[14]將灰狼算法應用于分布式系統的多個DG選址和定容研究中，但是灰狼算法同樣容易陷入局部最優，且收斂速度較慢。與上述算法相比，新穎帝國競爭算法(ICA)[15-16]收斂速度更快、精度更高，且具有較強全局搜索性。因此本文采用ICA算法對并網后節點電壓值尋優。

綜合以上問題，文章對配電網在低負載、高DG滲透率狀態下進行研究，提出多DG接入狀態下6種典型并網方式。首先利用前推回代潮流法求解并網后節點電壓值；然后以電壓質量最優為目標，支路容量、節點電壓、有功及無功功率平衡為約束條件，利用新穎帝國競爭算法對模型進行求解；最后在IEEE-33節點中進行仿真驗證。

2 含分布式電源的配電網潮流計算

對于含分布式電源的輻射狀配電網，采用前推回代潮流計算法，其運算步驟如下：

1)假設節點電壓為一定值，由輻射配電網線路的末端功率，可得線路末端至線路首端支路的功率及損耗，從而最終得到根節點的功率。

2)假設支路功率為一定值，由根節點的電壓值，可以得出線路由首端到末端各個節點的電壓值以及功率損耗值。

文章選取含分布式電源的輻射配電網主干圖加以說明，如下圖1所示，在該圖中可以任意選擇a、b、c三個連續的節點。

圖1 系統結構框圖

以上計算利用了回推迭代的計算方法，節點a與b間的支路功率損耗公式、功率公式分別如下所示

(1)

(2)

Pab=Pb+Pbc+ΔPab-PDG

(3)

Qab=Qb+Qbc+ΔQab-QDG

(4)

其中，Rab、Xab分別是a、b間支路的電阻電抗；△Pab、△Qab分別是a、b間支路的功率損耗;Pab、Qab分別是a、b間支路的有功功率和無功功率;Pb、Qb分別為b節點的有功功率和無功功率；PDG、QDG分別為b節點接入分布式電源后的有功功率以及無功功率。

節點b的電壓計算公式為

ΔUb=(PabRab+QabXab)/Ua

(5)

Ub=Ua-ΔUb

(6)

3 數學模型的建立

3.1 影響參數

文章選取了兩個重要的參數作為評價指標，即線路節點電壓變化率δ以及系統電壓影響參數?。其中，線路節點電壓變化率δ公式為

(7)

系統電壓影響參數其公式為

(8)

式中，配電網的節點數為n；Ui為節點i的實際電壓值，而Un則為各個節點處于穩態下的電壓額定值。式中?的值越小，說明了配電網中的電壓質量越高。

3.2 目標函數

配電網中各個節點的電壓變化率和整個系統電壓值分別用電壓變化率δ和系統電壓影響參數?兩個指標進行評估，通過這兩個互相關聯的評估指標，可以更加全面的分析出分布式電源接入配網后對電壓的影響。因此文章以電壓質量最優為目標函數

(9)

其中，k為權重系數，k1+k2=1

3.3 約束條件

1)節點電壓約束

Uimin≤Ui≤Uimax?i∈NR

(10)

2)支路容量約束：

Sj≤Sjn; ?i∈Nb

(11)

其中，Uimin為節點i電壓的最小值，Uimax為節點i電壓的最大值，Ui為節點i的電壓實際值；Sj為支路j上的功率，Sjn為支路j上的額定功率。

4 帝國競爭算法

4.1 帝國競爭法

帝國競爭算法(ICA)是一種基于群體的優化算法。該算法由于受到社會行為的啟發，因此其搜索空間是—個個的國家。該算法的優點主要是具有較高的計算效率、較快的尋優速度以及占用較少的內存等。帝國競爭法把這些被搜索的國家按照勢力的強弱劃分為幾個不同的群體，將之稱為帝國。帝國競爭法使用同化機制，將這些帝國之中的作為殖民地的非最優的國家向最優國家即帝國主義國家不斷靠近，此過程與粒子群優化算法非常相似。帝國競爭法的核心在于帝國競爭機制。經過帝國競爭機制，較強帝國便會占據被較弱的帝國所屬的殖民地，直到該較弱帝國的全部殖民地被其它帝國瓜分完畢之后，那么這個較弱帝國意味著已被消亡。不斷重復以上過程，最終最強的帝國將會擁有全部的殖民地。此時帝國勢力值相同，并在同一個位置收斂，這便是帝國統一。不同帝國之間可以通過帝國競爭機制來相互交換信息。該過程如下所示：

1)隨機在搜索空間選取M個國家，分別計算它們每個國家所所擁有的勢力，其中擁有最強勢力的幾個成為帝國(imp)。

與模擬照片不同，數碼照片在被具象化——作為可見物被閱讀——之前，它的歧異受到尊重，同時還提供隱藏的進一步的信息來確認和引發其他觀點。[1]71

2)按照每個帝國所擁有的勢力，每個帝國獲得其相應殖民地并形成帝國集團。

3)殖民地朝著新的歸屬帝國不斷移動并同原屬帝國的勢力相互比較，如果超過原屬帝國，那么便取代原來的帝國。

4)計算全部帝國集團的總勢力。

5)不同帝國集團之間開始競爭，弱小的帝國集團將被強大的帝國集團所瓜分。

6)當某個帝國集團的所有殖民地被其它帝國集團瓜分完畢時時，該帝國集團即宣告滅亡。

7)經過多次以上操作，當算法中出現最強的帝國集團或者到達了算法設定次數時，該算法終止。

4.2 帝國競爭法主要流程圖

競爭算法主要流程如圖2所示。

圖2 帝國競爭算法流程圖

算法終止條件：當迭代運算的次數到達最大值時，則該算法終止并輸出運算結果；當強勢帝國侵占了所有殖民地以及弱勢帝國并達到統一時，則算法結束并輸出運算結果。

5 仿真分析

文章采用IEEE-33節點架空網輻射狀接線方式下的配網模型(結構圖如下圖3)所示來進行仿真。該節點標準模型具有1個節點編號為0的平衡節點以及32個負荷節點。該配網節點模型上還有能夠形成5個環網的5條安裝了聯絡開關的線路。該配電網標準模型系統的額定電壓、有功負荷以及無功負荷分別是12.66kV、3715kW、2300kVar。

圖3 IEEE-33節點配電系統接線圖

當中壓線路負載率處于較低水平(負載率10%)，而分布式光伏系統滲透率處于較高(K=8，滲透率800)水平的時候，要分析不同分布式電源接入方式給系統電壓帶來什么樣的影響時，首先應該確定所接入分布式電源的個數。如果分布式電源接入數量過多，就會使運行運行成本增大，所以文章接入4個分布式電源。文章的仿真模型采用了架空網接線方式，如圖4所示。

5.1 輻射狀接線仿真模型

當IEEE-33節點系統所有的聯絡開關都分閘時，該系統為輻射狀供電模式，如圖4所示。

圖4 IEEE33節點系統輻射狀運行模型圖

5.2 輻射狀接線模式

為了能夠通過對比分析得出接入位置的優劣，對于輻射狀接線模式的配電網，設置了6種DG接入方案，各種方案下DG的接入節點分別如表1、圖5到圖10所示。

表1 輻射狀接線模式的分布式光伏接入位置方案

圖5 饋線末端接入方案

圖6 分支節點接入方案

圖7 負荷較重節點接入方案

圖8 集中接入方案

圖9 沿線接入方案

圖10 饋線首端接入方案

按照上文提出的6種DG接入方案，分別仿真計算各種接入方案對配電網節點電壓的影響，節點電壓分布如圖11所示，各節點電壓變化率如圖12所示，不同接入位置方案的系統電壓影響參數如表2所示。

圖11 不同接入位置各節點電壓曲線圖

圖12 不同接入位置各節點電壓變化率曲線圖

表2 不同接入位置系統電壓影響參數

根據仿真結果可以看出，由于線路負載率較低(10%)，線路上各個負荷點的電壓均比較高，接近于額定電壓。當DG的輸出功率非常大時，除了第6種接入方案(饋線首端接入)之外，其它接入方案均會導致各節點電壓顯著提升。

從系統電壓影響參數來看，除了第3種方案和第6種方案，即DG接入“負荷較重節點”和“饋線首端節點”這兩種模式之外，分布式電源的接入降低了系統電壓質量。因此，從系統電壓質量的角度來說，在線路低負載率、DG高滲透率情況下，DG的接入方式推薦采用“饋線首端節點”和“負荷較重節點”這兩種接入方案，并優先推薦接入饋線首端。

6 結論

文章首先利用前推回代潮流法求解并網后節點電壓值；然后以電壓質量最優為目標，支路容量、節點電壓、有功及無功功率平衡為約束條件，利用新穎帝國競爭算法對模型進行求解；最后在IEEE-33節點中進行仿真驗證。結果表明，一：配電網在高滲透率、低負載運行狀態下，第3種方案和第6種方案，即DG接入“負荷較重節點”和“饋線首端節點”這兩種模式下，分布式電源的接入后系統電壓質量較理想。但是配電網在其它狀態下，該結論并非適用；二：ICA算法在尋求高滲透、低負載運行狀態下DG接入位置具有正確性和實用性。為DG并網優化設計提供了一定參考。