唐 捷，肖園園，李欣然，張元勝，4

（1.廣東電網公司 韶關供電局，廣東 韶關 512026；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；3.廣西電力科學研究院，廣西 南寧 530023；4.廣西電力調度通信中心，廣西 南寧 530023）

發(fā)展可再生能源尤其是風能發(fā)電被視作解決能源緊缺問題、促進低碳環(huán)保經濟的重要方案，風力發(fā)電已成為世界上增長最快的新能源［1］.過去5年中，全球累計風電裝機增長率達27.09%，新增裝機容量增長率達35.48%［2］，中國的風電裝機總容量和2011年新增裝機容量更是位居世界第一.

風能發(fā)電主要有2種基本開發(fā)模式：①集中式——百萬甚至千萬kW級大規(guī)模風電場以220 kV及以上電壓等級直接并入主網；②分散式——萬kW級小容量風電場接入110kV及以下電壓等級配網.在分散式情形下，風力發(fā)電作為分布式電源接入配網，必然改變傳統(tǒng)的綜合負荷特性，使之成為一種“廣義負荷”［3－4］.隨著分布式風力發(fā)電并網容量的增加，滲透率逐步增大，對配電網區(qū)域綜合負荷特性的影響不可忽視，研究此種條件下的負荷建模方法、評估分布式風力發(fā)電對負荷特性的影響規(guī)律及影響程度，負荷建模必須解決理論與實際工程問題.文獻［3］闡述了電源接入配網后對負荷模型的影響，其仿真研究結果表明：當配網電源容量比例大于24.4%后，感應電動機并聯(lián)ZIP模型描述能力具有局限性，由此提出異步電機并聯(lián)ZIP模型的廣義負荷模型結構；文獻［4］在分析電源對廣義電力負荷建模影響的基礎上，給出了3種廣義電力負荷模型，并給出了模型參數(shù)的辨識策略；文獻［5］的研究結果表明：將傳統(tǒng)的CLM或SLM模型中的負荷動靜比例系數(shù)km的取值由［0，1］擴大為任意實數(shù)，可以實現(xiàn)對含分布式風力發(fā)電的廣義負荷特性的準確描述；文獻［6］分析了不同滲透率下微電網對電壓穩(wěn)定和攻角穩(wěn)定的影響，為分布式發(fā)電優(yōu)化并網提供理論依據；文獻［7］在考慮風力發(fā)電特點的基礎上，對含風電的電網進行規(guī)劃，建立相應的節(jié)能和風電利用指標對規(guī)劃模型進行評價.

筆者將以 Matlab/Simpowersystem仿真系統(tǒng)為研究工具，將風力發(fā)電以不同容量比例接入配網中的不同并網母線，系統(tǒng)而定量地評估分布式風力發(fā)電的接入位置和并網容量對配網側綜合負荷特性的影響.

在數(shù)理統(tǒng)計學中的數(shù)值相似性與趨勢相似性的概念，多用于在統(tǒng)計學及經濟性中分析2組數(shù)據之間的相似程度及規(guī)律，在電力系統(tǒng)仿真領域已有學者將其用于電力系統(tǒng)的仿真分析及相關的模型評估［8］.文獻［9－10］利用相似性判斷原理通過對實測和仿真序列的相似程度來判斷模型的準確度；文獻［11］利用PSS/E軟件結合實測數(shù)據的混合仿真以評估某局部電網的元件模型是否準確.上述文獻都很好地利用了數(shù)值與變化趨勢相似性的概念，比較2組數(shù)據之間的關系.筆者利用文獻中對仿真模型分析的方法，對不同接入方式下的風機并網后綜合母線功率曲線進行兩兩比較，最終得到各曲線之間的相似關系及變化規(guī)律.

1 仿真方案

風力發(fā)電作為分布式電源接入系統(tǒng)后，對負荷特性影響的主要因素為并網時接入容量與接入點地理位置.為此，首先須制定合理的仿真方案.筆者制定了具體仿真方案與仿真方法.

1）選用具有一定典型代表意義的IEEE－14節(jié)點配電網絡作為仿真研究對象，其結構如圖1所示.

圖1 IEEE－14節(jié)點配網結構Figure 1 The IEEE－14node distribution network structure

仿真系統(tǒng)中，節(jié)點1是220kV主網等值系統(tǒng)（無窮大系統(tǒng)）的220kV樞紐變電站的10kV母線，為14節(jié)點配網與主網間的公共連接界面，也即“配網側綜合負荷母線”；接于母線1的配電網即為研究對象，其通過220kV變壓器從主網獲得的下網負荷即為“配網側綜合負荷”.配網總額定負荷為28.7＋j7.75MV·A，支路A負荷為8.5＋j4.65 MV·A，支路B負荷為15.1＋j1.4MV·A，支路C負荷為5.1＋j1.7MV·A［12］.各節(jié)點負荷均采用感應電動機并聯(lián)ZIP的綜合負荷，并依據IEEE－14節(jié)點網絡各類負荷典型參數(shù)對網絡進行設置.

2）當配電網中不接入任何分布式電源時（即純負荷），在10kV母線上設置持續(xù)0.2s的三相短路故障，導致故障母線電壓跌落近20%（為方便分析，下文所涉及到的仿真全部是此相同故障）.以故障發(fā)生時刻為計時起點（t＝0），測量故障后暫態(tài)過程中的綜合母線負荷特性數(shù)據.此為不含分布式電源的原始態(tài)網絡數(shù)據.

3）考慮風機不同接入方式.設置風機容量為總負荷容量的10%～80%，將風機分別接到節(jié)點2，3，4，5，7（其中節(jié)點2，3，4分別為不同類型的負荷支路上的共點節(jié)點，節(jié)點2，5，7分別為同一支路的首、中、末端），測量暫態(tài)過程中的綜合負荷母線動態(tài)數(shù)據.此仿真網絡除風機接入的容量及位置變化外，其他條件均與原始態(tài)一致.

根據所提仿真方案在IEEE－14網絡中依次進行仿真，采集綜合母線點吸收有功的仿真測量數(shù)據，并進行功率平移，將功率以各自穩(wěn)態(tài)值為基準進行量化歸一化［13］后觀察，如圖2所示（以節(jié)點2對應的8種容量組為例）.

圖2 不同容量風機接入節(jié)點2時綜合母線功率情況Figure 2 Comprehensive bus power when turbine connecting to the node2with different capacity

由圖2可看出，當風電機組按照不同的容量比例依次接在節(jié)點2位置上時，綜合母線的有功吸收量隨風電源投入量呈現(xiàn)遞增規(guī)律性，在暫態(tài)尤為明顯.而風電源接在配網中距離綜合母線不同位置的節(jié)點上時，有功是否也存在規(guī)律性呢？筆者為此找尋方法分析在風電不同接入方式下對配電網綜合負荷特性的影響.就負荷特性而言，通常有功功率響應處于主動和主導地位，且無功功率響應受補償因素影響較大而不一定能客觀反映負荷特性的內在本質特征.因此，筆者采用綜合負荷的有功響應作為分析對象以考察負荷特性的差異（或相似）性.

2 基本思路與分析方法

為分析分布式風力發(fā)電電源按照不同容量和不同地點接入配電網對配網側綜合負荷特性的影響，筆者采用遞進關系的層次步驟分析方法，選擇合適的對象進行分析.一般而言，可以將一個動態(tài)系統(tǒng)受擾動后的暫態(tài)過程分為前穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、后暫態(tài)、后穩(wěn)態(tài)4個階段，如圖3所示.

圖3 暫態(tài)過程分解及其暫態(tài)特征參數(shù)示意Figure 3 Transient process and transient feature parameters

顯然，系統(tǒng)的暫態(tài)響應是其動態(tài)特性的直觀反映；不同系統(tǒng)（或同一系統(tǒng)在不同條件下）之暫態(tài)響應的差異（或相似）程度，即反映了其內在特性的差異（或相似）程度.系統(tǒng)動態(tài)特性的差異程度可用不同的指標測度.顯然，暫態(tài)過程持續(xù)時間以及相對于穩(wěn)態(tài)響應的暫態(tài)偏移量可以作為描述暫態(tài)程度的重要指標［14］.據此，定義4個“暫態(tài)特征參數(shù)”以刻畫暫態(tài)過程中的負荷動態(tài)特性的變化程度，其物理意義如圖3所示.其中：

暫態(tài)時間t1——受擾動后的直至功率躍變到最大時的暫態(tài)過程持續(xù)時間；

調節(jié)時間t2——故障清除到恢復穩(wěn)態(tài)的后暫態(tài)時間；

有功躍變量ΔP1——故障開始時有功功率的躍變值；

有功超調量ΔP2——功率波動最大值與后穩(wěn)態(tài)功率的差值.

由上述定義可知，4個暫態(tài)特征參數(shù)分別從不同角度刻畫了負荷動態(tài)特性的差異性.應當指出，實際應用時，暫態(tài)特征參數(shù)之t1，t2用實際有名時間（s）；躍變量ΔP1和超調量ΔP2用相對值表示，其定義由公式給出，即

式中 P0，P∞，Pmin，Pmax依次為擾動前穩(wěn)態(tài)有功功率、暫態(tài)過程結束后的穩(wěn)態(tài)有功功率、暫態(tài)過程中有功功率達到的最小值和最大值.

由于分布式風電對綜合負荷特性的主要影響因素為其接入容量及接入地理位置，因此為進行定量分析，必須有具體的評價指標.筆者引用數(shù)理統(tǒng)計學中數(shù)據處理及誤差分析的相關理論原則，定義“特征差異度”評價指標.

3 特征差異度分析方法

1）特征差異度的定義.

設數(shù)據組A的數(shù)值為Yr，數(shù)據組B為Ys，則相似元的值為s（ui）：

由相似元的定義可知，相似差異度越大，則說明2組數(shù)據之間的差別越大.因此，根據所提的4種暫態(tài)特征參數(shù)，將暫態(tài)時間t1、調節(jié)時間t2、躍變量ΔP1、超調量ΔP2分別作為對應相似元素，從而得到對應的相似差異值，筆者即將此差異值定義為“特征差異度”.

2）相似元權重系數(shù).

系統(tǒng)分析人員對暫態(tài)過程中每個階段的仿真結果的看重程度不一樣，且各階段對影響分析的重要程度也不同，通常更關心在暫態(tài)過程中功率的躍變及故障撤離后功率的恢復過程，因此，需先給暫態(tài)過程中各不同的觀察點賦予一個權重值.權重系數(shù)可采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來確定［15］.層次分析法的一個重要特點是用兩兩重要程度之比的形式表示出各單元的相應重要性程度等級.設n個相似元分別為U＝｛u1，u2，…，ui，…un｝，i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，n.根據數(shù)值權重標度及定義，按兩兩相比較的結果構成判斷矩陣：

其中 uij表示ui對uj的相對重要性程度，一般若ui與uj同等影響程度，則權重標度值為1；若ui比uj稍顯重要，則標度值為3；若ui比uj明顯重要，則標度值為5；若相似元ui比uj強烈重要，則標度值為7，以此類推.在該判斷矩陣A中，有uij＞0，uⅡ＝1，uij＝1/uji，由于A為正互反矩陣，且若為一致性矩陣，則對于任意的i，j能滿足uij＝uik×ukj，故先假設矩陣A滿足一致性，再確定權重β，得到權重數(shù)組.確定權重系數(shù)數(shù)組步驟如下.

步驟1：將矩陣A各元素進行列向量歸一，即得列權重向量

步驟2：將第1步歸一化后得到的列權重向量按行相加，得每行權重向量

步驟3：將第2步所得權重向量進行規(guī)范歸一化處理相加，得權重數(shù)組

在實際應用中，由于判斷矩陣的權重標度的選定一般是根據專家經驗或者實驗情況分析得來，當判斷矩陣的階數(shù)大于2時，構造出來的矩陣通常難以滿足一致性要求，為此，需要對判斷矩陣是否可以滿足一致性進行檢驗.由一致性檢驗的內涵可知，對于正互反矩陣A，當且僅當A為一致性矩陣時，其最大特征根λmax≥n成立，其中n為矩陣A的階數(shù)，定義一致性指標CI和平均一致性指標［15］，即

平均一致性指標RI是指在判斷矩陣階數(shù)較多時，即存在多個相似元的情況下，重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算平均得到.隨機一致性比率是指矩陣的一致性指標CI與同階次的平均隨機一致性指標RI的比值CR決定，當CR＜0.1時，則認為矩陣滿足一致性［14］.

為進行具體差異性分析，需確定各相似元的權重系數(shù)，根據文中對權重系數(shù)的定義及相應暫態(tài)特征參數(shù)的重要程度，得到判斷矩陣：

由該矩陣可得其最大特征根為λmax＝4，一致性指標CI＝0，查表得平均隨機一致性指標RI（4）＝0.90，所以一致性指標CR＝0＜0.1，故認為該判斷矩陣滿足一致性.進一步根據上文所提到的計算方法，得到t1，t2，ΔP1，ΔP2對應的權重系數(shù)：

4 接入方式對負荷特性影響性分析

根據上文關于特征差異度與權重系數(shù)的定義方法，結合將風電源在IEEE－14節(jié)點網絡中以不同容量大小分別接入不同地理位置的情況，采集在相同故障條件綜合負荷母線點的有功功率，從暫態(tài)時間t1、調節(jié)時間t2、躍變量ΔP1、超調量ΔP2等4個角度對有功進行觀測并分析其對配網負荷特性的影響程度.由第1節(jié)設定的仿真方案可知，當風力發(fā)電系統(tǒng)容量以10%～80%的比例分別在節(jié)點2，3，4，5，7節(jié)點時，對應將有40組數(shù)據，因此與原始態(tài)進行兩兩比較時，數(shù)據涵蓋信息豐富.為更好地分析這些數(shù)據組之間的趨勢關系，筆者分別從3種不同的比較方案選定基準數(shù)據，通過式（3）的差值計算后確定3種方案的相似元.

比較方案1 以原始態(tài)數(shù)據為基準，以不同接入方式下的有功數(shù)據作為參比量進行差值計算；

比較方案2 以接入量占總負荷比例10%的分布式電源的有功數(shù)據為基準，以遞增容量下的數(shù)據進行參比差值計算；

比較方案3 由圖2可以看出，在各節(jié)點上，當每增加10%的風機容量投入時，功率在暫態(tài)的增值也有一定的增大趨勢，因此，比較每增加10%容量比例風機容量時，相鄰2組容量下的有功差值得出有功的變化規(guī)律.

分別將40組分布式風電按不同方式接入后的負荷特性數(shù)據及原始態(tài)數(shù)據進行比較，依據上文定義的特征差異度的計算方法，得到對應的特征差異度.限于篇幅，以圖形化表現(xiàn)如圖4所示.

圖4 方案1各接入方案特征差異度Figure 4 Characteristic difference degree of scheme 1

3種比較方案中，通過選擇不同的比較基準，從暫態(tài)過程中的4個角度，結合相似性分析的概念，對不同比較方案下的數(shù)據組進行了差值對比及相似計算.

方案1中在與不加任何分布式風電源之間進行有功功率的暫態(tài)相似性比較時，可見在每個節(jié)點位置下，當接入容量遞增時，特征差異度值都呈遞增的趨勢，說明隨著容量的增加，綜合母線節(jié)點的暫態(tài)變化呈遞增趨勢，即風機容量的增加對綜合母線負荷特性的影響逐步增強，且在接入容量小于40%時，由于分布式電源比例較小，當接在配網中不同位置時，相對于綜合母線點來說差別不大；且由圖4可知，當容量投入量超過40%后，曲線上升率明顯增強，可得出結論，即風力電源接入容量越大時，對負荷特性的影響越為明顯；從5個節(jié)點的角度觀察，當分別接入不同支路的首段時（節(jié)點2，3，4），隨著接入點所在支路負荷越大（支路B＞支路A＞支路C），差異值越小，即對綜合負荷特性影響越弱；當分別接入同一支路的首、中、末端時（節(jié)點2，5，7），隨著距離綜合母線點越遠，差異值越小，即對負荷特性影響越小，此結論與綜合殘差影響分析方法所得保持一致.

由于方案1的比較是與原始態(tài)進行比較，而原始態(tài)配網中為純感應電機并聯(lián)ZIP靜態(tài)負荷，無功率流出，因此，與加入分布式風電時相比差別較大，因此在方案2中，以接入風機10%容量比下的綜合母線點暫態(tài)數(shù)據為比較基準，將20%～80%容量比下的7組暫態(tài)數(shù)據分別與之進行比較，相對于方案1來說，比較更精確，差值更小.且由圖5可見，其趨勢規(guī)律與方案1相當，更證明了方案1所得結論的正確性.

圖5 方案2各接入方案特征差異度Figure 5 Characteristic difference degree of scheme 2

方案3的比較方式較為特別，即將各節(jié)點8種容量比下的暫態(tài)有功進行歸一化后，兩兩暫態(tài)功率之間的差值（即容量比例20%～10%，30%～20%，…，80%～70%）進行特征差異性比較分析.在仿真實測數(shù)據中，之所以在每增加10%容量的風機投入時，功率暫態(tài)之間會呈現(xiàn)一定的差值，這是由于風機作為發(fā)電機存在于配網中，而配網負荷吸收功率，因此，每投入一定容量的風機于配網中，必然會對綜合母線點的功率有所影響.而由圖6各差值之間比較結果可知，在相同容量增量下，不同節(jié)點下的影響基本一致；在較大的基準值上增加10%容量時，影響略增大，但趨勢基本平穩(wěn)相當，說明增加等量的風機投入時，對負荷特性的影響基本呈線性趨勢.

圖6 方案3各接入方案特征差異度Figure 6 Characteristic difference degree of scheme 3

5 結語

隨著分布式發(fā)電技術應用規(guī)模的日益擴大，定量準確地評估分布式電源對所接入配網的廣義負荷特性的影響，對于負荷建模研究及其工程應用具有重要意義.筆者以分布式發(fā)電的影響為研究對象，定義“特征差異度”以衡量分布式風力發(fā)電對負荷特性的影響程度，實現(xiàn)其客觀定量評估.研究結果表明：分布式風力發(fā)電對負荷特性的影響程度，隨著其并網點距綜合母線距離的增加而減小，隨著并網容量比例的增大而增大，二者影響程度的相對大小與并網點所在供電回路負荷水平有關.尤其值得注意的是：接入容量越大，大擾動下的負荷暫態(tài)響應過程的功率躍變幅度以及故障切除后的穩(wěn)態(tài)恢復時間顯著增加.

筆者所提出的定量指標對于評估其他分布式電源對負荷特性的影響具有借鑒意義.

［1］馬志博，劉友波.英國風電發(fā)展及其調度概述［J］.電力科學與技術學報，2011，26（1）：53－59.MA Zhi－bo，LIU You－bo.Review of wind power development and dispatching experience in the UK［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2011，26（1）：53－59.

［2］羅如意，林曄，錢野.世界風電產業(yè)發(fā)展綜述［J］.可再生能源，2010，28（2）：14－17.LUO Ru－yi，LIN Ye，QIAN Ye.The development and prospects of world wind power industry［J］.Renewable Energy Resources，2010，28（2）：14－17.

［3］王吉利，賀仁睦，馬進.配網側接入電源對負荷建模的影響［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（20）：22－26.WANG Ji－li，HE Ren－mu，MA Jin.Impact of connecting power sources on load modeling in a distribution network［J］.Automation of Electric Power System，2007，31（20）：22－26.

［4］鞠平，何孝軍，黃麗，等.廣義電力負荷的模型結構與參數(shù)確定［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（23）：11－13.JU Ping，HE Xiao－jun，HUANG Li，et al.Model structures and parameter estimation of generalized loads［J］.Automation of Electric Power System，2006，30（23）：11－13.

［5］李欣然，惠金華，錢軍，等.風力發(fā)電對配網側負荷建模的影響［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：89－94.LI Xin－ran，HUI Jin－h(huán)ua，QIAN Jun，et al.Impact of wind power generation on load modeling of distribution network［J］.Automation of Electric Power System，2009，33（13）：89－94.

［6］張佳佳，陳金富，范榮奇.微網高滲透對電網穩(wěn)定性的影響分析［J］.電力科學與技術學報，2009，24（1）：25－29.ZHANG Jia－jia，CHEN Jin－fu，F(xiàn)AN Rong－qi.Investigation of the influence of microgrids high large penetration ratios on power network stability［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2009，24（1）：25－29.

［7］高賜威，何葉.考慮風力發(fā)電接入的電網規(guī)劃［J］.電力科學與技術學報，2009，24（4）：19－24.GAO Ci－wei，HE Ye.Research of electric network planning with wind power integration considered［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2009，24（4）：19－24.

［8］周成，賀仁睦，王吉利，等.電力系統(tǒng)元件模型仿真準確度評估［J］.電網技術，2009，33（14）：12－15.ZHOU Cheng，HE Ren－mu，WANG Ji－li，et al.Assessment on simulation accuracy of power system component models［J］.Power System Technology，2009，33（14）：12－15.

［9］柳世考，劉興堂，張文.利用相似度對仿真系統(tǒng)可信度進行定量評估［J］.系統(tǒng)仿真學報，2002，14（2）：143－145.LIU Shi－kao，LIU Xing－tang，ZHANG Wen.Fixed quantity evaluation to reliability of simulation system with similar degree［J］.Acta Simulata Systematica Sinica，2002，14（2）：143－145.

［10］焦鵬，唐見兵，查亞兵.仿真可信度評估中相似度方法的改進及其應用［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19（12）：2 658－2 660.JIAO Peng，TANG Jian－bing，ZHA Ya－bing.Amelioration and application of similar degree method for simulation credibility evaluation［J］.Acta Simulata Systematica Sinica，2007，19（12）：2 658－2 660.

［11］馬進，盛文進，賀仁睦，等.基于廣域測量系統(tǒng)的電力系統(tǒng)動態(tài)仿真驗證策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（18）：11－15.MA Jin，SHENG Wen－jin，HE Ren－mu，et al.A simulation validation strategy based on wide area measurement［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（18）：11－15.

［12］錢軍.考慮分布式發(fā)電的配電網綜合負荷建模方法研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［13］崔凱，房大中，鐘德成.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概率評估方法研究［J］.電網技術，2005，29（1）：44－49.CUI Kai，F(xiàn)ANG Da－zhong，ZHONG De－cheng..Study on probabilistic assessment method for power system transient stability［J］.Power System Technology，2005，29（1）：44－49.

［14］周成，賀仁睦.電力系統(tǒng)仿真模型有效性的動態(tài)評估［J］.電網技術，2010，34（3）：61－64.ZHOU Cheng，HE Ren－mu.Dynamic evaluation of effectiveness of power system simulation models［J］.Power System Technology，2010，34（3）：61－64.

［15］儲敏.層次分析法中判斷矩陣的構造問題［D］.南京：南京理工大學，2005.