陳 聰，陳紅坤，胡 畔，劉 欣

（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

由于分布式電源存在出力波動性大、控制困難、受環(huán)境因素約束大等特點，各國學者紛紛提出用“微型電網(wǎng)”來解決其并網(wǎng)問題[1-2]。微電網(wǎng)的核心思想在于將傳統(tǒng)被動的負荷同小容量分布式電源相結合，使用戶側負荷成為“可控”單元，從而增強“源-網(wǎng)-荷”之間的互動[3]。同時在使用微型燃氣輪機、燃料電池、電動汽車等可控微源的基礎上，合理利用風光等能源互補的特性，能較好地解決分布式電源自身間歇性及不可控性等問題，并通過先進的控制技術實現(xiàn)本地可再生能源的高效利用。微電網(wǎng)既可看作電源也可看作負荷，其并網(wǎng)運行會改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結構與特性，因而會改變電力系統(tǒng)的運行方式及各項指標，如雙向線路潮流、電壓畸變、網(wǎng)絡損耗率、電壓穩(wěn)定性等。

因此，合理選擇微電網(wǎng)的并網(wǎng)位置十分重要[4]。但現(xiàn)有文獻大多仍延用分布式電源接入電網(wǎng)準則，缺乏針對微電網(wǎng)自身特點的并網(wǎng)規(guī)劃模式及準則[5]。文獻[6]提出一種圖解與遺傳算法相結合的計算方法，采用圖示求解大量方程，確定分布式電源的最佳容量；文獻[7]采用雙層優(yōu)化理論，考慮電壓調(diào)整約束，提出了至少準入功率的計算模型并分析了DG（distribution generator）啟停對系統(tǒng)的影響。但上述文獻均未考慮工程實際情況，忽視了地理位置與資源條件的約束。目前，我國沒有明確的標準和政策用來指導和規(guī)范微電網(wǎng)的接入，對于各利益主體的責任分攤和收益分成也不明確。針對不同的利益主體，微電網(wǎng)的并網(wǎng)規(guī)劃和運營的角度是不同的。根據(jù)我國電網(wǎng)實際情況，用戶側建設微電網(wǎng)的能力有限，本文從配電網(wǎng)運營商的角度考慮微電網(wǎng)的并網(wǎng)位置選取。

本文在微電網(wǎng)容量及電壓等級已確定的前提下，根據(jù)給定的地理位置、自然資源等可行條件確定微電網(wǎng)并網(wǎng)位置候選集。從配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性、電能質量和電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性3 個方面建立微電網(wǎng)并網(wǎng)綜合評估體系，利用模糊層次分析法對各指標進行量化與對比，確定各項指標的最佳權重系數(shù)，從工程實際的角度分析并確定微電網(wǎng)最佳并網(wǎng)位置，并采用IEEE33 節(jié)點進行算例分析。

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)位置選取方法

1.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)位置選取流程

本文提出的微電網(wǎng)接入點的選取流程如圖1所示。由于資源環(huán)境、地理位置、配電網(wǎng)網(wǎng)架結構和現(xiàn)有國家政策的限制，實際微電網(wǎng)往往難以并入至配電網(wǎng)的任意位置。因此在微電網(wǎng)容量由發(fā)電商報知的前提下，首先根據(jù)實際條件確定若干可行并網(wǎng)位置作為后續(xù)決策候選集；在將微電網(wǎng)視為PQ 節(jié)點的前提下，采用前代回推法對每種方案分別進行潮流計算，剔除潮流計算不收斂的方案；選取配電網(wǎng)運行綜合指標，并利用模糊層次分析法確定各指標的權重，確定并網(wǎng)位置選取的決策模型；對各備選方案進行綜合量化評估，選取評分等級最高的方案作為微電網(wǎng)最優(yōu)并網(wǎng)點[8]。

圖1 微電網(wǎng)接入點選取流程Fig.1 Flow chart of selection for microgrid interconnection

1.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)后配電網(wǎng)運行綜合指標的確定

微電網(wǎng)并網(wǎng)后，配電網(wǎng)的各項運行指標均會發(fā)生改變，特別是在高滲透率水平下，各種微電網(wǎng)控制技術的運用、網(wǎng)絡結構和運行方式對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響[9]。由于本文分析的是微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)以后的穩(wěn)態(tài)運行情況，在此選取具代表性的網(wǎng)絡損耗率、系統(tǒng)節(jié)點電壓偏差、配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標[10]作為微電網(wǎng)并網(wǎng)后配電網(wǎng)的綜合評判指標。其中配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標的計算方法如下。

圖2 簡單配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 Simple distribution system

對于含有N 個節(jié)點的配電網(wǎng)（其中可以包含分支線路和補償電容器），設其任意一條支路為bij，其中i 和j 分別為該支路的2 個節(jié)點，流過節(jié)點j 的負荷為Pj+Qj，支路bij阻抗Zij為Rij+jXij，如圖2 所示。則

式中：Ui和Uj分別為直角坐標形式的節(jié)點i 和節(jié)點j 的電壓向量；為Uj的共軛向量。

定義支路bij的第1 類電壓穩(wěn)定指標[11]為Lij，且

要保證配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，由根判別式≥0，得Lij≤1，則整個配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定指標L 為

式中：Lb為整個配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度為b 的穩(wěn)定指標，b=1-L。一般情況下配電網(wǎng)的功角δ 很小，則電壓穩(wěn)定指標近似值的計算公式為

式中，Sj為流過節(jié)點j 的視在功率。

1.3 配電網(wǎng)運行綜合指標權重的選取

為了準確評估微電網(wǎng)并網(wǎng)后配電網(wǎng)的運行狀況，需要確定各運行指標的相對權重，從而建立評估的決策模型[12]。層次分析法已在各領域得到了廣泛應用，但是傳統(tǒng)的層次分析法本身存在一定的缺陷。模糊層次分析法將傳統(tǒng)的層次分析法與模糊數(shù)學相結合，先使用模糊數(shù)代替點值構成判斷矩陣，然后求解權重向量，通過模糊數(shù)矩陣和向量計算得到模糊數(shù)綜合權重，最后對其排序。該方法能有效地表達出判斷的不確定性，模型的建立和求解也較為簡便，傳統(tǒng)的層次分析法可看作模糊層次分析法的一種特例。

本文采用三角模糊層次分析法來確定權重系數(shù)。三角模糊層次分析法與傳統(tǒng)層次分析法的求解過程相類似，模糊層次分析法仍然可以按順序分為4 個步驟：建立層次結構模型；構造出各個層次中的所有判斷矩陣；層次單排序（即求取判斷矩陣權重）及一致性檢驗；層次總排序即最終方案選擇。

步驟1 建立遞階層次結構模型。

根據(jù)模糊層次分析法的基本原理，本文建立了3 個層次結構，由此來評估各指標間的關系，其層次結構如圖3 所示。準則層由網(wǎng)絡損耗、電壓偏差、配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標3 個穩(wěn)態(tài)量構成，通過對比各指標間的關系確定相對權重，進而得到指標層方案。

圖3 配電網(wǎng)運行綜合評估層次結構Fig.3 Hierarchy of distribution operation network composite assessment

步驟2 構造三角模糊判斷矩陣。

模糊層次分析法屬于主觀賦權法，權重的選取主要依賴于經(jīng)驗豐富的工作人員和專家。首先，3 位專家利用模糊數(shù)（M1～M9）來表達他們對各指標的偏好，通過對同一層次的各個要素進行兩兩比較得到一組模糊數(shù)，分別為（P1，M1，U1），（P2，M2，U2）和（P3，M3，U3）。重復以上步驟，構造出的初始模糊判斷矩陣如表1 所示，其中，C1為系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗率，C2為系統(tǒng)電壓偏差，C3配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標。

表1 初始三角模糊判斷矩陣Tab.1 Initial triangular fuzzy judgment matrix

將初始矩陣中3 位專家給出的每個模糊數(shù)按（P1+P2+P3）/3，（M1+M2+M3）/3，（U1+U2+U3）/3整合成一個模糊數(shù)，得到最終的模糊判斷矩陣，如表2 所示。

表2 最終三角模糊判斷矩陣Tab.2 Triangular fuzzy judgment matrix

步驟3 一致性檢驗。

本文采用較為簡便的和法，求得判斷矩陣的最大特征根為3，計算該矩陣的平均一致性指標為CR=0〈0.01，一致性檢驗通過。

步驟4 去模糊化處理。

各指標層關于目標的三角函數(shù)形式的綜合權重依次為

要得到指標層對目標的常數(shù)形式的綜合權重，需要建立可能度矩陣。根據(jù)文獻[13]的方法，本文采用中立的態(tài)度，取λ=0.5，對三角模糊數(shù)形式的綜合權重進行兩兩比較，并利用公式

計算可能度判斷矩陣P 的排序向量WT，得

由此，系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗率、系統(tǒng)電壓偏差、配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標這3 個指標占配電網(wǎng)運行綜合指標的權重分別為：0.450 3，0.216，0.333。

根據(jù)選取的綜合指標及權重，考慮配電網(wǎng)等式及不等式約束，本文建立的并網(wǎng)位置選取的決策模型為

2 算例分析

2.1 算例系統(tǒng)及并網(wǎng)位置候選集的確定

為了驗證本文提出的微電網(wǎng)并網(wǎng)最優(yōu)位置選取規(guī)劃方案，在IEEE33 節(jié)點標準測試系統(tǒng)上進行仿真，并給出了微電網(wǎng)并網(wǎng)位置選取的具體步驟。IEEE33 節(jié)點標準測試系統(tǒng)的額定電壓為12.76 kV，額定容量為10 MVA，系統(tǒng)總有功功率為3 715.0 kW，無功功率為2 300 kvar。在實際仿真過程中，為了保證各指標為同一數(shù)量級，對網(wǎng)損及總電壓偏差標幺值分別乘以系數(shù)10 及0.1。微電網(wǎng)并網(wǎng)額定容量為500 kVA（功率因數(shù)為0.98）。

由于實際地理環(huán)境及自然條件約束、政策法律限制，微電網(wǎng)不可能接入至配電網(wǎng)任意位置?？紤]配電網(wǎng)線路重載狀況，微電網(wǎng)占地面積以及在同等網(wǎng)架條件下，參考文獻[14]中關于分布式電源無功補償容量優(yōu)化配置策略接入點的選取。本文假定電網(wǎng)運營商允許在1、24、31、21 和17 這5 個節(jié)點處接入微電網(wǎng)，即節(jié)點1、24、31、21、17 構成了微電網(wǎng)并網(wǎng)位置的一個候選集，如圖4 所示。

圖4 微電網(wǎng)在IEEE 33 節(jié)點系統(tǒng)中的接入位置Fig.4 Interconnection location of microgrid in the IEEE 33-node system

2.2 潮流計算穩(wěn)態(tài)分析

由于微電網(wǎng)自身的多能互補、儲能配置和能量管理系統(tǒng)的全局控制，能維持其與配電網(wǎng)聯(lián)絡線上的功率平穩(wěn)，不會存在較大的功率波動，因此在將微電網(wǎng)視為PQ 節(jié)點的前提下，本文采用前代回推法對配電網(wǎng)系統(tǒng)進行潮流計算。微電網(wǎng)分別接入候選集中的各節(jié)點后，潮流計算的收斂性和迭代次數(shù)見表3。

表3 微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)潮流計算收斂性Tab.3 Convergence of flow calculation after microgrid accessed

微電網(wǎng)接入上述節(jié)點后配電網(wǎng)系統(tǒng)潮流計算結果均收斂，滿足潮流穩(wěn)定性要求，說明并網(wǎng)位置候選集中的方案均符合規(guī)范。其中微電網(wǎng)接入節(jié)點31 時潮流計算迭代次數(shù)最少，計算速度最快。

2.3 微電網(wǎng)并網(wǎng)后配電網(wǎng)運行綜合評估

候選集中各方案通過潮流計算收斂性驗證后，再對各方案實施后的配電網(wǎng)運行狀況進行綜合評估。綜合評判指標分別為網(wǎng)絡損耗率、系統(tǒng)節(jié)點電壓偏差、配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標，評估結果分別如表4～表6 所示。

表4 微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗Tab.4 System losses with microgrid interconnection

表5 微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)電壓偏差Tab.5 Voltage deviation with microgrid interconnection

表6 微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標Tab.6 Static voltage stability with microgrid interconnection

1）微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)網(wǎng)損分析

分析表4 可得，微電網(wǎng)接入節(jié)點17 后配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)損最小為185.69 kW，但與在節(jié)點31 接入的結果相差不大。由于節(jié)點31 與節(jié)點17 所在線路功率傳輸較高，線路負載率大，因此在負載率大的線路末端接入微電網(wǎng)能夠減小系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗。傳統(tǒng)分布式電源往往接入配電網(wǎng)首端，以增強其供電可靠性，但由上表數(shù)據(jù)看出，接入節(jié)點1 時系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗較大，長期如此運行不經(jīng)濟。這說明微電網(wǎng)的接入位置與傳統(tǒng)分布式電源的接入位置相比有一定的區(qū)別。

2）微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)電壓偏差分析

微電網(wǎng)接入各節(jié)點后系統(tǒng)電壓偏差變化規(guī)律同系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗變化規(guī)律基本一致。微電網(wǎng)接入節(jié)點17 之外的其他節(jié)點時出現(xiàn)最大電壓偏差的均為節(jié)點17，且微電網(wǎng)接入節(jié)點17 時系統(tǒng)各節(jié)點電壓偏差最小，這是由于節(jié)點17 位于系統(tǒng)最長線路的末端。當微電網(wǎng)接于其他節(jié)點時，無功的遠距離傳輸顯然是使節(jié)點17 的電壓產(chǎn)生較大偏差；當微電網(wǎng)接于節(jié)點17 時，無功就地補償減小了各節(jié)點電壓偏差總和，改善了整個系統(tǒng)的電壓質量。因此線路末端接入微電網(wǎng)能夠在一定程度上提高系統(tǒng)各節(jié)點電壓質量，尤其對于輻射狀的配電網(wǎng)。

3）微電網(wǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的不同節(jié)點，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度相差不大，但其變化規(guī)律同網(wǎng)損和電能質量的變化規(guī)律并不一致。因此，引入該指標是十分重要的，其獨立性能夠有效地指導微電網(wǎng)接入，微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行在減小線路損耗和提高電能質量的同時，不容忽視其接入對配電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的負面影響。隨著分布式電源及微電網(wǎng)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的滲透率不斷上升，可能降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，在系統(tǒng)規(guī)劃時應引起格外關注。

4）配電網(wǎng)運行綜合評估

根據(jù)第1.3 節(jié)確定的綜合評估指標權重，以及網(wǎng)絡損耗、配電網(wǎng)電壓偏差、靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標，來決策模型，即

得出微電網(wǎng)接入各節(jié)點后的綜合評分（為保證系統(tǒng)數(shù)量級一致，網(wǎng)損及總電壓偏差標幺值分別乘以系數(shù)10 及0.1），如表7 所示。

表7 微電網(wǎng)并網(wǎng)后配電網(wǎng)運行綜合評估結果Tab.7 Composite assessment of distribution with microgrid interconnection

由表7 可知，微電網(wǎng)接入節(jié)點17 時決策模型值最小為0.232 3。因此，微電網(wǎng)的最終接入位置為節(jié)點17。

3 結論

（1）本文給出了微電網(wǎng)并網(wǎng)點選取的具體步驟，選取了評估配電網(wǎng)運行的綜合指標。

（2）利用模糊層次分析法，確定了綜合指標的權重系數(shù)，建立了位置決策模型。

（3）Matlab 仿真環(huán)境下，在IEEE33 節(jié)點標準網(wǎng)架上進行驗證。結果表明該并網(wǎng)位置選取方法理論充分，易于操作且工作量不大。

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