李曉東劉廣一賈宏杰楊占勇范士雄

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院北京100192 2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

基于電壓調(diào)節(jié)的分布式可再生能源發(fā)電功率波動(dòng)平抑策略

李曉東1，2劉廣一1賈宏杰2楊占勇1范士雄1

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院北京100192 2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

接入配電網(wǎng)的分布式可再生能源受自然條件影響，其輸出功率隨機(jī)波動(dòng)，進(jìn)而影響全系統(tǒng)運(yùn)行。針對(duì)分布式可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)和用戶負(fù)荷特性，提出了一種基于電壓調(diào)節(jié)的功率波動(dòng)平抑方法，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)電壓來(lái)改變負(fù)荷水平，利用負(fù)荷變化追蹤電源出力，從而減小其波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)和IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線系統(tǒng)仿真的結(jié)果表明，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)，用戶負(fù)荷能夠有效平抑光伏和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力波動(dòng)，驗(yàn)證了所提方法的可靠性。

分布式可再生能源發(fā)電負(fù)荷特性電壓調(diào)節(jié)波動(dòng)平抑

3　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源的需求與日俱增，電能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在人們工作和生活中起著不可替代的作用，電能的消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)，供需矛盾日益突出。為滿足人們對(duì)電能的需求，世界電力工業(yè)已出現(xiàn)了由傳統(tǒng)的集中供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式過(guò)渡的趨勢(shì)［1］。分布式可再生能源發(fā)電憑借其在環(huán)保和新能源方面的優(yōu)勢(shì)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著重要作用［2-4］。

分布式可再生能源發(fā)電是指發(fā)電量相對(duì)較小，分散布置在負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)或附近，充分利用各種形式的可再生能源進(jìn)行發(fā)電的一類分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）技術(shù)，主要包括太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。分布式發(fā)電可在系統(tǒng)正常運(yùn)行或故障產(chǎn)生“孤島”的情況下為負(fù)荷不間斷供電，提高了電網(wǎng)的可靠性，同時(shí)緩解了能源危機(jī)，有利于環(huán)境保護(hù)［5］，但是DG的并網(wǎng)使配電網(wǎng)由單電源、輻射型結(jié)構(gòu)變?yōu)楸椴茧娫春拓?fù)荷的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，饋線中傳輸?shù)挠泄?、無(wú)功數(shù)量和方向發(fā)生改變，電能質(zhì)量、元件保護(hù)配置等不可避免地受到影響［6-8］，可能導(dǎo)致過(guò)電壓或低電壓?jiǎn)栴}，同時(shí)DG增大了電網(wǎng)的短路容量，影響電氣設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定和系統(tǒng)重合閘。DG對(duì)配電網(wǎng)的影響與其接入位置、發(fā)電量和負(fù)荷量的相對(duì)大小有關(guān)，并且和配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系密切［9］。對(duì)于接入DG的配電網(wǎng)電壓控制問(wèn)題，文獻(xiàn)［10］提出了一種無(wú)功控制方法來(lái)抑制DG引起的系統(tǒng)電壓升高。文獻(xiàn)［11］研究了利用DG與電網(wǎng)之間的電力電子器件控制系統(tǒng)電壓的方法，DG也可與配電網(wǎng)相互配合優(yōu)化系統(tǒng)電壓分布，并使電壓穩(wěn)定在設(shè)定值［12，13］。

利用可再生能源發(fā)電的DG受自然條件等因素的影響（如光伏、風(fēng)機(jī)的出力依賴于安裝位置的光照、風(fēng)速等），輸出功率具有明顯的隨機(jī)性，這可能引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓失穩(wěn)問(wèn)題。為減小光伏和風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，文獻(xiàn)［14，15］建立了太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置的數(shù)學(xué)模型及其輸出功率的概率模型。文獻(xiàn)［16］研究了通過(guò)投切負(fù)荷對(duì)含有風(fēng)機(jī)的配電網(wǎng)電壓控制問(wèn)題，但切除負(fù)荷會(huì)影響用戶用電。文獻(xiàn)［17，18］應(yīng)用儲(chǔ)能手段來(lái)減小可再生能源功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，但需要配備一定容量的外部?jī)?chǔ)能裝置。

本文根據(jù)分布式可再生能源發(fā)電的特點(diǎn)和用戶側(cè)負(fù)荷電壓特性，提出了一種通過(guò)調(diào)壓使系統(tǒng)負(fù)荷變化追蹤DG出力，利用負(fù)荷平抑功率波動(dòng)的方法。應(yīng)用GridLAB-D對(duì)簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)和IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線系統(tǒng)算例進(jìn)行仿真的結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓能有效平抑光伏和風(fēng)機(jī)的出力波動(dòng)，減小其對(duì)電網(wǎng)的影響。

3　負(fù)荷特性

負(fù)荷特性是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是指電力負(fù)荷從電源吸收的有功、無(wú)功功率隨負(fù)荷端電壓及系統(tǒng)頻率變化的規(guī)律。配電網(wǎng)中的居民負(fù)荷和商業(yè)負(fù)荷含有相當(dāng)大比重的靜止型用電設(shè)備，可用靜態(tài)負(fù)荷模型來(lái)表示，該模型描述了負(fù)荷的電壓特性和頻率特性，主要包括多項(xiàng)式模型和冪函數(shù)模型以及這兩種模型的變形或組合。通常電網(wǎng)頻率變化可忽略不計(jì)，則多項(xiàng)式模型即ZIP模型的有功、無(wú)功消耗及其約束可表示為

式中：P、Q分別為負(fù)荷消耗的有功、無(wú)功功率；Va、Vn分別為負(fù)荷實(shí)際電壓和額定電壓；Sn為額定視在功率；Z%、I%、P%分別為恒阻抗、恒電流和恒功率部分在負(fù)荷中占的比例；θZ、θI、θP分別為恒阻抗、恒電流和恒功率部分的相角。配電網(wǎng)中幾種常見(jiàn)的不同類型負(fù)荷設(shè)備如表1所示，某些負(fù)荷可能是恒阻抗和恒功率負(fù)荷的組合（如洗碗機(jī)）。

表1　不同類型負(fù)荷設(shè)備Tab.1 Equipments of different load types

為辨識(shí)負(fù)荷模型的參數(shù)，將不同電壓下實(shí)際負(fù)荷值與負(fù)荷模型計(jì)算值之間的偏差作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)求取目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到負(fù)荷模型各參數(shù)值，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

式中：V（k）為第k個(gè)測(cè)試電壓值；P（V（k））、Q（V（k））分別為負(fù)荷在電壓V（k）下的實(shí)際有功、無(wú)功消耗；Pm（V（k））、Qm（V（k））分別為負(fù)荷模型在電壓V（k）下的有功、無(wú)功功率計(jì)算值；n為測(cè)試電壓V（k）的總數(shù)量，其中參數(shù)應(yīng)滿足式（3）約束條件。

為計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值，可用最小二乘法、遺傳算法和內(nèi)點(diǎn)法等，為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，可計(jì)算多組模型參數(shù)求其平均值。由于遺傳算法計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且穩(wěn)定性較差，用內(nèi)點(diǎn)法根據(jù)式（4）求出負(fù)荷模型參數(shù)，模型的有功電壓曲線與實(shí)際功率點(diǎn)的對(duì)比如圖1所示，額定電壓120 V。

圖1　負(fù)荷有功對(duì)比Fig.1 Comparision of real power

3　基于電壓調(diào)節(jié)的功率波動(dòng)平抑策略

2.1功率波動(dòng)平抑策略

在含有分布式電源的配電系統(tǒng)中，電源出力受外部環(huán)境影響，輸出功率不斷波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文所提功率波動(dòng)平抑策略，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中電壓敏感型負(fù)荷的電壓特性，適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，使負(fù)荷功率變化符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率變化對(duì)電源出力的追蹤，減少對(duì)分布式電源功率波動(dòng)的影響。

在實(shí)施本策略時(shí)，首先如前文所述對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷特性分析，得到系統(tǒng)負(fù)荷信息，包括負(fù)荷水平和恒阻抗、恒電流型負(fù)荷所占比例。首先根據(jù)分布式電源出力水平，計(jì)算出負(fù)荷所需平抑的功率量；其次根據(jù)負(fù)荷和功率信息，計(jì)算出系統(tǒng)電壓設(shè)定值；最后調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓達(dá)到平抑分布式電源功率波動(dòng)的目的。具體流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)策略實(shí)施流程Fig.2 Realization process of system strategy

2.2電壓調(diào)節(jié)量計(jì)算

由式（1）～式（3）可知，恒阻抗、恒電流部分消耗的功率隨電壓變化，因此為實(shí)現(xiàn)本文所提功率波動(dòng)平抑策略，需要對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。設(shè)ZIP模型的額定有功為Pn，某一時(shí)刻DG輸出功率的波動(dòng)量為ΔPdg，為平抑該功率波動(dòng)，令負(fù)荷電壓設(shè)定值為Vset，根據(jù)式（1）知Vset應(yīng)滿足

則Vset可表示為

式中

根據(jù)式（7）、式（8）計(jì)算Vset較復(fù)雜，由式（1）可知負(fù)荷消耗的有功功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為

考慮電壓調(diào)整量遠(yuǎn)小于額定電壓值，因此電壓調(diào)整量可表示為

根據(jù)式（10）計(jì)算出ΔV近似值后，負(fù)荷電壓設(shè)定值也可表示為

由于實(shí)際系統(tǒng)負(fù)荷組成經(jīng)常未知，因此可通過(guò)上述負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)方法求出模型參數(shù)值，代入式（10）、式（11）得到負(fù)荷電壓設(shè)定值，調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓至該設(shè)定值，從而改變負(fù)荷水平達(dá)到利用負(fù)荷平抑DG出力波動(dòng)的效果。為保證電壓調(diào)節(jié)不對(duì)用戶用電需求產(chǎn)生影響，Vset值應(yīng)在［0.95Vn，1.05Vn］范圍內(nèi)，當(dāng)超過(guò)1.05Vn或小于0.95Vn時(shí)，分別取值1.05Vn和0.95Vn。由式（6）可知，負(fù)荷能夠平抑的最大DG出力波動(dòng)量為10.25%的恒阻抗部分與5%的恒電流部分之和。

3　算例分析

為驗(yàn)證本文所提功率波動(dòng)平抑策略在實(shí)際配電網(wǎng)中的適用性，應(yīng)用GridLAB-D仿真軟件對(duì)以下3種場(chǎng)景進(jìn)行研究。場(chǎng)景1為負(fù)荷水平和DG出力波動(dòng)量均恒定的簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)，場(chǎng)景2、3分別為含有光伏和風(fēng)機(jī)的IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線系統(tǒng)。設(shè)在各場(chǎng)景中，Vset1為根據(jù)實(shí)際負(fù)荷參數(shù)利用式（7）計(jì)算得到的電壓設(shè)定值，根據(jù)負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)法求出模型參數(shù)后，利用式（11）計(jì)算得到的電壓設(shè)定值用Vset2表示，則Vset1和Vset2分別為理論上和簡(jiǎn)化后的電壓設(shè)定值；ZIP0、ZIP1和ZIP2分別表示原負(fù)荷、設(shè)定電壓為Vset1和Vset2時(shí)的負(fù)荷；Change1和Change2分別為兩種設(shè)定電壓下的負(fù)荷變化，即Change1=ZIP1-ZIP0，Change2=ZIP2-ZIP0。

3.1場(chǎng)景1

為簡(jiǎn)化分析，本場(chǎng)景中將配電系統(tǒng)負(fù)荷用等效ZIP模型表示，分布式可再生能源發(fā)電用DG表示，該簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)Fig.3 The simplified distribution system

圖3中負(fù)荷從DG處或經(jīng)降壓變壓器和調(diào)壓器從外部電網(wǎng)吸收電能，負(fù)荷水平基本恒定，且Pn= 100 kW，cos（θZ）=cos（θI）=cos（θP）=0.98，Z%= 0.4、I%=0.2、P%=0.4，假設(shè)DG出力在8∶00和16∶00分別增加和減少了4 kW，持續(xù)時(shí)間均為1 h。系統(tǒng)額定電壓120 V，利用系統(tǒng)負(fù)荷平抑DG功率波動(dòng)，在DG出力增大和減小時(shí)，根據(jù)式（7）得Vset1分別為124.7 V和115.1 V。假設(shè)系統(tǒng)負(fù)荷組成參數(shù)未知，根據(jù)式（4）計(jì)算負(fù)荷模型參數(shù)，令其功率因數(shù)滿足則有根據(jù)式（11）得Vset2分別為124.9 V和115.1 V。應(yīng)用Vset1和Vset2值進(jìn)行調(diào)壓時(shí)，調(diào)壓前后的負(fù)荷曲線如圖4所示。

圖4　調(diào)壓前后負(fù)荷Fig.4 Loads before and after voltage regulation

由計(jì)算出的Vset1和Vset2可知，應(yīng)用簡(jiǎn)化后的電壓設(shè)定值調(diào)壓范圍稍大，但電壓調(diào)整量未超過(guò)額定電壓的5%，故未對(duì)用戶用電需求產(chǎn)生影響，并且提高了計(jì)算速度。由圖4可知，在兩種電壓設(shè)定值下，負(fù)荷均能有效平抑DG出力波動(dòng)，減小了其對(duì)電網(wǎng)的影響，初步驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

3.2場(chǎng)景2

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提功率波動(dòng)平抑方法在DG出力隨機(jī)波動(dòng)、負(fù)荷隨時(shí)間變化的情況下的有效性，對(duì)IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在節(jié)點(diǎn)675處安裝輸出功率波動(dòng)的分布式可再生能源發(fā)電裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，本例中DG為光伏。系統(tǒng)負(fù)荷滿足cos（θZ）=cos（θI）=cos（θP）=0.98，Z%= 0.4、I%=0.2、P%=0.4，但負(fù)荷大小隨時(shí)間變化。

圖5　IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線系統(tǒng)Fig.5 IEEE 13 nodes test feeder system

假設(shè)負(fù)荷組成參數(shù)未知，應(yīng)用負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)法求其模型參數(shù)值，令模型中各部分功率因數(shù)滿足得到夏季某一天光伏在光照充足的一段時(shí)間內(nèi)輸出的有功功率如圖6所示。

圖6　光伏輸出Fig.6 The output of photovoltaic cells

由圖6可知，光伏輸出功率在12∶00～16∶00之間出現(xiàn)較大幅度的上升和下降，為減小該時(shí)段內(nèi)光伏對(duì)配電網(wǎng)的影響，調(diào)控中心根據(jù)光伏功率波動(dòng)和系統(tǒng)負(fù)荷水平，應(yīng)用功率波動(dòng)平抑策略計(jì)算得到負(fù)荷電壓設(shè)定值如圖7所示，額定電壓120 V，圖中兩種設(shè)定電壓相差很少。原負(fù)荷與調(diào)壓后的負(fù)荷曲線如圖8所示。

圖7　場(chǎng)景2電壓設(shè)定值Fig.7 The setting values of voltage in scene 2

圖8　場(chǎng)景2負(fù)荷對(duì)比Fig.8 Comparison of loads in scene 2

對(duì)比圖7、圖8可知，負(fù)荷隨電壓的升高或降低相應(yīng)地增大或減小，調(diào)節(jié)電壓能有效改變系統(tǒng)負(fù)荷水平。圖9為負(fù)荷功率變化追蹤光伏輸出的效果，在光伏出力波動(dòng)較大的時(shí)段內(nèi)，應(yīng)用兩種電壓設(shè)定值均能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化追蹤光伏輸出，有效平抑光伏出力波動(dòng)，減少其對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖9　負(fù)荷變化追蹤光伏輸出效果Fig.9 The effect of load changes tracking the output of photovoltaic cells

3.3場(chǎng)景3

場(chǎng)景3與場(chǎng)景2相比，系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷參數(shù)和經(jīng)負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)得到的模型參數(shù)均與場(chǎng)景2相同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也如圖5所示，但圖中DG為風(fēng)機(jī)。夏季某一天風(fēng)機(jī)輸出的有功功率如圖10所示。

圖10　風(fēng)機(jī)輸出Fig.10 The output ofwind turbines

由圖10可知，風(fēng)機(jī)輸出功率在一天內(nèi)變化較大，為減小風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓使負(fù)荷平抑一天內(nèi)的風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)，電壓設(shè)定值如圖11所示，額定電壓120 V，調(diào)壓前后系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)比如圖12所示。

圖11　場(chǎng)景3電壓設(shè)定值Fig.11 The setting values of voltage in scene 3

圖12　場(chǎng)景3負(fù)荷對(duì)比Fig.12 Comparison of loads in scene 3

由圖11可知，兩電壓設(shè)定值相差較少，且均在額定電壓5%的誤差范圍內(nèi)，未影響用戶用電需求。由圖12可知，負(fù)荷隨電壓調(diào)整相應(yīng)地增大或減小，并未出現(xiàn)劇烈變化。圖13為負(fù)荷功率變化追蹤風(fēng)機(jī)出力的效果，在兩種設(shè)定電壓下均實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷變化對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的追蹤，有效平抑了風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)。

圖13　負(fù)荷變化追蹤風(fēng)機(jī)輸出效果Fig.13 The effect of load changes tracking the output of wind turbines

綜合各場(chǎng)景仿真結(jié)果可知，應(yīng)用簡(jiǎn)化后的電壓設(shè)定值調(diào)壓范圍稍大，但未影響用戶用電需求，并且提高了計(jì)算速度。在兩種設(shè)定電壓下，系統(tǒng)負(fù)荷均能有效平抑分布式可再生能源的功率波動(dòng)。

3　結(jié)論

本文提出的基于電壓調(diào)節(jié)的分布式可再生能源功率波動(dòng)平抑策略，能夠使負(fù)荷變化追蹤光伏或風(fēng)機(jī)的輸出功率，有效平抑DG出力波動(dòng)，減少其對(duì)電網(wǎng)的影響，且電壓調(diào)整量不超過(guò)額定電壓的5%，在用戶可接受范圍內(nèi)。研究各具體負(fù)荷的調(diào)壓效果將是今后工作的重點(diǎn)，在分布式可再生能源發(fā)電日益增多的今天，該方法著力于用戶側(cè)負(fù)荷控制，具有廣闊的應(yīng)用前景，并對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

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M itigation of Output Power Fluctuations for Distributed Renewable Energy Generation Based on Voltage Regulation

Li Xiaodong1，2Liu Guangyi1Jia Hongjie2Yang Zhanyong1Fan Shixiong1
（1.China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin University Tianjin 300072 China）

Distributed renewable energies in the distribution network are influenced by natural conditions.And the corresponding probabilistic output power affects the whole system operation.According to the features of the distributed renewable energy generations and load characteristics，this paper presents amethod for mitigation of power fluctuations based on voltage regulation.It can change the load by adjusting the system voltage and utilize the load change to track the output power of the generation.In this way，it reduces the effect of the fluctuation on the power grid.The simulation results of a simplified distribution system and the IEEE 13 nodes test feeder show that，by voltage regulation，residential loads can mitigate output power fluctuations of photovoltaic cells and wind turbines effectively.The results verify the effectiveness of the proposed method.

Distributed renewable energy generation，load characteristics，voltage regulation，fluctuation mitigation

TM61；TM71

李曉東男，1989年生，碩士，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)下的電壓無(wú)功控制。（通信作者）

劉廣一男，1963年生，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、分布式能源管理和控制技術(shù)、能量管理系統(tǒng)、電力市場(chǎng)等。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（DZB17201200260）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃項(xiàng)目（2014AA051901）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51261130472）資助。

2015-05-28改稿日期2015-08-11