寧 超 楊 俊 朱詠明 劉 莎 李衛(wèi)華

(國網新疆電力有限公司昌吉供電公司 昌吉 831100)

1 引言

為節(jié)省能源消耗，光伏發(fā)電日漸趨于完善，與此同時，光伏發(fā)電配電網也需要不斷與時俱進。本文對配電網進行重新規(guī)劃設計，對接入的分布式光伏進行分析研究。分布式光伏發(fā)電概述從基本模式角度出發(fā)，可以將其分為輸電側并網以及配電側并網兩種。輸電側并網主要應用于較大規(guī)模的發(fā)電站，將其中的電能集中并入電網，之后接受電網的統(tǒng)一調配；配電側并網發(fā)電規(guī)模小，發(fā)電設備產生的電能就近接入配電網，電能會直接被消耗。由此使分布式光伏電源接入配電網更加順暢，避免造成配電網系統(tǒng)擾動。

通過大量的文獻和試驗材料，參考多種規(guī)劃方案，最終提出本文的設計方案。其中文獻[1]采用層次分析法對分布式光伏接入方式進行研究，通過控制接入點的諧波振動使配網系統(tǒng)保持穩(wěn)定。但這種方法對配網本身供能效率并沒有顯著提升。文獻[2]利用粗糙集理論的蟻群算法對現(xiàn)有光伏接入方法進行優(yōu)化，增加數據處理速度，增強數據采集能力，進而提升配網運行的供能效率。但對于分布式光伏的接入方法比較單一，不能及時調節(jié)光伏接入時的諧波振動，容易出現(xiàn)并網振蕩故障。文獻[3]建立了帶約束的3目標優(yōu)化模型，并設計了基于進化狀態(tài)評估的自適應多目標粒子群優(yōu)化算法(AMOPSO/ESE)來求解Pareto最優(yōu)解集。根據“先粗后精”的決策行為模式提出了由興趣最優(yōu)解集和鄰域最優(yōu)解集構成的Pareto前沿來輔助決策過程，但計算處理過程較為復雜，且對系統(tǒng)硬件要求較高。

根據上述方案的規(guī)劃設計理論中存在的問題，本研究在其基礎上對配電網進行設計規(guī)劃，通過對配電網的總體設計保證系統(tǒng)輸電指令的統(tǒng)一調度；利用信賴域算法對分布式光伏數據進行分析處理，保證系統(tǒng)數據合理分配[3]。通過改進，所提設計很好地解決了電網供能效率低、諧波振蕩大和抗干擾能力差的問題，具有良好的適用性。

2 配電網總體設計方案

通過實地勘測并參考現(xiàn)有配電網設計系統(tǒng)圖，對配電網總體設計進行改進，使配電系統(tǒng)更加匹配分布式光伏的接入，使光伏電源接入時盡可能造成小的擾動[4]。本文設計規(guī)劃方案如圖1所示。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設計方案

本文設計的總體方案通過TCP/IPZ總線進行供能和數據調度，由上層軟件程序進行指令傳達，下層設備進行接受指令并執(zhí)行，上下兩層通過以太網交換機綜合分配和整理。其中上層指令傳達層由UPS電源負責維持系統(tǒng)軟件能量消耗，通過CPS時鐘設計延時時間，利用檢測機和監(jiān)控機對運行狀態(tài)進行把控，通過打印機打印報表記錄系統(tǒng)運行數據，然后輸入到 Internet云端網絡中，最后進行整體調度規(guī)劃[5]。下層設備層主要由人機界面、通信服務器和通信網關負責設備運行，人機界面裝有微機保護裝置和溫濕控制器，負責對配電網環(huán)境進行把控；通信服務包括信息顯示、儀表抄錄，職能是記錄設備狀態(tài)；通信網關主要負責電路的保護，由智能斷路器、遙控單元和直流屏組成[6]。

3 分布式光伏接入方法判定

分布式光伏接入在總體設計方案下進行，為保證供電質量需要對接入條件進行判定，符合接入條件才能被允許接入，對符合接入條件的光伏電源給予解決方案，使之能夠滿足配電網接入需求[7]，光伏接入判定如圖2所示。

圖2 分布式光伏接入判定圖

分布式光伏的接入條件判定根據約定的光伏發(fā)電接入容量進行綜合分析，通過判斷接入后配電網的電能質量決定是否接入電網，判定良好可以直接進行接入，判定一般需要進行高壓供電，判定較差進入分析階段。對判定一般的進行高壓供電，供電完成可以進行后續(xù)接入操作，供電失敗需要進入分析階段[8]。分析階段主要分析接入時的電流諧波畸變率、電壓偏差和電壓波動，根據分析出的原因分別給出解決方法，對于電流畸變率較高的需要改變接入位置進行調節(jié)；電壓偏差較大需要增加無功補償；電壓波動較大的需要提高短路容量。原因排查結束后才能進行后續(xù)的接入操作[9]。

4 配電網等效電路

配電網的有源系統(tǒng)接入時往往會造成擾動，對于分布式光伏電源的接入，本文通過分析接入點位置的電路走線，找到最佳接入位置，使配電網擾動達到最小[10]，分布式光伏接入點簡要電路圖和等效電路圖如圖3、4所示。

圖3 接入點簡要電路圖

圖4 光伏接入點等效電路圖

分布式光伏電源的接入代表配電網系統(tǒng)具有了有源系統(tǒng)，將其進行等效變換得到接入節(jié)點的電流為

式中，Rh表示電網側等效諧波阻抗；Rf表示接入點等效電阻值；I˙t表示輸出側匯合電流值。根據基爾霍夫定律對等效電路圖進行分析，多個節(jié)點位置的電路阻抗等效為公共節(jié)點的總阻值[11]，從而得到整個配電網諧波電壓為

假設圖3中各接入點位置存在一定的相似性，可以進行合并同化，則式(2)可簡化為

式中，k表示分布式光伏電源接入位置；n表示接入點數量；RC表示母線節(jié)點線路等效阻抗；RL表示負荷間的等效阻抗。根據式(3)進行分析，對分布式光伏電源的接入位置進行簡單把控，根據不同的計算結果選擇合適的接入點，使接入時對配電網系統(tǒng)的影響達到最小[12-15]。

根據分布式光伏電源接入條件判定方法和等效電路分析，對接入位置更加清晰，使光伏接入配電更易成功，及時避免接入時的擾動影響，使本文設計更加具有信服力[16]。

5 分布式數據信賴域算法

由于本文研究的是有源配電網絡，而且接入的電源是分布式光伏電源，因此需要對分布式電力數據進行約束，為更加快速合理處理電網接入過程中的分布式數據，本文采用信賴域算法[17-20]。

根據接入分布式光伏電源采集的數據，對運行狀態(tài)中的有功和無功功率進行分析得到

式中，PLi、QLi分別為節(jié)點負荷的實際有功、無功功率；f0和f分別為設定頻率值和實際頻率值；P0i、Q0i分別為未接入時的配電網運行的功率數據；α為電網接入電源的無功電壓增加系數；β為接入位置的有功增加電壓系數；Kpfi、Kqfi為負荷的靜態(tài)頻率特性參數。

對電源接入位置進行分析，通過標注接入點位置為PQ，建立方程組，從而更加準確地了解接入點的功率變化。PQ節(jié)點功率方程為

式中，SPQ為PQ節(jié)點集合；FPpQi、FQpQi分別為PQ節(jié)點的有功、無功功率方程；PGi表示接入點PQ位置的無功輸出；QGi表示有功輸出；PLi表示光伏接入位置的無功輸入；QLi表示光伏有功輸入量；Pi表示節(jié)點功率總量；Qi表示節(jié)點有功總量。若節(jié)點上沒有DG裝置，則PGi=0、QGi=0；若節(jié)點上有DG裝置，則PGi、QGi為指定的有功和無功功率輸出。則節(jié)點注入有功和無功功率為

對式(6)中的接入點位置總功率方程組進行合并，得到分布式光伏接入電網式的總功率變化方程。

式中，SPV為PV節(jié)點集合；FPpVi為PV節(jié)點的有功功率方程。下垂節(jié)點的功率方程為

式中，SD為下垂節(jié)點集合；FPDi、FQDi分別為下垂節(jié)點的有功、無功功率方程。

對下垂節(jié)點功率進行限制，限制功率最小值為

式中，f(x)表示下垂節(jié)點變化規(guī)律方程，根據接入點前后功率數據變化得到

對下垂節(jié)點的限制最小值進行優(yōu)化，通過限制條件和配電網擾動量進行優(yōu)化，從而得到優(yōu)化后的下垂節(jié)點最小功率為

式中，sk=xk+1-xk； ?f(xk)、?2f(xk)分別為f(x)在當前迭代點xk處的梯度向量。

接入點位置的功率方程是否值得信賴，通過判定體系進行判斷，對計算出的結果進行判定，即

式中， Δfk、Δqk分別為f(x)在第k個接入點的前后變化量，對其進行整定

式中，γ1、γ2為信賴域半徑修正系數，0＜γ1≤ 1≤γ2；η1、η2為迭代成功判別系數，0＜η1＜ 1 ＜η2。

通過修正后的判定條件對電源接入進行數據驗證比對，使接入方法更加有效，造成的影響最小，對接入后的配電網系統(tǒng)更加具有信賴性[21]。

6 試驗結果與分析

本文研究試驗在傳統(tǒng)電源接入系統(tǒng)數據的基礎上驗證，通過試驗數據記錄，并根據試驗結果進行仿真和對比，對接入點進行試驗數據記錄，根據具體數據分析本研究設計方案的有效性。在試驗中有一定的環(huán)境要求：處理器 CPU的額定功率大于75%，電負荷預測精度大于 80%，試驗用計算機采用Intel i5以上處理器，應用Power Factory進行模型預測仿真，配電網試驗模擬環(huán)境如表1所示。

表1 配電網試驗模擬環(huán)境

本研究在Windows操作系統(tǒng)下，通過模擬配電網運行狀態(tài)進行數據采集記錄，得到分布式光伏接入點的數據測試結果如表2所示。

表2 配電網節(jié)點總功率測試數據

根據表2數據結果分析，在節(jié)點40和節(jié)點10分別達到接入電源功率最大和最小值，節(jié)點10的有功容量最小，表明節(jié)點之間的有功功率分配是基于其有功容量大小，接入點功率越大，證明系統(tǒng)存在頻率振蕩。由表2可見，節(jié)點30發(fā)出的無功功率最大，而節(jié)點30的無功容量不是最大，表明接入點之間的無功功率分配不是基于其無功容量大小。

為更清晰直觀了解分布式光伏接入配電網的影響，對各接入點進行諧波振動分析，并根據數據畫出對比度曲線如圖5所示。

圖5 接入節(jié)點諧波振蕩對比曲線

分析圖5發(fā)現(xiàn)從P0～P40諧波振蕩一直處于上升狀態(tài)，表明一直處于干擾狀態(tài)；在 P40～P50節(jié)點，諧波振動持續(xù)下降，表明本研究接入方法對接入擾動產生作用；P50之后的節(jié)點配電網逐漸趨于穩(wěn)定，表明接入擾動停止。

為驗證本研究規(guī)劃的優(yōu)越性，利用 Power Factory仿真軟件進行對比驗證仿真，與傳統(tǒng)電源接入配電網進行對比驗證，計算機仿真電壓變化幅度對比曲線如圖6、7所示。

圖6 傳統(tǒng)電源接入電網電壓幅度

圖7 分布式光伏接入電網電壓幅度

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電源接入配電網會存在一段時間的接入延時，延時時間為0.1 s，而且接入瞬間存在滯留效應，容易對配電網造成沖擊；而分布式光伏接入時不存在延時狀態(tài)，在接入時也沒有滯留效應，接入配電網時能夠平滑過渡，電壓幅度沒有顯著變化。

綜上所述，本文研究的設計方案更加穩(wěn)定，方法更加有效，能夠有效調節(jié)節(jié)點的振蕩諧波，接入瞬間對配電網影響能夠達到最小，從而體現(xiàn)出本研究方案在配電網中的實用性。

7 結論

本文對光伏電源在配電網的應用進行規(guī)劃設計，在有源接入方法的基礎上進行創(chuàng)新。

(1) 對整體布局進行設計，設計光伏有源應用方法，使配電網盡可能小地造成擾動。

(2) 分析節(jié)點位置的線路，通過電流和等效電阻進行分析，找到最佳光伏接入電網位置。

(3) 利用信賴域算法進行光伏接入節(jié)點的功率計算。

(4) 進行試驗驗證分析，對試驗數據進行記錄，并給出接入點諧波振蕩對比度曲線。

通過以上改進，并與傳統(tǒng)有源接入電網方案的電壓幅度分析驗證，驗證了此設計很好地解決了電網供能效率低、諧波振蕩大和抗干擾能力差的問題，具有良好的適用性。

但是本研究在試驗驗證中存在一些硬件上的問題，只能在模擬環(huán)境下進行光伏接入，與實際情況存在差距；由于設備問題和人工讀取數據容易造成一定的誤差等問題仍待解決。