寧 超 楊 俊 朱詠明 劉 莎 李衛(wèi)華
(國網(wǎng)**電力有限公司昌吉供電公司 昌吉 831100)
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(wǎng)也需要不斷與時俱進。本文對配電網(wǎng)進行重新規(guī)劃設(shè)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(cè)并網(wǎng)以及配電側(cè)并網(wǎng)兩種。輸電側(cè)并網(wǎng)主要應(yīng)用于較大規(guī)模的發(fā)電站，將其中的電能集中并入電網(wǎng)，之后接受電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)配；
配電側(cè)并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模小，發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能就近接入配電網(wǎng)，電能會直接被消耗。由此使分布式光伏電源接入配電網(wǎng)更加順暢，避免造成配電網(wǎng)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(shè)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(wǎng)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。但這種方法對配網(wǎng)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(shù)據(jù)處理速度，增強數(shù)據(jù)采集能力，進而提升配網(wǎng)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(diào)節(jié)光伏接入時的諧波振動，容易出現(xiàn)并網(wǎng)振蕩故障。文獻[3]建立了帶約束的3目標優(yōu)化模型，并設(shè)計了基于進化狀態(tài)評估的自適應(yīng)多目標粒子群優(yōu)化算法(AMOPSO/ESE)來求解Pareto最優(yōu)解集。根據(jù)“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(gòu)成的Pareto前沿來輔助決策過程，但計算處理過程較為復(fù)雜，且對系統(tǒng)硬件要求較高。
根據(jù)上述方案的規(guī)劃設(shè)計理論中存在的問題，本研究在其基礎(chǔ)上對配電網(wǎng)進行設(shè)計規(guī)劃，通過對配電網(wǎng)的總體設(shè)計保證系統(tǒng)輸電指令的統(tǒng)一調(diào)度；
利用信賴域算法對分布式光伏數(shù)據(jù)進行分析處理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)合理分配[3]。通過改進，所提設(shè)計很好地解決了電網(wǎng)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。
通過實地勘測并參考現(xiàn)有配電網(wǎng)設(shè)計系統(tǒng)圖，對配電網(wǎng)總體設(shè)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(shè)計規(guī)劃方案如圖1所示。
圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計方案
本文設(shè)計的總體方案通過TCP/IPZ總線進行供能和數(shù)據(jù)調(diào)度，由上層軟件程序進行指令傳達，下層設(shè)備進行接受指令并執(zhí)行，上下兩層通過以太網(wǎng)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(shè)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(shù)據(jù)，然后輸入到 Internet云端網(wǎng)絡(luò)中，最后進行整體調(diào)度規(guī)劃[5]。下層設(shè)備層主要由人機界面、通信服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)負責設(shè)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(wǎng)環(huán)境進行把控；
通信服務(wù)包括信息顯示、儀表抄錄，職能是記錄設(shè)備狀態(tài)；
通信網(wǎng)關(guān)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]。
分布式光伏接入在總體設(shè)計方案下進行，為保證供電質(zhì)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(wǎng)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(jù)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(wǎng)的電能質(zhì)量決定是否接入電網(wǎng)，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(jù)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(diào)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(jié)束后才能進行后續(xù)的接入操作[9]。
配電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)側(cè)等效諧波阻抗；
Rf表示接入點等效電阻值；
I˙t表示輸出側(cè)匯合電流值。根據(jù)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(wǎng)諧波電壓為
假設(shè)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(shù)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(jù)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(jù)不同的計算結(jié)果選擇合適的接入點，使接入時對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響達到最小[12-15]。
根據(jù)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(shè)計更加具有信服力[16]。
由于本文研究的是有源配電網(wǎng)絡(luò)，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(shù)據(jù)進行約束，為更加快速合理處理電網(wǎng)接入過程中的分布式數(shù)據(jù)，本文采用信賴域算法[17-20]。
根據(jù)接入分布式光伏電源采集的數(shù)據(jù)，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(shè)定頻率值和實際頻率值；
P0i、Q0i分別為未接入時的配電網(wǎng)運行的功率數(shù)據(jù)；
α為電網(wǎng)接入電源的無功電壓增加系數(shù)；
β為接入位置的有功增加電壓系數(shù)；
Kpfi、Kqfi為負荷的靜態(tài)頻率特性參數(shù)。
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(wǎng)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(jù)接入點前后功率數(shù)據(jù)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(wǎng)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(jié)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(shù)，0＜γ1≤ 1≤γ2；
η1、η2為迭代成功判別系數(shù)，0＜η1＜ 1 ＜η2。
通過修正后的判定條件對電源接入進行數(shù)據(jù)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(wǎng)系統(tǒng)更加具有信賴性[21]。
本文研究試驗在傳統(tǒng)電源接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上驗證，通過試驗數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)試驗結(jié)果進行仿真和對比，對接入點進行試驗數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)具體數(shù)據(jù)分析本研究設(shè)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(yù)測精度大于 80%，試驗用計算機采用Intel i5以上處理器，應(yīng)用Power Factory進行模型預(yù)測仿真，配電網(wǎng)試驗?zāi)M環(huán)境如表1所示。
表1 配電網(wǎng)試驗?zāi)M環(huán)境
本研究在Windows操作系統(tǒng)下，通過模擬配電網(wǎng)運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集記錄，得到分布式光伏接入點的數(shù)據(jù)測試結(jié)果如表2所示。
表2 配電網(wǎng)節(jié)點總功率測試數(shù)據(jù)
根據(jù)表2數(shù)據(jù)結(jié)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(wǎng)的影響，對各接入點進行諧波振動分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)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(chǎn)生作用；
P50之后的節(jié)點配電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)電壓幅度
圖7 分布式光伏接入電網(wǎng)電壓幅度
通過對比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電源接入配電網(wǎng)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(yīng)，容易對配電網(wǎng)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(yīng)，接入配電網(wǎng)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(shè)計方案更加穩(wěn)定，方法更加有效，能夠有效調(diào)節(jié)節(jié)點的振蕩諧波，接入瞬間對配電網(wǎng)影響能夠達到最小，從而體現(xiàn)出本研究方案在配電網(wǎng)中的實用性。
本文對光伏電源在配電網(wǎng)的應(yīng)用進行規(guī)劃設(shè)計，在有源接入方法的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。
(1) 對整體布局進行設(shè)計，設(shè)計光伏有源應(yīng)用方法，使配電網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)方案的電壓幅度分析驗證，驗證了此設(shè)計很好地解決了電網(wǎng)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(shè)備問題和人工讀取數(shù)據(jù)容易造成一定的誤差等問題仍待解決。
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