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摘要:由于新能源出力不穩(wěn)，未來高比例新能源接入會使配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，從而降低敏感負(fù)荷的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常甚至故障。在此背景下，電壓下降至敏感負(fù)荷電壓耐受曲線的不確定區(qū)域內(nèi)時，可能會發(fā)生負(fù)荷損失的情況，需在配電網(wǎng)規(guī)劃加以重視，以提高電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。文中以變頻調(diào)速電機(jī)為例進(jìn)行建模，分析其電壓敏感性，并估算了變頻調(diào)速器在電壓耐受曲線不確定區(qū)域內(nèi)的故障概率。然后將電壓敏感型負(fù)荷的損失量納入配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃模型中，對現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃進(jìn)行改進(jìn)，算例結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性，為未來配電網(wǎng)規(guī)劃提供了參考。

關(guān)鍵詞:新能源;敏感負(fù)荷;負(fù)荷損失;配電網(wǎng)規(guī)劃

0引言

大規(guī)模風(fēng)電、太陽能等可再生能源發(fā)電功率波動會造成電壓、頻率波動和電能質(zhì)量問題［1］，其高比例入網(wǎng)會造成一定程度的電壓波動，增加網(wǎng)絡(luò)的不確定性。相同功率因數(shù)時，光伏電源的滲透率越高，引起的節(jié)點(diǎn)電壓波動幅值也越大，同時若注入的無功功率超過局部無功負(fù)荷的需求，也會引起潮流反向［2］。如今異步電機(jī)在發(fā)電場應(yīng)用仍比較普遍，運(yùn)行中會消耗電網(wǎng)中的無功功率，在無功容量不足的情況下，會降低整個配電系統(tǒng)的電壓值［3－4］。另一方面，計(jì)算機(jī)、可調(diào)速電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動、交流接觸器、可編程邏輯等設(shè)備大量投入使用，其運(yùn)行狀態(tài)極易受到電壓變化的影響，往往幾個周波的電壓暫降或供電中斷都會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備故障，造成大量的損失［5－7］。考慮到電壓敏感型負(fù)荷的比重在逐漸增加，配網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)須更加重視其供電可靠性。這些都對電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃提出了新的要求。從長遠(yuǎn)來看，現(xiàn)有的網(wǎng)架規(guī)劃方案將可能滿足不了未來負(fù)荷發(fā)展的需求。目前，國內(nèi)外針對負(fù)荷的電壓敏感性以及含分布式能源發(fā)電的配電網(wǎng)規(guī)劃都各有不少研究。文獻(xiàn)［8］對可調(diào)速驅(qū)動裝置的電壓敏感度進(jìn)行了分析，并繪制了不同電壓暫降類型、電容大小的電壓耐受曲線，但未考慮敏感負(fù)荷在不確定區(qū)域的損失概率。文獻(xiàn)［9］用電壓耐受曲線和負(fù)荷敏感度隨機(jī)模型表征負(fù)荷對電壓凹陷的敏感特性，提出了敏感負(fù)荷電壓凹陷敏感度的隨機(jī)估計(jì)方法。文獻(xiàn)［10］以電壓暫降嚴(yán)重性指標(biāo)為依據(jù)，提出一種基于最大熵原理的負(fù)荷電壓暫降敏感度評估方法，該方法對樣本數(shù)依賴性小，無需主觀假設(shè)，但文獻(xiàn)［9—10］均未考慮電壓凹陷的起始點(diǎn)和相角跳變等因素對負(fù)荷電壓凹陷的敏感度的影響。文獻(xiàn)［11—12］考慮了大量分布式電源接入，其出力的波動、間歇和隨機(jī)特性對配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估造成的影響，建立了基于配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的配電網(wǎng)評估模型。文獻(xiàn)［13—15］分析了分布式電源容量對配電網(wǎng)的影響，以維護(hù)、投資費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了配電網(wǎng)規(guī)劃多目標(biāo)模型，但是規(guī)劃中缺少對配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素的考慮。文獻(xiàn)［16］提出了綜合考慮配電網(wǎng)規(guī)劃與系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化模型，將負(fù)荷丟失成本作為評價(jià)配電網(wǎng)可靠性的指標(biāo)，但該指標(biāo)不可量化計(jì)算，評價(jià)精度有待提高。由此可見，現(xiàn)有配電網(wǎng)規(guī)劃都未考慮負(fù)荷的電壓敏感特性對配網(wǎng)規(guī)劃的影響，規(guī)劃模型對負(fù)荷的描述可進(jìn)一步發(fā)展。本文以變頻調(diào)速電機(jī)型負(fù)荷為代表分析電壓敏感型負(fù)荷對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響。首先在仿真軟件MATLAB/SIMULINK上建模，研究變頻調(diào)速電機(jī)對電壓凹陷的耐受能力，并通過電壓敏感度曲線和負(fù)荷敏感度隨機(jī)模型確定其在電壓耐受曲線不確定區(qū)域的負(fù)荷損失概率。然后分析了配網(wǎng)中大量敏感負(fù)荷對安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，論述了將敏感負(fù)荷損失引入配電網(wǎng)規(guī)劃模型中的必要性，最終對配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃模型做出了改進(jìn)和案例展示。

1敏感負(fù)荷的電壓

敏感特性應(yīng)用MATLAB/SIMULINK建模對典型用電設(shè)備(如變頻調(diào)速類設(shè)備)的電壓耐受能力進(jìn)行分析，得到其電壓耐受能力。為后續(xù)電壓凹陷造成負(fù)荷損失的分析和評估提供數(shù)據(jù)支持。

1．1變頻調(diào)速電機(jī)的電壓敏感性仿真變頻器廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速，與控制系統(tǒng)及異步電動機(jī)一起構(gòu)成變頻電機(jī)的主要組成部分，變頻方式多采用交－直－交變換，即先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后通過控制系統(tǒng)和逆變器把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可調(diào)節(jié)的交流電源［17］。電壓凹陷可能影響變頻調(diào)速器的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)異常，對生產(chǎn)過程造成損失。建立變頻電機(jī)的MATLAB/SIMULINK仿真模型，交流調(diào)速控制方式采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該系統(tǒng)的控制部分由PI調(diào)節(jié)器、兩相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。采用的電動機(jī)為MATLAB自帶模型，仿真參數(shù)為:Rs=0．2147Ω，Rr=0．2205Ω，Ls=Lr=0．00991H，Lm=0．06419H，J=0．102kg•m2，np=2，UN=400V，fN=50Hz。

1．2部分代表性設(shè)備的電壓耐受能力各類負(fù)荷在電網(wǎng)事故中對電能質(zhì)量的敏感程度各有不同，通過現(xiàn)場調(diào)研和文獻(xiàn)查閱，得到幾種典型敏感負(fù)荷的電壓耐受能力:(1)計(jì)算機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)電壓降至60%，持續(xù)時間達(dá)到240ms時，其正常運(yùn)行會受到影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、重啟、關(guān)機(jī)等。(2)精密機(jī)械工具。電壓低于90%且持續(xù)時間超過2～3個周期，就會停止工作。(3)直流電機(jī)。當(dāng)電壓降低到88%時，直流驅(qū)動能力將開始減弱，直流驅(qū)動的生產(chǎn)線將會減速，導(dǎo)致出現(xiàn)不合格產(chǎn)品;當(dāng)電壓低于80%時，直流電機(jī)就會被跳閘，生產(chǎn)線會停止運(yùn)轉(zhuǎn)。(4)變頻調(diào)速器。系統(tǒng)電壓低于70%并持續(xù)超過120ms，電機(jī)自動切除。

2電壓波動引起的敏感負(fù)荷損失

試驗(yàn)表明，敏感負(fù)荷如可編程邏輯控制器(PLC)、計(jì)算機(jī)(PC)、交流調(diào)速器(ASD)的電壓耐受曲線(VTC)一般呈矩形［13］。不同的負(fù)荷類型對電壓凹陷的敏感度也有所差異，同種負(fù)荷也會受到環(huán)境溫度、安裝位置、運(yùn)行時間和保養(yǎng)頻度等因素影響，因此負(fù)荷的電壓耐受曲線存在著不確定區(qū)域。當(dāng)敏感負(fù)荷遭受該區(qū)域范圍內(nèi)的電壓暫降時，負(fù)荷能否繼續(xù)正常工作并不能完全確定，而是存在一個概率。本文以這個概率作為敏感度的指標(biāo)，結(jié)合電壓暫降平均水平，可評估敏感負(fù)荷受擾的經(jīng)濟(jì)損失。

3考慮負(fù)荷損失的配網(wǎng)規(guī)劃模型

3．1敏感負(fù)荷對配網(wǎng)的影響電壓凹陷發(fā)生時，敏感負(fù)荷單個設(shè)備或元件的故障可能使整個生產(chǎn)線的產(chǎn)品報(bào)廢，給用戶帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失［19－20］。除此之外，大量敏感負(fù)荷還會對配網(wǎng)的以下幾個方面產(chǎn)生影響。(1)負(fù)荷預(yù)測。敏感負(fù)荷的產(chǎn)生負(fù)荷損失以及負(fù)荷恢復(fù)期間，會增大超短期負(fù)荷預(yù)測值與實(shí)際負(fù)荷值的偏差，使得用戶用能需求評估不準(zhǔn)確。(2)無功規(guī)劃。對含大規(guī)模分布式電源接入的電網(wǎng)來說，電源接入位置和容量會影響到母線電壓水平［21］，因此敏感負(fù)荷對電壓質(zhì)量的高要求會影響到無功電源的建設(shè)。(3)電力平衡。大量敏感負(fù)荷的突然損失及負(fù)荷恢復(fù)會造成瞬間的電力不平衡。(4)投資估算。負(fù)荷損失可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。此外，在響應(yīng)用戶電能質(zhì)量要求時，也影響到調(diào)壓穩(wěn)壓設(shè)備的配置，從而導(dǎo)致投資成本的增加。從以上分析可以看出，敏感負(fù)荷的電壓耐受度對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面，因此在未來進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃時，需要考慮敏感負(fù)荷對電壓的特殊要求。故在風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，追加考慮敏感負(fù)荷損失造成的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，對現(xiàn)有的網(wǎng)架規(guī)劃模型進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

3．2配電網(wǎng)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型配網(wǎng)規(guī)劃時，在經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、不同天氣狀態(tài)對網(wǎng)絡(luò)的影響等因素。風(fēng)險(xiǎn)因素包括切負(fù)荷和電壓越限兩個方面［3，18］，本文在此基礎(chǔ)上增加了電壓波動導(dǎo)致的負(fù)荷損失因素。根據(jù)正常和惡劣天氣條件下的線路設(shè)備故障率，采用系統(tǒng)切負(fù)荷期望值對切負(fù)荷量進(jìn)行計(jì)算，電壓越限懲罰函數(shù)作為電壓越限評價(jià)指標(biāo)。敏感負(fù)荷的損失概率和損失量的計(jì)算方法為:考慮不同天氣對發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，建立分布式發(fā)電系統(tǒng)的概率模型［22］，得出新能源在連續(xù)時間段內(nèi)的輸出功率概率。依次計(jì)算潮流，得到穩(wěn)態(tài)電壓分布和電壓幅值波動的影響，進(jìn)而得到電壓波動曲線。在得到敏感負(fù)荷的VTC頂點(diǎn)后，將其代入到聯(lián)合分布密度函數(shù)(1)中，通過確定函數(shù)的積分結(jié)果，計(jì)算出電壓凹陷影響下的負(fù)荷損失概率。根據(jù)電壓波動曲線，確定各類敏感負(fù)荷的負(fù)荷損失概率，得出敏感負(fù)荷損失量及其導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

3．2．1目標(biāo)函數(shù)文中配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃模型以待選路徑及回?cái)?shù)作為決策變量，在保證合理風(fēng)險(xiǎn)水平的前提下，綜合考慮在規(guī)定年限內(nèi)的經(jīng)濟(jì)投資收益最大值。傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃模型未考慮敏感負(fù)荷損失量。

3．2．2風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃流程圖考慮天氣因素對配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和新能源出力的影響，經(jīng)過本節(jié)所述改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃評估指標(biāo)進(jìn)行評估，得到合理的規(guī)劃方案。

4算例

本節(jié)以配電網(wǎng)6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，驗(yàn)證提出的考慮敏感負(fù)荷損失配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃方法的可行性和有效性。配網(wǎng)長期運(yùn)行時，配網(wǎng)產(chǎn)生的電壓暫降時間都足夠長［23］，故主要考慮敏感負(fù)荷在C區(qū)的損失概率。6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為一個配電網(wǎng)小型測試系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)3為平衡節(jié)點(diǎn)，其余皆為PQ節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)1接有發(fā)電機(jī)，節(jié)點(diǎn)6上安裝了光伏裝置。具體數(shù)據(jù)見表5和表6，其中，光伏裝置投資費(fèi)用11．5元/W。

5結(jié)語

可再生能源發(fā)電受天氣和季節(jié)的影響比較大，抗干擾能力較差，大量新能源接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生大幅擾動。針對變頻器接入型負(fù)荷的適應(yīng)性，本文總結(jié)了多種主要敏感設(shè)備的電壓耐受特性，建立了變頻調(diào)速電機(jī)的仿真模型，并計(jì)算了變頻調(diào)速器在VTC不確定區(qū)域內(nèi)受電壓波動影響的負(fù)荷損失概率。在原有風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出了考慮電壓波動下敏感負(fù)荷損失的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，提高了規(guī)劃方案的合理性。以6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電網(wǎng)為例，利用粒子群算法對考慮敏感負(fù)荷損失的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃模型進(jìn)行求解。與不考慮敏感負(fù)荷損失時的規(guī)劃方案相比，降低了敏感負(fù)荷損失的風(fēng)險(xiǎn)，提高了配網(wǎng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性。

作者：趙芳，杜兆斌 單位：華南理工大學(xué)電力學(xué)院