有源智能配電網(wǎng)供電安全性與脆弱性的技術(shù)分析

1、有源智能配電網(wǎng)供電安全性與脆弱性的技術(shù)分析隨著工業(yè)時代的快速發(fā)展，世界各國政府都在不同程度的鼓勵倡導(dǎo)發(fā)展可再生能源，以解決全球環(huán)境問題。這些新能源的利用，已經(jīng)成為人類社會節(jié)能減排、綠色低碳生活的重要手段。其中風(fēng)能和太陽能得到了飛速的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了小功率安裝。由于公眾的積極參與，形成了按總體平均功率量化的風(fēng)電場和太陽能發(fā)電場。大力改善分布式發(fā)電并網(wǎng)的目標是不斷吸收新的發(fā)電容量，又能確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。然而事實上，配電網(wǎng)原本不是用來直接接入發(fā)電廠的，更況且這些發(fā)電還是隨機的、間歇性的、不可調(diào)度的。因此，大多數(shù)新能源發(fā)電方式給配電網(wǎng)運行帶來了安全性和脆弱性的問題，配電網(wǎng)的相關(guān)評估方法也不得不適

2、應(yīng)這些變化。1 分布式電源對智能配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響當(dāng)配電網(wǎng)接入分布式電源后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將由單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成了遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。如果只是引入少量的分布式電源對整個電網(wǎng)不會構(gòu)成太大的影響，然而，當(dāng)電網(wǎng)中存在較多的分布式電源單元時，將對電壓質(zhì)量、供電可靠性、線損等都會產(chǎn)生較大影響。1.1 分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響分布式電源接入配電網(wǎng)后，在穩(wěn)態(tài)情況下，由于饋線上減少了傳輸功率以及其輸出無功功率，使得并網(wǎng)點附近出現(xiàn)電壓提升。電壓被抬高的程度與其安裝位置和容量大小有關(guān)。分布式電源總出力越多，與負荷的比值越高，電壓提升的幅度就越大，整體電壓水平就越高；安裝點越接近系統(tǒng)母線，對線路電壓分布

3、的影響越?。话惭b位置如果集中在同一節(jié)點，對電壓的提升效果要小于分布在多個節(jié)點上的情況。同步發(fā)電機型設(shè)備的并網(wǎng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性具有負面影響，異步發(fā)電機型設(shè)備和逆變器型設(shè)備并網(wǎng)能改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。因此，合理的規(guī)劃分布式電源接入位置、接入容量，以及有效的協(xié)調(diào)其輸出有功、無功的配比，就能使其對配電網(wǎng)電壓，尤其是末端電壓起到良好的支撐作用。1.2 分布式電源對配電網(wǎng)頻率的影響在正常運行工作狀態(tài)下，整個電力系統(tǒng)在任意瞬間的頻率都應(yīng)該是相同的。頻率反應(yīng)了同步發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，有功功率的供需平衡確保了頻率的穩(wěn)定性，改變負荷容量或者發(fā)電機功率都可以改變頻率。對于風(fēng)力發(fā)電機組來說，或者通過改變出力來參與

4、調(diào)頻調(diào)節(jié)，或者通過增加儲能來獲得功率儲備。目前尚無明確要求風(fēng)力發(fā)電機組參與調(diào)頻，只要它們的裝機容量還保留有邊際功率，它們就很少影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。1.3 分布式電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響分布式電源引起配電網(wǎng)電壓波動的原因在于其輸出的功率波動很大，不確定性高。對于自然能發(fā)電系統(tǒng)來說，外界能源輸入的變動是重要原因；對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組，供熱要求的變動會引起輸出功率改變；分布式電源的調(diào)度和運行由設(shè)備產(chǎn)權(quán)所有者控制，可能會出現(xiàn)隨機啟停機組；異步發(fā)電機在運行過程中需要吸收無功功率，采用異步發(fā)電機的大容量風(fēng)力發(fā)電機組要配置動態(tài)無功補償設(shè)備以抑制電壓波動。此外，控制器的算法和參數(shù)設(shè)定也可能導(dǎo)致輸出功率變動，帶有

5、良好控制系統(tǒng)的逆變器，能夠很好的實現(xiàn)恒功率電壓源外特性，減少其不良影響。1.4 分布式電源對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響分布式電源的位置、容量與負荷的相對大小以及電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)等因素都能影響網(wǎng)損。當(dāng)其容量較小時，接入點的位置越靠近負荷中心，網(wǎng)損呈下降趨勢；而當(dāng)其容量大到某一限度時，網(wǎng)損開始增加，甚至?xí)笥诓⒕W(wǎng)前的網(wǎng)損。所以，引入分布式電源既可以增大網(wǎng)損，也可能減少網(wǎng)損。1.5 分布式電源對配電網(wǎng)諧波的影響很多分布式電源是通過逆變器接入配電網(wǎng)的，電子開關(guān)器件頻繁的開斷可產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的諧波分量，功率變換器的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定了諧波的類型和嚴重程度，其中以IGBT為基礎(chǔ)的逆變器在正常運行時能輸出較高質(zhì)量的電壓

6、波形。而且，分布式電源的總?cè)萘空伎傌摵傻谋壤礁?，對諧波的影響越大；其安裝位置越接近線路末端，電壓波形畸變也越嚴重。2 分布式電源對智能配電網(wǎng)繼電保護的影響分布式電源接入配電網(wǎng)后，單一電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成雙端或多端網(wǎng)絡(luò)，潮流分布及故障電流的幅值與方向都會發(fā)生改變。這些變化會給繼電保護的配置變得更復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：（1）分布式電源提供的故障電流降低了所在線路保護的測量值，使相應(yīng)的保護不能啟動；（2）相鄰線路發(fā)生故障時，分布式電源提供短路電流，使其所在的線路檢測到電流越限，從而引起保護誤動作；（3）如果某地區(qū)的分布式電源容量很大，將導(dǎo)致故障電流有大幅度的變化，因此必須提高其斷路器的容量，并且調(diào)整相應(yīng)

7、保護的整定值；（4）大容量分布式電源并網(wǎng)使電壓升高很多，而在其退出后又導(dǎo)致線路電壓越下限，因此必須考慮電壓調(diào)整的問題。目前，我國對含有分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護的研究還處于探索階段，主要有如下研究方向：對配電網(wǎng)絡(luò)進行合理調(diào)整，減少分布式電源對保護的不利影響；研究分布式發(fā)電設(shè)備本身的特點，提出新的保護配置理論；研發(fā)新型的繼電保護設(shè)備。3 分布式電源對智能配電網(wǎng)自愈的影響故障后快速恢復(fù)供電是智能電網(wǎng)自愈的基本要求。在故障恢復(fù)過程中，分布式電源的首要作用是支持電網(wǎng)從故障后到恢復(fù)正常的黑啟動;過程，其次為重要負荷提供持續(xù)供電的孤島;模式。按照故障后分布式電源的狀態(tài)可以將孤島分為計劃孤島和非計劃孤島兩種

8、類型。其中，非計劃孤島是一個沒有條件控制的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電和供電之間存在功率不平衡，孤島電網(wǎng)中沒有電壓、頻率控制，所以其特性是不確定的。非計劃孤島對配電網(wǎng)的自愈也將產(chǎn)生不利影響：非計劃孤島的電壓和頻率得不到有效的控制，無法保障用戶的供電質(zhì)量，而且還有可能損壞用電設(shè)備；系統(tǒng)故障后需要維修線路，而由于分布式電源的存在，將對線路檢修人員造成不可預(yù)計的人身危險；非計劃孤島重新并網(wǎng)時，有可能會對外部電網(wǎng)造成沖擊，也有可能損壞孤島系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)電設(shè)備。4 智能配電網(wǎng)安全性與脆弱性評估方法對電網(wǎng)安全性、脆弱性評估的概率指標很多，其中包括年平均故障率、平均修復(fù)時間、年平均停電時間等等。從計算方法上可以分成以客戶為導(dǎo)向

9、的指標和以能源為導(dǎo)向的指標兩種類型。以能源供給為導(dǎo)向的計算指標有：未提供能源指數(shù)和平均未提供能源指數(shù)。以客戶為導(dǎo)向的計算指標有：平均停電時間（配電網(wǎng)中運行的客戶在一年時間內(nèi)的平均停電次數(shù)）、平均停電持續(xù)時間（電網(wǎng)中運行的用戶在一年內(nèi)經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間）、客戶平均停電頻率指標（每個受停電影響的客戶在一年時間里面經(jīng)受的平均停電次數(shù)）、客戶平均停電持續(xù)時間指標（在一年中被停電的客戶所經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間）。為了計算安全性與脆弱性指標，一般有解析法和隨機仿真法。解析法給出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)簡化模型，由數(shù)學(xué)方法直接計算出指標。隨機仿真法是將問題處理為一連串的仿真實驗，當(dāng)事件發(fā)生時，它通過記錄事件的次數(shù)來評

10、估概率指標。隨機仿真方法很多，其中經(jīng)常使用的是蒙特卡洛法，其一般算法包括六個方面的內(nèi)容：（1）概率密度函數(shù)；（2）隨機數(shù)發(fā)生器；（3）采樣原則（規(guī)定采樣方法）；（4）將仿真結(jié)果的和累積；（5）評估誤差；（6）減小方差（用來減少給定精度下的計算時間）。蒙特卡洛仿真法可以得到每個用戶的概率指標，為了提高計算效率，可以將供電層次和區(qū)域相同的用戶集合起來計算。對分布式發(fā)電設(shè)備而言，當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，可以作為后備電源啟動，這樣就極大地提高了供電的可靠性，從而改善系統(tǒng)的安全性與脆弱性指標。分布式電源安裝位置越接近客戶端，相關(guān)指標改善的效果就越好。5 結(jié)語分布式電源影響了配電網(wǎng)的運行的安全性，同時也帶來了許多供電質(zhì)量問題，并將在未來幾十年內(nèi)更為明顯，可能需要重新考慮配電網(wǎng)的運行規(guī)則，甚至是改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。與此同時，配電網(wǎng)安全性與脆弱性的評估方法也逐步完善，以找到可靠性水平與投資成本的最佳結(jié)合點。在供電安全性與脆弱性指標研究方面，蒙特卡洛方法的地位越來越重要，而且隨著計算量呈指數(shù)增加，該方法很可能成為主流研究方法。蒙特卡洛仿真法不必為每個用戶分別建立研究模型，就可以計算出完整的概率評估指標。也可以將蒙特卡洛法與解析法結(jié)合起來，根據(jù)系統(tǒng)的詳細程度和計算速度要求，對電網(wǎng)進行分區(qū)處理，以達到更好的計算效果。參考文獻【1】盛萬興，孟曉麗，宋曉輝.智能