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敏感負荷對含新能源配網(wǎng)規(guī)劃的影響

2018-10-12 08:24杜兆斌
電力工程技術(shù) 2018年5期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)架變頻配電網(wǎng)

趙 芳, 杜兆斌

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東 廣州 510640)

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荷的需求,也會引起潮流反向[2]。如今異步電機在發(fā)電場應(yīng)用仍比較普遍,運行中會消耗電網(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,計算機、可調(diào)速電機、直流電機驅(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)備運行異常,嚴重時導(dǎo)致設(shè)備故障,造成大量的損失[5-7]??紤]到電壓敏感型負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)的運行和規(guī)劃提出了新的要求。從長遠來看,現(xiàn)有的網(wǎng)架規(guī)劃方案將可能滿足不了未來負荷發(fā)展的需求。

目前,國內(nèi)外針對負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[8]對可調(diào)速驅(qū)動裝置的電壓敏感度進行了分析,并繪制了不同電壓暫降類型、電容大小的電壓耐受曲線,但未考慮敏感負荷在不確定區(qū)域的損失概率。文獻[9]用電壓耐受曲線和負荷敏感度隨機模型表征負荷對電壓凹陷的敏感特性,提出了敏感負荷電壓凹陷敏感度的隨機估計方法。文獻[10]以電壓暫降嚴重性指標(biāo)為依據(jù),提出一種基于最大熵原理的負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[9—10]均未考慮電壓凹陷的起始點和相角跳變等因素對負荷電壓凹陷的敏感度的影響。文獻[11—12]考慮了大量分布式電源接入,其出力的波動、間歇和隨機特性對配電網(wǎng)風(fēng)險評估造成的影響,建立了基于配電網(wǎng)運行風(fēng)險指標(biāo)的配電網(wǎng)評估模型。文獻[13—15]分析了分布式電源容量對配電網(wǎng)的影響,以維護、投資費用最低為目標(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)險因素的考慮。文獻[16]提出了綜合考慮配電網(wǎng)規(guī)劃與系統(tǒng)運行的優(yōu)化模型,將負荷丟失成本作為評價配電網(wǎng)可靠性的指標(biāo),但該指標(biāo)不可量化計算,評價精度有待提高。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)劃模型對負荷的描述可進一步發(fā)展。

本文以變頻調(diào)速電機型負荷為代表分析電壓敏感型負荷對配電網(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)速電機對電壓凹陷的耐受能力,并通過電壓敏感度曲線和負荷敏感度隨機模型確定其在電壓耐受曲線不確定區(qū)域的負荷損失概率。然后分析了配網(wǎng)中大量敏感負荷對安全性和經(jīng)濟性的影響,論述了將敏感負荷損失引入配電網(wǎng)規(guī)劃模型中的必要性,最終對配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃模型做出了改進和案例展示。

1 敏感負荷的電壓敏感特性

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)的電壓耐受能力進行分析,得到其電壓耐受能力。為后續(xù)電壓凹陷造成負荷損失的分析和評估提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 變頻調(diào)速電機的電壓敏感性仿真

變頻器廣泛應(yīng)用于電機調(diào)速,與控制系統(tǒng)及異步電動機一起構(gòu)成變頻電機的主要組成部分,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)速器的正常運行,導(dǎo)致電機異常,對生產(chǎn)過程造成損失。建立變頻電機的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。采用的電動機為MATLAB自帶模型,仿真參數(shù)為:Rs=0.214 7 Ω,Rr=0.220 5 Ω,Ls=Lr=0.009 91H,Lm=0.064 19 H,J=0.102 kg·m2,np=2,UN=400 V,fN=50 Hz。仿真模型如圖1所示。

圖1 變頻電機的仿真模型Fig.1 Simulation model of frequency converter

影響變頻器的電壓暫降敏感度的主要因素有負載轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速和電壓暫降類型。根據(jù)圖1的仿真模型對直接轉(zhuǎn)矩控制的三相異步電動機進行仿真研究,得到變頻電機的轉(zhuǎn)差波形,如圖2所示。仿真定轉(zhuǎn)速為1420 r/min時的空載啟動,啟動后0.1 s時加額定負載TL=100 N·m,在0.2 s時設(shè)置三相電壓暫降幅值分別為0.6 p.u.,0.7 p.u.,0.8 p.u.和0.9 p.u.,仿真時長為0.4 s。

若要求轉(zhuǎn)速不得低于1400 r/min,即轉(zhuǎn)差s不得大于0.066,該變頻電機的電壓暫降幅值和對應(yīng)的臨界凹陷時間如表1所示。

1.2 部分代表性設(shè)備的電壓耐受能力

各類負荷在電網(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)研和文獻查閱,得到幾種典型敏感負荷的電壓耐受能力:

(1) 計算機。當(dāng)系統(tǒng)電壓降至60%,持續(xù)時間達到240 ms時,其正常運行會受到影響,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、重啟、關(guān)機等。

(2) 精密機械工具。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。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,直流電機就會被跳閘,生產(chǎn)線會停止運轉(zhuǎn)。

(4) 變頻調(diào)速器。系統(tǒng)電壓低于70%并持續(xù)超過120 ms,電機自動切除。

2 電壓波動引起的敏感負荷損失

試驗表明,敏感負荷如可編程邏輯控制器(PLC)、計算機(PC)、交流調(diào)速器(ASD)的電壓耐受曲線(VTC)一般呈矩形[13]。不同的負荷類型對電壓凹陷的敏感度也有所差異,同種負荷也會受到環(huán)境溫度、安裝位置、運行時間和保養(yǎng)頻度等因素影響,因此負荷的電壓耐受曲線存在著不確定區(qū)域。當(dāng)敏感負荷遭受該區(qū)域范圍內(nèi)的電壓暫降時,負荷能否繼續(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,可評估敏感負荷受擾的經(jīng)濟損失。

圖2 變頻電機轉(zhuǎn)差變化曲線Fig.2 Slip curve of variable frequency motor

電壓幅值/p.u.電壓凹陷時間/ms0.9198.30.8183.30.7126.40.636.6

圖3中,T為電壓凹陷的持續(xù)時間;U為電壓幅值;Umin和Umax分別為實際負荷VTC的電壓幅值最小值和最大值;Tmin和Tmax分別為實際負荷VTC持續(xù)時間的最小值和最大值。曲線1的外部區(qū)域(U>Umax且TTmax為故障運行區(qū);曲線1、2之間為不確定區(qū)域。

圖3 負荷電壓耐受曲線Fig.3 Load voltage tolerance curve

實際運行中負荷母線的U和T是隨機變量,用正態(tài)分布概率密度函數(shù)表征U和T的隨機性。假設(shè)B區(qū)和C區(qū)內(nèi)隨機變量T和U的概率密度分別為fx(T)和fx(U),則A區(qū)內(nèi)隨機變量T和U的聯(lián)合概率密度函數(shù)及VCT 曲線的標(biāo)準(zhǔn)概率模型如下[9,18]:

fx,y(T,U)=fx(T)fy(U)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:σ1,σ2分別為負荷VTC在不確定區(qū)域的分布密度;T0,U0分別為VTC中T和U概率最大處的持續(xù)時間和電壓幅值。在不確定區(qū)域內(nèi),VTC 的頂點均在A區(qū),如果已獲得母線實際電壓幅值和持續(xù)時間,則根據(jù)不同負荷的 VTC 的變化范圍可確定T0,U0,σ1,σ2,將其代入式(1—4)即可得到不確定性區(qū)域內(nèi)負荷VTC的隨機估計模型。對fx,y(T,U)求定積分可求出負荷在電壓耐受曲線不確定區(qū)域范圍內(nèi)的故障概率。

以變頻調(diào)速類負載為例,Umax,Umin,Tmax,Tmin在VTC中的數(shù)值分別為1 p.u.,0.7 p.u.,120 ms,0 ms。代入VCT 曲線的標(biāo)準(zhǔn)概率模型中,得到VTC在A區(qū)的概率分布,見圖4。

圖4 變頻調(diào)速器的VTC在A區(qū)的概率分布Fig.4 Occurrence probabilities of voltage tolerance characteristics of frequency converter in region A

對fx,y(T,U)求定積分,得到變頻調(diào)速器類負載在VTC不確定區(qū)域范圍內(nèi)的故障概率如表2—4所示。

表2 變頻調(diào)速器的VTC在A區(qū)的損失概率Tab.2 Loss probability of frequency converter in region A

表3 變頻調(diào)速器的VTC在B區(qū)的概率分布Tab.3 Loss probability of frequency converter in region B

表4 變頻調(diào)速器的VTC在C區(qū)的概率分布Tab.4 Loss probability of frequency converter in region C

由表2—4可以看出,假若電壓降幅和電壓凹陷持續(xù)時間同時接近極限值時,敏感設(shè)備故障的概率極大。同樣,假若兩個變量同時接近安全值,那么故障概率將會非常小,而只有一個變量接近安全值的情況下也存在一定幾率發(fā)生故障。

3 考慮負荷損失的配網(wǎng)規(guī)劃模型

3.1 敏感負荷對配網(wǎng)的影響

電壓凹陷發(fā)生時,敏感負荷單個設(shè)備或元件的故障可能使整個生產(chǎn)線的產(chǎn)品報廢,給用戶帶來極大的經(jīng)濟損失[19-20]。除此之外,大量敏感負荷還會對配網(wǎng)的以下幾個方面產(chǎn)生影響。

(1) 負荷預(yù)測。敏感負荷的產(chǎn)生負荷損失以及負荷恢復(fù)期間,會增大超短期負荷預(yù)測值與實際負荷值的偏差,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。大量敏感負荷的突然損失及負荷恢復(fù)會造成瞬間的電力不平衡。

(4) 投資估算。負荷損失可能導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。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)濟性方面,因此在未來進行網(wǎng)架規(guī)劃時,需要考慮敏感負荷對電壓的特殊要求。故在風(fēng)險規(guī)劃的基礎(chǔ)上,追加考慮敏感負荷損失造成的經(jīng)濟代價,對現(xiàn)有的網(wǎng)架規(guī)劃模型進行擴展和改進。

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)濟性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上考慮運行風(fēng)險、不同天氣狀態(tài)對網(wǎng)絡(luò)的影響等因素。風(fēng)險因素包括切負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)切負荷期望值對切負荷量進行計算,電壓越限懲罰函數(shù)作為電壓越限評價指標(biāo)。敏感負荷的損失概率和損失量的計算方法為: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。依次計算潮流,得到穩(wěn)態(tài)電壓分布和電壓幅值波動的影響,進而得到電壓波動曲線。在得到敏感負荷的VTC頂點后,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,計算出電壓凹陷影響下的負荷損失概率。根據(jù)電壓波動曲線,確定各類敏感負荷的負荷損失概率,得出敏感負荷損失量及其導(dǎo)致的經(jīng)濟損失。

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

文中配電網(wǎng)風(fēng)險規(guī)劃模型以待選路徑及回數(shù)作為決策變量,在保證合理風(fēng)險水平的前提下,綜合考慮在規(guī)定年限內(nèi)的經(jīng)濟投資收益最大值。傳統(tǒng)風(fēng)險規(guī)劃模型未考慮敏感負荷損失量,其目標(biāo)函數(shù)表達式為[3]:

maxF=FPV-FL-FEC-FV

(5)

目標(biāo)函數(shù)中的各分量表達式如下:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:F表示配電網(wǎng)規(guī)劃收益目標(biāo)函數(shù),求取其最大值;FPV表示配網(wǎng)規(guī)劃時的分布式電源總投入在一定時期內(nèi)的收益;FEC表示故障線路設(shè)備引起的系統(tǒng)切負荷成本;FV表示電壓越限懲罰成本;FL表示配電網(wǎng)新增線路的投資成本;α表示平均電價;Di,Pi分別代表在不同天氣情況下的時間和發(fā)電特性曲線;CDG表示分布式發(fā)電設(shè)備建設(shè)成本;n表示分布式發(fā)電設(shè)備計劃發(fā)電年限;FL表示規(guī)劃線路造價成本;r表示貼現(xiàn)率;m表示規(guī)劃期限內(nèi)線路設(shè)計壽命;nl表示增加線路數(shù)量;Li表示第i條線路長度;Cli表示第i條線路單位長度價格;Pk為第k種預(yù)想故障發(fā)生的概率;Ck為因第k種預(yù)想故障發(fā)生而丟失負荷量;E為所有的預(yù)想事故集;β表示單位負荷損失量的平均成本。

考慮敏感負荷損失因素,對風(fēng)險規(guī)劃模型進行改進,建立目標(biāo)函數(shù):

maxF=FPV-FL-FEC-FV-Fl

(10)

Fl的表達式為:

(11)

3.2.2 約束條件

(1) 功率平衡約束:

∑pij=PGi-PDi

(12)

(2) 線路潮流約束:

(13)

(3) 線路回路數(shù)目上下限約束及整數(shù)約束:

(14)

3.2.3 風(fēng)險規(guī)劃流程圖

考慮天氣因素對配電網(wǎng)運行風(fēng)險和新能源出力的影響,經(jīng)過本節(jié)所述改進風(fēng)險規(guī)劃評估指標(biāo)進行評估,得到合理的規(guī)劃方案,改進的計算流程如圖5所示。

圖5 規(guī)劃流程Fig.5 Planning flow chart

4 算例

本節(jié)以配電網(wǎng)6節(jié)點系統(tǒng)為例,驗證提出的考慮敏感負荷損失配電網(wǎng)風(fēng)險規(guī)劃方法的可行性和有效性。配網(wǎng)長期運行時,配網(wǎng)產(chǎn)生的電壓暫降時間都足夠長[23],故主要考慮敏感負荷在C區(qū)的損失概率。6節(jié)點系統(tǒng)作為一個配電網(wǎng)小型測試系統(tǒng),節(jié)點3為平衡節(jié)點,其余皆為PQ節(jié)點,其中節(jié)點1接有發(fā)電機,節(jié)點6上安裝了光伏裝置。具體數(shù)據(jù)見表5和表6,其中,光伏裝置投資費用11.5 元/W。

表5 支路數(shù)據(jù)Tab.5 Branch data

表6 節(jié)點數(shù)據(jù)Tab.6 Bus data

每度電發(fā)電收益1.15 元,規(guī)劃年限為20 a,為了分析方便,算例假設(shè)節(jié)點1,2,4,5,6存在敏感負荷,且容量均為各節(jié)點總負荷的50%,并選用我國南方某區(qū)域呈較接近正態(tài)分布的光伏出力數(shù)據(jù),光伏滲透率約30%。

圖6中,6節(jié)點之間的15條可增線路走廊,其中實線表示現(xiàn)有網(wǎng)架,為4條單回線路。在現(xiàn)有網(wǎng)架的基礎(chǔ)上,每條線路走廊最多可擴建2回線路。采用粒子群算法對規(guī)劃模型進行求解,將粒子位置用支路回數(shù)的數(shù)組來表示,粒子速度用各走廊線路回數(shù)變化值矢量表示。經(jīng)過500次迭代,得到不考慮敏感負荷損失時的最優(yōu)網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)果見圖7(a),考慮敏感負荷損失的最優(yōu)網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)構(gòu)見圖7(b)。

圖6 6節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.6 6 nodes network topology

圖7 網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)構(gòu)Fig.7 Grid line planning topology

當(dāng)考慮敏感負荷損失因素時,網(wǎng)架規(guī)劃方案與用不考慮敏感負荷損失得出的方案相比,雖然網(wǎng)損和線路投資總費用有所增加,但降低了配網(wǎng)失負荷的風(fēng)險,并且在將敏感負荷損失量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)經(jīng)濟損失后,綜合投資費用從3 605.1萬元下降至3151.0萬元,提高了配網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟性。因此在進行網(wǎng)架規(guī)劃時,考慮電壓暫降導(dǎo)致的敏感負荷損失量是合理且必要的。

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)速電機的仿真模型,并計算了變頻調(diào)速器在VTC不確定區(qū)域內(nèi)受電壓波動影響的負荷損失概率。在原有風(fēng)險規(guī)劃的基礎(chǔ)上,提出了考慮電壓波動下敏感負荷損失的配電網(wǎng)規(guī)劃模型,提高了規(guī)劃方案的合理性。以6節(jié)點系統(tǒng)電網(wǎng)為例,利用粒子群算法對考慮敏感負荷損失的風(fēng)險規(guī)劃模型進行求解。與不考慮敏感負荷損失時的規(guī)劃方案相比,降低了敏感負荷損失的風(fēng)險,提高了配網(wǎng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟性。

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