楊 洋

（中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601）

1 分布式電站以及電網(wǎng)同步模型與實(shí)驗(yàn)仿真

1.1 分布式電站

分布式電站是指在負(fù)載部位以及一些大型用戶中心附近連接的發(fā)電設(shè)施，其功率一般小則幾十瓦，大則幾十兆瓦，是電網(wǎng)系統(tǒng)中極其重要的一個(gè)部分[1,2]。尤其隨著電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，結(jié)構(gòu)逐漸龐大，如果仍然采用傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供應(yīng)結(jié)構(gòu)，則無法滿足居民及企業(yè)生產(chǎn)過程中對電能的需求，這就需要在電網(wǎng)中并入一些分布式電站，也可以認(rèn)為分布式電站是一種新型的發(fā)電方式，只是與傳統(tǒng)的供電方式相比較，其對電能的傳輸距離及傳輸方式均進(jìn)行了改進(jìn)。

1.2 電網(wǎng)同步模型及實(shí)驗(yàn)仿真

對電網(wǎng)同步性能研究時(shí)采用了二階類Kuramoto模型。該模型目前被廣泛應(yīng)用在電力網(wǎng)絡(luò)同步性能以及穩(wěn)定性分析與研究等多個(gè)方面。在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，采用了電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。研究中采用了IEEE 57與IEEE 30等節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為研究對象開展電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)。IEEE 57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含57個(gè)節(jié)點(diǎn)、7個(gè)發(fā)電機(jī)、50個(gè)負(fù)荷，IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含30個(gè)節(jié)點(diǎn)、6個(gè)發(fā)電機(jī)、24個(gè)負(fù)荷等。各節(jié)點(diǎn)的排列方式遵循了一定的原則，首先對原網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)到發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果平均距離值，從大到小對各負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行了排序，即33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15。

研究中只給出IEEE57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的部分負(fù)荷節(jié)點(diǎn)情況，然后根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離，定義兩種分布式電站并入電網(wǎng)的方式。一種為新增分布式電站從距離原發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)平均距離值最小的負(fù)荷開始接入電網(wǎng)（將其稱之為A種接入方式），然后按照平均距離值的升序逐次接入，比如首次接入節(jié)點(diǎn)的編號為15，之后按照15，13，17，16，4，14，11，10，7，5，55，49， …，24，35，25，34，30、32，31，33的順序逐次接入分布式電站；還有一種新增分布式電站從距離原發(fā)動機(jī)節(jié)點(diǎn)平均距離最大的負(fù)荷開始接入電網(wǎng)（將其稱之為B種接入方式），然后按照平均距離值的升序逐次接入，比如首次接入節(jié)點(diǎn)的編號為33，之后按照33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15 的順序逐次接入分布式電站。

1.3 不同方式入網(wǎng)時(shí)與原始發(fā)電機(jī)之間的距離關(guān)系

為了能夠?qū)⒎植际阶冸娬救刖W(wǎng)的位置更加直觀地體現(xiàn)出來，研究人員通過二維圖對新增的分布式變電站距離電網(wǎng)各發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近情況進(jìn)行了表示[3]。最終發(fā)現(xiàn)，新增分布式變電站個(gè)數(shù)越多，分布式變電站與各發(fā)電機(jī)之間的方塊顏色越深，提示分布式變電站距離各發(fā)電機(jī)之間的距離越近。在對兩種接入方式進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，如果分布式變電站相同，則采用B種方式接入電網(wǎng)的顏色塊值比較大，新增分布式電站采用B種接入方式，接入電網(wǎng)中的位置與原始發(fā)電機(jī)之間的距離更遠(yuǎn)。但是當(dāng)新增分布式變電站的數(shù)目等于原網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，此時(shí)在每一個(gè)分布式電站上增加一個(gè)負(fù)載，再次進(jìn)行距離檢測后會發(fā)現(xiàn)新增分布式電站采用兩種接入方式接入電網(wǎng)中的位置與原始發(fā)電機(jī)之間的距離是相等的[4]。通過本次對新增分布式電站采用不同方式入網(wǎng)時(shí)與原始發(fā)電機(jī)之間的距離進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，分布式電站對電網(wǎng)局部的影響比較大。

通過上述計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步明確每個(gè)分布式電站到原始發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的距離情況決定著電網(wǎng)的同步。繼續(xù)采用網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)特征量表對分布式電站到原始發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的距離情況進(jìn)行檢測，如果新增的分布式電站比例為新增分布式電站數(shù)量與發(fā)電機(jī)負(fù)荷個(gè)數(shù)的比值，那么在采用IEEE 57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析后會發(fā)現(xiàn)，隨著分布式電站數(shù)量的增加，若采用A種接入方式，則此時(shí)分布式電站到原始發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離值會不斷增大，而采用B種接入方式，分布式電站到原始發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離值會不斷縮小，并且兩種接入方式下，分布式電站到原始發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離值之間的差值逐漸縮小。當(dāng)新增分布式電站數(shù)量與發(fā)電機(jī)負(fù)荷個(gè)數(shù)的比值=1時(shí)，兩條曲線出現(xiàn)焦點(diǎn)，而當(dāng)新增分布式電站數(shù)量與發(fā)電機(jī)負(fù)荷個(gè)數(shù)的比值＜1時(shí)，采用A種接入方式時(shí)，分布式電站到發(fā)電機(jī)之間的平均距離較A種接入方式更小，此時(shí)提示新增分布式電站與原始系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所形成的電源在分布狀態(tài)方面比較密集，并且能夠集中輸送電能。

1.4 兩種入網(wǎng)方式對電網(wǎng)整體平均距離造成的影響

分析兩種入網(wǎng)方式對電網(wǎng)整體平均距離造成的影響。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，在分布式電站中，不論采用哪一種進(jìn)入電網(wǎng)的方式，當(dāng)分布式電站中接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均距離值也越大。從這方面來看，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間距離的遠(yuǎn)近程度也可以通過網(wǎng)絡(luò)平均距離來表示，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)時(shí)，平均距離也就越大，此時(shí)也表示節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)中分布得越分散[6]。此時(shí)不論采用IEEE 57還是IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析都會發(fā)現(xiàn)，A種接入方式下的網(wǎng)絡(luò)平均距離較B種接入方式更小，表示采用B種接入方式各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更加分散，此時(shí)新增分布式電站與原網(wǎng)絡(luò)電站之間的距離比較遠(yuǎn)。在這種入網(wǎng)方式下接入電網(wǎng)，電源分布方面離散化特征更加明顯。

1.5 入網(wǎng)方式的同步性能優(yōu)勢

分布式電站采用一種負(fù)相關(guān)的方式將其接入到電網(wǎng)中，所表現(xiàn)出的同步性能比較好。針對不同入網(wǎng)方式分析網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)涮匦栽斐捎绊懙囊蛩匕l(fā)現(xiàn)，隨著分布式電站數(shù)量的增加，分布式電站入網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度延長，聚類系數(shù)降低，在研究中總共選取了3種不同的分布式電站入網(wǎng)方式。一是直接將分布式電站與供電需求較高的負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行連接，也將其稱之為卡接式方形（Subscriber Cable，SC）入網(wǎng)方式，此種入網(wǎng)方式傳輸線路比較少。二是將分布式電站與供電需求較高的負(fù)載點(diǎn)連接后，根據(jù)相鄰的分布式電站情況增加傳輸路線，也將其稱之為小方口形（Lucent Connector，LC）入網(wǎng)方式，此種入網(wǎng)方式需要用到較多的傳輸線路。三是將分布式電站與供電需求較高的負(fù)載連接后，根據(jù)附近所分布的分布式電站，按照一定的概率適當(dāng)?shù)卦黾虞旊娋€路，也將其稱之為微球面研磨拋光形（Physical Contact，PC）入網(wǎng)方式[7]。分析3種入網(wǎng)方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?，如果分布式電站?shù)量一樣，則采用LC入網(wǎng)方式路徑最短，聚類系數(shù)最大，且其中入網(wǎng)方式同步性能更優(yōu)。

2 分布式電站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)同步能力的關(guān)系

采用二階類Kuramoto模型對電網(wǎng)進(jìn)行動力學(xué)建模與仿真實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，此模型對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，基本單元包括發(fā)電站、傳輸線以及用戶中心等內(nèi)容，具體如圖1所示[8]。

圖1 電網(wǎng)單元的基本構(gòu)成

采用二階類Kuramoto模型程序，增加分布式電站節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，能夠有效降低電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的同步能力。當(dāng)新增的分布式電站數(shù)量相同時(shí)，A種接入方式臨界耦合強(qiáng)度更高，B種接入方式網(wǎng)絡(luò)同步性能更佳。此時(shí)結(jié)合上述研究結(jié)果，B種連接方式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布比較分散，綜合分析后發(fā)現(xiàn)，分布式電站越分散，其電網(wǎng)同步性能越好，越有利于電網(wǎng)同步。當(dāng)分布式電站入網(wǎng)方式不同時(shí)，其節(jié)點(diǎn)之間同步傳播，并且傳播方式也存在著明顯的差異。采用IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析的過程中，在距離發(fā)電機(jī)較近的復(fù)合點(diǎn)中隨機(jī)選取1個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，即10號負(fù)載節(jié)點(diǎn)。采用IEEE 57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析的過程中，在距離發(fā)電機(jī)較近的復(fù)合點(diǎn)中也隨機(jī)選取1個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，即16號負(fù)載節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)過程中所施加的擾動功率均為2，擾動時(shí)間為180～200 s，實(shí)驗(yàn)的過程中，要保證系統(tǒng)在沒有增加擾動功率時(shí)在同步狀態(tài)運(yùn)行，IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和IEEE 57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度分別設(shè)置為10和16。

對網(wǎng)絡(luò)中失同步節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)演化時(shí)間變化之間的關(guān)系進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長，失同步節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不斷增多，到最后甚至擴(kuò)散到了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)[9]。而當(dāng)入網(wǎng)的分布式電站數(shù)量為固定值時(shí)，與A種接入方式相比較而言，采用B種接入方式接入分布式電網(wǎng)后，入網(wǎng)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)會在相對比較長的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)失同步，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更加分散。這是因?yàn)樾略龇植际诫娬九c原網(wǎng)絡(luò)電站之間的距離比較遠(yuǎn)，在這種入網(wǎng)方式下接入電網(wǎng)，電源分布方面離散化特征更加明顯，失同步傳播速度也越慢。同一時(shí)刻下，對兩種入網(wǎng)方式所引起的系統(tǒng)失同步節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，與A種接入方式相比較而言，B種接入方式引起的系統(tǒng)失同步節(jié)點(diǎn)數(shù)量更少，有時(shí)也會與A種接入方式引起的系統(tǒng)失同步節(jié)點(diǎn)數(shù)相同。如果時(shí)間固定，分布式電站分布的越分散，則在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)失同步波擴(kuò)散的范圍越小。

3 分布式電站不同入網(wǎng)方式的性能分析

對分布式電站不同入網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦赃M(jìn)行分析，本次研究在進(jìn)行同步模型及實(shí)驗(yàn)仿真中應(yīng)用到了IEEE 57與IEEE 30等節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為研究對象，其發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)和負(fù)載節(jié)點(diǎn)也不相同。有研究人員發(fā)現(xiàn)，分布式電站以負(fù)相關(guān)方式接入電網(wǎng)，同步性能較優(yōu)，本次研究中用到的兩種入網(wǎng)方式都是將分布式電站與負(fù)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了連接，如果不考慮分布式電站與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，則可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，按照節(jié)點(diǎn)編號順序逐次添加節(jié)點(diǎn)。第2次仿真實(shí)驗(yàn)是按照節(jié)點(diǎn)編號倒數(shù)依次添加，從第3次開始一直到第7次，隨機(jī)編號添加，取多次實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的平均值[10]。分析不同入網(wǎng)方式對網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)涮匦栽斐傻挠绊懞蟀l(fā)現(xiàn)，隨著分布式電站數(shù)量的增加，不同入網(wǎng)方式表現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度以及聚類系數(shù)也不同。如果采用LC入網(wǎng)方式，則電網(wǎng)平均路徑長度最短，聚類系數(shù)最大；而如果采用SC入網(wǎng)方式，則平均路徑長度最長，聚類系數(shù)最小。相比較而言，PC入網(wǎng)方式居于兩者之間。

對不同入網(wǎng)方式同步性能進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，不論采用哪一種入網(wǎng)方式，分布式電站數(shù)量增加至負(fù)載數(shù)量的2/3時(shí)，網(wǎng)絡(luò)同步性能最優(yōu)，優(yōu)于分布式電站數(shù)量為負(fù)載數(shù)量1/3時(shí)的同步性能。LC入網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)同步臨界耦合強(qiáng)度最小，SC入網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)同步臨界耦合強(qiáng)度最大，PC入網(wǎng)方式居于兩者中間。

4 結(jié) 論

本次研究結(jié)果表明，分布式電站入網(wǎng)時(shí)，結(jié)合具體情況應(yīng)該首選原有發(fā)動機(jī)節(jié)點(diǎn)平均距離偏遠(yuǎn)的負(fù)荷點(diǎn)開始接入電網(wǎng)，并且在并入電網(wǎng)后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)布置的相對比較分散，此時(shí)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步能力更強(qiáng)，而要想在網(wǎng)絡(luò)中增加擾動，首先需要從距離發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)比較近的負(fù)荷點(diǎn)開始，這樣能夠有效減緩失同步波的擴(kuò)散速度。但是如果遇到一些特殊情況，設(shè)計(jì)人員則要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，采用一種與實(shí)際情況相符的分布式電站入網(wǎng)方式，盡可能減小分布式電站入網(wǎng)對電網(wǎng)同步造成的影響。