含分布式电源的配电网脆弱性分析

张凯

摘 要：电力系统中的某些脆弱环节会加剧故障的蔓延，如何准确的辨识出这些脆弱环节，是当前研究的热点问题。一方面将配电网由单电源辐射状结构变为多电源结构系统，另一方面也改变了配电系统的潮流分布，进而对脆弱线路的识别产生一定的影响。分布式发电可作为备用电源为高峰负荷提供电力，提高供电可靠性；可为边远地区用户、商业区和居民供电；可作为本地电源节省输变电的建设成本和投资、改善能源结构、促进电力能源可持续发展。

关键词：含分布式电源；配电网脆弱性

分布式电源（DG），通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力发电、生物质能发电等。它的投资少、占地小、建设周期短、节能、环保，对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、有效。另外，当前针对电力系统的脆弱性研究大多集中在输电领域，很少涉及到配电系统。因此，建立一套符合电网实际物理意义的配电网脆弱线路识别体系变得尤为重要。

一、优势

目前电能生产、输送和分配的主要方式分别是集中发电、远距离传输以及大电网互联。由这三种方式组成的电力系统承担着全世界90%的电力负荷。但是它也存在着局部事故易扩散、容易受到战争或者恐怖势力破坏以及无法灵活跟踪电力负荷等等弊端。而分布式发电有着自身特有的优势，下面将对其作简单的介绍：（1）节能降耗。首先，分布式电源供电距离较集中发电方式短得多，网损降低明显；其次，分布式电源则能够提供多种形式的能量，能实现能量的梯级利用，典型的是冷、热、电三联产，符合“温度对口、梯级利用”的原则，从而大大提高了能源的总体利用效率。（2）减少空气污染。分布式发电以天然气、轻油等清洁能源和风力、水力、潮汐、地热等可再生能源为发电原料，能够有效减少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害气体的排放。同时，由于分布式能源系统发电的电压等级比较低，电磁污染比传统的集中式发电要小得多。（3）提高电网的经济性和可靠性。由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷的作用，现有发输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必要，大大地提高了电网的经济性。此外，分布式发电还可以作为备用电源为高峰负荷提供电力，通过自身开停机方便、操作简单、负荷调节灵活的特点，与大电网配合，弥补其安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下也可维持重要用户的供电，大大提高供电可靠性。

二、含分布式电源的配电网脆弱性

1.目前，配电网中考虑脆弱性的DG 规划研究。主要可归结于以下3 个方面。（1）脆弱性因素的建模研究。脆弱性因素的建模研究是配电网中考虑不确定性的DG 规划的基础，其涉及风电和光伏的出力特性、负荷的不确定性、未来电价的不确定性和燃料成本的不确定性等。（2）TDN 中的DG 规划方法。DG 接入TDN 后，遵循“安装即忘记”的原则，即DG 在运行过程中不接受来自配电网的主动管理和控制。目前，TDN 中考虑不确定性的DG 规划方法主要有3 类：第1 类是基于多场景技术的规划方法；第2类是基于机会约束理论的规划方法；第3 类则是基于模糊数学理论的规划方法。（3）ADN 中的DG 规划方法。ADN 是目前智能配电网一种新的发展模式，能利用先进的自动化、通信和电力电子等新技术实现对接入配电网的DG 和其他设备进行主动管理。目前，ADN 中考虑不确定性的DG 规划方法主要包括单层规划方法和基于双层规划理论的双层规划方法。

2.DG 规划。在TDN 中，DG 接入后遵照“安装即忘记”的原则，这样不仅无法充分利用DG 在降低网损、改善系统潮流分布等方面的积极作用，还很大程度上限制了DG 的渗透容量。针对TDN 的弊端，ADN 应运而生。ADN 是目前智能配电网一种新的发展模式，能利用先进的自动化、通信和电力电子等新技术实现对DG和其他设备进行主动管理和控制。ADN 的出现给考虑不确定性的DG 规划问题带来了新的挑战。在ADN 中进行考虑不确定性的DG规划时，除了需要计及各种不确定性因素的影响外，还需在规划阶段模拟ADN 的运行和主动管理措施。现有文献中考虑的主动管理措施主要包括调节DG的有功出力、调节DG 的功率因数、调节有载调压变压器抽头、调节无功补偿装置和切负荷等。目前，ADN 中进行考虑不确定性的DG 规划时，通常采用多场景技术或概率模型来处理各种不确定性因素。并利用概率最优潮流技术或者概率潮流技术来计及不确定性因素。ADN 中考虑不确定性的DG 规划方法可以归纳为2 类：一类是DG 单层规划方法；另一类是基于双层规划理论的DG 双层规划方法。

3.分布式电源并网对电网电能质量的影响。受环境和气候条件、用户需求、政策法规等因素的影响，分布式电源的起停与投切，其不确定性易造成配电网明顯的电压波动和闪变。同时，分布式电源的控制设备和反馈环节的相互作用也会直接或间接引起电压闪变；分布式电源采用基于电力电子技术的逆变器接入配电网，与传统电网的方式有很大不同，开关器件的频繁开关易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造成谐波污染；分布式电源常位于配电网的终端，离负荷较近，输出的无功会使负荷节点处电压升高，甚至超出电压偏移标准。当分布式电源退出运行时，受其影响较大的节点负荷又因缺少电压支撑而遭受低电压等严重电能质量问题，受影响程度的大小与分布式电源的类型、位置和容量有关；大量分布式电源在电网随机投入和退出运行加大了电力系统负荷预测的不确定性，使配电系统规划者难于准确预测负荷增长情况；配电网规划是动态规划问题，其动态属性同其维数密切相关，系统增加的大量分布式发电机节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困难；

三、未来发展方向

1.考虑需求侧响应的DG 规划。随着智能配电网的发展，各种需求侧响应和管理应运而生。目前，对需求侧响应的研究包括直接负荷控制、可中断负荷控制、紧急需求响应机制、分时电价机制、可靠性电价机制和关键峰荷电价等。不同的需求侧响应方式具有不同的特性。因此，如何针对需求侧响应本身的特性进行建模，并将其融入现有的考虑不确定性的DG 规划模型将是未来智能配电网中的一个研究热点。

2.考虑储能系统接入的DG 规划。随着储能技术的成熟，储能系统已在配电网中得到了示范性应用，能够起到平抑间歇性DG 出力波动和削峰填谷等作用。储能系统在运行过程中需要遵循充放电状态约束、最大充放电功率约束、剩余容量约束和充放电次数约束等。若在DG 规划阶段考虑储能系统的接入，其物理特性约束将使得配电网的前后运行状态之间存在时序耦合关系，意味着在规划过程中需要模拟包括储能系统在内的时序动态特性，这将大幅增加规划模型的复杂度。因此，如何在进行DG 规划时合理地对储能系统进行建模并计及其带来的时序动态特性，将是未来研究的一大挑战。此外，随着智能电网的发展，需求侧响应和储能技术在配电网中得到了推广，这大幅增加了规划模型的复杂度。因此，研究规划模型的合理简化方法、采用新思路或者新的数学理论来研究更高效的求解算法也将是一个非常重要的研究领域。

随着分布式电源水平的不断提高、设备性能的不断改进，分布式电源并网引起的电能质量问题也将被逐步解决，分布式电源也会逐步占据能源综合利用上最重要的位置。

参考文献

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