含分布式扶贫光伏电源的农村配电网电压质量研究

纪青春， 许建荣， 岳文华， 夏春辉， 李小燕

(1.国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730070；2.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730500)

0 引 言

分布式光伏发电接入农村配电网是必然趋势和必需选择。农村配电系统与用户直接相连接，其特点是呈辐射状运行结构，负荷分散，且线路较长导致阻抗较大。农网低压线路一般以三相四线制的方式进行供电，通常采用单相二线的供电方式，极少数采用三相动力负荷。因此，农网运行时不可忽略三相不平问题，那么负荷的不平衡将导致零序电流流过中性线形成新的回路，且具有叠加性，中性线的零序电流大小为相线的三倍[1-2]。

目前, 不确定性潮流计算方法主要有概率潮流[3-4]、模糊潮流[5-6]和区间潮流[7]等3类计算方法。文献[8]提出了对于输配电网的正、负以及零序分量较为适应的动态潮流计算方法，无法适用于中低压型配电网。

考虑到配电网的辐射状结构与高阻抗比特性，将前推回代潮流算法应用于配电网潮流计算时具有较好的精度与计算效率。首先对弱环配电网进行潮流分析，然后将前推回代法基本原理应用于配电网的潮流计算中，通过MATLAB仿真软件对潮流计算程序进行运行，且描述了通过概率潮流计算具有弱环网的配电网方法，通过33节点系统对计算程序进行了仿真验证。然后在光伏出力服从Beta分布的基础上提出基于半不变量法的概率潮流计算方法，利用概率评估方法评估农网的电压质量。最后通过仿真研究且与蒙特卡罗模拟法进行对比，表明此研究所提方法的普适性。

1 概率潮流算法理论基础

1.1 概率潮流计算的线性化模型

本文采用概率潮流的线性化模型，其表达式如式(1)所示。

(1)

式中：X为节点状态量；W为节点注入功率量；Z为支路潮流功率量。将式(1)按照泰勒级数展开，然后做线性化处理，则可得到式(2)表达式。

(2)

式中：S0和T0为灵敏度矩阵；ΔW为各节点的注入扰动量；ΔX为各节点的状态量扰动量；ΔZ为各支路功率的扰动量。

1.2 农网电压质量的评估指标

本文利用概率潮流进行电压质量指标的评估。电压质量的指标以电压偏移和电压偏差为主进行分析。指标如下：

(1) 电压偏差

(3)

式中：U为该点实际电压有效值；UN为额定电压的有效值。

(2) 电压波动

(4)

式中：Umax、Umin分别为该点实际电压的最大值和最小值。

利用平均均方根误差指标(average root mean square，ARMS)对两种方法进行准确性比较，且以蒙特卡罗为参考对象，通过两种方法计算分别得出其概率分布。ARMS的计算如式(5)所示：

(5)

2 配电网电压质量评估研究

2.1 不含光伏发电的配电网电压质量评估

为了更好地说明所提方法的准确性，本文以33节点系统为算例，利用MATLAB2014a软件编写了33节点辐射状配电网系统的潮流计算程序。不含分布式光伏的节点电压幅值结果如图1所示。不含光伏电源的配电网电压稳定性指标如图2所示。

由于负荷具有不对称性，因此通过潮流计算得到的各个节点的电压幅值也存在不对称现象。由图1可以看出，不对称性较为明显。图2的分析结果更显而易见，从静态电压稳定性来看，节点23和节点24最不稳定，其次是节点29和节点30。因此，本文选取节点24和节点29两个较为特殊的节点接入光伏对电压稳定性进行分析。从图3可以看出，配电网系统节点23和24的静态电压稳定性相对与其他节点较为不理想，其次是29和30节点。因此选择在24和29节点处接入光伏进行分析静态电压稳定性。

图1 无光伏接入的节点电压幅值

图2 无光伏接入的电压稳定性指标

2.2 含光伏发电的配电网电压质量评估

由仿真分析可得光伏发电接入后的配电网电压幅值,如图3所示。光伏发电接入配电网前后的电压稳定性指标如图4所示。

图3 光伏接入的节点电压幅值

图4 光伏接入前后电压稳定指标

从图1～图4中可以看出，光伏发电接入配电网后提高了电压幅值水平以及电压的稳定性，对电压的平衡调节也较为显著。

2.3 实际配电网模型的算例分析

前一小节中仅分析了IEEE标准节点系统的电压质量指标，为了验证本文方法的实用性，本节以甘肃省会宁县某地区实际配电网为例进行仿真分析，选取部分配电网，其参数如图5所示，其仿真结果如图6～图7所示。

图5 甘肃省会宁县某地实际配电网接线

由图6可以看出，对于各个节点电压的概率密度曲线半不变量的拟合更加准确。由图7可知，支路有功功率的概率分布曲线在拟合时有很大误差。因此，本文提出了一种在蒙特卡罗的基础上结合半不变量的方法进行潮流计算。

图6 节点的电压PDF

图7 有功功率CDF

在仿真运行中，两种概率潮流的计算时间如表1所示。从表1得出，半不变量法的计算时间比蒙特卡罗法计算时间约缩短了11倍。基于此，可以得出利用半不变量法计算概率潮流的评估方法大规模的缩小了计算时间。

表1 两种方法的运行时间比较

3 结束语

针对扶贫光伏发电系统接入农村配电网后电压质量的变化，此研究在半不变量的基础上通过概率潮流算法计算了电压质量的各项指标，且对甘肃省实际配电网进行仿真，定性分析了扶贫光伏系统接入后对配电网的影响程度。相较于具有普遍性的蒙特卡洛方法，本文所提方法在节省时间的同时提高了计算精度。通过对实际配电网模型进行仿真分析，表明了本文所提方法的有效性及准确性。在电压质量的分析中利用了半不变量算法，提高了计算效率，优化了计算精度。