主動配電網建模

主動配電網建模是指變壓器、輸電線路、負荷的模型等組成的配電網模型，由分散式電源、負荷、儲能系統和控制裝置構成的配電系統。

它對於大電網表現為一個單一可控的單元，可對負荷實現多種能源形式的高可靠供給。

基本介紹

• 中文名：主動配電網建模
• 外文名：Active distribution network modeling
• 背景：能源短缺和環境問題的日益突出
• 現狀：DG控制、規劃和運行
• 特點：雙向流動等
• 建模：變壓器、輸電線路模型等

背景

近年來，隨著能源短缺和環境問題的日益突出，新能源發電技術在國家政策的大力支持下得到了迅猛的發展，大量的新能源發電裝置以分散式電源(DistributedGeneration, DG)的形式接入到電網中，在緩解電網壓力的同時也給電網帶來了電能質量和規劃、運營、控制等方面的挑戰。

DG一般是指接入配電網當中或電網中用戶一側的小容量(一般10MW以下)的發電系統。DG的類型主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能光伏電池、風力發電以及儲能裝置等，其中以光伏發電和風力發電套用最為廣泛。DG以小規模、分散式的方式布置在用戶附近，這樣不僅輸電損耗小，還能方便可靠地實現功率補償和電能供應。由於DG在經濟環保、電力安全性和可靠性以及滿足用戶的多樣化需求等方面具有較大優勢，得到了極大的重視和廣泛的套用。

傳統電網在接入大量的DG之後，使得電網不再是只有電力負荷的能量單向傳輸的配電網，而是電源與電力負荷並存，能量雙向甚至多向流動的電網。這樣傳統電網的調度、控制和管理方法需要更新換代才能適應這一新形勢。

主動配電網的特點

主動配電網的特點主要有:

1)是含有大量中小容量的DG；

2)主動配電網中的功率是雙向流動的；

3)主動配電網能夠實現自我控制、保護和管理等功能。目前被廣泛研究的微網(Microgrid )可以說是ADN的一種特殊形式。

目前學術界和工業界都己逐步將研究方向從單純的新能源發電技術轉向到新能源發電接入主動配電網和微網方面，並建立示範工程和實驗系統，以證明新型配電系統的可行性和可帶來的效益。

國內外研究現狀

主動配電網(ADN)是近幾年來才提出的新名詞。最早美國電力可靠性技術解決方案協會((CERTS)提出了“微網”的概念，微網是由微電源和負荷共同組成的系統，可同時提供電能和熱量，其組成結構較ADN簡單，也可以說是ADN的一種特殊形式。

目前對ADN的研究處於領先地位的主要有北美、歐盟和日本等。美國CERTS已在美國電力公司Walnut的微網測試基地成功驗證了微網的初步理論;歐盟推出了“Microgrids”和“More Microgrids" 2個主要項目，德國太陽能研究所建成的微網實驗室規模最大，容量達到200kVA，該研究所還在其實驗平台設計安裝了簡單的能量管理系統;日本常規能源較為匾乏，在可再生能源開發和利用上投入較大，已在國內建立了多個微網項目，其微網實驗系統的開發亦處於世界領先水平。

而我國對ADN的研究較其他國家相對落後，研究熱點主要集中在DG本身的控制以及DG規劃和運行等方面，對DG的併網技術標準和併網規程方面尚有欠缺，這極大地限制了分散式發電技術的套用和推廣。但是我國大力支持可再生能源的發展，在西部和沿海分別建立了光伏電站和風力發電場等，估計2020年將達到20GW~30GW作為電力行業一個新興的研究熱點，對主動配電網的研究大多集中在電能質量(電壓和諧波)、系統穩定性(靜態穩定性和動態穩定性)、可靠性以及DG控制方法的改進等方面。

主動配電網建模

ADN一般是指由分散式電源、負荷、儲能系統和控制裝置構成的配電系統。

配電網是指電力系統中二次降壓變電所低壓側直接或經過降壓變壓器降壓後向用戶供電的網路。配電網按電壓等級可分為高壓配電網(35~110kV)、中壓配電網(6~10kV)和低壓配電網((0.4kV)，而ADN多指含DG的更靠近用戶側的低壓配電網。

低壓配電網的結構按接線方式大致可分為三種:輻射網、樹狀網、環狀網。如圖所示。圖中位於低壓母線出口處的黑色方塊代表斷路器，饋線上的黑色圓點代表線路節點，箭頭代表負荷。不管是何種結構，都是由高壓電網經降壓變壓器降壓後通過單個或者多個饋線向某區域內用戶供電，而用戶則可以處於饋線上的任意節點。

低壓配電網一般具有如下特點:

1)深入城市中心和居民密集點;

2)傳輸功

率和傳輸距離一般不大;

3)供電容量、用戶性質、供電質量和可靠性要求不同;

4)中性點不接地運行，單相接地時允許運行一段時間。

變壓器模型

ADN結構中包含一個連線大電網的降壓變壓器，其額定容量等級通常在0.1~1MVA之間。額定容量的等級同時也決定了整個配電網中所能承載的負荷容量。變壓器通常有一個典型的載荷調節範圍為額定容量的士5%。變壓器負荷率又稱運行率，是影響變壓器容量、台數和電網結構的重要參數，其表達式為:

式中，S₁為變壓器的實際最大負荷，S_sc為變壓器的額定短路容量。K_P取值大，則稱高負荷率;K_P取值小，則稱低負荷率。

變壓器的勵磁電流通常占額定負載電流的百分比很小(正常低於3 %)，故勵磁支路在諧波分析中經常被忽略，所以變壓器一般利用它們的串聯漏電抗表示。在諧波作用下，變壓器繞組以及繞組匝間的電容將起作用，若諧波次數不太高，此作用可忽略。故變壓器等值電路可簡化為一個連線變壓器原副邊節點的阻抗支路，如圖所示。

輸電線路模型

ADN中的輸電線路主要有地下電纜和架空線路。前者主要套用在高負荷密度的城市區域，而後者套用更為普遍，主要材料是絕緣A1芯或Cu芯導體。

在電力系統分析中，用電阻、電抗、電納和電導參數反映輸電線路特性。實際上，這些參數沿線均勻分布，即線上路任一微小長度內都存在電阻、電抗、電納和電導，因此精確地建模非常複雜。輸電線路模型可分為等值的集中參數元件模型和行波模型兩大類。在僅需要分析線路連線埠狀況，即兩端電壓、電流、功率時，通常可不考慮線路的分布特性，用集中參數元件模型模擬輸電線路;當線路較長時，則需要用雙曲函式研究均勻分布參數的線路。

負荷模型

ADN中的負荷按其特性分類大致可分為線性負荷和非線性負荷兩類。線性負荷可作為抑制諧波畸變的元件，用接地等值阻抗可以模擬，在諧波頻率下，其電抗隨著頻率變化。非線性負荷主要包括家用電子設備以及換流式開關電源等，這些非線性負荷對配電系統來說相當於離散型諧波源。隨著非線性負荷的大量增加，會加重用戶電流的畸變率，影響供電電流波形。但是由於不同非線性負荷的諧波電流分量存在相角差經常會發生相互抵消，因而降低了系統對電壓畸變水平的有效影響。

同理，DG作為ADN中的有源非線性負荷，諧波之間也存在相互抵消的現象。有研究表明[[32]，對於同類負荷，低次諧波分量(如3次和5次)只有很少的抵消作用，而高次諧波分量的抵消作用卻很明顯。在對高次諧波需要關注的時候，這類抵消效應是很重要的，諧波之間的相位差、配電網的線路阻抗以及負荷都能消除部分諧波。同時，配電網中固有的單相負荷使得配網具有不對稱的特點。

(1)線性負荷模型

在給定頻率時，線性負荷等值阻抗為常數，負荷吸收的有功功率和無功功率與負荷的電壓平方成正比。如圖所示為串聯和並聯的恆阻抗負荷模型。

(2)非線性負荷模型

非線性負荷主要包括一些電力電子型設備，比如個人計算機、節能螢光燈、電視機和螢光照明設備等。這些負荷除了是諧波源之外，還不能用恆定的R, L,C結構來表示，而且其非線性特性不太適合用線性諧波等值模型表示。非線性負荷可以作為諧波注入電流源考慮，對於一些非線性負荷來說，只要實際的電壓畸變低於1%左右，就可以看成是理想的電流源。

DG模型

由於DG變流器是ADN諧波的主要來源之一，為了對ADN的諧波特性進行研究，有必要通過建立合理的模型研究DG變流器的諧波特性。

1、DG的分類

DG的形式主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能光伏電池、風力發電以及儲能裝置等，其中以光伏發電和風力發電套用最為廣泛。下面簡要介紹一下儲能裝置、光伏發電和風力發電的拓撲結構及工作原理。

(1)儲能裝置

在配電網中接入儲能裝置，可以起到良好的移峰填谷的作用。在電量過剩時，儲能裝置可以吸收能量，反之，在電量緊缺時，儲能裝置釋放能量。同時，為支持ADN的離網運行狀態，ADN中通常安裝能快速調節頻率和功率平衡的儲能裝置。該儲能裝置可以是蓄電池組，也可以是飛輪儲能等。其安裝位置多在降壓變壓器低壓側出口母線處。典型的蓄電池接入電網的拓撲結構如圖所示。

(2)光伏發電(PV)

由於光伏發電受光照強度和天氣情況等制約，輸出功率具有隨機性和波動性，故在ADN中通常採用電流型控制策略。其典型雙級式併網拓撲結構如圖所示，太陽能電池組件發出的直流電經過直直變換器升壓，再經併網變流器將直流電轉換成工頻交流電，最後經濾波裝置、隔離變壓器之後併網。採用這種雙級式拓撲結構能簡化每一級的控制方法，提高各級的控制效率。

(3)風力發電(WP)

風力發電(Wind Power)是一種由傳動裝置將風能轉為機械能，再由發電機將風能轉換為電能的發電技術。風力發電因為風速的不確定性，導致其輸出功率與PV系統一樣具有隨機性和波動性。故其在ADN中同樣採用電流型控制策略。以目前兩大主流機型直驅型和雙饋型風力發電系統為例，其典型拓撲結構如圖所示。圖 (a)為直驅永磁同步發電系統，同步發電機發出的電能經過交一直一交變流器轉換為工頻交流電，再經過濾波裝置、隔離變壓器之後併網。圖(b)為雙饋異步風力發電系統，雙饋機的定子側輸出工頻交流電直接與電網相連，轉子側則經交一直一交變流器再與電網相連，以提供可控的轉子勵磁電流。與雙饋機組相比，直驅型風力發電機組由於省去了齒輪箱，具有結構簡單，運行維護成本低，可靠性和效率高等優點。

2、DG的接入形式

DG接入系統有兩種方式:並聯接入電網或通過開關切換，如圖所示。

在並聯接入方式中，當DG供電中斷時，電網能瞬時彌補負荷差值。同樣，當電網出現故障時，DG也能瞬時承擔起負荷。這種方式可以保證負荷始終不間斷供電。

在開關切換方式中，任一時刻DG與電網中僅有一個電源與負荷相連，而另一個僅在開關切換後工作，但負荷在開關切換過程中處於停電狀態。

開關切換方式與並聯接入方式相比有如下優點:

1)設備和運行簡單，控制和調節迴路較少；

2)由於DG一般只在需要時運行，因而DG運行成本較低;而並聯運行時，DG始終保持運行，這不僅會增加燃料和運行維修費用，還會造成機組磨損等。

3、DG變流器模型

不同種類的DG通常需要通過電力電子裝置接口併網，不考慮不同DG的特性，認為中間直流側己控制恆定，只關注併網逆變器側。以目前套用最廣范的三相電壓源型兩電平PWM變流器作為研究對象，其輸出電流的諧波與電網電壓、PWM調製策略和開關頻率、控制策略和參數、工作條件和輸出功率等有關係。

三相PWM變流器最基本的工作原理是在維持直流電壓U_dc恆定的基礎上，通過調節變流器交流側輸出電壓的幅值和相位，改變網側有功和無功功率的大小。

帶PQ控制策略的Average模型框圖，如圖所示。

圖中P_ref和Q_ref是逆變器輸出有功和無功的設定值，與q軸電壓的1.5倍相除可以分別得到d、q軸電流的指令值( 和 也可以直接給定)。d、q軸電流的指令值與實際電流的誤差通過PI調節環節後，經過解耦得到的u_d、u_q重新轉換到abc三相靜止坐標系，直接給可控電壓源，通過電感併入電網。通過PQ控制，使得逆變器的輸出功率總是跟蹤給定的有功和無功功率。

等量變換的有功無功計算公式如下:

在Average模型中，忽略了直流側電壓的變化，在電網電壓不變的條件下，只要改變框圖中有功無功的指令就可改變變流器輸出的有功功率和無功功率，這樣就能模擬PV和WP等DG輸出功率的變化。同時，與Detail模型相比，由於沒有開關過程，Average模型的輸出電壓中不含高次諧波，只有受控制性能影響而產生的少量低次諧波。Average模型適用在不考慮SVPWM產生的低次諧波。

需求回響

隨著配電側售電市場的不斷放開，主動配電網將在未來的電能交易中充當重要的角色。 通常根據種類不同將需求分為兩類：第一類是不會受電價的波動而改變的需求!稱為剛性需求；另一類是隨著電價的波動用電需求量隨之發生改變的需求，稱為彈性需求。

以彈性需求函式表征彈性需求與價格之間的關係，如下式所示：

式中

d 表示用電需求;

p表示單位售電價格;

α、σ為彈性需求係數。

由上式可以看出!隨著電價下調，用電量顯著提升，然而當配網運營商參與到交易市場!實際負荷超過協定購買的電量時，會存在相應的價格懲罰係數μ，即配網的購電成本將顯著上升，並且當負荷過重時還會影響到配網的穩定運行。

右圖展示了用電量與單位用電價格和購電成本之間的關係。圖中 、 分別表示t時段用戶電能的剛性需求量和最大需求量。顯然 ≤ ≤ ，可以看到在2條曲線的交點處用戶可以獲得優惠的電價並且配電網運營在一個經濟環境下。 當超過 時，配網的購電價格將大於向用戶側的售電價格。

意義

隨著DG越來越多的引入配電網，其自身的問題也日漸顯現。比如，可再生能源的間歇性，發電量的不確定性等，再者，可再生能源以DG形式併網通常需要通過電力電子裝置轉換成標準的工頻交流電供給負荷或併網。電力電子裝置大多採用PWM控制，其產生的諧波電流若不經過有效抑制會使電網的諧波問題更為嚴重，同時，由於工業中非線性負荷的大量增加，比如靜態功率變流器的廣泛套用，引起了電網電壓、電流波形發生畸變，造成電網諧波污染。這些都給電力系統的規劃和運行帶來了很大的挑戰，其中對配電網諧波分析的影響近年來逐漸成為電力行業所關注的主要問題之一。因此正確合理地分析DG的諧波特性、DG諧波對電網諧波分布的影響以及DG與電網諧波之間的相互影響有利於DG的進一步發展和套用，對於研究和發展主動配電網具有十分重要的指導意義。

展望

未來的研究方向可概括如下:

(1)DG模型只考慮了併網變流器側，如果考慮到風力發電、光伏發電和儲能裝置各自的特點，DG輸出的諧波特性可能會有差別。

(2)對離網情況下的諧波分析可以從負荷多樣性、DG波動性以及再併網等方面繼續深入。