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计及电能质量影响的智能配电网孤岛划分策略

武汉大学电气工程学院、太阳能高效利用湖北省协同创新中心、华中电力调控分中心的研究人员陈汝斯、林涛、余光正、毕如玉、徐遐龄,在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出,现有智能配电网孤岛划分研究主要从功率平衡的角度出发,对电网安全约束考虑不充分,未考虑电能质量的影响,难以保证孤岛安全可靠运行。


提出一种计及电能质量影响的智能配电网孤岛划分策略。故障后,首先计及联络开关进行网络连通性分析,进行初始孤岛划分。然后,对每个初始孤岛,建立切负荷-网络重构双层优化模型,并采用微分进化算法和混合粒子群算法求解,以降低搜索空间维数。具体地,在切负荷优化模型中,在允许频偏范围内充分发挥DG的调频特性,以减少负荷切除量;在网络重构优化模型中,建立包含频率约束、负序及谐波不确定性约束的电能质量综合约束集。


提出基于序列二次规划法的配电网柔性潮流算法计算频率偏移条件下的孤岛潮流,引入点估计法进行负序、谐波不确定性分析,以改善孤岛的电能质量,提高其运行可靠性。最后,基于实际复杂配电网算例,验证了该策略的有效性和优越性。


对配电网故障后供电恢复的研究,一直是配电网研究的热点问题之一[1-13]。传统配电网在发生故障后,先通过断开故障点分段开关隔离故障,而后对非故障电网进行网络重构以实现供电恢复[4]。分布式电源(DistributedGenerator,DG)的接入,为电网在故障后以孤岛形式保证部分负荷的正常运行提供了可能。


传统上对孤岛的处理原则是:一旦系统发生故障,立即断开所有分布式电源[5],以防止对于系统中设备可能的损坏,消除潜在的安全隐患,并没有充分利用DG在孤岛运行模式下的带负荷能力。


随着DG接入容量不断提高及智能配电网的发展,研究在故障后不断开DG,利用孤岛效应维持重要负荷供电和恢复非故障区域供电,对提高配电网具有重要意义[6]。


作为配电网故障恢复的重要一步,对于含DG的孤岛划分问题目前已经取得了一些研究成果,根据是否计及负荷可控性,可分三大类:


①负荷不可控。文献[7,8]通过优化分段开关开合来选择并入孤岛的负荷,由于分段开关组合影响系统连通性,待分析网络通常需要被划分为多个独立运行的孤岛,这类划分策略难以充分发挥DG的带负荷能力以及从根本上保证对于重要负荷的供电。随着智能电网建设的不断推进,大量负荷管理系统被配置到系统中以进行需求侧管理,并对配电网孤岛划分有着重要的影响。


②负荷部分可控。文献 [9-11]考虑了系统中部分负荷为可控负荷(可通过负荷控制终端开断)的情况,以提高孤岛规模的可控性、更好地满足较重要负荷的供电需求。


③文献[12,13]分析了负荷均可控时的孤岛划分策略,由于系统连通性与负荷投切无关,因而可充分利用DG出力最大化,最灵活地恢复负荷;也使得孤岛范围尽可能大,不仅抵御扰动能力更强、也有助于故障排除后系统的快速恢复。


但文献[12,13]还存在以下不足:


1)仅分析了发生单重故障的情况。近年来,极端自然灾害的发生概率和所造成的停电损失急剧增长,其特点之一即为多重故障,诸如网架受损、DG退出运行等。因此,从韧性配电网的角度出发,有必要在制定孤岛划分策略时计及上述因素。


2)负荷状态、开关状态等统一考虑,由于优化变量较多,导致搜索空间较大、计算效率较低。


3)未充分发挥DG的带负荷能力。每一个孤岛中至少有一台DG具有电压、频率控制能力,通过利用其频率调节特性,在允许的频率偏移范围内通过适当降低孤岛运行频率、使得DG增发有功,可多带负荷、减少负荷切除量。


4)安全约束考虑不充分。现有研究多从功率平衡角度出发,计及电压、网络结构辐射状等约束,未考虑伴随日益增多的不对称、非线性负荷而来的负序、谐波等电能质量问题的影响。


一方面,由于孤岛容量较小,其负序、谐波问题相较于非孤岛运行时更为严重。对于同步机类型DG,较大的负序分量可能会使其负序保护动作进而退出运行[14],对于逆变器接口型DG,负序和谐波分量会导致其输出功率波动[15]。


另外,较高的谐波含量对诸如并联电容器等各类设备的安全运行构成威胁[16],导致谐波敏感设备非正常甚至退出运行。因此,上述电能质量问题可能导致孤岛内有功功率、无功功率不平衡,并进一步导致孤岛运行失败。


另一方面,部分上述负荷,诸如地铁、电动汽车充电站、快速公交系统充电站等民用负荷以及诸如冶炼企业、含大容量工业电机的制造企业等工业生产负荷,一旦停电,会对社会生活以及工业生产带来严重影响。故有必要在进行孤岛构建时计及谐波、负序的影响,并通过孤岛重构进行优化、控制,在可承受电能质量范围内,尽可能地保留这些负荷在内的总负荷和高优先级负荷。


进一步地,为保证孤岛持续运行的鲁棒性,考虑到由于负序、谐波注入不确定性导致的传播的不确定性,应充分考虑电能质量不确定性的影响。


据此,本文提出一种计及电能质量影响的智能配电网孤岛划分策略。针对各故障场景,首先基于网络连通性快速检验方法进行初始孤岛划分;然后,对于每个初始孤岛,建立由以优先维持高重要等级负荷供电、总负荷切除量最小为目标的切负荷优化模型,和以开关动作次数最小、网损最小为目标的孤岛结构优化模型构成的双层优化规划模型,以降低寻优空间维数、避免组合爆炸。


在切负荷优化模型中,在允许的频率范围内充分利用DG调频能力,以降低负荷切除量;在孤岛结构优化模型中,建立负序、谐波不确定性约束集,以避免因负序、谐波问题影响孤岛的正常运行、提高孤岛运行可靠性。


图1  某实际复杂配电网算例拓扑

实际复杂配电网算例拓扑


计及电能质量影响的智能配电网孤岛划分策略结论

本文提出了一种计及电能质量影响的智能配电网孤岛优化划分策略,并基于某实际复杂配电网算例进行了测试,验证了本文策略的可行性和正确性。本策略具有以下优点:


1)分析了多重故障情况下的孤岛划分策略,提出基于网络连通性分析的初始孤岛划分策略,计及联络开关的作用,有利于极端场景下充分发挥DG孤岛效应维持更多高优先级负荷正常运行。


2)在孤岛频率允许范围内,让DG参与调频,降低了负荷切除量。


3)基于点估计法进行负序、谐波不确定分析,建立电能质量综合约束集以指导孤岛结构优化,以保证孤岛运行时电能质量较优,避免因电能质量问题影响孤岛安全运行的可靠性。


4)建立了切负荷-孤岛结构双层优化模型,降低了优化规划维数,提高了分析效率。


通过计及联络开关作用,建立双层优化模型、在允许范围内充分考虑DG的频率调节特性和建立电能质量综合约束集,本文策略实现了更快实施、更少切负荷量和更安全可靠运行的孤岛划分目标。


相较于已有研究,本文所建模型的约束条件更加复杂,可否通过引入松弛变量等方式,并开发性能更好的优化算法,进一步加快求解以及收敛速度,以便于在线实施应用是下一步的研究方向。

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