敏感负荷在含新能源配网规划的影响范文

摘要:由于新能源出力不稳，未来高比例新能源接入会使配电网电能质量下降，从而降低敏感负荷的运行效率，严重时导致设备运行异常甚至故障。在此背景下，电压下降至敏感负荷电压耐受曲线的不确定区域内时，可能会发生负荷损失的情况，需在配电网规划加以重视，以提高电网的安全性和经济性。文中以变频调速电机为例进行建模，分析其电压敏感性，并估算了变频调速器在电压耐受曲线不确定区域内的故障概率。然后将电压敏感型负荷的损失量纳入配电网风险规划模型中，对现有风险规划进行改进，算例结果验证了所提方法的可行性和有效性，为未来配电网规划提供了参考。

关键词:新能源;敏感负荷;负荷损失;配电网规划

0引言

大规模风电、太阳能等可再生能源发电功率波动会造成电压、频率波动和电能质量问题［1］，其高比例入网会造成一定程度的电压波动，增加网络的不确定性。相同功率因数时，光伏电源的渗透率越高，引起的节点电压波动幅值也越大，同时若注入的无功功率超过局部无功负荷的需求，也会引起潮流反向［2］。如今异步电机在发电场应用仍比较普遍，运行中会消耗电网中的无功功率，在无功容量不足的情况下，会降低整个配电系统的电压值［3－4］。另一方面，计算机、可调速电机、直流电机驱动、交流接触器、可编程逻辑等设备大量投入使用，其运行状态极易受到电压变化的影响，往往几个周波的电压暂降或供电中断都会导致设备运行异常，严重时导致设备故障，造成大量的损失［5－7］。考虑到电压敏感型负荷的比重在逐渐增加，配网规划现须更加重视其供电可靠性。这些都对电网的运行和规划提出了新的要求。从长远来看，现有的网架规划方案将可能满足不了未来负荷发展的需求。目前，国内外针对负荷的电压敏感性以及含分布式能源发电的配电网规划都各有不少研究。文献［8］对可调速驱动装置的电压敏感度进行了分析，并绘制了不同电压暂降类型、电容大小的电压耐受曲线，但未考虑敏感负荷在不确定区域的损失概率。文献［9］用电压耐受曲线和负荷敏感度随机模型表征负荷对电压凹陷的敏感特性，提出了敏感负荷电压凹陷敏感度的随机估计方法。文献［10］以电压暂降严重性指标为依据，提出一种基于最大熵原理的负荷电压暂降敏感度评估方法，该方法对样本数依赖性小，无需主观假设，但文献［9—10］均未考虑电压凹陷的起始点和相角跳变等因素对负荷电压凹陷的敏感度的影响。文献［11—12］考虑了大量分布式电源接入，其出力的波动、间歇和随机特性对配电网风险评估造成的影响，建立了基于配电网运行风险指标的配电网评估模型。文献［13—15］分析了分布式电源容量对配电网的影响，以维护、投资费用最低为目标函数，建立了配电网规划多目标模型，但是规划中缺少对配电网风险因素的考虑。文献［16］提出了综合考虑配电网规划与系统运行的优化模型，将负荷丢失成本作为评价配电网可靠性的指标，但该指标不可量化计算，评价精度有待提高。由此可见，现有配电网规划都未考虑负荷的电压敏感特性对配网规划的影响，规划模型对负荷的描述可进一步发展。本文以变频调速电机型负荷为代表分析电压敏感型负荷对配电网规划的影响。首先在仿真软件MATLAB/SIMULINK上建模，研究变频调速电机对电压凹陷的耐受能力，并通过电压敏感度曲线和负荷敏感度随机模型确定其在电压耐受曲线不确定区域的负荷损失概率。然后分析了配网中大量敏感负荷对安全性和经济性的影响，论述了将敏感负荷损失引入配电网规划模型中的必要性，最终对配电网的网架规划模型做出了改进和案例展示。

1敏感负荷的电压

敏感特性应用MATLAB/SIMULINK建模对典型用电设备(如变频调速类设备)的电压耐受能力进行分析，得到其电压耐受能力。为后续电压凹陷造成负荷损失的分析和评估提供数据支持。

1．1变频调速电机的电压敏感性仿真变频器广泛应用于电机调速，与控制系统及异步电动机一起构成变频电机的主要组成部分，变频方式多采用交－直－交变换，即先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后通过控制系统和逆变器把直流电源转换成频率、电压均可调节的交流电源［17］。电压凹陷可能影响变频调速器的正常运行，导致电机异常，对生产过程造成损失。建立变频电机的MATLAB/SIMULINK仿真模型，交流调速控制方式采用直接转矩控制方式，该系统的控制部分由PI调节器、两相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成。采用的电动机为MATLAB自带模型，仿真参数为:Rs=0．2147Ω，Rr=0．2205Ω，Ls=Lr=0．00991H，Lm=0．06419H，J=0．102kg•m2，np=2，UN=400V，fN=50Hz。

1．2部分代表性设备的电压耐受能力各类负荷在电网事故中对电能质量的敏感程度各有不同，通过现场调研和文献查阅，得到几种典型敏感负荷的电压耐受能力:(1)计算机。当系统电压降至60%，持续时间达到240ms时，其正常运行会受到影响，导致数据丢失、重启、关机等。(2)精密机械工具。电压低于90%且持续时间超过2～3个周期，就会停止工作。(3)直流电机。当电压降低到88%时，直流驱动能力将开始减弱，直流驱动的生产线将会减速，导致出现不合格产品;当电压低于80%时，直流电机就会被跳闸，生产线会停止运转。(4)变频调速器。系统电压低于70%并持续超过120ms，电机自动切除。

2电压波动引起的敏感负荷损失

试验表明，敏感负荷如可编程逻辑控制器(PLC)、计算机(PC)、交流调速器(ASD)的电压耐受曲线(VTC)一般呈矩形［13］。不同的负荷类型对电压凹陷的敏感度也有所差异，同种负荷也会受到环境温度、安装位置、运行时间和保养频度等因素影响，因此负荷的电压耐受曲线存在着不确定区域。当敏感负荷遭受该区域范围内的电压暂降时，负荷能否继续正常工作并不能完全确定，而是存在一个概率。本文以这个概率作为敏感度的指标，结合电压暂降平均水平，可评估敏感负荷受扰的经济损失。

3考虑负荷损失的配网规划模型

3．1敏感负荷对配网的影响电压凹陷发生时，敏感负荷单个设备或元件的故障可能使整个生产线的产品报废，给用户带来极大的经济损失［19－20］。除此之外，大量敏感负荷还会对配网的以下几个方面产生影响。(1)负荷预测。敏感负荷的产生负荷损失以及负荷恢复期间，会增大超短期负荷预测值与实际负荷值的偏差，使得用户用能需求评估不准确。(2)无功规划。对含大规模分布式电源接入的电网来说，电源接入位置和容量会影响到母线电压水平［21］，因此敏感负荷对电压质量的高要求会影响到无功电源的建设。(3)电力平衡。大量敏感负荷的突然损失及负荷恢复会造成瞬间的电力不平衡。(4)投资估算。负荷损失可能导致严重的经济损失。此外，在响应用户电能质量要求时，也影响到调压稳压设备的配置，从而导致投资成本的增加。从以上分析可以看出，敏感负荷的电压耐受度对电网的影响主要体现在安全性和经济性方面，因此在未来进行网架规划时，需要考虑敏感负荷对电压的特殊要求。故在风险规划的基础上，追加考虑敏感负荷损失造成的经济代价，对现有的网架规划模型进行扩展和改进。

3．2配电网规划的数学模型配网规划时，在经济性、稳定性的基础上考虑运行风险、不同天气状态对网络的影响等因素。风险因素包括切负荷和电压越限两个方面［3，18］，本文在此基础上增加了电压波动导致的负荷损失因素。根据正常和恶劣天气条件下的线路设备故障率，采用系统切负荷期望值对切负荷量进行计算，电压越限惩罚函数作为电压越限评价指标。敏感负荷的损失概率和损失量的计算方法为:考虑不同天气对发电系统输出功率的影响，建立分布式发电系统的概率模型［22］，得出新能源在连续时间段内的输出功率概率。依次计算潮流，得到稳态电压分布和电压幅值波动的影响，进而得到电压波动曲线。在得到敏感负荷的VTC顶点后，将其代入到联合分布密度函数(1)中，通过确定函数的积分结果，计算出电压凹陷影响下的负荷损失概率。根据电压波动曲线，确定各类敏感负荷的负荷损失概率，得出敏感负荷损失量及其导致的经济损失。

3．2．1目标函数文中配电网风险规划模型以待选路径及回数作为决策变量，在保证合理风险水平的前提下，综合考虑在规定年限内的经济投资收益最大值。传统风险规划模型未考虑敏感负荷损失量。

3．2．2风险规划流程图考虑天气因素对配电网运行风险和新能源出力的影响，经过本节所述改进风险规划评估指标进行评估，得到合理的规划方案。

4算例

本节以配电网6节点系统为例，验证提出的考虑敏感负荷损失配电网风险规划方法的可行性和有效性。配网长期运行时，配网产生的电压暂降时间都足够长［23］，故主要考虑敏感负荷在C区的损失概率。6节点系统作为一个配电网小型测试系统，节点3为平衡节点，其余皆为PQ节点，其中节点1接有发电机，节点6上安装了光伏装置。具体数据见表5和表6，其中，光伏装置投资费用11．5元/W。

5结语

可再生能源发电受天气和季节的影响比较大，抗干扰能力较差，大量新能源接入电网，对电网电压产生大幅扰动。针对变频器接入型负荷的适应性，本文总结了多种主要敏感设备的电压耐受特性，建立了变频调速电机的仿真模型，并计算了变频调速器在VTC不确定区域内受电压波动影响的负荷损失概率。在原有风险规划的基础上，提出了考虑电压波动下敏感负荷损失的配电网规划模型，提高了规划方案的合理性。以6节点系统电网为例，利用粒子群算法对考虑敏感负荷损失的风险规划模型进行求解。与不考虑敏感负荷损失时的规划方案相比，降低了敏感负荷损失的风险，提高了配网规划方案的经济性。

作者：赵芳，杜兆斌 单位：华南理工大学电力学院