考虑分布式发电的配电网电压稳定性判据

伍荣江　夏宇涛　张秋实　李恩文

【摘 要】考虑分布式发电接入，提出了一种改进的基于潮流解存在性的配电网电压稳定判据。结合现有的电压稳定性指标和分布式发电的特点，在分布式发电的接入点及其上游节点处采集电压、电流、功率等信息，根据改进的电压稳定性判据实时监测配网的电压稳定性，并建立相应的仿真模型对该判据有效性进行仿真验证，理论分析和模拟仿真都验证了该改进判据的有效性。

【关键词】分布式发电；配电网；电压稳定性

中图分类号： TM611 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0035-003

Voltage Stability Criteria for Distribution Network Considering Distributed Generation

WU Rong-jiang1 XIA Yu-tao2 ZHANG Qiu-shi3 LI En-wen3

（1.Guizhou Power Grid Co.，Ltd.Guiyang Power Supply Bureau，Guiyang Guizhou 550001，China；

2. Technical Training Center of State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430072，China；

3.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

【Abstract】Considering the distributed power generation，an improved voltage stability criterion for distribution network based on the solutions existence of power flow is proposed.The collection of voltage，current，power and other information are carried out in the distributed power generation access point and its upstream node.According to the improved voltage stability criterion，the voltage stability of the distribution network is monitored in real time，and the corresponding simulation model is established to verify the validity of the criterion.The theoretical and simulation tests verify the effectiveness of the improved criterion.

【Key words】Distributed power generation；Distribution network；Voltage stability

0 引言

伴随着现代社会的发展，传统能源的利用中暴露出的能源枯竭和环境污染问题日益严重，可再生能源获得越来越多的关注。目前，可再生能源在实际应用中多以分布式发电或者微网的形式接入配电网运行[1]。因其具有低能耗、污染少、供电灵活性和可靠性的优势，可以弥补大电网安全稳定性的不足，改善电网的调峰性能，同时由于分布式发电靠近用户，输配电损耗低，并网后可以降低输配电成本。在带来良好效益的同时，也在各方面影响着传统电网的安全稳定运行。我国的中低压配电网主要是中性点不接地（或經消弧线圈接地）、单侧电源、辐射型供电网络。大量分布式发电接入会改变系统潮流，造成系统扰动下功角失稳，电压崩溃等问题[2]。因此，在分布式发电快速发展和大量接入电力系统的背景下，考虑其接入配网给电网结构、运行带来的不确定性影响，研究分布式发电接入下电网电压稳定性问题是十分必要的[3]。

虽然近年来，各国对电压稳定性问题展开研究并取得了大量研究成果[4]，但是电压稳定性研究多以输电网为研究对象，较少涉及到配网。分布式发电或微网的接入改变了配电系统原有的辐射结构，使系统的潮流、电压也随之发生变化，国内外出现过多起因大容量风电注入导致系统电压失稳的事故[5]。因此，需要针对分布式发电及微网的运行特点，采用合理电压稳定指标对含微网的配电网电压稳定尽心深入系统的研究。本文针对当前越来越多微网接入配电网带来的电压稳定性问题进行了理论分析和仿真验证，为今后的分布式发电并网的研究与发展提供了全新的思路。

1 基于潮流解存在性的配电网电压稳定判据

目前，配电网已经具有了较为成熟的电压稳定性评价指标。较为成熟的方法是基于潮流的静态分析法。基于潮流解存在性的电压稳定判据就是用代数方程代替系统的线性化微分方程，负荷用静态模型代替。在最初的配电网支路电压稳定性研究中，电压稳定指标Lij是通过两节点配电系统推导出的，之后采用等效阻抗的方法，使该方法推广到多节点配电网。

图1 配电网支路等效电路图

如图1所示，配电网中含有N个节点，设任一条支路为bij，其中i和j分别为该支路的两个节点，潮流从节点i流向节点j，流过节点i和j的负荷分别为Si=Pi+jQi，Sj=Pj+jQj，支路bij等效阻抗Zij=Rij+jXij，节点i和j的电压分别为Ui和Uj，则

■■=■■-（R■+jX■）（P■-jQ■）/■■■＼*MERGEFORMAT（1）endprint

式中，■■、■■分别为节点i和j的电压在直角坐标形式下的向量。将其虚部和实部分解开，列写方程后，根据一元二次方程的实数解存在性判据可以得出：

4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]≤U■■（2）

式（2）即為第一类配电网电压稳定条件。定义支路bij的第一类电压稳定指标为

Lij=4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]/U■■（3）

则式（2）可以表述为Lij≤1。Lij越小，该节点处的电压也就越稳定，因此对于整个电网，其第一类电压指标有各支路中Lij的最大值确定，即L=max{Lij}。

以上便是经过改进的基于潮流解存在性的判据。L反映整个配电网的电压稳定情况，L值越小，配电网电压越稳定。L值综合考虑了系统负荷分布和节点电压对电压稳定性的影响，具有计算方便，便于监测等优点。

2 含分布式发电的配电网在线电压稳定指标

分布式发电接入配网后，其向配电网输出的功率通常是变化的。例如，风力发电机输出随风力条件的变化而变化，太阳能光伏发电也随光照条件的变化而变化。这类分布式发电接入配网后，使得接入分布式发电的节点功率变化，严重的会引起电压失稳。在这种情况下，要求能够在线准确地获取分布式发电接入下的配电网电压稳定性。

如图2所示，在支路bij中，分布式发电DG接入到节点j，此时该节点的功率S'j=P'j+jQ'j是处于不断变化之中。根据图中电路，有

Ui=Uj+■（R+jX）=U■+■（R+jX）（4）

图2 带DG的配电网支路等效电路图

变形得到：

|Uj|4+[2（P'jR+Q'jX）-|Ui|2]|Uj|2+（P'jR+Q'jX）2+（P'jX-Q'jR）2=0（5）

根据方程解存在性得到判据：

|Ui|4-4[|Ui|2（P'jR+Q'jX）+（P'jX-Q'jR）2]≥0（6）

根据2.1的分析，定义参数Lij，使得

Lij=■（7）

由之前的分析可知，若Lij≤1，则节点j的电压稳定，且Lij的值越小，节点j的电压稳定性则越高。由于接入了分布式发电，式（7）中的参数P■■和Q■■的值会不断发生变化，导致Lij的值也在实时变化，即节点j处的电压稳定性发生变化。因此，通过实时监测式（7）中的各项参数就可以监测各点的电压稳定性。

同样，为了表示整个电网在接入分布式发电后的电压稳定性，定义L=max{Lij}。其中，{Lij}代表整个电网所有节点经式（7）计算的结果，L取其中的最大值，即以电压稳定性最低的点代表整个电网的电压稳定性。

定义bij支路的稳定裕度为Bij=1-Lij。显然，Bij越大，该支路的电压越稳定，准许接入的分布式发电容量越大。同样，对于整个电网，其稳定裕度定义为：B=1-L。

上述方法中的电压稳定性指标清晰地反映了负荷分布与电压稳定性的关系，而且可以利用线路实时数据获取，能够准确衡量分布式发电接入下配网节点电压稳定性。

3 仿真分析

为了验证上述判据的实用性与准确性，搭建如图3所示的仿真电路。其中，分布式发电DG1和DG2经过各自的变压器T1和T2并联在一起，各变压器出口母线侧配备STATCOM作为无功补偿装置。分布式发电经公共耦合点PCC接入10kV配电网。在仿真中，先投入图3中的容量较小的DG1，一段时间后投入容量较大的DG2。在总线1和总线2处装设测量装置，能够实时获取该条馈线潮流数据，用于计算前述分析中的电压稳定指标。

图3 仿真电路

图4 功率变化

仿真总时长设计为1s，在0.3s时投入分布式发电DG1，在0.6s时投入另一分布式发电DG2。其中DG1为3MVA，DG2为30MVA。分布式发电投入后，总线3处功率变化如图4所示。从图中可以看出，在DG1投入后总线3处功率上升，而DG2投入后母线3处的功率却急剧下降到0。

总线3处电压的变化如图5所示，在DG1投入时，电压略微上升之后恢复到额定值，说明DG1的投入依旧能保证节点电压保持稳定，而DG2投入后，电压迅速下降到约0.3pu，与额定值差距较大，此时电压已经失去稳定。

根据式（15）计算出的电压稳定性指标L的变化如图6所示，电压在0.6s时失去稳定，而L也在0.6s处突变到大于1，这与前面的理论分析一致。对应的稳定裕度如图7所示，当稳定裕度为正时，说明电压稳定，稳定裕度为负时，电压已经失去稳定。

4 总结

本文针对分布式发电大量接入配电网，对配电网电压稳定性带来的问题，提出了一种改进的基于潮流解存在性的电压稳定性判据，该判据充分考虑了分布式发电容量变化对配电网电压稳定性的影响，通过测量分布式发电接入点及其上游节点的功率和电压，实时监测接入点电压的稳定性。理论计算和仿真分析都验证了该判据的有效性，为今后的分布式发电并网的研究与发展提供了全新的思路。

【参考文献】

[1]莫颖涛.影响我国分布式发电发展的关键因素[J].电网技术，2008（S1）：47-51.

[2]段献忠，何仰赞，陈德树.电力系统电压稳定性的研究现状[J].电网技术，2005（4）：20-24.

[3]Lasseter R H，Paigi P.Microgrid：a conceptual solution[C].// Power Electronics Specialists Conference，2014.Pesc 04.2004 IEEE.IEEE，2004：4285-4290Vol.6.

[4]包黎昕，段献忠，何仰赞.状态空间中电压稳定性的动态分析[J].中国电机工程学报，2014，21（5）：17-22.

[5]Prada R B，Souza L J.Voltage stability and thermal limit： Constraints on the maximum loading of electrical energy distribution feeders[J].IET Proceedings-Generation Transmission and Distribution，2016，145（5）：573-577.endprint