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摘要:由于新能源出力不穩，未來高比例新能源接入會使配電網電能質量下降，從而降低敏感負荷的運行效率，嚴重時導致設備運行異常甚至故障。在此背景下，電壓下降至敏感負荷電壓耐受曲線的不確定區域內時，可能會發生負荷損失的情況，需在配電網規劃加以重視，以提高電網的安全性和經濟性。文中以變頻調速電機為例進行建模，分析其電壓敏感性，并估算了變頻調速器在電壓耐受曲線不確定區域內的故障概率。然后將電壓敏感型負荷的損失量納入配電網風險規劃模型中，對現有風險規劃進行改進，算例結果驗證了所提方法的可行性和有效性，為未來配電網規劃提供了參考。

關鍵詞:新能源;敏感負荷;負荷損失;配電網規劃

0引言

大規模風電、太陽能等可再生能源發電功率波動會造成電壓、頻率波動和電能質量問題［1］，其高比例入網會造成一定程度的電壓波動，增加網絡的不確定性。相同功率因數時，光伏電源的滲透率越高，引起的節點電壓波動幅值也越大，同時若注入的無功功率超過局部無功負荷的需求，也會引起潮流反向［2］。如今異步電機在發電場應用仍比較普遍，運行中會消耗電網中的無功功率，在無功容量不足的情況下，會降低整個配電系統的電壓值［3－4］。另一方面，計算機、可調速電機、直流電機驅動、交流接觸器、可編程邏輯等設備大量投入使用，其運行狀態極易受到電壓變化的影響，往往幾個周波的電壓暫降或供電中斷都會導致設備運行異常，嚴重時導致設備故障，造成大量的損失［5－7］。考慮到電壓敏感型負荷的比重在逐漸增加，配網規劃現須更加重視其供電可靠性。這些都對電網的運行和規劃提出了新的要求。從長遠來看，現有的網架規劃方案將可能滿足不了未來負荷發展的需求。目前，國內外針對負荷的電壓敏感性以及含分布式能源發電的配電網規劃都各有不少研究。文獻［8］對可調速驅動裝置的電壓敏感度進行了分析，并繪制了不同電壓暫降類型、電容大小的電壓耐受曲線，但未考慮敏感負荷在不確定區域的損失概率。文獻［9］用電壓耐受曲線和負荷敏感度隨機模型表征負荷對電壓凹陷的敏感特性，提出了敏感負荷電壓凹陷敏感度的隨機估計方法。文獻［10］以電壓暫降嚴重性指標為依據，提出一種基于最大熵原理的負荷電壓暫降敏感度評估方法，該方法對樣本數依賴性小，無需主觀假設，但文獻［9—10］均未考慮電壓凹陷的起始點和相角跳變等因素對負荷電壓凹陷的敏感度的影響。文獻［11—12］考慮了大量分布式電源接入，其出力的波動、間歇和隨機特性對配電網風險評估造成的影響，建立了基于配電網運行風險指標的配電網評估模型。文獻［13—15］分析了分布式電源容量對配電網的影響，以維護、投資費用最低為目標函數，建立了配電網規劃多目標模型，但是規劃中缺少對配電網風險因素的考慮。文獻［16］提出了綜合考慮配電網規劃與系統運行的優化模型，將負荷丟失成本作為評價配電網可靠性的指標，但該指標不可量化計算，評價精度有待提高。由此可見，現有配電網規劃都未考慮負荷的電壓敏感特性對配網規劃的影響，規劃模型對負荷的描述可進一步發展。本文以變頻調速電機型負荷為代表分析電壓敏感型負荷對配電網規劃的影響。首先在仿真軟件MATLAB/SIMULINK上建模，研究變頻調速電機對電壓凹陷的耐受能力，并通過電壓敏感度曲線和負荷敏感度隨機模型確定其在電壓耐受曲線不確定區域的負荷損失概率。然后分析了配網中大量敏感負荷對安全性和經濟性的影響，論述了將敏感負荷損失引入配電網規劃模型中的必要性，最終對配電網的網架規劃模型做出了改進和案例展示。

1敏感負荷的電壓

敏感特性應用MATLAB/SIMULINK建模對典型用電設備(如變頻調速類設備)的電壓耐受能力進行分析，得到其電壓耐受能力。為后續電壓凹陷造成負荷損失的分析和評估提供數據支持。

1．1變頻調速電機的電壓敏感性仿真變頻器廣泛應用于電機調速，與控制系統及異步電動機一起構成變頻電機的主要組成部分，變頻方式多采用交－直－交變換，即先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后通過控制系統和逆變器把直流電源轉換成頻率、電壓均可調節的交流電源［17］。電壓凹陷可能影響變頻調速器的正常運行，導致電機異常，對生產過程造成損失。建立變頻電機的MATLAB/SIMULINK仿真模型，交流調速控制方式采用直接轉矩控制方式，該系統的控制部分由PI調節器、兩相/三相坐標變換、PWM脈沖發生器等環節組成。采用的電動機為MATLAB自帶模型，仿真參數為: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部分代表性設備的電壓耐受能力各類負荷在電網事故中對電能質量的敏感程度各有不同，通過現場調研和文獻查閱，得到幾種典型敏感負荷的電壓耐受能力:(1)計算機。當系統電壓降至60%，持續時間達到240ms時，其正常運行會受到影響，導致數據丟失、重啟、關機等。(2)精密機械工具。電壓低于90%且持續時間超過2～3個周期，就會停止工作。(3)直流電機。當電壓降低到88%時，直流驅動能力將開始減弱，直流驅動的生產線將會減速，導致出現不合格產品;當電壓低于80%時，直流電機就會被跳閘，生產線會停止運轉。(4)變頻調速器。系統電壓低于70%并持續超過120ms，電機自動切除。

2電壓波動引起的敏感負荷損失

試驗表明，敏感負荷如可編程邏輯控制器(PLC)、計算機(PC)、交流調速器(ASD)的電壓耐受曲線(VTC)一般呈矩形［13］。不同的負荷類型對電壓凹陷的敏感度也有所差異，同種負荷也會受到環境溫度、安裝位置、運行時間和保養頻度等因素影響，因此負荷的電壓耐受曲線存在著不確定區域。當敏感負荷遭受該區域范圍內的電壓暫降時，負荷能否繼續正常工作并不能完全確定，而是存在一個概率。本文以這個概率作為敏感度的指標，結合電壓暫降平均水平，可評估敏感負荷受擾的經濟損失。

3考慮負荷損失的配網規劃模型

3．1敏感負荷對配網的影響電壓凹陷發生時，敏感負荷單個設備或元件的故障可能使整個生產線的產品報廢，給用戶帶來極大的經濟損失［19－20］。除此之外，大量敏感負荷還會對配網的以下幾個方面產生影響。(1)負荷預測。敏感負荷的產生負荷損失以及負荷恢復期間，會增大超短期負荷預測值與實際負荷值的偏差，使得用戶用能需求評估不準確。(2)無功規劃。對含大規模分布式電源接入的電網來說，電源接入位置和容量會影響到母線電壓水平［21］，因此敏感負荷對電壓質量的高要求會影響到無功電源的建設。(3)電力平衡。大量敏感負荷的突然損失及負荷恢復會造成瞬間的電力不平衡。(4)投資估算。負荷損失可能導致嚴重的經濟損失。此外，在響應用戶電能質量要求時，也影響到調壓穩壓設備的配置，從而導致投資成本的增加。從以上分析可以看出，敏感負荷的電壓耐受度對電網的影響主要體現在安全性和經濟性方面，因此在未來進行網架規劃時，需要考慮敏感負荷對電壓的特殊要求。故在風險規劃的基礎上，追加考慮敏感負荷損失造成的經濟代價，對現有的網架規劃模型進行擴展和改進。

3．2配電網規劃的數學模型配網規劃時，在經濟性、穩定性的基礎上考慮運行風險、不同天氣狀態對網絡的影響等因素。風險因素包括切負荷和電壓越限兩個方面［3，18］，本文在此基礎上增加了電壓波動導致的負荷損失因素。根據正常和惡劣天氣條件下的線路設備故障率，采用系統切負荷期望值對切負荷量進行計算，電壓越限懲罰函數作為電壓越限評價指標。敏感負荷的損失概率和損失量的計算方法為:考慮不同天氣對發電系統輸出功率的影響，建立分布式發電系統的概率模型［22］，得出新能源在連續時間段內的輸出功率概率。依次計算潮流，得到穩態電壓分布和電壓幅值波動的影響，進而得到電壓波動曲線。在得到敏感負荷的VTC頂點后，將其代入到聯合分布密度函數(1)中，通過確定函數的積分結果，計算出電壓凹陷影響下的負荷損失概率。根據電壓波動曲線，確定各類敏感負荷的負荷損失概率，得出敏感負荷損失量及其導致的經濟損失。

3．2．1目標函數文中配電網風險規劃模型以待選路徑及回數作為決策變量，在保證合理風險水平的前提下，綜合考慮在規定年限內的經濟投資收益最大值。傳統風險規劃模型未考慮敏感負荷損失量。

3．2．2風險規劃流程圖考慮天氣因素對配電網運行風險和新能源出力的影響，經過本節所述改進風險規劃評估指標進行評估，得到合理的規劃方案。

4算例

本節以配電網6節點系統為例，驗證提出的考慮敏感負荷損失配電網風險規劃方法的可行性和有效性。配網長期運行時，配網產生的電壓暫降時間都足夠長［23］，故主要考慮敏感負荷在C區的損失概率。6節點系統作為一個配電網小型測試系統，節點3為平衡節點，其余皆為PQ節點，其中節點1接有發電機，節點6上安裝了光伏裝置。具體數據見表5和表6，其中，光伏裝置投資費用11．5元/W。

5結語

可再生能源發電受天氣和季節的影響比較大，抗干擾能力較差，大量新能源接入電網，對電網電壓產生大幅擾動。針對變頻器接入型負荷的適應性，本文總結了多種主要敏感設備的電壓耐受特性，建立了變頻調速電機的仿真模型，并計算了變頻調速器在VTC不確定區域內受電壓波動影響的負荷損失概率。在原有風險規劃的基礎上，提出了考慮電壓波動下敏感負荷損失的配電網規劃模型，提高了規劃方案的合理性。以6節點系統電網為例，利用粒子群算法對考慮敏感負荷損失的風險規劃模型進行求解。與不考慮敏感負荷損失時的規劃方案相比，降低了敏感負荷損失的風險，提高了配網規劃方案的經濟性。

作者：趙芳，杜兆斌 單位：華南理工大學電力學院