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摘要 電力電子柔性化和分布式發(fā)電（DG）消納是配電網(wǎng)研究的2個熱點問題，揭示了配電網(wǎng)柔性度對DG消納的影響規(guī)律和機(jī)理。首先，介紹了配電網(wǎng)柔性度的概念，并改進(jìn)了柔性度的定義。然后，以典型接線模式和IEEE RBTS-Bus4擴(kuò)展算例為研究對象，觀察隨柔性度升高時DG消納率的變化，并分析規(guī)律和機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)柔性化并非都能提升DG消納，存在一個起效條件：智能軟開關(guān)（soft open point，SOP）某一側(cè)饋線存在DG相對負(fù)荷的盈余，同時另一側(cè)存在DG缺額。然而滿足起效條件后，消納率和柔性度之間的規(guī)律性仍未顯現(xiàn)。提出分析消納提升限制條件和按SOP安裝次序觀察的2種方法，發(fā)現(xiàn)了隱藏的規(guī)律：當(dāng)存在消納提升可用空間且無SOP容量限制下，或者同一SOP安裝次序下，柔性度和消納率才具有正相關(guān)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)的規(guī)律機(jī)理為指導(dǎo)配電網(wǎng)的柔性化發(fā)展和DG消納提供了新的理論依據(jù)。
1 相關(guān)定義
1.1 柔性度定義
1.1.1 現(xiàn)有柔性度定義
1.1.2 改進(jìn)的柔性度定義
1.2 消納相關(guān)定義
2 接線模式算例分析
接線模式是構(gòu)成配電網(wǎng)的基本單元，也是最簡單的配電網(wǎng)。因此，先采用接線模式分析典型場景下不同SOP方案的消納效果，進(jìn)而總結(jié)柔性化對DG消納的影響規(guī)律和機(jī)理。選擇常用的兩分段兩聯(lián)絡(luò)和兩供一備接線進(jìn)行分析。
2.1 兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線分析
圖1為兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線的7種SOP配置方案Case0~Case6。設(shè)定如下3個典型場景，場景1：配網(wǎng)DG缺額、部分饋線DG盈余，代表配網(wǎng)能通過SOP在饋線間再分配功率，實現(xiàn)DG全額消納；場景2：配網(wǎng)、部分饋線DG盈余，代表配網(wǎng)負(fù)荷需求小于DG出力，SOP對饋線間進(jìn)行功率再分配后DG仍有盈余；場景3：配網(wǎng)、全部饋線DG缺額，代表配網(wǎng)能全額消納DG，饋線間無須以消納為目標(biāo)進(jìn)行功率再分配。不同場景下DG和負(fù)荷功率如表1所示。
圖1 兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線的不同SOP配置方案
Fig.1 SOP configuration schemes of two-section-and-tie wiring
表1 典型場景的DG和負(fù)荷功率（兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線）
Table 1 DG and load power in typical scenarios (two-section-and-tie wiring)
根據(jù)改進(jìn)的柔性度定義，并采用專家打分結(jié)合層次分析法得到權(quán)重（w1,w2)=(0.7,0.3)，計算得到不同方案下的柔性度。分別計算不同SOP方案在各典型場景下消納率，柔性度和消納率結(jié)果如表2所示，并繪制成圖2。由表2和圖2可知，場景1和2下，多數(shù)情況下，柔性化對消納有提升作用，即柔性度越高，消納率也越高，同時存在一些例外情況；場景3下，柔性化對消納無提升作用，無SOP方案Case0的消納率已為100%。
表2 不同SOP方案的柔性度和消納率（兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線）
Table 2 Flexibility degrees and accommodation ratios of different SOP schemes (two-section-and-tie wiring)
圖2 柔性度與消納率的關(guān)系（兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線）
Fig.2 Relationships between flexibility degree and accommodation ratio (two-section-and-tie wiring)
表3為場景1和2下柔性化沒有提升消納例外情況的原因。由表3可知，例外情況下，可用空間不足是主要因素，其與SOP容量限制單獨作用或共同作用導(dǎo)致消納率與柔性度變化方向不一致。
表3 例外情況的原因（兩分段兩聯(lián)絡(luò)接線）
Table 3 Reason for exception (two-section-and-tie wiring)
當(dāng)限制因素不存在時，消納功率增量等于可用空間增量，例如，場景2的Case2和Case5，可用空間增加1 MW，消納功率也增加1 MW。
2.2 兩供一備接線分析
圖3為兩供一備接線的7種SOP配置方案Case0~Case6。同樣設(shè)置3個典型場景，各場景下DG和負(fù)荷功率如表4所示。
圖3 兩供一備接線的不同SOP配置方案
Fig.3 Different SOP configuration schemes of two-supply-one-backup wiring
表4 各典型場景的DG和負(fù)荷功率（兩供一備接線）
Table 4 DG and load power in typical scenarios (two-supply-one-backup wiring)
計算得到不同方案下的柔性度，以及不同SOP方案在各典型場景下消納率，柔性度和消納率結(jié)果如表5所示，并繪制成圖4。由表5和圖4可知，場景1和2下，多數(shù)情況下，柔性化對消納有提升作用，即柔性度越高，消納率也越高，同時存在一些例外情況；場景3下，柔性化對消納無提升作用，無SOP方案Case0的消納率已為100%。
表5 不同SOP方案的柔性度和消納率（兩供一備接線）
Table 5 Flexibility degrees and accommodation ratios of different schemes (two-supply-one-backup wiring)
圖4 柔性度與消納率的關(guān)系（兩供一備接線）
Fig.4 Relationships between flexibility degree and accommodation ratio (two-supply-one-backup wiring)
表6為場景1和2下柔性化沒有提升消納例外情況的原因。由表6可知，例外情況的原因是可用空間不足和SOP容量限制這2個因素，前者是主要原因。這2個因素單獨作用或共同作用導(dǎo)致消納率與柔性度變化方向不一致。
表6 例外情況的原因（兩供一備接線）
Table 6 Reasons for exception (two-supply-one-backup wiring)
當(dāng)限制因素不存在時，消納功率增量等于可用空間增量。如，對比表5中場景1的Case1和Case5，可用空間增加2 MW，消納功率也增加2 MW。
2.3 規(guī)律和機(jī)理分析
總結(jié)2種接線的柔性度和消納率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)柔性化對DG消納的影響規(guī)律如下。
1）柔性化提升DG消納的起效條件是SOP某一側(cè)饋線DG盈余，同時另一側(cè)DG缺額。當(dāng)DG盈余和DG缺額同時存在，SOP才能將DG盈余支援DG缺額，此時才存在可用空間。這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論一致。
2）滿足起效條件后，當(dāng)存在可用空間不足和SOP容量限制時，柔性度升高，消納率可能升高、不變甚至降低；當(dāng)無可用空間不足和SOP容量限制時，柔性度越高，可用空間越大，其增量能被SOP全部轉(zhuǎn)化為消納功率增量，消納率也就越高。
3 配電網(wǎng)算例驗證分析
3.1 算例概況
本文以IEEE RBTS-Bus4擴(kuò)展算例為算例，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括3座35 kV/10 kV變電站，含6臺主變，容量均為40 MV·A；16回饋線容量均為6.91 MV·A，總長59.45 km；83個負(fù)荷節(jié)點，其中14個節(jié)點接入DG。柔性需求系數(shù)取0.5。
圖5 IEEE RBTS-Bus4擴(kuò)展算例
Fig.5 Expanded IEEE RBTS-Bus4 test system
由于SOP造價高，現(xiàn)有文獻(xiàn)[9-15]采用IEEE 33節(jié)點、28節(jié)點、137節(jié)點等算例時，均將SOP數(shù)量限制在2臺以內(nèi)，故本文也設(shè)定SOP臺數(shù)最大為2，總端口數(shù)最大為4。SOP待選位置以及規(guī)模標(biāo)注于圖5，SOP容量為1.59 MV·A。
3.2 規(guī)律和機(jī)理驗證
采用文獻(xiàn)[16]窮舉法生成101個SOP方案。此外，為進(jìn)一步分析SOP臺數(shù)增加的影響，額外增設(shè)了4個3臺SOP方案，因此共105個方案，見表7。
表7 SOP方案的柔性度和消納率
Table 7 Flexibility degree and accommodation ratio of SOP schemes
根據(jù)式（4） （5），計算各SOP方案的柔性度和DG消納數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，柔性度范圍為0~0.454，消納率范圍為78.05%~90.98%。圖6為SOP方案的柔性度和消納率。
圖6 SOP方案的柔性度與消納率關(guān)系
Fig.6 Relationship between flexibility degree and accommodation ratio of SOP schemes
由表7和圖6很難發(fā)現(xiàn)消納率高低與柔性度大小間的規(guī)律。為揭示數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律，按SOP安裝次序來觀察數(shù)據(jù)。
3.3 SOP安裝次序下消納率與柔性度的關(guān)系
SOP安裝次序指SOP從無到多安裝的一個次序，本文按SOP安裝次序?qū)Ρ?數(shù)據(jù)分組。從表7中選取4個SOP安裝次序P1~P4，消納率隨柔性度變化見圖7。
圖7 不同SOP安裝次序下消納率隨柔性度變化
Fig.7 Changes in accommodation ratio with flexibility degree under different SOP installation orders
從圖7可以看出，按SOP安裝次序連線后，消納率隨柔性度變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。
1）同一安裝次序下，消納率均隨柔性度增長，即二者正相關(guān)。
2）不同安裝次序的效果不同，P1（紅色曲線）消納率最高。說明P1的SOP在配電網(wǎng)中位置最好。P4消納率最低，P1僅安裝1臺SOP的消納率就高于P4安裝3臺。
從DG消納角度，好的SOP位置具有如下特征。SOP連接的饋線較長，且同時存在較多的DG盈余和DG缺額。例如，P1的SOP連接饋線25.95 km，僅次于P4的26.8 km，柔性度也略低于P4；但P1的消納率最高，為90.98%，這是因為SOP將DG盈余支援DG缺額的量最多。綜合來看，安裝次序P1的SOP位置最好。
3）在可用空間不足和SOP容量限制時，同一安裝次序下，消納率隨柔性度升高，而不考慮安裝次序，就會出現(xiàn)消納率不變甚至降低的現(xiàn)象。這是因為，同一安裝次序下，可用空間遞增，即使超出某臺SOP容量，至少有部分增量能被利用，所有消納率隨柔性度升高。反之，不考慮安裝次序時，可用空間不一定遞增，且SOP容量限制下，增量也不一定能被利用，所以導(dǎo)致消納率不變甚至降低。
4 結(jié)論
柔性度是衡量配電網(wǎng)的柔性化程度的新指標(biāo)。本文改進(jìn)了現(xiàn)有的柔性度定義，計及了柔性區(qū)規(guī)模和柔性潮流控制量間的權(quán)重。通過量化分析典型接線模式和IEEE RBTS-Bus4算例的大量柔性度和DG消納率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了柔性化對DG消納的影響規(guī)律。
1）柔性化提升DG消納的起效條件是SOP某一側(cè)饋線DG盈余同時另一側(cè)DG缺額。滿足起效條件后，柔性化對消納才有可能作用。
2）滿足起效條件后，消納率并非都隨柔性度升高而升高，存在例外情況。無可用空間不足和SOP容量的限制時，柔性度越高，消納率越高，即正相關(guān)；反之，柔性度越高，消納率可能升高，也可能不變甚至降低（例外情況）。
3）同一安裝次序下，柔性度越高，消納率越高，即正相關(guān)。不同安裝次序下的消納提升效果差別明顯，原因是SOP位置的優(yōu)劣不同。
本文發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和機(jī)理為指導(dǎo)配電網(wǎng)的柔性化發(fā)展以及DG消納都提供了新的理論基礎(chǔ)。后續(xù)將對本文規(guī)律機(jī)理做嚴(yán)格的理論模型數(shù)學(xué)推導(dǎo)；并進(jìn)一步分析柔性化對網(wǎng)損、負(fù)載均衡、可靠性的作用以及投資的經(jīng)濟(jì)性，并考慮與無功配置、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、加裝儲能等手段相配合，研究配電網(wǎng)合理的柔性化程度。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
