含分布式電源的配電網(wǎng)線損電壓研究

董慎學(xué),周羽生,曹勛偉,朱磊,賀偉,張帆

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙市,410004;2.大唐湖南分公司懷化電廠,湖南省懷化市,418000)

0 引言

分布式電源(distributed generation,DG)容量多在幾十kW～幾十MW之間[1]。按發(fā)電能源是否可再生將其分為 2類[2]:一類稱為利用可再生能源的DG,主要包括太陽能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等發(fā)電形式;另一類稱為利用不可再生能源的 DG,主要包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃動(dòng)機(jī)等發(fā)電形式。分布式供電因?yàn)榫哂徐`活適應(yīng)負(fù)荷增長、初期建設(shè)投資低、輸電損失小等優(yōu)點(diǎn),在全球范圍內(nèi)越來越受到重視[3]。

DG并入配電網(wǎng)對配電系統(tǒng)的網(wǎng)損分布有重要影響,而潮流計(jì)算是對該影響進(jìn)行量化分析的主要手段。目前的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法中沒有考慮各種形式的DG,隨著各種不同形式的DG的并網(wǎng),配電潮流計(jì)算難度增大,必須研究能夠計(jì)及DG對配電網(wǎng)絡(luò)影響的潮流計(jì)算方法。

DG的引入使配電系統(tǒng)由單電源輻射性網(wǎng)絡(luò)變成了多分布式電源的弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)在潮流計(jì)算中一般取為PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)或者平衡節(jié)點(diǎn),而DG具有特殊性,其節(jié)點(diǎn)是否可以取為這 3種節(jié)點(diǎn)類型需要全面考慮。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用牛頓 -拉夫遜法求解帶DG的配電網(wǎng)潮流,將發(fā)電機(jī)視為有功功率恒定的受控電壓源。文獻(xiàn)[5]利用前推回推法求解帶DG的輻射性網(wǎng)絡(luò)潮流,建立了基于前推回推法的設(shè)備模型。文獻(xiàn)[6]研究了異步發(fā)電機(jī)、具有無勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力的同步發(fā)電機(jī)和燃料電池的運(yùn)行和控制特性,建立了各自在潮流計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型,提出了基于靈敏度補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)潮流計(jì)算方法。文獻(xiàn)[7]研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)出力對配電系統(tǒng)電壓質(zhì)量的影響,建立了風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)分析模型,通過隨機(jī)潮流計(jì)算得到了節(jié)點(diǎn)電壓概率密度曲線和系統(tǒng)年期望電壓越限小時(shí)數(shù)。

前推回推潮流算法是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的配電潮流算法[8],具有較好的線性收斂性能[9]。本文針對含各種DG的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法進(jìn)行研究,提出了含DG的配電網(wǎng)潮流計(jì)算的改進(jìn)前推回推算法。并與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)利用前推回推進(jìn)行潮流計(jì)算比較,進(jìn)行了含DG的配電網(wǎng)線損電壓分析和研究。

1 配電網(wǎng)潮流計(jì)算中的DG分類

根據(jù)太陽能光伏、風(fēng)能、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等DG與電網(wǎng)互聯(lián)的接口方式及其運(yùn)行和控制方式,可以將DG分別看作PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、PI節(jié)點(diǎn)和PQ(V)節(jié)點(diǎn)。如果DG經(jīng)常運(yùn)行在額定工況附近,則可將其看作PQ節(jié)點(diǎn),如用同步電機(jī)接入電網(wǎng)的DG,當(dāng)其勵(lì)磁控制方式為功率因數(shù)控制時(shí),則可看作PQ節(jié)點(diǎn);將能夠維持節(jié)點(diǎn)電壓幅值的DG節(jié)點(diǎn)看作PV節(jié)點(diǎn),如用同步電機(jī)接入電網(wǎng),當(dāng)其勵(lì)磁控制方式為電壓控制時(shí)可看作PV節(jié)點(diǎn);儲(chǔ)能系統(tǒng)可以看作PI節(jié)點(diǎn);對于直接并網(wǎng)的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,可以看成是PQ(V)節(jié)點(diǎn)[10]。

1.1 PQ節(jié)點(diǎn)

對于視為PQ節(jié)點(diǎn)的DG,可看作是恒功率的負(fù)荷模型,即有功功率 P、無功功率 Q為恒定。視在功率為:S=-P±jQ。若它向電網(wǎng)同時(shí)輸送有功功率和無功功率時(shí),等式中 Q前為負(fù)號(hào),否則為正號(hào)。

PQ型DG對接入節(jié)點(diǎn)的注入電流為

1.2 PV節(jié)點(diǎn)

則PV型DG對接入節(jié)點(diǎn)的注入電流為

需要注意,由于PV節(jié)點(diǎn)可調(diào)無功功率有限,在有附加注入電流情況下,必須判斷PV節(jié)點(diǎn)的無功功率是否越限。若PV節(jié)點(diǎn)的無功功率越限,則將PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)。其無功功率Qk

PV按下式計(jì)算:

1.3 PI節(jié)點(diǎn)

對于視為PI節(jié)點(diǎn)的DG,輸出的有功功率PsPI和電流幅值Is

PI恒定。該類節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的無功功率計(jì)算如下:

PI型DG對接入節(jié)點(diǎn)的注入電流為

1.4 PQ(V)節(jié)點(diǎn)

直接并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,由于異步發(fā)電機(jī)在輸出有功功率的同時(shí)還要從系統(tǒng)吸收一定的無功功率,吸收的無功功率與轉(zhuǎn)差率s、節(jié)點(diǎn)電壓V有關(guān);在風(fēng)力發(fā)電機(jī)處安裝的并聯(lián)電容器組輸出的無功功率也與節(jié)點(diǎn)電壓幅值有關(guān)。對于這類節(jié)點(diǎn)可以采用PQ(V)模型進(jìn)行處理[11]。

在潮流計(jì)算中,第k次迭代的PQ(V)節(jié)點(diǎn)的視在功率和注入電流分別為:

2 含DG的潮流算法

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流算法主要分為 3種類型[12]:直接法、前推回推法和牛頓-拉夫遜法。前推回推法面向輻射性網(wǎng)絡(luò),具有易編程、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn),該方法也能有效處理電壓靜特性的節(jié)點(diǎn)類型。本文利用前推回推算法計(jì)算潮流和線損電壓,采用回推過程計(jì)算電流、前推過程計(jì)算電壓。

對于傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng),利用前推回推法,文獻(xiàn)[10]給出的潮流計(jì)算步驟如下:

(1)求出回路的等值阻抗矩陣。

(2)初始化各節(jié)點(diǎn)功率大小。

(3)將恒功率負(fù)荷轉(zhuǎn)化為恒阻抗負(fù)荷。

(4)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率的注入電流。

(5)回推計(jì)算各支路的電流,從最后 1層支路開始向根節(jié)點(diǎn)推進(jìn)計(jì)算各支路的電流。

(6)前推求解節(jié)點(diǎn)電壓,從根節(jié)點(diǎn)開始向最后 1層推進(jìn),修正各節(jié)點(diǎn)的電壓。

(7)判斷系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)相鄰 2次迭代的功率幅值差是否滿足收斂條件。若滿足則停止迭代,若不滿足則繼續(xù)。

對于含多種DG的輻射型配電網(wǎng),應(yīng)用上述程序計(jì)算潮流時(shí),本文進(jìn)行如下改進(jìn)。

(8)在給出的配電網(wǎng)電氣接線圖的節(jié)點(diǎn),當(dāng)異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),判斷是否有因電壓偏低導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)退網(wǎng)的情況發(fā)生。若退網(wǎng),則轉(zhuǎn)步驟 4;否則,判斷PQ(V)節(jié)點(diǎn)的電壓是否仍然滿足異步發(fā)電機(jī)的入網(wǎng)條件。若滿足,則進(jìn)行異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)算,繼續(xù)下一步計(jì)算;若不滿足,則進(jìn)行異步發(fā)電機(jī)退網(wǎng)運(yùn)算,轉(zhuǎn)步驟 4。

(9)計(jì)算異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差,求出其吸收的無功功率,判斷異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)是否滿足要求。若不滿足,則根據(jù)功率因數(shù)要求調(diào)整并聯(lián)電容器組的投切,轉(zhuǎn)步驟 4;若滿足要求,則結(jié)束計(jì)算,并輸出結(jié)果。

(10)在給出的配電網(wǎng)電氣接線圖的節(jié)點(diǎn),對PQ、PV、PI類型DG的接入節(jié)點(diǎn)疊加注入電流,作如下分析:

1)計(jì)算PI節(jié)點(diǎn)的注入無功功率,若無功越限,則把PI節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成PQ節(jié)點(diǎn)處理,修正PI節(jié)點(diǎn)的注入電流。

2)計(jì)算 PV節(jié)點(diǎn)的注入無功功率,若無功越限,則把PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成PQ節(jié)點(diǎn)處理,修正PV節(jié)點(diǎn)的注入電流。

3)判斷系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)相鄰 2次迭代的電壓差是否滿足收斂條件,PV節(jié)點(diǎn)的電壓差是否滿足收斂條件,若這幾個(gè)條件要求同時(shí)滿足,則進(jìn)行下一步計(jì)算;否則,轉(zhuǎn)步驟 4。

3 算例分析

本文利用 33節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)接線圖為例進(jìn)行算例驗(yàn)證,本文33節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)皆采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。取系統(tǒng)電壓基準(zhǔn)值為10.5kV,視在功率基準(zhǔn)值為50MW,風(fēng)電場功率因數(shù)的允許變化范圍為 0.9～1.0。計(jì)算精度為ε=104。指定PI節(jié)點(diǎn)電壓幅值標(biāo)幺值均為1.0,PQ類型DG的有功輸出為50 kW,無功輸出為70 kvar;PV類型DG的有功輸出為120 kW;PI類型DG的有功輸出為100 kW,額定電流為70 A;PQ(V)類型DG的有功輸出為150 kW,額定電壓為10.5 kV (退網(wǎng)條件為 8.4 kV)。33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電氣接線如圖1所示。

圖1 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)Fig.1 Distribution system w ith 33 nodes

首先采用4種方案分析比較各種類型的 DG混合并網(wǎng)對潮流計(jì)算收斂的影響。其中方案 1表示節(jié)點(diǎn) 12接有 10臺(tái)并聯(lián)的采用異步發(fā)電機(jī)為接口的電源,即可視為PQ(V)類型節(jié)點(diǎn)。方案2表示在方案1基礎(chǔ)上在 26節(jié)點(diǎn)接入 1臺(tái)采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)的同步電機(jī)為接口的電源,控制方式為電壓控制,即可視為 PV類型節(jié)點(diǎn)。方案 3表示在方案 2基礎(chǔ)上在 18節(jié)點(diǎn)接入 1臺(tái)采用變換器作為接口的燃料電池,即可視為PI類型節(jié)點(diǎn)。方案4表示在方案 3基礎(chǔ)上在 18節(jié)點(diǎn)接入 1臺(tái)采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)的同步電機(jī)為接口的電源,其控制方式為功率因數(shù)控制,即可視為 PQ類型節(jié)點(diǎn)。結(jié)果表明運(yùn)用改進(jìn)的前推回推法進(jìn)行處理多種形式的DG混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計(jì)算是有效的,并且在接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)等的異步發(fā)電機(jī)時(shí),對迭代次數(shù)的影響很小。

然后,分析不同形式DG并網(wǎng)對饋線段電壓分布的影響。設(shè)饋線段 1,2,3,4的路徑分別為 12-13-14-16-17,26-27-28-29-30,18-19-20-21 -31,18-19-20-21-32,在不同的方案下,饋線段1,2,3,4的節(jié)點(diǎn)電壓分布情況如表 1所示?？梢钥闯?各種DG對系統(tǒng)的電壓支撐能力不同,PQ,PI節(jié)點(diǎn)最強(qiáng),其次是PV節(jié)點(diǎn),而PQ(V)節(jié)點(diǎn)則降低了系統(tǒng)電壓水平。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)的損耗主要取決于系統(tǒng)的潮流,DG和微電網(wǎng)的接入使得配電網(wǎng)中各支路的潮流不再是單向流動(dòng),必然會(huì)影響配電網(wǎng)的損耗,使之不僅與負(fù)載等因素有關(guān),同時(shí)也與DG及微電網(wǎng)接入的位置、容量及負(fù)荷的相對大小以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。

表1 不同DG接入方案前后部分節(jié)點(diǎn)電壓Tab.1 Nodes voltage comparison for different DG access

本文分析了不同形式的 DG,對它們在潮流計(jì)算中的處理方法進(jìn)行了研究,并用改進(jìn)的前推回推算法,對 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行了算例分析,得到如下結(jié)論:

(1)采用異步電機(jī)作為接口的 DG會(huì)降低系統(tǒng)的電壓水平,而采用其他形式接口的DG對系統(tǒng)電壓具有支撐作用。

(2)在配電網(wǎng)的負(fù)荷附近接入DG后,配電網(wǎng)的潮流也可能由原來的“單向”流動(dòng)變?yōu)椤半p向”。從國外所進(jìn)行的一些研究[13]來看,接入配電網(wǎng)的 DG對配電網(wǎng)的損耗即有減少也有增加,還需要進(jìn)一步的分析。

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