基于電網(wǎng)阻抗的光伏接入弱電網(wǎng)準(zhǔn)入功率計(jì)算

黨 克,閆斌斌,賈焦心

(1,東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2,北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 北京 100144)

●專家論壇●

基于電網(wǎng)阻抗的光伏接入弱電網(wǎng)準(zhǔn)入功率計(jì)算

黨 克1,閆斌斌1,賈焦心2

(1,東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2,北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 北京 100144)

針對(duì)光伏電源接入弱電網(wǎng)引起電壓越限的問題,提出了利用電網(wǎng)阻抗來求取準(zhǔn)入功率的方法。通過光伏電源接入弱電網(wǎng)潮流分析模型和功率傳輸過程中功率和電壓的關(guān)系,把電壓不越限的約束條件表達(dá)為光伏電源準(zhǔn)入功率與電網(wǎng)阻抗之間的函數(shù)關(guān)系,克服了傳統(tǒng)方法中重復(fù)潮流法計(jì)算量大、費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。通過對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)的計(jì)算分析,驗(yàn)證了該方法的合理性和可行性。

光伏電源;弱電網(wǎng);電網(wǎng)阻抗;準(zhǔn)入功率

隨著光伏電源大規(guī)模接入配電網(wǎng),對(duì)較薄弱的電網(wǎng)造成了很大的沖擊,導(dǎo)致電能質(zhì)量和電網(wǎng)可靠性降低[1-3]。所以必須在保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,合理配置接入電源的容量[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始研究光伏電源接入配電網(wǎng)的準(zhǔn)入功率。文獻(xiàn)[6]研究了基于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的光伏最大接入容量,利用電力系統(tǒng)仿真軟件針對(duì)西藏羊八井地區(qū)電網(wǎng)計(jì)算得出光伏最大接入容量。文獻(xiàn)[7]結(jié)合電網(wǎng)靜態(tài)安全穩(wěn)定性以及光電出力隨機(jī)性等因素,研究了基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的光伏最大接入容量?jī)?yōu)化規(guī)劃算法。文獻(xiàn)[8] 基于節(jié)點(diǎn)電壓約束,采用電壓靈敏度分析法提出了系統(tǒng)準(zhǔn)入功率薄弱節(jié)點(diǎn)并計(jì)算分布式電源的準(zhǔn)入功率。但這些方法沒有考慮電網(wǎng)阻抗和接入配電網(wǎng)強(qiáng)弱對(duì)準(zhǔn)入功率的影響,難以得出典型情況下的一般性結(jié)論。因此,本文利用電網(wǎng)阻抗來分析光伏電源接入弱電網(wǎng)時(shí)的準(zhǔn)入功率。通過建立功率傳輸過程中功率和電壓關(guān)系的模型,提出了計(jì)算光伏電源準(zhǔn)入功率的方法,并通過對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析,驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

1 弱電網(wǎng)的描述方法

衡量弱電網(wǎng)的指標(biāo)有電網(wǎng)阻抗和短路容量比。通過測(cè)定電網(wǎng)中不同接入點(diǎn)電網(wǎng)阻抗的大小及性質(zhì)可以確定功率薄弱節(jié)點(diǎn),當(dāng)電網(wǎng)阻抗大于0.1 p.u.可視為弱電網(wǎng)。文獻(xiàn)[9]提出用短路容量比(接入點(diǎn)短路容量/光伏電源的最大視在功率)SCR來衡量弱電網(wǎng),當(dāng)SCR小于10時(shí),接入電網(wǎng)可視為弱電網(wǎng),當(dāng)SCR大于20時(shí),接入電網(wǎng)可視為強(qiáng)電網(wǎng)。

通過改變輸入PCC點(diǎn)有功功率和無功功率,使配電網(wǎng)運(yùn)行于2個(gè)不同的工作點(diǎn),并通過檢測(cè)PCC點(diǎn)電壓和電流在 2 個(gè)工作點(diǎn)的變化來估算電網(wǎng)阻抗,如圖1所示。

圖1 光伏電源接入電網(wǎng)模型

由圖1可得:

(1)

(2)

(3)

其中

(4)

通過靜止坐標(biāo)系變換,將靜止三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成靜止二維坐標(biāo)系;將三相電壓矢量投影到靜止αβ坐標(biāo)系得:

(5)

將兩相靜止的αβ二維坐標(biāo)變成兩相同步旋轉(zhuǎn)dq的二維坐標(biāo),可得:

Vd1,2=|Vpcc1,2|cos(θpcc1,2-θ)

Vq1,2=|Vpcc1,2|sin(θpcc1,2-θ)

(6)

(7)

(8)

將給定θ代入式(6) 得到的計(jì)算結(jié)果再帶代入式(7)、(8)可求得R、ωL。

2 光伏電源準(zhǔn)入功率的計(jì)算

2.1 功率傳輸過程中功率和電壓關(guān)系的模型

光伏電源接入弱電網(wǎng)等效分析模型如圖2所示,接入電網(wǎng)部分用等效電網(wǎng)阻抗Zg串聯(lián)一無窮大電源來等效,光伏系統(tǒng)則用電壓源和濾波器等效阻抗Zf串聯(lián)來等效。

圖2 光伏電源接入弱電網(wǎng)潮流分析模型

(9)

(10)

根據(jù)接入點(diǎn)電壓與電網(wǎng)理想電壓源之間的關(guān)系得:

(11)

聯(lián)立式(9)～(11)整理得到以接入點(diǎn)電壓作為未知變量的計(jì)算表達(dá)式為

(12)

式(12)表示了接入點(diǎn)電壓與傳輸功率之間的關(guān)系,其中理想電網(wǎng)電壓Us為定值標(biāo)么值,取1.0p.u.,若接入點(diǎn)參數(shù)Rg、Xg給定,則可以確定P和U之間的關(guān)系。

2.2 電網(wǎng)阻抗對(duì)準(zhǔn)入功率的影響

通過接入點(diǎn)注入有功功率P從0～1.0 p.u.變化時(shí),設(shè)定不同的電網(wǎng)阻抗參數(shù), 根據(jù)式(12)來分析從而獲取接入點(diǎn)電壓隨功率變化的曲線,然后利用曲線的變化趨勢(shì)來尋找電網(wǎng)阻抗大小及其構(gòu)成對(duì)接入點(diǎn)電壓影響的一般規(guī)律。

圖不同時(shí)的P-U曲線

圖不同時(shí)的P-U曲線

通過分析曲線和計(jì)算,可得到以下結(jié)論:

1) 電網(wǎng)阻抗中的電阻所占比例越大,如Xg和Rg的比值KXR小于4時(shí),Pmax的主要約束是電壓上限,反之，KXR大于4時(shí)，Pmax的主要約束是電壓下限,隨著電網(wǎng)阻抗標(biāo)么值越大,Pmax越小。

2) 對(duì)于電抗占優(yōu)的弱電網(wǎng),光伏逆變系統(tǒng)接入弱電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),會(huì)引起接入點(diǎn)電壓低于電壓調(diào)節(jié)下限,如果提供一定的無功支撐,將有助提升接入點(diǎn)電壓運(yùn)行水平。對(duì)于電阻占優(yōu)的弱電網(wǎng),光伏逆變系統(tǒng)接入弱電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),會(huì)引起接入點(diǎn)電壓高于電壓調(diào)節(jié)上限,則需要采取有載調(diào)壓變壓器等母線調(diào)壓措施,使得母線電壓距離電壓偏差上限留有一定的裕量。

2.3 考慮電壓約束的準(zhǔn)入功率的計(jì)算

對(duì)于給定的電網(wǎng),在保證接入點(diǎn)電壓滿足運(yùn)行電壓范圍可確定經(jīng)過接入點(diǎn)注入弱電網(wǎng)的極限功率Pmax。在數(shù)學(xué)上表述為,使得變量U有可行解條件下的傳輸功率最大值。U的解必須是可行的,即三相電壓的允許偏差為額定電壓的±7%,根據(jù)式(12)通過P-U曲線可得電壓越限的準(zhǔn)入功率為Pmax。對(duì)于特定的電網(wǎng)阻抗,可以直接根據(jù)KXR的大小來選取計(jì)算Pmax時(shí)的電壓,當(dāng)KXR>4時(shí),直接根據(jù)U=0.93 p.u.代入式(12)求解Pmax,當(dāng)KXR<4時(shí),直接根據(jù)U=1.07 p.u.代入式(12)求解Pmax。

3 算例分析

本文采用圖5所示的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)作為算例,具體線路和負(fù)荷數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[10],系統(tǒng)內(nèi)總負(fù)荷3.715 MW+2.3 MVA,電壓基值10 kV。功率基值取3 MW,接入一個(gè)功率因數(shù)為1時(shí)光伏電源,光伏電源接入點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)在0.93～1.07 p.u.范圍內(nèi)。

圖5 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)圖

選取節(jié)點(diǎn) 1、7、17、19、21、27、32作為并網(wǎng)點(diǎn),根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算光伏電源的準(zhǔn)入功率結(jié)果如表 1 所示。

表1 光伏電源接入時(shí)的準(zhǔn)入容量

選取節(jié)點(diǎn) 1、7、17、19、21、27、32作為并網(wǎng)點(diǎn),基于電網(wǎng)阻抗計(jì)算得到的光伏電源準(zhǔn)入功率的結(jié)果如表2所示。

表2 考慮電網(wǎng)阻抗的光伏電源接入的準(zhǔn)入容量

根據(jù)表1、表2得:當(dāng)在系統(tǒng)母線附近的節(jié)點(diǎn)處接入光伏電源時(shí),光伏電源對(duì)系統(tǒng)電壓的抬升作用有限;而當(dāng)并網(wǎng)位置逐漸遠(yuǎn)離系統(tǒng)母線時(shí),光伏電源對(duì)系統(tǒng)電壓的抬升作用越來越顯著,準(zhǔn)入功率越來越小。

通過分析比較得:本文方法計(jì)算的各節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入功率略小于文獻(xiàn)[8]計(jì)算的準(zhǔn)入功率,但能滿足工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]需進(jìn)行復(fù)雜潮流計(jì)算,而本文方法在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)只需求得接入點(diǎn)的電網(wǎng)阻抗就能求得系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入功率,大大減少了計(jì)算量,節(jié)約了計(jì)算時(shí)間,對(duì)光伏電源的選址規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

1) 利用電網(wǎng)阻抗來求取準(zhǔn)入功率的方法能夠方便地確定準(zhǔn)入功率,克服了傳統(tǒng)方法中復(fù)雜潮流計(jì)算量大,費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。

2) 通過對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算分析,得知光伏電源接入饋線支路首端附近的節(jié)點(diǎn)時(shí),電網(wǎng)阻抗小準(zhǔn)入功率大,而接入饋線末端附近的節(jié)點(diǎn)時(shí),電網(wǎng)阻抗大準(zhǔn)入功率小。

3) 在光伏逆變系統(tǒng)向電網(wǎng)注入有功的時(shí)提供一定的無功支撐,將有助于提升接入點(diǎn)電壓運(yùn)行水平,因此在實(shí)際的工程中可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗大小來調(diào)整注入無功功率的控制策略及大小。

[1] 劉迎迎,劉菲,林紅梅，等.基于模態(tài)法的分布式發(fā)電并網(wǎng)研究[J].黑龍江電力,2013,35(6):515-517. LIU Yingying, LIU Fei, LIN Hongmei, et al. Study of distributed generation paralleling in grid based on modal method [J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(6):515-517.

[2] 曾鳴,成歡.兼容廣義需求側(cè)資源的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究[J].黑龍江電力,2014,36(6):471-476,481. ZENG Ming, CHENG Huan. Research on distributed network economic operation compatible with generalized demand side resources [J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(6):471-476,481.

[3] 白鴻斌,王瑞紅,王真，等.風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析方法研究及案例分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(6):33-37. BAI Hongbin, WANG Ruihong, WANG Zhen, et al. Analysis method of power quality with integration of wind power and case study [J]. Journal of Northeast Dianli University Natural Science Edition, 2008,28(6):33-37.

[4] 耿波,陳琳,王康.考慮孤島檢測(cè)盲區(qū)的分布式電源準(zhǔn)入功率計(jì)算[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(8):44-49. GENG Bo, CHEN Lin, WANG Kang. Penetration level calculation of distributed generators with consideration of island non-detection zone [J]. Power System and Clean Energy, 2011,27(8): 44-49.

[5] 蘇小玲,韓民曉,趙正奎,等.配電網(wǎng)中分布式電源最大準(zhǔn)入容量分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(10):87-92. SU Xiaoling, HAN Minxiao, ZHAO Zhengkui, et al. Research on maximum capacity of grid-connected distributed generation in distribution network [J]. Power System Technology, 2012,36(10):87-92.

[6] 王一波,李晶,許洪華,等.考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束的光伏電站最大安裝容量計(jì)算與分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2008,29(8):971-975. WANG Yibo, LI Jing, XU Honghua, et al. Analysis of the maximum installed capacity of pv station constrained by power system security and stability [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008,29(8):971-975.

[7] G.M.S. AZEVEDO. M. C. CAVALCANTI, K. C. IVEIRA.et. Evaluation of maximum power point tracking methods for grid connected photovoltaic systems[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC 2008).2008:1456-1462.

[8] 馬越,陳星鶯,余昆,等.基于靈敏度分析法的分布式電源準(zhǔn)入功率計(jì)算[J].電網(wǎng)與清潔能源,2013,29(9):18-22,31. MA Yue, CHEN Xingying, YU Kun, et al. Calculation of the maximum penetration level of distributed generation based on sensitivity analysis [J]. Power System and Clean Energy, 2013,29(9):18-22,31.

[9] TIMBUS A V, RODRIGUEZ P, TEODORESCU R, et al.Line impedance estimation using active and reactive power variations[C]//2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference.USA:Orlanda,2007:1273-1279.

[10] GOSWAMISK,BASU S K.A new algorithm for the reconfiguration of distribution feeder for loss minimization[J].IEEE Transactions on Transactions on Power Delivery, 1992,7(3):1484-1491.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Calculation of photovoltaic power penetration level connected into a weak network based on grid impedance

DANG Ke1, YAN Binbin1, JIA Jiaoxin2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Aiming at the out-of-limit voltage when the photovoltaic power connects into a weak network, a method to calculate the penetration level using grid impedance was proposed. Based on the power flow analysis model and the relations between voltage and power in the power transmission process, the constraint conditions of voltage were expressed as a function of the relationship between the penetration level and grid impedance. It is a method that overcomes the shortcomings of complex calculation and time consuming. The rationality and feasibility of this method were tested and verified by IEEE 33 nodes system.

photovoltaic power; weak network; grid impedance; penetrationlevel

2015-03-18。

黨 克(1960—),男,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及分布式發(fā)電。

TM615

A

2095-6843(2015)05-0377-04