某光伏電站接入電網(wǎng)對電壓潮流的影響

王國智，李忠良，劉　芳，李永剛，劉曉璇，魏建祥

(1.國網(wǎng)焦作供電公司，河南焦作　454000；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定　071003；3.國網(wǎng)海西供電公司，青海格爾木　816099)

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某光伏電站接入電網(wǎng)對電壓潮流的影響

王國智1，李忠良1，劉芳1，李永剛2，劉曉璇2，魏建祥3

(1.國網(wǎng)焦作供電公司，河南焦作454000；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003；3.國網(wǎng)海西供電公司，青海格爾木816099)

摘要：光伏電站接入電網(wǎng)，必然會對系統(tǒng)電壓、潮流產(chǎn)生影響。根據(jù)某地區(qū)周圍電網(wǎng)的情況，給出了其光伏電站接入系統(tǒng)的設(shè)計方案?；诠夥l(fā)電模型實測數(shù)據(jù)掌握了光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力變化，利用MATLAB軟件編程進行牛頓-拉夫遜潮流計算，對比光伏電站接入前后電壓、潮流變化；根據(jù)投運光伏電站數(shù)據(jù)，得到光伏電站接入電網(wǎng)對電壓、潮流的影響。

關(guān)鍵詞：輸配電工程；光伏電站；接入系統(tǒng)；光伏并網(wǎng)

E-mail:JZDDYFA@163.com

王國智,李忠良,劉芳,等.某光伏電站接入電網(wǎng)對電壓潮流的影響[J].河北工業(yè)科技,2015,32(1):45-49.

WANG Guozhi, LI Zhongliang, LIU Fang,et al.Impact of a photovoltaic power station connected to power grid on voltage and power flow[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):45-49.

環(huán)境和能源的雙重危機，使可再生能源得到廣泛發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電[1-4]便是其一，目前，國內(nèi)外對光伏發(fā)電的研究比較多，光伏發(fā)電的發(fā)展很迅速。2011年，全球新增并網(wǎng)光伏裝機容量已經(jīng)達到了29.685 GW，累計并網(wǎng)光伏裝機容量則達到69.684 GW。預(yù)計到2016年，全球新增并網(wǎng)光伏裝機容量將達到75 GW，累計并網(wǎng)光伏則達到300 GW。中國的政策扶持力度逐年加大，2008年，中國并網(wǎng)光伏裝機容量僅45 MW，到2011年，則增加到2 200 MW?？梢哉f光伏并網(wǎng)發(fā)電正是一項人類高度重視并將長期堅持的大工程[5-10]。由于光伏發(fā)電本身波動性等特點，光伏電站接入電網(wǎng)，必然會對電網(wǎng)的電壓潮流產(chǎn)生影響[11-12]。

本文以某光伏電站接入某地電網(wǎng)為例，研究光伏電站接入對系統(tǒng)電壓、潮流的影響。根據(jù)此地周圍電網(wǎng)的情況，給出接入系統(tǒng)方案。利用MATLAB編程，對此方案進行潮流計算及可靠性分析，并對比光伏電站接入電網(wǎng)前后有功無功，電壓、網(wǎng)損等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，得出光伏電站接入后對此地電網(wǎng)電壓、潮流的影響。

1光伏電站接入方案介紹

光伏發(fā)電的應(yīng)用及推廣依賴于光伏電站的設(shè)計與建設(shè)，而光伏電站接入系統(tǒng)又要根據(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDW617-2011)的相關(guān)技術(shù)要求和考慮多方面的因素。根據(jù)某地電網(wǎng)的實際情況，提出光伏電站接入方案見圖1。

光伏電站并網(wǎng)[13-15]按T型接入C地和F地110 kV路線。光伏電站內(nèi)建升壓站，規(guī)劃主變?nèi)萘?0 MVA，主變采用有載調(diào)壓變壓器。主變阻抗電壓取標準系列。主變抽頭：(115±8×1.25%)/10.5 kV，電壓等級110/10 kV，光伏電站所發(fā)電力通過站內(nèi)10 kV線路匯集至升壓站主變低壓側(cè)。110 kV采用線路變壓器組接線；10 kV主接線為單母線，母線最大穿越功率按50 MVA考慮。110 kV出線規(guī)劃1回，導(dǎo)線型號為LGJ-240，最大輸送功率97 MVA(40 ℃)。至F地110 kV變電站，線路長度約10 km。主變低壓側(cè)安裝8 Mvar容性無功補償裝置、變電所110 kV電氣設(shè)備短路水平按不小于25 kA設(shè)計。

圖1　某光伏電站接入方案簡化示意圖Fig.1　Schematic diagram of the simplified network for a 　photovoltaic power station tegrated into system

2光伏電站的模型及牛頓-拉夫遜原理

2.1　光伏電站模型

當(dāng)光伏電站采用最大功率跟蹤的PQ控制時，光伏電站以接近于1的高功率因數(shù)與電網(wǎng)傳遞能量，因此可以將光伏電源作為有功功率時變、無功功率為零的PQ 節(jié)點；當(dāng)進行潮流計算時，由于光伏電站將能量傳遞給電網(wǎng)，因此可以將其看做一個“負”的負荷并入電網(wǎng)進行潮流計算。本論文采用華北電力大學(xué)新能源國家重點實驗室光伏發(fā)電模擬系統(tǒng)中的10 kW薄膜固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的2013年4月4日9:00的實驗實測數(shù)據(jù)作為光伏電站輸出有功功率值來進行光伏電站潮流、電壓的預(yù)測。10 kW薄膜固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功P=3.02 kW，因此假設(shè)此時40 MVA的光伏電站接入電網(wǎng)輸出的有功為P=3.02×4 000=12.08 mW，即作為有功為12.08 mW的“負”的負荷接入系統(tǒng)。

2.2　牛頓-拉夫遜原理簡介

本文潮流計算運用的是牛頓-拉夫遜原理并利用MATLAB軟件編程求取。牛頓法是求解非線性方程的有效方法。這種方法把非線性方程的求解轉(zhuǎn)換為反復(fù)對相應(yīng)的線性方程的求解過程。逐步接近非線性方程解的過程，通常稱為逐次線性化過程。

設(shè)有單變量非線性方程f(x)=0,x為滿足該方程的真解，它與近似解x(0)的差為Δx(0)，Δx(0)=x-x(0)。將f(x)=f(x(0)+Δx(0))=0在x(0)處展開為泰勒級數(shù)：

(1)

式中：f′(x(0))…f(n)(x(0))分別為函數(shù)f(x)在x(0)處的一階導(dǎo)數(shù)，…，n階導(dǎo)數(shù)。如果差值Δx(0)很小，上式中二次及以上高次項可忽略不計。

這是關(guān)于Δx(0)的線性方程，也稱為修正方程式，由此可得修正量如下：

Δx(0)=-f(x(0))/f′(x(0))；

(2)

f(x(0)+Δx(0))=f(x(0))+f′(x(0))Δx(0)=0。

(3)

用求得的Δx(0)去修正近似解，得：

x(1)=x(0)+Δx(0)=x(0)-f(x(0))/f′(x(0))。

(4)

由于Δx(0)是由略去了高次項的簡化式求得的，因此所解出的修正量Δx(0)也只是近似解，所以x(1)與真解仍有誤差，只是向真解逼近了一步的改進值。但是可以通過反復(fù)迭代求解不斷接近真解，迭代計算的通式是：

x(k+1)=x(k)-f(x(k))/f′(x(k))。

(5)

當(dāng)Δx(k)→0時便有f(x(k))→0，從而x(k)即為所求解。迭代過程的收斂判據(jù)為

|Δx(k)|<ε或|f(x(k))|<ε，

其中ε 是事先給定的很小的正數(shù)。

牛頓法的核心是將非線性方程的求解轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線性方程的多次求解。其迭代過程見圖2。由于推導(dǎo)修正方程的前提條件是初始值選擇合適使Δx較小，所以牛頓潮流計算方法對初值要求很嚴，否則會出現(xiàn)不收斂的情況。

圖2　牛頓法的幾何解釋Fig.2　A geometric interpretation of Newton’s method

3光伏電站接入后的等值電路圖及潮流計算

光伏電站的并網(wǎng)線路T接在C地—F地110 kV線路上，方案等值電路圖見圖3(參數(shù)歸算到220 kV側(cè))。

圖3中：節(jié)點1為平衡節(jié)點，1-A地；2-B地；3-C地；4-D地；5-E地；6-F地110 kV側(cè)；7-F地110 kV側(cè)；8-F地35 kV側(cè)；9-T節(jié)點；10-光伏電站。

系統(tǒng)參數(shù)變壓器T1:SN=90 MVA，PK=313.3 kW，UK=9.46%。

變壓器T2:SN=63 MVA，PK=245 kW，UK=10.5%。選擇電壓基準值為UB=220 kV和功率基準值SB=100 MVA。

利用以上數(shù)據(jù)及牛頓-拉夫遜原理計算潮流的方法編制MATLAB潮流計算程序，潮流計算結(jié)果見表1，潮流分布圖見圖4。

圖3　等值電路圖Fig.3　Equivalent circuit diagram

節(jié)點12345678910電壓等級/kV22022022022022011011035110110標幺值10.98970.99071.00580.99360.99350.99300.99420.99390.9952實際電壓/kV220217.734217.95221.28218.59114.25114.1936.79114.29114.45

由表1可以看出，除了8節(jié)點，各站點滿足電壓偏移范圍為額定電壓±5%的要求。至于8節(jié)點，可通過無功補償使其電壓滿足要求[16-18]。

圖4　潮流分布圖Fig.4　Power flow diagram

4光伏電站接入電網(wǎng)實驗研究

光伏電站投入運行后，得到電站接入電網(wǎng)前和接入后的數(shù)據(jù)，見圖5-圖7。

圖5　光伏電站接入前后對節(jié)點電壓的影響Fig.5　Effect of the photovoltaic power station 　on the node voltage

圖6　光伏電站接入前后支路有功無功變化Fig.6　Change of the branch active and reactive power before and after the photovoltaic power station integ rated into system

圖7　光伏電站接入前后支路網(wǎng)損Fig.7　Branch loss before and after the photovoltaic 　power station integrated into sytem

由圖5可以看出，接入光伏電站前后，節(jié)點電壓有略微不同，接入光伏電站對局部電壓有調(diào)節(jié)作用，光伏電站對附近電網(wǎng)起一定支撐作用。同時光伏電站的接入使得節(jié)點電壓升高，導(dǎo)致有的節(jié)點電壓越限，如圖5中的8節(jié)點，其電壓偏高了，需通過無功補償可使其恢復(fù)到正常的電壓水平。

由圖6與圖7可以看出，光伏電站并入電網(wǎng)，經(jīng)過處理之后，把它作為PQ節(jié)點的電源，就是PQ節(jié)點的負的負荷接入節(jié)點，它不是消耗有功功率，而是發(fā)出有功功率(消耗功率為負值)。光伏電站的接入對原有電網(wǎng)潮流分布的有功功率和無功功率有一定影響，不同線路的有功功率和無功功率增減不一，增幅不一，線路上的網(wǎng)損情況因潮流變化而相應(yīng)變化?？梢哉f，光伏電站的接入使得電網(wǎng)變得復(fù)雜了，網(wǎng)絡(luò)的潮流分布、能量流動方向、網(wǎng)損、保護裝置等相應(yīng)復(fù)雜了。

接入前總網(wǎng)損D(s)=5.104 16-j38.948 76 MV，接入后總網(wǎng)損D(s)=4.791 51-j40.754 15 MVA，網(wǎng)損差別較小，且由于電站出力不斷變化，兩種情況下引起的網(wǎng)損差別可忽略。

5結(jié)語

基于光伏發(fā)電系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)掌握了光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力變化，提出將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為PQ節(jié)點并入網(wǎng)絡(luò)中進行潮流計算。根據(jù)某地周圍電網(wǎng)的情況，給出了其光伏電站接入系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過MATLAB軟件仿真，得出接入光伏電站使得電網(wǎng)節(jié)點電壓被抬高，光伏電站對附近電網(wǎng)起一定支撐作用；光伏電站的接入對原有電網(wǎng)潮流分布的有功功率和無功功率有一定影響，不同線路的有功功率和無功功率增減不一，增幅不一，線路上的網(wǎng)損情況因潮流變化而相應(yīng)變化等結(jié)論。

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Impact of a photovoltaic power station connected to

power grid on voltage and power flow

WANG Guozhi1, LI Zhongliang1, LIU Fang1, LI Yonggang2, LIU Xiaoxuan2， WEI Jianxiang3

(1.State Grid Jiaozuo Power Supply Company, Jiaozuo， Henan 454000，China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding， Hebei 071003, China; 3. State Grid Haixi Power Supply Company, Geermu, Qinghai 816099, China)

Abstract:Connection of new photovoltaic power station to the power systems will have inevitably impact on system voltage and power flow. According to the situation of the power grid in some area, the design scheme for a photovoltaic power station integrated into the grid is put forward. Based on the measured data from photovoltaic power generation model, the output change of the photovoltaic power generation system is obtained, and by using MATLAB software programming, Newton-Raphson power flow calculation is implemented, so that changes of voltage and power flow are compared before and after the photovoltaic power station's connection to the simplified grid systemAccording to the real data coming from the operating photovoltaic power station integrated into power grid, the influence of the connection to voltage and power flow is received.

Keywords:transmission and distribution engineering; photovoltaic power station; integrated into system; photovoltaic grid connected

作者簡介：王國智 (1966—)，男，河南焦作人，高級工程師，主要從事電力安全和調(diào)控一體化、電能質(zhì)量安全方面的研究。

基金項目：河南省科技攻關(guān)項目(2013598)

收稿日期：2014-09-22;修回日期：2014-10-26；責(zé)任編輯：李穆

中圖分類號：TM933.2

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01009

文章編號：1008-1534(2015)01-0045-05