含分布式電源的配電網(wǎng)線損電壓研究

董慎學,周羽生,曹勛偉,朱磊,賀偉,張帆

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院,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、風能、地熱能、海洋能等發(fā)電形式;另一類稱為利用不可再生能源的 DG,主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、內(nèi)燃機、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃動機等發(fā)電形式。分布式供電因為具有靈活適應負荷增長、初期建設投資低、輸電損失小等優(yōu)點,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,而潮流計算是對該影響進行量化分析的主要手段。目前的配電網(wǎng)潮流計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),配電潮流計算難度增大,必須研究能夠計及DG對配電網(wǎng)絡影響的潮流計算方法。

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

前推回推潮流算法是當前應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)潮流計算方法進行研究,提出了含DG的配電網(wǎng)潮流計算的改進前推回推算法。并與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)利用前推回推進行潮流計算比較,進行了含DG的配電網(wǎng)線損電壓分析和研究。

1 配電網(wǎng)潮流計算中的DG分類

根據(jù)太陽能光伏、風能、燃料電池、微型燃氣輪機等DG與電網(wǎng)互聯(lián)的接口方式及其運行和控制方式,可以將DG分別看作PQ節(jié)點、PV節(jié)點、PI節(jié)點和PQ(V)節(jié)點。如果DG經(jīng)常運行在額定工況附近,則可將其看作PQ節(jié)點,如用同步電機接入電網(wǎng)的DG,當其勵磁控制方式為功率因數(shù)控制時,則可看作PQ節(jié)點;將能夠維持節(jié)點電壓幅值的DG節(jié)點看作PV節(jié)點,如用同步電機接入電網(wǎng),當其勵磁控制方式為電壓控制時可看作PV節(jié)點;儲能系統(tǒng)可以看作PI節(jié)點;對于直接并網(wǎng)的異步風力發(fā)電機組,可以看成是PQ(V)節(jié)點[10]。

1.1 PQ節(jié)點

對于視為PQ節(jié)點的DG,可看作是恒功率的負荷模型,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)同時輸送有功功率和無功功率時,等式中 Q前為負號,否則為正號。

PQ型DG對接入節(jié)點的注入電流為

1.2 PV節(jié)點

則PV型DG對接入節(jié)點的注入電流為

需要注意,由于PV節(jié)點可調(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)點的無功功率是否越限。若PV節(jié)點的無功功率越限,則將PV節(jié)點轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點。其無功功率Qk

PV按下式計算:

1.3 PI節(jié)點

對于視為PI節(jié)點的DG,輸出的有功功率PsPI和電流幅值Is

PI恒定。該類節(jié)點相應的無功功率計算如下:

PI型DG對接入節(jié)點的注入電流為

1.4 PQ(V)節(jié)點

直接并網(wǎng)的風力發(fā)電機組,由于異步發(fā)電機在輸出有功功率的同時還要從系統(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)點電壓V有關;在風力發(fā)電機處安裝的并聯(lián)電容器組輸出的無功功率也與節(jié)點電壓幅值有關。對于這類節(jié)點可以采用PQ(V)模型進行處理[11]。

在潮流計算中,第k次迭代的PQ(V)節(jié)點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,具有易編程、計算效率高等優(yōu)點,該方法也能有效處理電壓靜特性的節(jié)點類型。本文利用前推回推算法計算潮流和線損電壓,采用回推過程計算電流、前推過程計算電壓。

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

(1)求出回路的等值阻抗矩陣。

(2)初始化各節(jié)點功率大小。

(3)將恒功率負荷轉(zhuǎn)化為恒阻抗負荷。

(4)計算各節(jié)點負荷功率的注入電流。

(5)回推計算各支路的電流,從最后 1層支路開始向根節(jié)點推進計算各支路的電流。

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

(7)判斷系統(tǒng)中各節(jié)點相鄰 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),應用上述程序計算潮流時,本文進行如下改進。

(8)在給出的配電網(wǎng)電氣接線圖的節(jié)點,當異步發(fā)電機組并網(wǎng)運行時,判斷是否有因電壓偏低導致異步發(fā)電機退網(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)點的電壓是否仍然滿足異步發(fā)電機的入網(wǎng)條件。若滿足,則進行異步發(fā)電機的并網(wǎng)運算,繼續(xù)下一步計算;若不滿足,則進行異步發(fā)電機退網(wǎng)運算,轉(zhuǎn)步驟 4。

(9)計算異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)差,求出其吸收的無功功率,判斷異步發(fā)電機的功率因數(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,則結束計算,并輸出結果。

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

1)計算PI節(jié)點的注入無功功率,若無功越限,則把PI節(jié)點轉(zhuǎn)化成PQ節(jié)點處理,修正PI節(jié)點的注入電流。

2)計算 PV節(jié)點的注入無功功率,若無功越限,則把PV節(jié)點轉(zhuǎn)化成PQ節(jié)點處理,修正PV節(jié)點的注入電流。

3)判斷系統(tǒng)中各節(jié)點相鄰 2次迭代的電壓差是否滿足收斂條件,PV節(jié)點的電壓差是否滿足收斂條件,若這幾個條件要求同時滿足,則進行下一步計算;否則,轉(zhuǎn)步驟 4。

3 算例分析

本文利用 33節(jié)點的配電網(wǎng)接線圖為例進行算例驗證,本文33節(jié)點數(shù)據(jù)皆采用IEEE-33節(jié)點數(shù)據(jù)。取系統(tǒng)電壓基準值為10.5kV,視在功率基準值為50MW,風電場功率因數(shù)的允許變化范圍為 0.9～1.0。計算精度為ε=104。指定PI節(jié)點電壓幅值標幺值均為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)點系統(tǒng)電氣接線如圖1所示。

圖1 33節(jié)點配電系統(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)對潮流計算收斂的影響。其中方案 1表示節(jié)點 12接有 10臺并聯(lián)的采用異步發(fā)電機為接口的電源,即可視為PQ(V)類型節(jié)點。方案2表示在方案1基礎上在 26節(jié)點接入 1臺采用勵磁調(diào)節(jié)的同步電機為接口的電源,控制方式為電壓控制,即可視為 PV類型節(jié)點。方案 3表示在方案 2基礎上在 18節(jié)點接入 1臺采用變換器作為接口的燃料電池,即可視為PI類型節(jié)點。方案4表示在方案 3基礎上在 18節(jié)點接入 1臺采用勵磁調(diào)節(jié)的同步電機為接口的電源,其控制方式為功率因數(shù)控制,即可視為 PQ類型節(jié)點。結果表明運用改進的前推回推法進行處理多種形式的DG混合并網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算是有效的,并且在接入風力發(fā)電機等的異步發(fā)電機時,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)點電壓分布情況如表 1所示。可以看出:各種DG對系統(tǒng)的電壓支撐能力不同,PQ,PI節(jié)點最強,其次是PV節(jié)點,而PQ(V)節(jié)點則降低了系統(tǒng)電壓水平。

4 結論

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,必然會影響配電網(wǎng)的損耗,使之不僅與負載等因素有關,同時也與DG及微電網(wǎng)接入的位置、容量及負荷的相對大小以及網(wǎng)絡的拓撲結構等因素密切相關。

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

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

(1)采用異步電機作為接口的 DG會降低系統(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”流動變?yōu)椤半p向”。從國外所進行的一些研究[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,還需要進一步的分析。

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