基于電網阻抗的光伏接入弱電網準入功率計算

黨 克,閆斌斌,賈焦心

(1,東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2,北方工業大學 機電工程學院 北京 100144)

●專家論壇●

基于電網阻抗的光伏接入弱電網準入功率計算

黨 克1,閆斌斌1,賈焦心2

(1,東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2,北方工業大學 機電工程學院 北京 100144)

針對光伏電源接入弱電網引起電壓越限的問題,提出了利用電網阻抗來求取準入功率的方法。通過光伏電源接入弱電網潮流分析模型和功率傳輸過程中功率和電壓的關系,把電壓不越限的約束條件表達為光伏電源準入功率與電網阻抗之間的函數關系,克服了傳統方法中重復潮流法計算量大、費時的缺點。通過對IEEE33節點配電網的計算分析,驗證了該方法的合理性和可行性。

光伏電源;弱電網;電網阻抗;準入功率

隨著光伏電源大規模接入配電網,對較薄弱的電網造成了很大的沖擊,導致電能質量和電網可靠性降低[1-3]。所以必須在保證電網穩定運行的前提下,合理配置接入電源的容量[4-5]。

目前國內已經開始研究光伏電源接入配電網的準入功率。文獻[6]研究了基于電網安全穩定的光伏最大接入容量,利用電力系統仿真軟件針對西藏羊八井地區電網計算得出光伏最大接入容量。文獻[7]結合電網靜態安全穩定性以及光電出力隨機性等因素,研究了基于機會約束規劃的光伏最大接入容量優化規劃算法。文獻[8] 基于節點電壓約束,采用電壓靈敏度分析法提出了系統準入功率薄弱節點并計算分布式電源的準入功率。但這些方法沒有考慮電網阻抗和接入配電網強弱對準入功率的影響,難以得出典型情況下的一般性結論。因此,本文利用電網阻抗來分析光伏電源接入弱電網時的準入功率。通過建立功率傳輸過程中功率和電壓關系的模型,提出了計算光伏電源準入功率的方法,并通過對IEEE33節點配電系統進行計算分析,驗證了該方法的有效性和可行性。

1 弱電網的描述方法

衡量弱電網的指標有電網阻抗和短路容量比。通過測定電網中不同接入點電網阻抗的大小及性質可以確定功率薄弱節點,當電網阻抗大于0.1 p.u.可視為弱電網。文獻[9]提出用短路容量比(接入點短路容量/光伏電源的最大視在功率)SCR來衡量弱電網,當SCR小于10時,接入電網可視為弱電網,當SCR大于20時,接入電網可視為強電網。

通過改變輸入PCC點有功功率和無功功率,使配電網運行于2個不同的工作點,并通過檢測PCC點電壓和電流在 2 個工作點的變化來估算電網阻抗,如圖1所示。

圖1 光伏電源接入電網模型

由圖1可得:

(1)

(2)

(3)

其中

(4)

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

(5)

將兩相靜止的αβ二維坐標變成兩相同步旋轉dq的二維坐標,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) 得到的計算結果再帶代入式(7)、(8)可求得R、ωL。

2 光伏電源準入功率的計算

2.1 功率傳輸過程中功率和電壓關系的模型

光伏電源接入弱電網等效分析模型如圖2所示,接入電網部分用等效電網阻抗Zg串聯一無窮大電源來等效,光伏系統則用電壓源和濾波器等效阻抗Zf串聯來等效。

圖2 光伏電源接入弱電網潮流分析模型

(9)

(10)

根據接入點電壓與電網理想電壓源之間的關系得:

(11)

聯立式(9)～(11)整理得到以接入點電壓作為未知變量的計算表達式為

(12)

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

2.2 電網阻抗對準入功率的影響

通過接入點注入有功功率P從0～1.0 p.u.變化時,設定不同的電網阻抗參數, 根據式(12)來分析從而獲取接入點電壓隨功率變化的曲線,然后利用曲線的變化趨勢來尋找電網阻抗大小及其構成對接入點電壓影響的一般規律。

圖不同時的P-U曲線

圖不同時的P-U曲線

通過分析曲線和計算,可得到以下結論:

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

2) 對于電抗占優的弱電網,光伏逆變系統接入弱電網運行時,會引起接入點電壓低于電壓調節下限,如果提供一定的無功支撐,將有助提升接入點電壓運行水平。對于電阻占優的弱電網,光伏逆變系統接入弱電網運行時,會引起接入點電壓高于電壓調節上限,則需要采取有載調壓變壓器等母線調壓措施,使得母線電壓距離電壓偏差上限留有一定的裕量。

2.3 考慮電壓約束的準入功率的計算

對于給定的電網,在保證接入點電壓滿足運行電壓范圍可確定經過接入點注入弱電網的極限功率Pmax。在數學上表述為,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%,根據式(12)通過P-U曲線可得電壓越限的準入功率為Pmax。對于特定的電網阻抗,可以直接根據KXR的大小來選取計算Pmax時的電壓,當KXR>4時,直接根據U=0.93 p.u.代入式(12)求解Pmax,當KXR<4時,直接根據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節點配電網絡作為算例,具體線路和負荷數據見文獻[10],系統內總負荷3.715 MW+2.3 MVA,電壓基值10 kV。功率基值取3 MW,接入一個功率因數為1時光伏電源,光伏電源接入點的穩態電壓應在0.93～1.07 p.u.范圍內。

圖5 IEEE33節點配電網絡圖

選取節點 1、7、17、19、21、27、32作為并網點,根據文獻[8]計算光伏電源的準入功率結果如表 1 所示。

表1 光伏電源接入時的準入容量

選取節點 1、7、17、19、21、27、32作為并網點,基于電網阻抗計算得到的光伏電源準入功率的結果如表2所示。

表2 考慮電網阻抗的光伏電源接入的準入容量

根據表1、表2得:當在系統母線附近的節點處接入光伏電源時,光伏電源對系統電壓的抬升作用有限;而當并網位置逐漸遠離系統母線時,光伏電源對系統電壓的抬升作用越來越顯著,準入功率越來越小。

通過分析比較得:本文方法計算的各節點準入功率略小于文獻[8]計算的準入功率,但能滿足工程應用。文獻[8]需進行復雜潮流計算,而本文方法在保證準確性的同時只需求得接入點的電網阻抗就能求得系統所有節點的準入功率,大大減少了計算量,節約了計算時間,對光伏電源的選址規劃有一定的指導意義。

4 結 論

1) 利用電網阻抗來求取準入功率的方法能夠方便地確定準入功率,克服了傳統方法中復雜潮流計算量大,費時的缺點。

2) 通過對IEEE33節點配電網絡進行計算分析,得知光伏電源接入饋線支路首端附近的節點時,電網阻抗小準入功率大,而接入饋線末端附近的節點時,電網阻抗大準入功率小。

3) 在光伏逆變系統向電網注入有功的時提供一定的無功支撐,將有助于提升接入點電壓運行水平,因此在實際的工程中可以根據電網阻抗大小來調整注入無功功率的控制策略及大小。

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(責任編輯 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,碩士生導師,研究方向為新能源發電、電力系統電能質量及分布式發電。

TM615

A

2095-6843(2015)05-0377-04