分布式風(fēng)電接入交直流混合配電網(wǎng)的研究

尹忠東，王超

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

分布式風(fēng)電接入交直流混合配電網(wǎng)的研究

尹忠東，王超

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

用戶負(fù)荷特性的改變和電力電子技術(shù)的發(fā)展使得直流配電網(wǎng)重新得到重視。構(gòu)建了一種含分布式風(fēng)電的新型交直流混合配電網(wǎng)，分析了傳統(tǒng)配電網(wǎng)中風(fēng)電場(chǎng)母線電壓波動(dòng)的原因，提出了適合交直流混合配電網(wǎng)特性且能夠穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)母線電壓的控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立了風(fēng)電場(chǎng)交直流混合配電網(wǎng)的仿真模型，對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，新型交直流混合配電網(wǎng)能更好地消納風(fēng)電波動(dòng)功率，且風(fēng)電場(chǎng)母線電壓穩(wěn)定性更好。

交直流混合配電網(wǎng)；電壓波動(dòng)；風(fēng)電場(chǎng)；控制策略

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的提高，可再生能源的開發(fā)日益得到重視。風(fēng)電以可開發(fā)容量大、清潔等優(yōu)點(diǎn)成為電力系統(tǒng)中增長(zhǎng)最快的能源[1]。但大規(guī)模集中開發(fā)風(fēng)電的同時(shí)帶來(lái)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，由于暫態(tài)穩(wěn)定性差、無(wú)功控制不到位等問(wèn)題，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生。在地理位置上，集中式風(fēng)電廠一般建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，由于風(fēng)電和電網(wǎng)建設(shè)不同步，當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低，跨省跨區(qū)市場(chǎng)不成熟等因素，風(fēng)電消納問(wèn)題突出，棄風(fēng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2]。

近幾年，國(guó)家開始鼓勵(lì)風(fēng)電的分布式開發(fā)，風(fēng)電分散上網(wǎng)的相關(guān)扶持政策陸續(xù)出臺(tái)。發(fā)展分布式風(fēng)電，一是因?yàn)槌叭钡貐^(qū)”具有優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源外，我國(guó)其他地區(qū)也廣泛分布著可被利用的風(fēng)資源，雖不具備發(fā)展大型風(fēng)電場(chǎng)的條件，卻是發(fā)展分布式風(fēng)電的沃土；二是因?yàn)榉植际斤L(fēng)電具有就近入網(wǎng)、就地消納，不需要電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離輸送等優(yōu)勢(shì)，尤其是在東部電力負(fù)荷中心區(qū)域，可就近建設(shè)一些小規(guī)模風(fēng)電基地，以緩解用電壓力。

雖然分布式風(fēng)電并網(wǎng)有諸多優(yōu)勢(shì)，但受氣候環(huán)境的影響。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行時(shí)，發(fā)出的有功功率和吸收的無(wú)功功率都是波動(dòng)的，波動(dòng)的有功和無(wú)功功率注入到配電網(wǎng)中，會(huì)使配電網(wǎng)出現(xiàn)頻率偏移、電壓波動(dòng)等問(wèn)題，直接影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

已有不少學(xué)者針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3-5]提出依靠風(fēng)電機(jī)組自身發(fā)出無(wú)功功率來(lái)抑制電壓波動(dòng)，這種補(bǔ)償方式無(wú)須額外進(jìn)行投資，經(jīng)濟(jì)性較好，但補(bǔ)償容量較小，且風(fēng)電場(chǎng)的有功出力會(huì)受影響；文獻(xiàn)[6-9]論述了通過(guò)加裝電容器組、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)和儲(chǔ)能等裝置快速補(bǔ)償無(wú)功功率及平抑有功功率，維持風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，此類方法雖然補(bǔ)償效果好、通用性強(qiáng)，但項(xiàng)目投資大、維護(hù)成本高。

針對(duì)以上問(wèn)題，構(gòu)建一種將雙饋風(fēng)機(jī)接入交直流混合配電網(wǎng)的新型拓?fù)洌⑻岢鰧L(fēng)電場(chǎng)輸出的風(fēng)電功率分解為波動(dòng)功率和穩(wěn)定功率2部分，波動(dòng)功率注入對(duì)可再生能源發(fā)電“接納性”更好的直流配電網(wǎng)中，穩(wěn)定功率注入對(duì)穩(wěn)定性要求較高的交流配電網(wǎng)中，以提升電網(wǎng)整體的可靠性。同時(shí)分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)的原因，建立風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，提出抑制電壓波動(dòng)的控制算法，通過(guò)控制AC/DC換流器，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。

1 交直流混合配電網(wǎng)

雙饋風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，為給轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁，需配備網(wǎng)側(cè)AC/DC換流器和轉(zhuǎn)子側(cè)DC/AC換流器。本文提出的交直流混合配電網(wǎng)是在原有交流配電網(wǎng)基礎(chǔ)上，從網(wǎng)側(cè)換流器和轉(zhuǎn)子側(cè)換流器之間的直流母線處引出功率供給直流配電網(wǎng)。為提高供電可靠性，低壓直流配電網(wǎng)部分采用環(huán)狀供電結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能裝置、分布式電源等通過(guò)DC/DC變換器與直流配電網(wǎng)相連，大功率直流負(fù)載、電動(dòng)汽車充電站等直接與直流配電網(wǎng)相連。交直流混合配電網(wǎng)的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of AC/DC hybrid distribution network

相較于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，本文提出的新型交直流混合配電網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)降低配電成本。現(xiàn)在很多電氣設(shè)備本質(zhì)上就是采用直流電驅(qū)動(dòng)的，例如 LED 照明燈、電動(dòng)車、個(gè)人電腦、手機(jī)。在交流配電網(wǎng)中，必須通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換才能供給電器使用。而對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)，不需要轉(zhuǎn)換就可以直接給設(shè)備供電，節(jié)約了成本，也降低了損耗[10]。且直流配電網(wǎng)中不存在電抗，輸電容量得以提升，尤其在城市配電網(wǎng)普遍采用地下電纜的情況下，優(yōu)勢(shì)更為明顯[11]。

(2)提高配電網(wǎng)穩(wěn)定性。直流配電網(wǎng)中沒(méi)有頻率偏移和無(wú)功功率流動(dòng)等問(wèn)題[12]，可將風(fēng)電發(fā)出的波動(dòng)功率交由直流配電網(wǎng)消納。直流配電網(wǎng)則通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分布式電源及儲(chǔ)能裝置的出力來(lái)保證系統(tǒng)中能量的供需平衡，維持直流配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

(3)減少風(fēng)電場(chǎng)投資。雙饋風(fēng)機(jī)原有的網(wǎng)側(cè)換流器稍加改造即可用作連接直流配電網(wǎng)的AC/DC換流器，節(jié)省了建設(shè)成本。且風(fēng)電場(chǎng)無(wú)須額外投資建設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，AC/DC換流器可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，能快速補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中所需的無(wú)功功率，防止交流配電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功交換，抑制風(fēng)電場(chǎng)母線電壓波動(dòng)，改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。

2 控制策略

2.1 電壓波動(dòng)的抑制原理

含雙饋風(fēng)機(jī)接入的交直流混合配電網(wǎng)能量流動(dòng)情況如圖2所示。

圖2 交直流混合配電網(wǎng)能量流動(dòng)圖Fig.2 Power flow in AC/DC hybrid distribution network

交流配電網(wǎng)經(jīng)阻抗(R+jX)與風(fēng)電場(chǎng)母線連接，電壓大小為U，風(fēng)電場(chǎng)母線電壓為Upcc，則

Upcc=U+[RPac+X(Qdc-Qw)]/U

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行變換可得

ΔUpcc=[RΔPac+XΔ(Qdc-Qw)]/U

(2)

當(dāng)Pac保持恒定時(shí)，令Qdc=Qw，即可保持Upcc穩(wěn)定。

2.2 有功功率分析

流向交流配電網(wǎng)的有功功率Pac為一整定值，其大小由天氣、風(fēng)電場(chǎng)容量、交直流配電網(wǎng)的負(fù)荷需求等因素決定。

流向直流配電網(wǎng)的功率Pdc由風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率與注入交流配電網(wǎng)的功率決定，如式(3)所示。

Pdc=Pw-Pac

(3)

2.3AC/DC換流器的控制

AC/DC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)AC/DC換流器的控制采用雙環(huán)控制。外環(huán)控制流入AC/DC換流器的有功功率和無(wú)功功率，內(nèi)環(huán)則是按外環(huán)控制輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，得到的電壓參考值經(jīng)正弦波脈寬調(diào)制(sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM)后最終生成絕緣柵雙極晶體管(insulatedgatebipolartransistors，IGBT)控制脈沖。

圖3 AC/DC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of AC/DC converter

2.3.1 電流內(nèi)環(huán)控制

AC/DC換流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中：ω為交流電網(wǎng)相電壓角頻率；UFd、UFq分別為AC/DC換流器輸出基波電壓的d、q軸分量；Ud、Uq、Id、Iq分別為交流電網(wǎng)電壓和電流的d、q軸分量。

(5)

比例積分環(huán)節(jié)的存在可實(shí)現(xiàn)反饋量Id、Iq對(duì)參考值Idref、Iqref的迅速無(wú)差跟蹤調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)AC/DC換流器的內(nèi)環(huán)控制。

2.3.2 功率外環(huán)控制

AC/DC換流器輸入功率計(jì)算公式為

(6)

式中：P為AC/DC換流器輸入的有功功率；Q為AC/DC整流器輸入的無(wú)功功率。

若將整流器交流側(cè)電壓定向于d軸，則功率計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

(7)

由式(7)可以看出，在交流側(cè)電壓定向下，通過(guò)控制Id、Iq，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)AC/DC換流器輸入有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制。整個(gè)控制過(guò)程的具體控制框圖見(jiàn)圖4。

圖4 AC/DC換流器的控制結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Control strategy of AC/DC converter

3 仿真研究

本文在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了含分布式雙饋風(fēng)機(jī)的配電網(wǎng)模型，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 含分布式雙饋風(fēng)機(jī)的配電網(wǎng)模型的仿真參數(shù)
Table 1 Simulation parameters of distribution network model with distributed doubly-fed induction generator

圖5為仿真期間風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的變化情況。圖6對(duì)比了雙饋風(fēng)機(jī)接入不同結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)時(shí)有功功率的流動(dòng)情況。如圖6(a)所示，雙饋風(fēng)機(jī)接入傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)時(shí)，在波動(dòng)的風(fēng)速影響下，風(fēng)電場(chǎng)注入交流配電網(wǎng)的有功功率也隨之波動(dòng)，注入功率的最大值為0.98 MW，最小值為0.16 MW。圖6(b)為雙饋風(fēng)機(jī)接入交直流混合配電網(wǎng)時(shí)注入到交流配電網(wǎng)中的有功功率，由于波動(dòng)功率被直流配電網(wǎng)消納，因此注入到交流配電網(wǎng)中的有功功率基本保持恒定。圖6(c)顯示了直流配電網(wǎng)對(duì)有功功率的消納情況。

圖5 風(fēng)速變化情況Fig.5 Wind speed change

圖6 雙饋風(fēng)機(jī)接入不同結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)時(shí)有功功率流動(dòng)情況對(duì)比Fig.6 Contrast of active power flow in different distribution network with doubly-fed induction generator

圖7展示了雙饋風(fēng)機(jī)接傳統(tǒng)配電網(wǎng)時(shí)無(wú)功功率流動(dòng)及母線電壓波動(dòng)情況。圖7(a)為雙饋風(fēng)機(jī)接入傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率的波形。隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)電場(chǎng)與交流配電網(wǎng)交換的無(wú)功也在波動(dòng)，由圖7(b)可見(jiàn)，波動(dòng)的無(wú)功導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)母線發(fā)生電壓波動(dòng)。

圖7 雙饋風(fēng)機(jī)接傳統(tǒng)配電網(wǎng)時(shí)無(wú)功功率流動(dòng)及母線電壓波動(dòng)情況Fig.7 Waveform of reactive power flow and voltage fluctuation in traditional distribution network with doubly-fed induction generator

圖8(a)為AC/DC換流器發(fā)出無(wú)功功率的波形。如圖8(b)所示，由于AC/DC精確地補(bǔ)償了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行所需的無(wú)功功率，風(fēng)電場(chǎng)與交流配電網(wǎng)基本不再進(jìn)行無(wú)功交換。圖8(c)為風(fēng)電場(chǎng)母線電壓的波形，由圖可看出，風(fēng)電場(chǎng)母線電壓波動(dòng)基本得到抑制。

圖8 雙饋風(fēng)機(jī)接入新型配電網(wǎng)時(shí)無(wú)功功率流動(dòng)及母線電壓波動(dòng)情況Fig.8 Waveform of reactive power flow and voltage fluctuation in new distribution network with doubly-fed induction generator

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種新的含分布式雙饋風(fēng)機(jī)接入的交直流混合配電網(wǎng)，并對(duì)其控制策略進(jìn)行了研究。新提出的拓?fù)浼斑\(yùn)行方案有效地吸納了風(fēng)電波動(dòng)功率，不僅使注入交流配電網(wǎng)的功率變得平滑，而且避免了風(fēng)電場(chǎng)與交流配電網(wǎng)的無(wú)功交換，抑制了風(fēng)電場(chǎng)母線電壓的波動(dòng)。在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了仿真模型，仿真結(jié)果與理論分析一致，證明此拓?fù)浼斑\(yùn)行方案具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

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(編輯 景賀峰)

AC/DC Hybrid Distribution Network with Distributed Wind Farm

YIN Zhongdong, WANG Chao

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The change of user load characteristic and the development of power electronic technology make DC distribution network to get attention. This paper constructs a new type of AC/DC hybrid distribution network which contains distributed wind power, analyzes the cause of the bus voltage fluctuation and proposes the control strategy suitable for the features of AC/DC hybrid distribution network, which can stabilize the bus voltage of wind farm. We establish the simulation model of AC/DC hybrid distribution network with wind farm in PSCAD/EMTDC, and verify the proposed control method. The results show that, compared with the traditional distribution network, the new AC/DC hybrid distribution network can better absorb wind wave power and the bus voltage stability of wind farm is better.

AC/DC hybrid distribution network; voltage fluctuation; wind farm; control strategy

中國(guó)電力科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(YD83-16-037)

TM 614

A

1000-7229(2016)05-0063-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-01

尹忠東(1968)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊娂夹g(shù)、新能源發(fā)電等；

王超(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛旌蟽?chǔ)能與節(jié)能技術(shù)。