分布式風電對配電網電壓的影響

禹華軍，　牟金善，　潘三博

(1. 上海電氣風電設備有限公司, 上海 200241; 2. 上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

?

分布式風電對配電網電壓的影響

禹華軍1，牟金善1，潘三博2

(1. 上海電氣風電設備有限公司, 上海 200241; 2. 上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

摘要介紹了分布式發電和雙饋型風力發電機組的相關概念，運用Digsilent Powerfactory軟件搭建以單臺2MW風電機組為分布式電源、結合儲能系統并入的35kV配電網模型。針對不同儲能系統投、切情況和風電滲透率，研究風電機組脫、并網時對電網電壓的波動影響，并進行了仿真結果驗證。

關鍵詞分布式風電; 雙饋風電機組; 配電網

近幾年，隨著我國對風力發電的大力支持，風電作為一種重要的可再生能源得到了長足的發展。目前，我國陸上風資源豐富的區域已經以大風場建設的形式得到了極大開發。大風場開發往往采用傳統的集中式發電形式，即通過升壓站，并入大電網，經過遠距離傳輸后為負荷供電。這種方式造成線路損耗較大，大電網建設成本較高，同時由于這些地區往往遠離負荷中心，本地消納不足，導致出現了不同程度的限電。相比之下，一些不適宜大規模開發風電的區域，同樣擁有較好的風資源，且該類區域靠近負荷，不存在消納問題，故具有一定的發展小容量風電的先天優勢，從而引起越來越多風電投資者的興趣。這類風電一般以容量較小的分布式電源形式接入當地配電網，避免了大規模建設輸電線路的成本，同時提高了供電的可靠性，因而具有較為廣闊的發展前景。當前，很多風電廠家已開始微電網等相關技術的研究和應用。因此，對風力發電機組分布式接入電網技術進行研究具有重要的現實意義。

本文簡單介紹了分布式發電和雙饋型風力發電機組的結構及相關概念，以兆瓦級風力發電機組結合儲能系統為研究對象，作為分布式電源接入35kV配電網，研究風力發電機組脫、并網時，在不同情況下對電網電壓波動的影響；運用Powerfactory電網仿真軟件搭建模型，對風電接入配電網的電網電壓影響做了仿真分析。

1分布式發電

分布式發電(Distributed Generation, DG)是指功率在幾十kW到幾十MW范圍內、模塊式的、分布在負荷附近的清潔、環保的發電設施，能夠經濟、高效、可靠地發電[1]。20世紀80年代末，美國、歐洲等國紛紛開始采用DG，全球電力工業出現由傳統的集中供電模式向集中和分散相結合的供電模式過渡的趨勢[2]。當前，主要的分布式電源包括風力發電、太陽能光伏發電、微型燃氣輪機發電、燃料電池等。相較于傳統的大電網集中式發電，分布式電源一般布置在負荷附近，不需要經過高壓電網遠距離傳輸，因而降低了線路建設的成本。然而，DG由于直接接入配電網，使得電網的單向潮流模式發生了改變，故對傳統電網產生了較大的影響。現有研究表明[2]，DG的接入對配電網供電的經濟性和節點電壓、潮流、短路電流、網絡供電的可靠性等都會帶來影響。因此，有必要對該問題進行研究，以更好地發揮DG的優勢，提高供電網絡的可靠性和控制水平。

2雙饋型風力發電機組

作為一種重要的可再生能源，近年來風電得到了極大發展。目前，我國的風電開發主要采用兆瓦級風力發電機組，建設大規模風場，集中開發的方式，本質上仍為集中式發電。真正作為DG的風力發電機組一般以幾kW到幾十kW的小功率機組為主，其對電網的影響很小。對于大功率機組，隨著風電滲透率的不斷提高，不同工作狀態下對電網的影響也越來越顯著，尤其在小容量的配電網中，其影響更是不容忽視。

目前的兆瓦級風力發電機組主要分為直驅式風力發電機組和雙饋型感應風力發電機組兩種類型。由于雙饋風力發電機組可以實現變速恒頻運行，故可提高風能轉換效率，降低由風施加到風力發電機組上的機械應力；通過對風力發電機組轉子交流勵磁電流的幅值、頻率和相位的控制，實現了變速下的恒頻運行；通過矢量變換控制還能實現輸出有功和無功功率的解耦控制，提高電力系統調節的靈活性和動、靜態穩定性[3]。

雙饋型風力發電機組主要由風力發電機、齒輪箱、雙饋感應異步發電機、變流器等組成。其中，變流器分為轉子側變流器和網側變流器兩部分，分別與發電機的轉子和電網相連接。雙饋型風力發電機組的基本數學模型和控制原理在文獻[4-5]中均有較為詳細的介紹，在此不再贅述。本文根據雙饋型風力發電機組的基本結構和控制原理，利用Digsilent Powerfactory軟件搭建模型并進行仿真，以實現設定的研究目標。

3分布式風電接入對配電網電壓的影響

3.1DG對配電網電壓影響

目前，針對DG對電網電壓影響的研究在不少文獻中都有論述[6-15]。文獻[6]中，對分布式電源接入后引起的配電網潮流大小和方向變化進行分析，提出運用靈敏度分析的方法分析系統電壓所受的影響及其程度，并討論了分布式電源的接入位置、出力等對系統電壓所帶來的影響。文獻[7]中對風電引起電網的電壓波動和閃變進行了仿真研究，指出系統短路容量與線路電抗、電阻比等對風電場的電壓波動、閃變有較大的影響，通過選取合適的并網點和電壓等級、合適的線路電抗與電阻比，能夠有效抑制風電引起的電壓波動與閃變。文獻[8]中提出利用短路比和剛性率來評估分布式電源對配電網供電電壓質量的影響，并通過建模仿真，進一步分析了旋轉型和逆變型分布式電源對電網電壓的不同影響；主要分析了分布式電源本身的啟停、發電波動對電網電壓的影響和分布式電源接入后對配電網電壓波動的作用。文獻[9]中針對電網靜態電壓穩定性與DG穿透功率的關系進行了研究，將DG接入線路的外網進行戴維南等值，得到含DG電網的兩節點簡化模型，進而推導電網負荷節點電壓與DG滲透率的解析表達。

(1) 電壓波動與線路端有功和無功功率的關系。根據輸電線路潮流分布，輸電線路兩端的電壓差可表示為

(1)

式中，P、Q、UN分別為注入系統的有功功率、吸收的無功功率和額定電壓；R、X分別為線路的電阻和電抗。由于風力發電機組并網線路較短，兩端電壓相角差不大，故一般忽略式(1)中的虛部分量，可得

(2)

對式(2)的兩邊同時求微分，可得電壓降落變化量為

(3)

由式(3)可知，線路端注入的有功和無功功率的變化會引起電壓的波動。同時，線路中的電阻和電抗也同樣對電壓波動有重要影響。由于實際線路中，系統等值電抗在電抗中占有相當大的比重，而系統等值電抗與短路容量成反比，故可知，當系統電源等值阻抗越小時，短路容量越大，由風力發電機組引起的電網電壓波動就越小。

(2) DG滲透率對配電網電壓波動的影響。根據文獻[9-10]中提出的外網線路等值方法，本文建立了DG的等值電網模型與等效電路如圖1所示。圖1(a)為將線路k1以外的局部網絡進行戴維角等值的模型。其中，Ek、θk分別為等值電源的幅值和相位角。

圖1　分布式發電并網外網等值模型及等效電路Fig.1　Equivalent model and equivalent circuit of network for distributed generation integration

圖1(b)中，θ為等效電路等值電源的相位角，DG注入電網的功率為PDG+jQDG，負荷功率為Pl+jQl，Ek<θk和Rk+jXk為等值電源和等效阻抗，常規電源注入的功率為Pg+jQg，Zt=Rt+jXt=(Rk+Rkl)+j(Xk+Xkl)為外網等效阻抗和線路阻抗之和；Pt和Qt為網絡損耗的有功和無功功率，負荷節點電壓Ul<0設為參考電壓。常規電源所發出的復功率可表示為

Sg=(Ek<θ)I*=|Ek|(cosθ+jsinθ)×

(4)

其有功和無功功率分別為

|Ul|(Xtsinθ-Rtcosθ)]

(5)

|Ul|(Rtsinθ+Xtcosθ)]

(6)

外網阻抗和線路消耗的有功和無功功率分別為

Pt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(7)

Qt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(8)

通常情況下，由于分布式電源在單位功率因數下運行，故QDG=0。負荷節點設為恒定功率因數，即Ql=klPl，其中kl為功率因數正切值。可得系統的功率平衡方程：

(9)

將式(5)～(8)代入式(9)，整理后可得到：

(10)

由式(10)可知，分布式電源的輸出功率直接影響了并網點的電壓Ul。文獻[11]中定義了DG的滲透率為DG總容量與系統總負荷之比，設為ηP，則由式(10)可得，DG并網點電壓與滲透率的關系為

(11)

求解上述方程得到Ul與ηP的解析表達式為

(12)

式中，

A=RtPl+XtQl=RtPl+XtklQl

B=XtPl-RtQl=XtPl-RtklPl

3.2建模仿真

本文采用Powerfactory軟件建立風力發電機組結合儲能系統接入35kV電網的模型；同時，結合已有的結論，研究在配合儲能系統投切情況下，風力發電機組的脫、并網對系統電壓的影響，以及在不同電網短路容量下的影響。分布式風電并網模型結構如圖2所示。

圖2　分布式風電并網結構圖Fig.2　Structure of distributed wind power

模型中，假定外部電網為35kV配電網，短路容量為500MV·A。風力發電機組額定功率為 2MW，通過容量為2.2MV·A的變壓器Tr1連接到35kV母線MV2上。容量為1MW的儲能系統通過變壓器Tr2同樣連接到母線MV2上。同時，MV2母線上還帶有負載L1，假定該負載的有功功率為15MW，功率因數為0.98，各線路參數采用默認值。

假定風力發電機組工作在額定工況下，運行潮流計算命令，可計算得到系統的潮流分布如圖3所示。由圖可見，根據軟件的仿真計算，可以清楚地了解各線路的潮流分布情況，從而為進一步規劃電網建設、監控電網運行狀態等研究提供便利條件。同時，在仿真時運行模型的潮流計算，能夠發現搭建時存在的錯誤，可對模型的正確性進行初步判斷。本文利用圖2的仿真模型，設定風力發電機組在5s時脫網，15s時重新并網，仿真時間為30s，針對不同的情況，研究配電網電壓的波動情況。

圖3　潮流分布Fig.3　Flow distribution

(1) 儲能系統對電網電壓波動影響。保持儲能系統為切出電網狀態，仿真得到母線MV2電壓的波動情況如圖4所示。

圖4　儲能系統切出時MV2電壓的波動情況Fig.4　MV2 voltage fluctuations without energy storage system

由圖可見，MV2電壓的最高值為37.05kV，最低值為31.82kV，可見風力發電機組的脫、并網對電網電壓產生了較大影響。

保持儲能系統為并入電網狀態，仿真得到母線MV2電壓的波動情況如圖5所示。

圖5　儲能系統切入時MV2電壓的波動情況Fig.5　MV2 voltage fluctuations with energy storage system

由圖可見，MV2電壓的最高值為35.57kV，最低值為31.92kV。比較圖4、5可知，在相同的電網參數和負荷情況下，儲能系統的切入能夠在一定程度上減小風力發電機組脫、并網時對接入點處電壓波動的影響。

(2)ηP對電網電壓波動的影響。修改負荷L1的有功功率為150MW，同時，修改外部電網的額定容量為160MW，此時分布式風電的滲透率較低。保持儲能系統為切出電網狀態，仿真得到MV2電壓的波動情況如圖6所示。

圖6　儲能系統切出，低滲透率下MV2電壓的波動情況Fig.6　MV2 voltage fluctuations without energy storage system in low permeability

由圖可見，此時MV2母線電壓最高值為35.30kV，最低值為34.17kV。與負荷L1的有功功率為15MW時的MV2電壓波動曲線(見圖5)相比，風力發電機組并網點出的電壓波動幅度有所減少，可見，在儲能系統切出的情況下，降低滲透率可使風力發電機組并網點的電壓波動明顯降低。

保持儲能系統為并入電網狀態，仿真得到MV2母線的電壓波動情況如圖7所示。

圖7　儲能系統切入時，低滲透率下MV2電壓的波動情況Fig.7　MV2 voltage fluctuations with energy storage system in low permeability

由圖可見，此時MV2母線電壓最高值為35.12kV，最低值為34.19kV。與負荷L1的有功功率為15MW時的MV2電壓波動曲線(見圖6)相比，風力發電機組并網點的電壓波動幅度有所減少，可見，在儲能系統切入的情況下，降低滲透率可使風力發電機組并網點的電壓波動明顯降低。

同時，比較圖6、7可見，在分布式風電滲透率較低的情況下，儲能系統的切入有助于減小電壓的波動。

4結語

本文介紹了分布式發電以及雙饋型感應風力發電機組的相關概念，利用Digsilent Powerfactory軟件搭建了簡單的電網模型，對單臺2MW風電力發電機組配合儲能系統接入35kV配電網進行了仿真。在不同條件下，對電網電壓波動的影響因素進行了對比研究，結果表明：

(1) 大功率風力發電機組脫、并網時對電網電壓的波動有較為明顯的影響，并入儲能系統后，能在一定程度上減弱這種影響，縮小電壓的波動范圍。可見，并入儲能系統可以有效抑制電網電壓的波動。

(2) 在不同風電滲透率下，電網電壓的波動不同。風電滲透率越高，對電壓波動的影響也越明顯；反之，電壓波動越小。因此，對風電滲透率的臨界值進行研究具有實際意義，從而能夠最大程度地利用風能，保證電網的安全穩定運行。

參考文獻

[1]王義賀，栗然，馬慧卓，等.10kV配網接入分布式電源后電壓及網損的計算與分析[J].東北電力技術，2013，34(3)： 4-9.

[2]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32(15)： 71-76.

[3]何超軍.基于DIgSILENT的風電機組建模研究[C]∥2010年中國電機工程學會年會.海口： 中國電機工程學會，2010： 1-5.

[4]凌志剛，李含善，高絹絹.并網型雙饋風力發電機組的動態模型仿真研究[J].電氣技術，2011(4)： 31-34.

[5]遲永寧，王偉勝，戴慧珠.改善基于雙饋感應發電機的并網風電場暫態電壓穩定性研究[J].中國電機工程學報，2007，27(25)： 25-31.

[6]李斌，劉天琪，李興源.分布式電源接入對系統電壓穩定性的影響[J].電網技術，2009，33(3)： 84-88.

[7]吳義純，丁明.風電引起的電壓波動與閃變的仿真研究[J].電網技術，2009，33(20)： 125-130.

[8]裴瑋，盛鹍，孔力，等.分布式電源對配網供電電壓質量的影響與改善[J].中國電機工程學報，2008，28(13)： 152-157.

[9]李題印，韓永強，胡曉琴，等.分布式發電接入電網的靜態電壓穩定特性及影響分析[J].電力系統保護與控制，2014，42(12)： 8-13.

[10]徐琳，盧繼平，汪洋，等.電力系統節點電壓穩定指標的研究[J].電網技術，2010，34(3)： 26-30.

[11]EFTEKHARNEJAD S，VITTAL V，HEYDT G T，et al.Impact of increased penetration of photovoltaic generation on power systems[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2)： 893-901.

[12]鄺國毅.分布式電源接入對配電網電壓暫降影響研究[D].廣州： 華南理工大學，2012： 24-53.

[13]陳芳，王瑋，徐麗杰，等.分布式電源接入對配電網電壓變化的分析[J].電力系統及其自動化學報，2012，24(4)： 145-149.

[14]王旭強，劉廣一，曾沅.分布式電源接入下配電網電壓無功控制效果分析[J].電力系統保護與控制，2014，42(1)： 47-53.

[15]莊慧敏，巨輝，肖建.高滲透率逆變型分布式發電對電力系統暫態穩定和電壓穩定的影響[J].電力系統保護與控制，2014，42(17)： 84-89.

收稿日期：2016-04-24

基金項目：上海市教育委員會科研創新項目資助(14YZ160)

作者簡介：禹華軍(1977-)，男，高級工程師，博士，主要研究方向電力電子與電力傳動， E-mail: yuhj@shanghai-electric.com

文章編號2095-0020(2016)03-0176-06

中圖分類號TM 712.2

文獻標識碼A

Distributed Wind Power on Distribution Network Voltage

YUHuajun1，MOUJinshan1，PANSanbo2

(1. Shanghai Electric Wind Power Group, Shanghai 200241, China；2. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractThis paper introduces relative concepts of distributed generation and doubly fed wind generator. A 35kV distribution network model is built, distributing power with a single 2MW wind turbines combining genergy storage system using a software named Digsilent Powerfactory. Influence of fluctuation on the grid voltage due to connection and disconnection of wind turbines is studied for different energy storage systems and different penetration of wind power. The results are verified by simulation.

Keywordsdistributed wind power; double-fed wind turbine; distribution network