能量采集網絡對傳輸系統電壓性能的影響研究

鄭 真，程浩忠，張　逸，繆源誠，MASOUD Bazargan(.上海電力學院電氣工程學院，上海00090；.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海000；.福建省電力公司，福建福州5000；.阿爾斯通電網集團研究與技術中心，斯塔福德ST7 LX，英國)

能量采集網絡對傳輸系統電壓性能的影響研究

鄭 真1，程浩忠2，張逸3，繆源誠2，MASOUD Bazargan4
(1.上海電力學院電氣工程學院，上海200090；2.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海200240；3.福建省電力公司，福建福州350003；4.阿爾斯通電網集團研究與技術中心，斯塔福德ST17 4LX，英國)

讓分布式發電機(DGs)運行在固定的感性功率因數以克服配電網電壓上升的限制，這樣的做法很普遍。但這種方法增加了配電網無功需求，可能導致傳輸系統在全網DG高輸出時無功功率提供有限(特別是當這種輸出取代同步發電機時)。如果相鄰的DGs能以集群的方式經過專用能源采集網絡(EHN)連接到傳輸節點上，就可以像虛擬電廠一樣描述其總無功容量能力。提供了這樣一種描述，這種集群容量可以很容易地在傳輸系統模型中被體現出來，而且會明確地比較EHN無功容量和傳統同步發電機電廠對傳輸系統電壓控制性能的影響。

分布式發電；能源采集網絡；無功

要想提高可再生能源的滲透率，有必要考慮將可再生能源發電當作重要的參與者為更寬闊的電力系統提供配套服務。雙饋感應電機(DFIGs)的電力電子設備允許控制獨立于有功輸出的無功輸出，因而特別適合參與電力系統電壓支撐。本文參考了多種有功控制策略，以最好地利用遍布整個配電網的無功電源[1-3]。也有一種針對相鄰集群的發電機的獨特控制方法被采用：以成組的形式連接到一個專用的傳輸節點上(可能因為經濟原因)。

文獻 [4]建立了由風電廠DFIG組成的能源采集網絡(EHN)的無功容量通過數字和統計的方法刻畫出來，在傳輸節點給出一個總共的無功容量。這種方法是關于建立特定網絡

1 方法

在得到一組比較結果之前，要按以下步驟進行：

(1)將EHN無功特性等效為測試系統中的每一臺發電機；

(2)采用測試系統的發電機的無功作時間系列潮流分析；

(3)采用等效EHN容量對同步發電機容量圖進行增量替代，并且記錄由此對傳輸系統電壓產生的效果。

1.1測試系統選擇

選擇IEEE30節點測試系統以實現這項工作，是因為它在很多相同的研究中得到了采用[5]。電網由8條132 kV的傳輸線組成，同時采用33 kV的配電系統連接負荷。系統特性在文獻[6]中給出，同時還提供了作為這項研究基礎的發電機參數。表1顯示了發電機運行限制，以及作者設定的在負荷變化時產生的基本系統調度的優勢等級。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? P P ? ? ? 1 　0 　2 0 0 　2 0 0 . 0 　6 ? ? ? 2 　2 0 　8 0 　7 5 . 5 　1???5 　15 　50 　47.5 　2???8 　10 　35 　33.5 　4 ? ? ? 1 3 　1 2 　4 0 　3 8 . 5 　3 ? ? ? 1 1 　1 0 　3 0 　2 8 . 5 　5

表1中Pmax_new列顯示了強加給這項研究的發電機最大輸出限制稍微減少了一些。這是用來產生EHN能力特性的方法。模擬匹配Gen2的EHN由總共最大出口容量為80 MW的風場組成；這個參數的逐漸降低，反應了EHN里的有功損耗。

6個發電機供應系統283.4 MW和126.2 MVar的高峰負荷。系統中的有功和無功負荷將從愛爾蘭系統里的負荷曲線歸一化。時間系列的負荷數據從2009年的數據中提取，15 min取一次。

由于發電機提供的無功水平是工作中將要得到的比較的關鍵，在IEEE30節點系統中提供一個可行的無功容量是非常重要的。因而對同步發電機采用了發電機升壓變壓器進行模型擴充。這些MVA級別的采用0.85功率因數運行在額定有功下，建立的電壓從11～132 kV，阻抗比為10.08％，X/R為26。發電機11和13通過原有系統中給定的三繞組變壓器等效阻抗相連[6]，它們分別調整傳輸母線6和4上的電壓。所有發電機將傳輸系統連接母線電壓設定為1 pu。

1.2發電機無功容量特性

每一個發電機要么模擬典型同步發電機運行圖，要么模擬EHN模型的代表性容量。

同步發電機運行圖是基于同步阻抗Xd=Xq=1.75 pu[7]。發電機功率因數固定在0.85。單元變壓器的存在能夠解釋在傳輸層獲得的無功容量的減少。

為了獲得EHN無功容量特性，采用了文獻[4]中給出的模型，因而為包含EHN的風電廠提供的根據經驗獲得的時間系列功率輸出數據被用來生成一系列實際電網運行點。

圖1中顯示的四個DGs是對愛爾蘭共和國四個現存的相鄰風場每隔15 min采集的輸出數據的模擬。本研究中采用的EHN模型如圖2所示。EHN里連接它們的線路阻抗與它們的實際地理位置是一致的。每個風場模擬為DFIG發電機，后面為一個合適大小的連接電網的變壓器。

對每隔15 min的快速仿真，記錄了圖1中傳輸節點上有功和無功潮流(P，Q)。這些記錄組成了統計分析的基礎。在圖3中，一群這樣的運行點繪制成黑色。對圖1中顯示的四個DGs研究的描述采用了30 000個歷史有功輸出數據。

給定總有功P輸出時，無功輸出或輸入的限制取決于如下因素：每個組成的發電機的無功容量，每個采集網絡內的阻抗，有功注入的主要位置和EHN的電壓曲線。有功注入曲線的變化影響電網內無功損耗和當前電壓曲線，意味著無功容量限制并不總是和總有功緊密相關。為了找到無功支持最大的運行點，在每一個潮流采樣點上，每一個DG輸出它的最大無功，除非受過電壓條件的限制。采用逆過程找到無功吸收點。

圖1　EHN里DFIG DG的理論無功容量

圖2　本研究中采用的EHN模型

在30節點系統中，為了給每個發電機找到等量的EHN，EHN模型中每個DG的容量按比例縮小，所以它們的總和等于發電機規定的原有的Pmax。EHN中的變壓器也適當等比例縮放，以適合新的總容量。由此產生的EHN模型用來做前述的時間系列仿真。

黑線劃定的區域僅僅在運行點1％以內伸展。選擇這個任意值使得大量運行點減少到一個更可靠的特性。未來的工作應該是建立一個更加可靠的范圍在圖中進行選擇。這些黑線描述的性能99％的時間可以得到。這些描述EHN的線路作為PV發電機來建模。由于I2X損耗和電壓限制，在高有功輸出下所得到的無功儲備的衰減是EHN的典型特征。

將圖3中的性能圖和圖3比較。同步電廠比本文中EHN模型有更大的無功容量。EHN的無功容量取決于電網范圍，發電機和環境變量；本文中考慮的樣本僅僅是例子但是有說服力。

1.3測試系統運行情況

選擇近一個月的兩個階段；一個冬季階段包括最大系統需求283.4 MW，和一個夏天階段包含最小系統需求96.4 MW。時間序列負荷潮流分析大約15 min執行一次。發電機調度對每個15 min負荷狀況下更新一次，根據表1中給出的優勢等級，發電機永遠不會切除，但是會減少到它們的最小負荷水平。

對每一個時間階段，6個獨立的時間序列負荷都進行了潮流分析：

(1)初始時間系列仿真將所有發電機模擬為同步電廠；

(2)下一步分析中，最高優勢等級的發電機采用匹配的EHN代替同步容量圖；

(3)時間序列分析在相同的調度和負載制度下重復執行；

(4)通過第6個時間系列分析，除了用來功率平衡的Gen1，所有的發電機都要作為EHNs運行。

2 結果

2.1冬季階段

在EHN滲透越來越高的情況下，對傳輸系統電壓性能粗略評估，首先檢查一下全球傳輸系統健康的寬泛指標。

圖4描繪了傳輸系統的3個相同的指標。在時間系列分析中，它給出了任意傳輸母線任意點上的絕對最大和最小電壓記錄。同時也給出了時間系列中所有傳輸母線電壓的平均值(平衡節點1的電壓不在本分析范圍內)。X軸是每個案例中EHN發電機當前能量注入，同時對增加的發電機命名以接受EHN特性。

圖4　當EHN滲透增加時平均和最小傳輸系統電壓下降

圖4中顯示的普遍下降的傳輸電壓是同步能力更換引起的傳輸系統無功儲備逐漸降低的預期效果。在不斷增加的EHN滲透下，為了分析單個發電機對無功的貢獻，考慮圖5中隨時間變化發出的無功：當每個發電機被匹配的EHN代替，很明顯就可以看到它給傳輸線提供的無功減少到大約峰值的1/5。這意味著，一旦發電機給定一個EHN能力，它就在會在較低處平衡。

圖5　　在每個仿真案例中單一發電機發出的無功量

在最后的仿真案例中，發現承擔基本負荷的Gen2在作為EHN運行時實際上需要無功注入。這是為了當輸出最大有功時克服內部電壓限制。

因為系統在冬季負荷很重，發電機通常運行在高有功輸出的水平上，EHN損耗和電壓限制嚴重制約可得到的無功水平 (如圖3所示)。EHN滲透不斷增加引起的無功短缺通過Gen2和Gen1處的平衡節點平衡得很好。這使傳輸到母線上的無功在電氣上遠離發電機，對電壓水平有害，如圖5所示。實際上，過分依賴Gen1的無功支持將引起對高EHNs滲透水平(可能大于21.8％)下電壓安全的高度重視。

2.2夏季階段

夏季階段的有功制度有更多的發電機運行在更大的功率輸出范圍。這使來自EHN發電機的無功支持更方便，在高有功輸出時這些發電機的無功能力大幅削減。圖6為EHN滲透不斷增加情況下的傳輸電壓標準。

圖6　EHN滲透不斷增加情況下的傳輸電壓標準

對于較輕負載的夏季時期，傳輸系統電壓水平相對于冬季大為改善，即使在EHNs滲透率較高的情況下。

在本案例中對Gen1的依賴減少了，正如提供的GV ArH并沒有隨著EHN滲透的增加提高得如此厲害。值得注意的是，作為EHNs運行時的發電機無功支持在高峰期同步性能上顯著減少。即使圖7中給出較好的調度計劃，從EHNs得到的無功支持和從同步電廠獲得的相比仍然相形見絀。在性能上的大量差異的直接后果，來源于圖2中給出的基本的DG容量。

圖7　6個滲透水平下每個發電機的總無功貢獻

3 結論

本文通過一種簡化的方法來模擬傳輸系統的建模，對采用封裝無功容量的分布式電源進行研究。傳輸系統結果顯示，在EHN滲透較明顯時電壓性能顯著降低。盡管本文中EHNs電壓支撐的貢獻適度，但主要還是針對具有有功和無功損耗的固有感性分布式能源，對傳輸系統的電壓穩定性能產生了一定的影響。

[1]謝睿,王少榮.基于多智能體與實時數據的合同能源管理決策支持系統[J].電力系統自動化,2013,12:69-74.

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Voltage performance of transmission network system based on effect of EHN's reactive support

ZHENG Zhen1,CHENG Hao-zhong2,ZHANG Yi3,MIAO Yuan-cheng2,MASOUD Bazargan4
(1.School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;2.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.Fujian Municipal Electric Power Company, Fuzhou Fujian 350003,China;4.ALSTOM Grid Research＆amp;Technology Centre,Stafford ST17 4LX,UK)

It could be common to operate DGs at fixed inductive power factors so that we could overcome voltage constraints on distribution networks.Distribution system which reactive power's demand was increased particularly if such output displaces synchronous generators,it may strain the transmission system reactive power resources at times of system-wide high DG output.If via a dedicated energy harvesting network(EHN)some adjacent DGs were connected to a transmission node in a clustered fashion,also as a form of virtual power plant,it was possible to characterise their aggregated reactive power capability.Such a characterisation could be provided.The aggregated capability would readily be included in transmission system models.This work would explicitly compare the transmission system voltaget-control performance of EHN reactive capability with that of traditional synchronous plant.

distributed generation；energy harvesting network；reactive power

TM 31

A

1002-087 X(2016)01-0203-04

2015-06-05

“863”計劃(2014AA051901)；國家電網公司大電網重大專項資助(SGCC-MPLG018-2012)

鄭真(1990—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統安全與穩定。提供的無功運行限制，沒有考慮采用一個合適的控制計劃來實現它。這種EHN總容量是對過去常用來描述同步電廠的容量圖的一種模擬。本文將證明這種容量采集是怎樣應用在傳輸系統研究中的，并提供一些最初的結果來直接比較EHN和傳統同步發電機電廠對傳輸系統電壓性能的影響，考慮兩種不同類型的發電機在相同的有功調度制度下的情況。當然，如果考慮到風能發電的隨機性，這就是一個完全不現實的假設。然而，通過固定這些因素，在其他條件不變的情況下進行比較，可以將改變有功運行對傳輸系統電壓性能的影響隔離掉。