計及新能源并網發電的配電網電能質量分析

王黃磊， 江濤， 吳玉玲， 王能勝

(國網安徽省電力有限公司廬江縣供電公司，安徽 合肥 231500)

0 引 言

隨著社會對能源需求的不斷擴大和傳統化石能源的不斷枯竭，能源短缺和環境污染問題日趨嚴重，新能源發電技術獲得了人們的廣泛關注和重視[1]。新能源并網發電情況在配電網中越來越多，但新能源發電的出力具有間歇性和波動性等特征。而現有的配電網在其規劃時一般并未考慮新能源發電的并網，導致電能質量在新能源并網發電后受到嚴重的影響[2]。為保證配電網運行的電能質量要求和促進新能源發電的發展，需對新能源并網發電帶來的配電網電能質量影響進行深入研究。

針對新能源并網發電對配電網帶來的影響，國內外學者做了一些研究工作。文獻[3]對新能源光伏發電和風力發電的出力特性進行了分析，發現其具有波動性和隨機性的特征。文獻[4]研究發現，新能源并網發電后對配電網電壓有一定的抬升作用。文獻[5]分析表明，新能源光伏并網發電會造成配電網電壓波動程度加重。文獻[6]簡要綜述了新能源并網的電能質量問題，未進行深層次的理論分析和仿真計算。文獻[7]在假設新能源發電出力為恒功率的前提下，對新能源并網發電后的配電網電壓變化情況進行了分析。文獻[8]建立了含光伏并網發電的配電網電能質量仿真模型，對并網點處的電能質量進行了計算研究，但其未考慮配電網非并網點的電能質量。

本文在對配電網電能質量影響原理和新能源風電出力特性理論分析的基礎上，對新能源不同并網情況下的配電網電能質量進行了仿真分析，研究了配電網中新能源并網對電能質量的影響規律。

1 含新能源并網的配電網電能質量分析

1.1 配電網電能質量概念分析

電能質量是指電氣設備正常運行所需的電氣特性，電力企業向電力用戶所提供的電能需滿足相關的指標要求[9]。對于配電網而言，衡量電能質量的指標主要有電壓偏差ΔU、電壓波動d%和電壓總諧波畸變率THDu。計算表達式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：Ux、UN分別為節點電壓的實際值和額定值;Umax、Umin分別為電壓方均根值曲線兩相鄰的電壓最大值和最小值;Urms、U1rms分別為諧波電壓和基波電壓的有效值。

1.2 新能源并網發電后的配電網電能質量分析

為分析新能源并網發電前后的配電網電能質量，將配電網簡化等效為圖1所示的結構圖。

圖1 配電網簡化等效結構圖

(4)

(5)

當配電網存在新能源并網發電時，假設新能源并網節點為p，并網發電有功出力為PG，出力變化量為ΔP，等效分配到饋線k的阻抗功率為ΔPZk，則對于節點p上游的節點。節點電壓Um及相鄰節點的電壓差ΔUm表達式為:

(6)

(7)

此時節點m的電壓波動dm%為：

(8)

而對于節點p下游的節點而言，當不考慮線路無功的影響時，其節點電壓Um及相鄰節點的電壓差ΔUm表達式為:

(9)

(10)

此時節點m的電壓波動dm%為:

(11)

由以上分析可知：在無新能源并網發電或新能源出力較小時，各節點電壓從前端到末端逐漸降低；而當新能源出力超過一定程度時，并網節點上游的各節點電壓先降低后升高，并網節點上游的各節點電壓則逐漸降低。新能源并網節點處的電壓波動最大，且并網節點越靠近饋線末端，電壓波動越大。

為分析新能源并網發電造成的諧波影響，可將新能源等效為諧波電流源，其中大部分由配電網主干線路流向公共系統，只有少部分流向負荷節點，且并網點越靠近系統末端，主干線路流過的諧波就越小[10]。新能源向配電網輸入的諧波電流I為:

(12)

式中：IGh為新能源產生的諧波電流；Zeqsh、Zeqlh為系統側和并網點后的等效諧波阻抗。

2 新能源風電出力特性分析

新能源風力發電主要是通過風機將風能轉化為電能，新能源風力發電目前主要采用雙饋風力發電機[11]。它具有最大風能追蹤、變速恒頻運行和出力平穩等優點，其結構圖如圖2所示。

風力發電機的出力Pw主要由風速v決定，兩者之間的函數關系表達式為：

圖2 雙饋風力發電機結構圖

(13)

(14)

(15)

圖3 風電出力特性曲線圖

式中：Pr、vr分別為風力發電機的額定功率值和額定風速大小;vci、vco為風機的切入風速和切出風速。

風力發電機的出力特性如圖3表示。

根據相關統計數據分析發現，某一地區的風速大小是一個服從Weibull分布的隨機變量[12]。風速v的概率密度函數f(v)的表達式為：

(16)

式中：k、c分別為Weibull分布函數形狀參數和尺度參數；v0為風力發電機的位置參數。

根據式(13)和式(16)可得風力發電機出力概率密度函數f(Pw)，其表達式為：

(17)

3 配電網電能質量仿真分析

3.1 算例

本文以IEEE-33節點配電網系統為例,對電能質量進行計算分析[13]，圖4為系統圖，在PSCAD/EMTDC仿真環境中建立相應的仿真模型。并網的新能源為風力發電場DG，采用蒙特卡羅法對其典型日下的有功出力進行模擬。圖5為模擬后獲得的風電場有功出力曲線圖。

圖4 IEEE-33節點系統圖

圖5 風電場有功出力曲線圖

3.2 電能質量仿真結果分析

假設并網的風電場額定出力為1 000 kW不變，在該配電網中選取合適的具有代表性的節點作為并網節點。本文選擇的節點為3、10、16，分別代表該配電網的上游、中游和下游節點位置，然后分別進行配電網電壓仿真計算，并選取具有代表性節點3、10、16、27來求取電壓偏差、電壓波動和電壓總諧波畸變率的電能質量結果，如圖6所示。

圖6 配電網電能質量仿真計算結果

從圖6的計算結果發現，新能源風電場并網后對配電網節點的電能質量有著很大的影響。電壓得到抬升、波動程度增大以及諧波畸變加重，且影響的程度與風電場的并網位置有關。并網位置越靠近配電網饋線末端，并網后對電能質量的影響程度越大，而配電網節點越靠近并網位置，其電壓受到的抬升作用越大，電壓波動程度和電壓總諧波畸變率也越大。其中新能源并網節點的電能質量受影響的程度最大。

為進一步研究新能源并網容量對電能質量的影響，在風電場并網節點固定為節點10的前提下，分別對并網容量為500 kW、1 000 kW和2 000 kW的配電網節點電壓進行仿真計算，求取的電壓偏差、電壓波動和電壓總諧波畸變率的電能質量結果，如圖7所示。

圖7 配電網電能質量仿真計算結果

根據圖7的計算結果可知：配電網的電能質量會受到風電場并網容量大小的影響，并網容量越大，則電壓被抬升越多、電壓波動程度越大、電壓總諧波畸變率越高，電能質量受影響的程度越大。為保證配電網的電能質量在合格范圍內，需選擇合適的新能源并網容量。

4 結束語

本文對新能源并網發電造成的配電網電能質量影響進行了理論分析和仿真計算。研究結果表明，新能源并網發電會使配電網節點電壓得到抬升、波動程度增大、諧波畸變加重，且影響的程度與新能源并網發電的位置和容量相關。并網位置越靠近配電網饋線末端，并網發電容量越大，則配電網電能質量受到的影響程度越大。配電網節點越靠近新能源并網發電所在位置，該節點電能質量受影響的程度越大，其中新能源并網節點的電能質量受影響的程度最大。新能源并網發電對配電網電能質量有很大的影響，為保證配電網電能質量在合格范圍內，需對新能源并網發電的位置及容量進行合理的規劃。本文研究成果可為配電網電能質量的提高及新能源并網規劃提供有效的技術指導和理論參考。