彭 彬,劉 寧,吳 迪

(1.魯泰紡織股份有限公司,淄博 255100;2.天津陳塘熱電有限公司,天津 300072)

近年來(lái),分布式發(fā)電技術(shù)日益為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所關(guān)注,由于大量并網(wǎng)運(yùn)行分布式電源的存在,對(duì)配電網(wǎng)潮流計(jì)算提出了更高要求[1～4]。當(dāng)配電系統(tǒng)中引入分布式電源后,引起了配電線(xiàn)路中傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功功率大小和方向的改變,配電系統(tǒng)成為一個(gè)多電源系統(tǒng),而且不一定能維持嚴(yán)格的輻射狀結(jié)構(gòu)。因此,在進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí),必須針對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型采用不同的處理方法。

分布式發(fā)電系統(tǒng)一般通過(guò)以下幾種方式接入配電網(wǎng)絡(luò)。(1)通過(guò)異步發(fā)電機(jī)直接接入。如:異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。由于異步發(fā)電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁系統(tǒng),需從系統(tǒng)中吸收大量的無(wú)功,其無(wú)功的大小與機(jī)端電壓有關(guān),因而需在潮流計(jì)算中做特殊處理。(2)通過(guò)同步發(fā)電機(jī)直接接入。如:雙軸微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。由于采用同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng),一般勵(lì)磁電壓可調(diào),故其處理方式與傳統(tǒng)方法相同,可處理為PV節(jié)點(diǎn)。(3)通過(guò)電力電子裝置接入。如:光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。由于電力電子裝置的運(yùn)行方式及控制策略不同,其節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的選取要進(jìn)行綜合考慮。

本文針對(duì)常見(jiàn)的分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)、如微型燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等,從并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式入手,分析其并網(wǎng)模型,建立了各自潮流計(jì)算數(shù)學(xué)模型。

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)模型

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu),一種為分軸結(jié)構(gòu),另一種為單軸結(jié)構(gòu)。分軸結(jié)構(gòu)的動(dòng)力渦輪與燃?xì)鉁u輪采用不同轉(zhuǎn)軸,動(dòng)力渦輪通過(guò)變速齒輪與發(fā)電機(jī)相連,因此可直接并網(wǎng)運(yùn)行;單軸結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪與發(fā)電機(jī)同軸,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高,需通過(guò)變流器將頻率轉(zhuǎn)化為工頻后并網(wǎng)。

1.1 分軸微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

分軸微型燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng),一般采用有勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力的同步發(fā)電機(jī)作為接口具有兩種勵(lì)磁控制方式,即電壓控制和功率因數(shù)控制。采用電壓控制的分布式電源在潮流計(jì)算中可作為PV節(jié)點(diǎn)處理,采用功率因數(shù)控制的分布式電源可作為PQ節(jié)點(diǎn)處理。因此,分軸微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)在配電網(wǎng)潮流計(jì)算中,仍可按傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理。在潮流迭代過(guò)程中,若PV節(jié)點(diǎn)無(wú)功越限,則將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的PQ節(jié)點(diǎn)。如在后續(xù)迭代中又出現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)電壓越界,重新將其轉(zhuǎn)換成PV節(jié)點(diǎn)。

1.2 單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)由于轉(zhuǎn)速較高,高頻量不能直接并網(wǎng),需通過(guò)變流器變換為工頻量后并網(wǎng)。常見(jiàn)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種,如圖1所示。

圖1 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of converter

通過(guò)整流器后,系統(tǒng)被分成了直流與交流兩部分,可將交流部分與直流部分進(jìn)行等效,一般處理如下[5]:交流系統(tǒng)中,整流器等效為△型負(fù)荷,逆變器等效為△型電源;直流系統(tǒng)中,整流器等效為直流電源,逆變器等效為直流負(fù)荷。圖2給出了詳細(xì)的等效模型。

圖2 交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)等效模型Fig.2 Equivalentmodel of AC system and DC system

對(duì)于電流型的PWM變流器(整流器與逆變器),也存在類(lèi)似的關(guān)系式成立,因而,二極管不可控整流器及電流型PWM變流器都可看作有功輸出和注入電網(wǎng)電流恒定的PI節(jié)點(diǎn)。相應(yīng)的無(wú)功功率可由前次迭代得到的電壓、恒定的電流幅值和有功功率計(jì)算得出[2]:

整流器側(cè)若采用二極管不控整流器,則有:

電壓型PWM變流器在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可作為常規(guī)的PV節(jié)點(diǎn)處理。當(dāng)系統(tǒng)脫離主網(wǎng)處于孤島運(yùn)行時(shí),需分布式電源支撐系統(tǒng)的電壓與頻率,分布式電源相當(dāng)于常規(guī)電力系統(tǒng)的平衡母線(xiàn),因此孤島運(yùn)行時(shí)電壓型PWM變流器還可作為節(jié)點(diǎn)(平衡節(jié)點(diǎn))。電力電子變流器節(jié)點(diǎn)類(lèi)型總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 電力電子換流器節(jié)點(diǎn)類(lèi)型Tab.1 Node typeo f power electronics converter

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以異步電機(jī)直接并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和雙饋發(fā)電系統(tǒng)較為常見(jiàn)。由于運(yùn)行方式與控制策略各有不同,因此節(jié)點(diǎn)形式也各有不同。

2.1 異步電機(jī)直接并網(wǎng)

早期風(fēng)力發(fā)電一般采用異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行,異步發(fā)電機(jī)靠電網(wǎng)提供無(wú)功功率建立磁場(chǎng),沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[6]將風(fēng)電場(chǎng)在潮流計(jì)算中視為PQ節(jié)點(diǎn),即根據(jù)有功功率和給定的功率因數(shù)直接計(jì)算得到無(wú)功功率。這種模型優(yōu)點(diǎn)是處理簡(jiǎn)單,對(duì)現(xiàn)有潮流程序幾乎無(wú)需改動(dòng),缺點(diǎn)是模型過(guò)于粗略。由于風(fēng)電場(chǎng)吸收的無(wú)功功率隨系統(tǒng)的運(yùn)行情況不斷變化,風(fēng)電場(chǎng)的功率因數(shù)在不同系統(tǒng)運(yùn)行方式下是變化的,因此采用這種模型將使計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[7]提出一種RX迭代模型,把異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差表示成機(jī)端電壓和有功功率函數(shù),給定初始轉(zhuǎn)差和風(fēng)速,由異步機(jī)等效電路寫(xiě)出異步機(jī)等效阻抗Z=R+jX,將發(fā)電機(jī)視為阻抗型負(fù)荷加入潮流程序,得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁功率,另外由風(fēng)速等信息計(jì)算出風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率,根據(jù)兩個(gè)功率之差值修正轉(zhuǎn)差,反復(fù)迭代,最終使風(fēng)機(jī)功率與發(fā)電機(jī)功率相平衡。RX模型充分考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出特性,屬于較完善模型,但此模型的迭代過(guò)程分兩步完成,總迭代次數(shù)多,收斂速度慢。

考慮到異步發(fā)電機(jī)在輸出有功功率的同時(shí)還要從系統(tǒng)吸收一定的無(wú)功功率,其吸收的無(wú)功功率大小與轉(zhuǎn)差率s和節(jié)點(diǎn)電壓U的大小密切相關(guān),為減少網(wǎng)絡(luò)損耗,一般采取無(wú)功功率就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t,通常做法是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝并聯(lián)電容器組[8]。簡(jiǎn)化等效電路見(jiàn)圖3。其中:xm為勵(lì)磁電抗,xs為定子漏抗,xr為轉(zhuǎn)子漏抗,xc為機(jī)端并聯(lián)電容器電抗,rr為轉(zhuǎn)子電阻,s為轉(zhuǎn)差,定子電阻忽略。

從圖3可以推得:

圖3 異步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of asynchronousmachine

對(duì)風(fēng)場(chǎng)而言,輸出的有功功率P由風(fēng)速?zèng)Q定,在潮流計(jì)算中可認(rèn)為是給定值,此時(shí)吸收的無(wú)功功率Q與機(jī)端電壓Us和轉(zhuǎn)差s有關(guān),而Us和s的關(guān)系由式(3)決定,于是可推出異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的Q與Us的函數(shù)關(guān)系式[3]:

由此可知,異步發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型具有如下特點(diǎn):發(fā)出的有功功率是確定值,而無(wú)功功率則與機(jī)端電壓有關(guān)。這與電壓靜特性負(fù)荷節(jié)點(diǎn)相似,因此在潮流計(jì)算中稱(chēng)這種電源節(jié)點(diǎn)為電壓靜特性節(jié)點(diǎn),即:P恒定,U不定,Q受P、U限定的P-Q(V)。潮流計(jì)算處理此類(lèi)節(jié)點(diǎn)時(shí),每次迭代后都會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行修正,并根據(jù)修正后的電壓幅值計(jì)算出異步發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率。因此,在下一次迭代前,可把P-Q(V)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)潮流算法能處理的PQ節(jié)點(diǎn),其中P為異步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率,Q為發(fā)電機(jī)吸收無(wú)功功率與補(bǔ)償無(wú)功功率的差值。該方法有較好的準(zhǔn)確性,并且計(jì)算量較小,速度快,對(duì)現(xiàn)有程序改動(dòng)量小。

2.2 雙饋電機(jī)并網(wǎng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4。其中,xm為勵(lì)磁電抗,xs為定子漏電抗,xr為轉(zhuǎn)子漏電抗,rs為定子電阻,rm為勵(lì)磁電阻,rr為轉(zhuǎn)子電阻。

圖4 雙饋異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路Fig.4 Steady state equivalent circuit of doubly-fed inductionmachine

當(dāng)風(fēng)速已知時(shí),可通過(guò)風(fēng)速功率特性求得該風(fēng)速下發(fā)電機(jī)注入系統(tǒng)的總有功功率Pe。Pe由兩部分組成,一部分是由定子繞組發(fā)出的有功功率Ps,另一部分是轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出或吸收的有功功率Pr。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出有功功率;當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子繞組吸收有功功率。雙饋異步發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率也是由兩部分組成,一部分是發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)出或吸收的無(wú)功功率,另一部分是變流器在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)出或吸收的無(wú)功功率。雙饋機(jī)可采用恒功率因數(shù)控制運(yùn)行方式或者恒電壓運(yùn)行方式。

由雙饋風(fēng)電機(jī)的等效電路,在忽略定子繞組電阻的情況下,轉(zhuǎn)子繞組上發(fā)出的功率可表示為[9]

其中x=xr+xs,Us=|﹒Us|。

風(fēng)電機(jī)組注入系統(tǒng)的有功功率為

其中,轉(zhuǎn)差s可通過(guò)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制規(guī)律求取,雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制規(guī)律是指風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通常采用的轉(zhuǎn)速控制規(guī)律如式(8),控制曲線(xiàn)如圖5所示。AB段風(fēng)速低于啟動(dòng)風(fēng)速,轉(zhuǎn)速維持在最低轉(zhuǎn)速;BD段風(fēng)速處于啟動(dòng)風(fēng)速與額定風(fēng)速之間,分兩段運(yùn)行,BC段進(jìn)行最大功率跟蹤,CD段以恒轉(zhuǎn)速方式運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速;DE段高于額定風(fēng)速,以恒功率方式運(yùn)行在額定功率。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用恒功率因數(shù)控制方式,設(shè)功率因數(shù)為cosφ,則Qs=Pstanφ。又由于變流器傳遞的有功功率較小,由變流器吸收或發(fā)出的無(wú)功很小,因此可近似為風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率就等于定子繞組的無(wú)功功率,即:

由式(6)和(7)可以得到:

由于=tanφ,因此可知在恒功率因數(shù)控制下,當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)差確定時(shí),無(wú)功功率僅是機(jī)端電壓的函數(shù)。一般給定風(fēng)速和功率因數(shù),則發(fā)電機(jī)的有功功率已知,轉(zhuǎn)差可由轉(zhuǎn)速控制規(guī)律求取,進(jìn)而可求得無(wú)功功率。

當(dāng)采用恒電壓運(yùn)行方式時(shí),風(fēng)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)可作為PV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行潮流計(jì)算,但由于定子側(cè)無(wú)功功率受到定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和變流器最大電流的限制,因此需要考慮各種限制條件。

圖5 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制規(guī)律Fig.5 Rotor speed control rules of doubly-fed induction machine

3 燃料電池與光伏電池并網(wǎng)系統(tǒng)[8]

并網(wǎng)的燃料電池發(fā)電站一般由燃料電池、功率調(diào)節(jié)單元及升壓變壓器等組成,其中功率調(diào)節(jié)單元主要由逆變器、電壓控制環(huán)節(jié)和功率控制環(huán)節(jié)組成,并網(wǎng)燃料電池發(fā)電站常見(jiàn)等效電路見(jiàn)圖6,其中逆變器采用PWM,通過(guò)控制參數(shù)m和φ實(shí)現(xiàn)。

圖6 燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)等效模型Fig.6 Equivalentmodel of gird-connected fuel cell system

由此可計(jì)算得到有功功率與無(wú)功功率:

由上式可知,燃料電池發(fā)電站的有功功率和無(wú)功功率控制通過(guò)控制參數(shù)φ和m實(shí)現(xiàn)。換流器的超前角φ可由燃料流量控制,通過(guò)對(duì)燃料流量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池有功輸出功率的控制,這與常規(guī)發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)氣門(mén)/導(dǎo)水葉開(kāi)度實(shí)現(xiàn)有功調(diào)節(jié)原理類(lèi)似;而對(duì)無(wú)功功率控制則是通過(guò)調(diào)整換流器的調(diào)節(jié)系數(shù)m實(shí)現(xiàn),這與常規(guī)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制其無(wú)功輸出原理相似。因而,在潮流計(jì)算中,燃料電池發(fā)電站并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可作為PV節(jié)點(diǎn)處理。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有類(lèi)似的并網(wǎng)結(jié)構(gòu),其逆變器控制原理也相似,如圖7所示。其中UPV為光伏電池板的輸出直流電壓。

圖7 光伏電池并網(wǎng)系統(tǒng)等效模型Fig.7 Equivalentmodel of gird-connected photovoltaic system

因此在潮流計(jì)算中,光伏電池發(fā)電系統(tǒng)可看作PV節(jié)點(diǎn)處理,燃料電池與光伏電池發(fā)電站正常運(yùn)行時(shí)不需要從系統(tǒng)吸收無(wú)功,無(wú)功下限值可取0。若并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功越限,可以將該節(jié)點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)處理,此時(shí)的無(wú)功注入為無(wú)功輸出的上限或下限值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了幾種分布式電源典型的并網(wǎng)接口,針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),燃料電池及光伏并網(wǎng)系統(tǒng),分析了其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式,建立了各自在潮流計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)各分布式電源的控制特性,將其節(jié)點(diǎn)類(lèi)型歸結(jié)為PV節(jié)點(diǎn),PQ節(jié)點(diǎn),Vθ節(jié)點(diǎn),PI節(jié)點(diǎn),P-Q(V)節(jié)點(diǎn)。針對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)提出了在潮流計(jì)算中的處理方法,其本質(zhì)是在迭代步將各類(lèi)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成為傳統(tǒng)方法能夠處理的PQ節(jié)點(diǎn)或PV節(jié)點(diǎn),有利于開(kāi)展含有分布式電源的配電系統(tǒng)潮流計(jì)算研究。

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