呂彥召,王 佳,常文煥,馬莉娜
(1.國家電網(wǎng)許繼集團,河南許昌461000;2.華北水利水電大學(xué),河南鄭州450011)
微電網(wǎng)正進入快速發(fā)展和商業(yè)化階段。通常,配電網(wǎng)是無源網(wǎng)絡(luò)。其中有功功率和無功功率始終是從高電壓流向低電壓。但隨著DER 的深入應(yīng)用,潮流就可能反轉(zhuǎn)過來,因為配電網(wǎng)不再是向負荷供電的無源電路,而是有潮流的有源系統(tǒng),而電壓是由發(fā)電和負荷兩者共同決定。因此,具有DER 的配電網(wǎng)絡(luò)(即微電網(wǎng))的性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。
大多數(shù)的配電網(wǎng)是用輻射型無源網(wǎng)絡(luò)作為模型的,有功功率P 和無功功率Q 的潮流始終是從高電壓流向低電壓。由于輸電網(wǎng)的抗阻比X/R≥10,而配電網(wǎng)絡(luò)的抗阻比X/R≥0.5,因此配電網(wǎng)的電阻值很大。配電網(wǎng)的大電阻造成了從變電站到用戶連接點的沿線壓降。壓降的值可以根據(jù)雙母線配電系統(tǒng)圖1 算出。
圖1 常規(guī)的雙母線配電系統(tǒng)
圖1 中,DS 的配電系統(tǒng),OLTC 是有載分接開關(guān)(On-Load Tap-Changer),US是發(fā)送端的電壓,UR是接收端的電壓;P 和Q分別是從配電網(wǎng)流向用戶的有功功率和無功功率,即由配電系統(tǒng)供應(yīng)的有功功率和無功功率,而PL和QL是負荷的有功功率和無功功率。發(fā)送端的電壓可以寫成:US=UR+Ι(R+jX)。
式中:I 是流過輸電線路的電流向量。
由于在配電供應(yīng)的功率可以寫成:P+jQ=USΙ*
因此發(fā)送端的電壓可以表示成:
由于發(fā)送端的電壓與接收端電壓之間的相位差很小,因此電壓降近似地等于電壓降的實數(shù)部分。如果認為發(fā)送端的總線是基準總線,則電壓的相位為零,因此,上式可以近似為:
把圖(1)所示系統(tǒng)的電壓看成是基準電壓,則US可以假設(shè)為1,則(1)可以寫成如下
在BIM的應(yīng)用過程中有一個很重要的問題——I(Information)到底向哪里輸入,如何使用?B(Building)建筑的概念太大,向建筑輸入信息,無法確定具體往哪里輸入。因此,信息還要向更為微觀的下一個層級滲透。實際上建筑并不是一個不可分割的整體,而是有微觀部分組成的,而且微觀部分之間還具有層級包含關(guān)系。建筑是無法由材料直接構(gòu)成的,材料必須形成某種可以成型的物品后才能夠變成組成建筑的一部分,因此“建筑”與“材料”二者之間還應(yīng)該具有一個中間媒介——構(gòu)件,后者成為組成建筑的基本單位。
在常規(guī)雙母線的基礎(chǔ)上繪制出常規(guī)的N 條母線的配電系統(tǒng)圖2 所示。
圖2 常規(guī)的n 母線配電系統(tǒng)
在圖2 所示的大型配電網(wǎng)中電壓的變化量可以與(1)所示的同樣公式來確定。在圖2 中,考慮了n 條母線的系統(tǒng),在第i根和第j 根母線之間的電壓降ΔUij可如下表示:
式中 Rij是第i 根和第j 根母線之間的電阻;Ui是第i 根母線上的電壓;Pij是第i 根母線到第j 根母線的有功功率;Qij是第i 根母線到第j 根母線的無功功率。
對于供電質(zhì)量來說,在負荷的每一連接點上的電壓的大小都是很重要的,考慮電壓降是研究電能質(zhì)量不可或缺的一個重要因素。
當DER 接到配電系統(tǒng)時,系統(tǒng)潮流和電壓波形就會受到影響,不再是無源的,而是有源的。為了輸出功率,一臺發(fā)電機要在較高的電壓下工作,比供應(yīng)功率的其他節(jié)點的電壓稍,接收端的電壓UR將為:
因為潮流的方向是相反的,于是發(fā)電機連接點的電壓將上升到高于發(fā)送端的電壓。如圖3 所示。
在圖 3 中,DER 接在電壓 UGEN處,假定是 11 kV 處;PG和QG分別是DER 所產(chǎn)生的有功功率和無功功率;PL和QL分別是負荷所產(chǎn)生的有功功率和無功功率;QC是并聯(lián)補償器的無功功率。
圖3 簡單微電網(wǎng)
接有負荷和補償器的DER 通過阻抗為R +jX 的架空配電線以及通過OLTC 接到配電系統(tǒng)。電壓沿配電網(wǎng)的上升如圖3可以寫成如下:
式中 P=PG-PL;Q= ±QC-QL±QG
如果UGEN=1,則(2 -5)可以簡化成:
DER 始終輸出有功功率(PG),但也可以輸出或輸入無功功率(±QG),而負荷則消耗有功功率(-PL)和無功功率(-QL);補償器可以只輸出或吸收無功功率(±QC)。最近,在熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)發(fā)電規(guī)劃,小型風(fēng)力渦輪機和光伏電池中,小型同步電機廣泛地用作DG。在CHP 發(fā)電規(guī)劃中,同步發(fā)電機即使當系統(tǒng)的電負荷下降低于發(fā)電機的輸出時也輸出有功功率,但它可以吸收或輸出無功功率。這取決于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的配置。風(fēng)力渦輪機也輸出有功功率,但是它吸收無功功率,以為它的感應(yīng)發(fā)動機需要無功功率才能工作。光伏電池系統(tǒng)在設(shè)定的功率因數(shù)下輸出無功功率,但是可能引入諧頻電流。因此,在電網(wǎng)中的潮流可以朝任一方向流動,這取決于電網(wǎng)的有功和無功負荷與發(fā)電機輸出和電網(wǎng)損耗相比的相對大小。
圖4 n 母線大型微電網(wǎng)
大型微電網(wǎng)的電壓的變化量可以用(4)所示的同樣公式來確定。把DER 與常規(guī)配電網(wǎng)的第j 根母線綜合在一起,則系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換成如圖4 所示。
在DER 連接點上的電壓變化ΔUij,考慮了n 條母線的系統(tǒng),在第i 根和第j 根母線之間的電壓降可如下表示:
式中;PGj是由DER 供應(yīng)的有功功率;QGj是由DER 供應(yīng)或吸收的無功功率,取決于DER 的性能;PLj是接到配電系統(tǒng)第j總線的負荷的有功功率;QLj是接到配電系統(tǒng)第j 總線的負荷的無功功率。
如果在DER 的連接點接上一個無功功率QGj的并聯(lián)補償器。則式(7)可以寫成:
在上述常規(guī)和微電網(wǎng)的小型和大型配電系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上簡要分析了各自的電壓變化情況和能量的流動情況,得出簡化的電壓變化推導(dǎo)公式,為以后我們遇到實際微網(wǎng)情況提供一個理論分析的依據(jù)。電力系統(tǒng)變化多樣,應(yīng)用時根據(jù)實際情況作出相應(yīng)的推導(dǎo)和調(diào)整。
[1]李富生,李瑞生,周峰權(quán),等. 微電網(wǎng)技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2012.
[2]徐青山.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社,2011:56 -98.
[3]張艷霞,姜惠蘭.電力系統(tǒng)保護與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.
[4]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M]. 北京:中國電力出版社,2007.
[5]華智明,楊期余. 電力系統(tǒng)[M]. 重慶:重慶大學(xué)出版社,2005.