符楊，胡鵬，湯波，賴圣聰

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海200010；3.國網(wǎng)泰順供電公司，浙江泰順325500)

微網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真與分析

符楊1，胡鵬2，湯波1，賴圣聰3

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海200010；3.國網(wǎng)泰順供電公司，浙江泰順325500)

隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展，有關(guān)微網(wǎng)的研究也相繼展開，特別是微網(wǎng)與電網(wǎng)的銜接及其自身的孤網(wǎng)運行問題。為了更加直觀地研究不同功率交換模式下微網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，引入了滲透率的概念，并運用DIgSILENT搭建了微網(wǎng)仿真模型。微網(wǎng)模型中包含了常規(guī)類分布式電源：風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及微型燃氣輪機，通過觀察不同滲透率下電壓、頻率、功角的變化，分析微網(wǎng)對電網(wǎng)的影響。通過仿真實現(xiàn)了不同模式下微網(wǎng)對電網(wǎng)影響的觀察，探討了造成影響的潛在因素以及抑制不利因素的措施，通過觀察母線電壓的變化驗證了儲能電池維持電壓平衡的功用。

微網(wǎng)；滲透率；DIgSILENT；電壓；頻率；功角

電力工業(yè)長期采用集中大容量發(fā)電、遠距離輸配電的模式，隨著近年來電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，其弊端日益凸顯[1]。隨著分布式電源的應(yīng)用，電力系統(tǒng)存在的不足逐漸得到了緩解。但是，分布式電源的應(yīng)用過程中仍然存在著很多問題。分布式電源是一種不可控電源，并網(wǎng)后電網(wǎng)中潮流不易控制，所以往往采取限制、隔離的方式來減小分布式電源對大電網(wǎng)的沖擊和影響[2-3]。微網(wǎng)的優(yōu)點在于其可以將分布式電源、用戶負荷、儲能裝置及控制裝置等相結(jié)合，形成單一可控的單元，并且在電網(wǎng)發(fā)生故障時微網(wǎng)可以孤網(wǎng)運行，保證其內(nèi)部一部分負荷需求，減少停電損失。但是，微網(wǎng)大規(guī)模的接入會對大電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布、暫態(tài)故障特性產(chǎn)生重大影響，亦會給大電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行和保護控制及緊急控制方案等帶來新的問題[4]，所以有必要對微網(wǎng)接入大電網(wǎng)后的一系列影響及運行策略體系進行研究。

目前有關(guān)微網(wǎng)在不同滲透率下并網(wǎng)運行與孤網(wǎng)運行的相關(guān)研究比較少，本文就這一問題展開研究。

1 微網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及能量交換

微網(wǎng)不但將各種分布式電源優(yōu)化整合后作為整體通過公共連接點PCC接入電網(wǎng)，并且可以通過開關(guān)裝置實現(xiàn)其并網(wǎng)與孤網(wǎng)運行。微網(wǎng)的接入將原來的單一電源單一潮流流向的大電網(wǎng)變成了多電源多潮流分布的復(fù)雜性電網(wǎng)。

微網(wǎng)不僅可以作為電網(wǎng)的終端從電網(wǎng)吸收能量，也可以作為電網(wǎng)的電源，將自身多余能量輸送給電網(wǎng)，改變傳統(tǒng)電網(wǎng)能量單一流向的局限性。微網(wǎng)的接入會對電網(wǎng)的電壓、頻率、功角等產(chǎn)生影響，含有微網(wǎng)接入的大電網(wǎng)在受到不同大小的擾動時所受到的影響也不同。

為方便研究不同滲透率下微網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，定義微網(wǎng)的滲透率為微網(wǎng)與電網(wǎng)的交換功率占電力系統(tǒng)總功率的比例[5]，即：

微網(wǎng)與電網(wǎng)的交換功率為：

2 仿真框架的搭建

本文的仿真算例采用某機構(gòu)研究模型[6]優(yōu)化而來，在DIg-SILENT中搭建此模型，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 仿真算例結(jié)構(gòu)

分布式電源及部分低壓負荷組成本文仿真中的微網(wǎng)，將電壓等級為0.4 kV的微網(wǎng)通過公共節(jié)點PCC接入電壓等級為10 kV的電網(wǎng)中。微網(wǎng)中的分布式電源包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃氣輪機；光伏發(fā)電經(jīng)過逆變器PWM_PV接入微網(wǎng)，儲能電池經(jīng)過逆變器PWM_battery接入微網(wǎng)。其中風(fēng)機采用P-Q控制，儲能電池采用V/f控制(電壓控制*=1.05 kV)。

設(shè)定該系統(tǒng)中10 kV電網(wǎng)總負荷為3.6 MW，微網(wǎng)中總負荷為0.468 MW，該微網(wǎng)的滲透率取值范圍為－9.7%臆臆9.3%。在系統(tǒng)運行0.3 s后設(shè)置PCC節(jié)點發(fā)生三相短路接地故障，依據(jù)微網(wǎng)并網(wǎng)標準規(guī)定，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，微網(wǎng)應(yīng)快速切除。所以在系統(tǒng)運行0.38 s時將微網(wǎng)從10 kV電網(wǎng)中切除，并且在系統(tǒng)運行0.5 s時將蓄電池并入微網(wǎng)以維持微網(wǎng)內(nèi)部電壓的穩(wěn)定。仿真過程中，保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變，通過改變微網(wǎng)的滲透率來觀察在不同滲透率下各母線的靜態(tài)電壓、動態(tài)電壓、動態(tài)頻率、功角的變化。

3 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析是為了確定各母線電壓如何隨著滲透率的變化而變化，此次仿真設(shè)定微網(wǎng)滲透率變化及各分布式電源功率如表1。

表1 滲透率變化及各分布式電源功率

當＞0時，10 kV電網(wǎng)中各母線電壓標幺值變化如圖2所示。由圖2可知，在＞0的情況下，隨著滲透率的不斷增大，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下各母線電壓也不斷增大，各母線的電壓標幺值越來越接近1，說明在電力系統(tǒng)中，微網(wǎng)向上級電網(wǎng)倒送的功率對母線電壓起到了支撐作用。

圖2 滲透率大于0時各母線電壓變化

當＜0時，各母線電壓標幺值變化如圖3所示。由圖3可知：當＜0時，隨著滲透率絕對值的增加，母線電壓標幺值在一定范圍(0～1.8%)內(nèi)越來越接近1，但是當滲透率絕對值大于1.8%后，母線電壓隨著滲透率的增大而降低。這說明并不是微網(wǎng)的滲透率越大對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越有利，當滲透率過大時反而會對電力系統(tǒng)造成不利的影響。

圖3 滲透率小于0時各母線電壓變化

4 動態(tài)特性分析

動態(tài)特性分析的目的在于直觀地觀察電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后各母線的電壓、頻率及功角的變化，觀察不同滲透率下微網(wǎng)切除后對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，并且分析產(chǎn)生影響的潛在因素。

4.1 動態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

圖4 滲透率大于0時故障后各母線電壓變化

微網(wǎng)從電網(wǎng)中切除進入孤網(wǎng)運行后，母線L1、L5在發(fā)生故障時電壓大幅下降。在故障切除后由于微網(wǎng)內(nèi)部存在充裕的電源出力，足以滿足孤網(wǎng)狀態(tài)下微網(wǎng)內(nèi)部負荷需求，所以各母線電壓逐漸恢復(fù)為正常值。微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源提供的功率支撐在電壓恢復(fù)過程中發(fā)揮了重要作用，但是隨著滲透率的變化，電壓恢復(fù)速度不同，滲透率越大系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度越快。

母線L8為光伏發(fā)電與儲能電池的公共母線，由圖4可知，當微網(wǎng)脫離電網(wǎng)后，系統(tǒng)運行0.5 s時由于儲能電池并網(wǎng)，L5電壓恢復(fù)速度加快且接近控制值=1.05。說明在微網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能類電源不但可以為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負荷需求提供電能，也可以為故障系統(tǒng)提供電壓支撐。當=9.3%時，母線L8電壓已經(jīng)無法控制在正常值范圍內(nèi)，說明并非滲透率越大，微網(wǎng)脫離故障電網(wǎng)孤島運行后的恢復(fù)速度越快，若滲透率過大反而會對微網(wǎng)運行造成負面影響。

圖5 滲透率小于0時故障后各母線電壓變化

微網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行后，母線L1、L5、L8電壓亦恢復(fù)為正常值，且在儲能電池并入后恢復(fù)速度加快。但孤網(wǎng)運行0.1 s后，孤網(wǎng)內(nèi)母線電壓已呈現(xiàn)超出正常值趨勢，當滲透率增大至9.7%時，電壓發(fā)生較大的振蕩且微網(wǎng)內(nèi)部各母線電壓已不可控。

由以上各母線動態(tài)電壓分析可知，在適當?shù)娜≈捣秶鷥?nèi)，滲透率越高，故障后系統(tǒng)的電壓恢復(fù)效果越好；但是當滲透率過高時，系統(tǒng)故障后各母線電壓呈現(xiàn)不可控狀態(tài)，可見滲透率并非越高好，過高的滲透率反而會加劇系統(tǒng)的崩潰。

4.2 動態(tài)頻率分析

圖6 滲透率大于0時故障后各母線頻率變化

圖7 滲透率小于0時故障后各母線頻率變化

微網(wǎng)孤網(wǎng)運行后，微網(wǎng)內(nèi)母線L1、L5、L8的頻率均在經(jīng)歷過振蕩后恢復(fù)為正常值，由母線L1、L5頻率動態(tài)圖可知，滲透率=－4.4%時頻率的恢復(fù)水平強于=－1.8%時的恢復(fù)水平，但當滲透率過大即|=9.7%時，母線頻率已經(jīng)完全不可控。母線L8為光伏及儲能電池的公共母線，L8頻率振蕩在光伏電池并網(wǎng)后得到了較大的抑制，但由于母線上逆變器等電子元件會產(chǎn)生諧波，頻率在趨于穩(wěn)定后仍會有小幅震蕩。

4.3 功角穩(wěn)定性分析

功角穩(wěn)定性分析的目的在于觀察電力系統(tǒng)受干擾后發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間相互運動的情況，通過觀察功角隨時間變化的特性來作為判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的依據(jù)。發(fā)生故障并切除微網(wǎng)后母線M2功角變化如圖8所示。當＞0時，系統(tǒng)發(fā)生故障后，母線M2功角發(fā)生同步振蕩，且隨著滲透率的增大，震蕩周期亦增大。

圖8 滲透率大于0時系統(tǒng)故障后母線M2功角變化

圖9 滲透率小于0時系統(tǒng)故障后母線M2功角變化

5 結(jié)論

通過本文的仿真可知，不同滲透率下微網(wǎng)對電網(wǎng)的電壓、頻率、功角的影響有著較大的差異。微網(wǎng)對電力系統(tǒng)的電壓提供一定的支撐；對頻率的大幅度波動起到一定的抑制作用；脫離主網(wǎng)運行后會對主網(wǎng)的功角穩(wěn)定性產(chǎn)生不良的影響；但是，并非交換的功率越多系統(tǒng)越穩(wěn)定。比如在本文的仿真模型中，當滲透率大于0時可取最優(yōu)滲透率為9.3%；當滲透率小于0時可取最優(yōu)滲透率為－9.7%。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，可以采取切機或者切除部分負荷或者加裝調(diào)速器以維持系統(tǒng)的功率平衡。

[1]蘇玲，張建華，王利，等.微電網(wǎng)相關(guān)問題及技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(19):235-239.

[2]REZA M,SCHAVEMAKER P H,SLOOTWEG J G,et al.Impacts of distributed generation penetration levels on power system transient stability[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting.Chicago:IEEE,2002:862-867.

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[6]彭克，王成山，李琰，等.典型中低壓微電網(wǎng)算例系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，24(1):25-30.

Simulation and analysis influence of microgrids on power grid stability

FU Yang1,HU Peng2,TANG Bo1,LAI Sheng-Cong3

The research on microgrid had been started with the rapid developing of smart grids recent years, especially in the field of the connection between microgrid and grid,also in the field of the running of grid-island.The penetration rate and DIgSILENT were imported in order to study the influence of microgrid in different power exchange model.Numerous conventional distributed generators,such as wind power,photovoltaic generation,micro gas turbine,were contained of microgrid.The analysis of impact of microgrids on power grid was made.The impact that caused by microgrid in different sets of patterns was researched and the factors that bring about the influence and measures of inhibiting influence were discussed.One function of battery which was maintaining the voltage was verified.

microgrid;penetration rate;DIgSILENT;voltage;frequency;power angle

TM 727

A

1002-087 X(2015)03-0556-05

2014-08-10

國家自然科學(xué)基金項目(51177098)；上海市重點科技攻關(guān)計劃項目(11dz1210405)；上海市教委重點學(xué)科建設(shè)項目(J51303)

符楊(1968—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向為城市電網(wǎng)規(guī)劃、電力變壓器故障診斷。