鄭 真，程浩忠，張　逸，繆源誠，MASOUD Bazargan(.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海00090；.上海交通大學(xué)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(wǎng)集團研究與技術(shù)中心，斯塔福德ST7 LX，英國)

能量采集網(wǎng)絡(luò)對傳輸系統(tǒng)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(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海交通大學(xué)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(wǎng)集團研究與技術(shù)中心，斯塔福德ST17 4LX，英國)

讓分布式發(fā)電機(DGs)運行在固定的感性功率因數(shù)以克服配電網(wǎng)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(wǎng)無功需求，可能導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)在全網(wǎng)DG高輸出時無功功率提供有限(特別是當(dāng)這種輸出取代同步發(fā)電機時)。如果相鄰的DGs能以集群的方式經(jīng)過專用能源采集網(wǎng)絡(luò)(EHN)連接到傳輸節(jié)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(tǒng)模型中被體現(xiàn)出來，而且會明確地比較EHN無功容量和傳統(tǒng)同步發(fā)電機電廠對傳輸系統(tǒng)電壓控制性能的影響。

分布式發(fā)電；能源采集網(wǎng)絡(luò)；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(fā)電當(dāng)作重要的參與者為更寬闊的電力系統(tǒng)提供配套服務(wù)。雙饋感應(yīng)電機(DFIGs)的電力電子設(shè)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(tǒng)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(wǎng)的無功電源[1-3]。也有一種針對相鄰集群的發(fā)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(jié)點上(可能因為經(jīng)濟原因)。

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

1 方法

在得到一組比較結(jié)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(tǒng)中的每一臺發(fā)電機；

(2)采用測試系統(tǒng)的發(fā)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(fā)電機容量圖進行增量替代，并且記錄由此對傳輸系統(tǒng)電壓產(chǎn)生的效果。

1.1測試系統(tǒng)選擇

選擇IEEE30節(jié)點測試系統(tǒng)以實現(xiàn)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(wǎng)由8條132 kV的傳輸線組成，同時采用33 kV的配電系統(tǒng)連接負(fù)荷。系統(tǒng)特性在文獻[6]中給出，同時還提供了作為這項研究基礎(chǔ)的發(fā)電機參數(shù)。表1顯示了發(fā)電機運行限制，以及作者設(shè)定的在負(fù)荷變化時產(chǎn)生的基本系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)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(fā)電機最大輸出限制稍微減少了一些。這是用來產(chǎn)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(fēng)場組成；這個參數(shù)的逐漸降低，反應(yīng)了EHN里的有功損耗。

6個發(fā)電機供應(yīng)系統(tǒng)283.4 MW和126.2 MVar的高峰負(fù)荷。系統(tǒng)中的有功和無功負(fù)荷將從愛爾蘭系統(tǒng)里的負(fù)荷曲線歸一化。時間系列的負(fù)荷數(shù)據(jù)從2009年的數(shù)據(jù)中提取，15 min取一次。

由于發(fā)電機提供的無功水平是工作中將要得到的比較的關(guān)鍵，在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)中提供一個可行的無功容量是非常重要的。因而對同步發(fā)電機采用了發(fā)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(shù)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(fā)電機11和13通過原有系統(tǒng)中給定的三繞組變壓器等效阻抗相連[6]，它們分別調(diào)整傳輸母線6和4上的電壓。所有發(fā)電機將傳輸系統(tǒng)連接母線電壓設(shè)定為1 pu。

1.2發(fā)電機無功容量特性

每一個發(fā)電機要么模擬典型同步發(fā)電機運行圖，要么模擬EHN模型的代表性容量。

同步發(fā)電機運行圖是基于同步阻抗Xd=Xq=1.75 pu[7]。發(fā)電機功率因數(shù)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(fēng)電廠提供的根據(jù)經(jīng)驗獲得的時間系列功率輸出數(shù)據(jù)被用來生成一系列實際電網(wǎng)運行點。

圖1中顯示的四個DGs是對愛爾蘭共和國四個現(xiàn)存的相鄰風(fēng)場每隔15 min采集的輸出數(shù)據(jù)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(fēng)場模擬為DFIG發(fā)電機，后面為一個合適大小的連接電網(wǎng)的變壓器。

對每隔15 min的快速仿真，記錄了圖1中傳輸節(jié)點上有功和無功潮流(P，Q)。這些記錄組成了統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)。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(shù)據(jù)。

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(fā)電機的無功容量，每個采集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(wǎng)內(nèi)無功損耗和當(dāng)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(guān)。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(jié)點系統(tǒng)中，為了給每個發(fā)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(fā)電機規(guī)定的原有的Pmax。EHN中的變壓器也適當(dāng)?shù)缺壤s放，以適合新的總?cè)萘?。由此產(chǎn)生的EHN模型用來做前述的時間系列仿真。

黑線劃定的區(qū)域僅僅在運行點1％以內(nèi)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(yīng)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(fā)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(wǎng)范圍，發(fā)電機和環(huán)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(tǒng)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(tǒng)需求283.4 MW，和一個夏天階段包含最小系統(tǒng)需求96.4 MW。時間序列負(fù)荷潮流分析大約15 min執(zhí)行一次。發(fā)電機調(diào)度對每個15 min負(fù)荷狀況下更新一次，根據(jù)表1中給出的優(yōu)勢等級，發(fā)電機永遠(yuǎn)不會切除，但是會減少到它們的最小負(fù)荷水平。

對每一個時間階段，6個獨立的時間序列負(fù)荷都進行了潮流分析：

(1)初始時間系列仿真將所有發(fā)電機模擬為同步電廠；

(2)下一步分析中，最高優(yōu)勢等級的發(fā)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(diào)度和負(fù)載制度下重復(fù)執(zhí)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(fā)電機都要作為EHNs運行。

2 結(jié)果

2.1冬季階段

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

圖4描繪了傳輸系統(tǒng)的3個相同的指標(biāo)。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(jié)點1的電壓不在本分析范圍內(nèi))。X軸是每個案例中EHN發(fā)電機當(dāng)前能量注入，同時對增加的發(fā)電機命名以接受EHN特性。

圖4　當(dāng)EHN滲透增加時平均和最小傳輸系統(tǒng)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(tǒng)無功儲備逐漸降低的預(yù)期效果。在不斷增加的EHN滲透下，為了分析單個發(fā)電機對無功的貢獻，考慮圖5中隨時間變化發(fā)出的無功：當(dāng)每個發(fā)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(fā)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(fā)電機發(fā)出的無功量

在最后的仿真案例中，發(fā)現(xiàn)承擔(dān)基本負(fù)荷的Gen2在作為EHN運行時實際上需要無功注入。這是為了當(dāng)輸出最大有功時克服內(nèi)部電壓限制。

因為系統(tǒng)在冬季負(fù)荷很重，發(fā)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(yán)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(jié)點平衡得很好。這使傳輸?shù)侥妇€上的無功在電氣上遠(yuǎn)離發(fā)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(fā)電機運行在更大的功率輸出范圍。這使來自EHN發(fā)電機的無功支持更方便，在高有功輸出時這些發(fā)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(biāo)準(zhǔn)。

圖6　EHN滲透不斷增加情況下的傳輸電壓標(biāo)準(zhǔn)

對于較輕負(fù)載的夏季時期，傳輸系統(tǒng)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(fā)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(diào)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(fā)電機的總無功貢獻

3 結(jié)論

本文通過一種簡化的方法來模擬傳輸系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)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(tǒng)的電壓穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定的影響。

[1]謝睿,王少榮.基于多智能體與實時數(shù)據(jù)的合同能源管理決策支持系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)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(wǎng)公司大電網(wǎng)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(tǒng)安全與穩(wěn)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(xiàn)它。這種EHN總?cè)萘渴菍^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(yīng)用在傳輸系統(tǒng)研究中的，并提供一些最初的結(jié)果來直接比較EHN和傳統(tǒng)同步發(fā)電機電廠對傳輸系統(tǒng)電壓性能的影響，考慮兩種不同類型的發(fā)電機在相同的有功調(diào)度制度下的情況。當(dāng)然，如果考慮到風(fēng)能發(fā)電的隨機性，這就是一個完全不現(xiàn)實的假設(shè)。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(tǒng)電壓性能的影響隔離掉。