周惠芳

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101)

0 引 言

當(dāng)今世界，對(duì)能源的需求不斷增強(qiáng)，世界各國(guó)充分利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、水力和天然氣等多種能源進(jìn)行發(fā)電。分布式電源技術(shù)(distributed generation,DG)迅速發(fā)展，分布式電源并入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的管理和控制變得更加復(fù)雜，給配電網(wǎng)的電壓、潮流、電能質(zhì)量、規(guī)劃和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一系列的問(wèn)題。分布式發(fā)電與集中式發(fā)電的有效結(jié)合成為未來(lái)發(fā)電方式的主流，這就要求進(jìn)一步研究分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，為分布式電源的配置、并網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃提供參考[1]。

文獻(xiàn)[2]在對(duì)DG建模時(shí)將其節(jié)點(diǎn)類(lèi)型分為兩類(lèi)：一類(lèi)為小容量的DG，該類(lèi)DG并不一定會(huì)參與電壓調(diào)節(jié)，可以認(rèn)為是PQ節(jié)點(diǎn)；另一類(lèi)為通過(guò)逆變器并網(wǎng)的DG，該類(lèi)DG可以控制無(wú)功輸出，為PV節(jié)點(diǎn)，并提出了一種基于網(wǎng)損靈敏度的潮流算法。文獻(xiàn)[3]從定量的角度研究了不同類(lèi)型DG對(duì)配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響。本文研究的主要內(nèi)容：在基于已有DG接入配電網(wǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，考慮DG出力模糊性和負(fù)荷接入量模糊化等因素，通過(guò)對(duì)異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型簡(jiǎn)化，構(gòu)建反應(yīng)異步風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)電壓變化的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，并進(jìn)行隨機(jī)模糊潮流計(jì)算。從P-Q(V)型DG并網(wǎng)容量、接入位置及無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫妫紤]確定參數(shù)下和隨機(jī)模糊參數(shù)下DG接入對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

1 考慮模糊參數(shù)的DG系統(tǒng)狀態(tài)樣本抽樣和隨機(jī)潮流問(wèn)題求解步驟

圖1 異步風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)潮流問(wèn)題求解步驟

本文以異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)為例?？紤]風(fēng)電出力的隨機(jī)性，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為風(fēng)速用Weibull分布雙參數(shù)曲線描述，提出負(fù)荷采用正態(tài)分布描述其隨機(jī)性，且兩者之間彼此相互獨(dú)立，采用蒙特卡羅法(monte carlo method, MC)隨機(jī)模擬獲取風(fēng)電出力和負(fù)荷樣本。再利用MC和前推回代法對(duì)隨機(jī)潮流問(wèn)題求解,量化傳統(tǒng)模型中確定性靜態(tài)安全參數(shù)，如支路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓和禁止倒送功率的概率約束[5]。步驟如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)電壓、支路功率正常的概率及功率不倒送的概率計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2 P-Q(V)節(jié)點(diǎn)在配網(wǎng)潮流計(jì)算中的處理

異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)中歸屬于P-Q(V)型節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)需將其處理成PQ節(jié)點(diǎn)。

2.1 異步發(fā)電機(jī)參數(shù)求取

當(dāng)今我國(guó)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用比較廣泛。異步發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有勵(lì)磁系統(tǒng)，只有靠從電網(wǎng)中吸收無(wú)功來(lái)建立磁場(chǎng)，而其吸收的無(wú)功又受其機(jī)端電壓的約束，因此不能簡(jiǎn)單將其視為一般的PQ、PV節(jié)點(diǎn)，需采用更詳細(xì)的計(jì)算模型[7]，異步發(fā)電機(jī)的等效電路模型見(jiàn)圖2(a)。因其勵(lì)磁靠無(wú)功形成，且勵(lì)磁電阻Rm遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電抗Xm，定子電阻Rs遠(yuǎn)小于定子電抗Xs，故簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)近似忽略Rm和Rs；勵(lì)磁電抗遠(yuǎn)大于定子電抗，故將勵(lì)磁支路移至電路首端，得到簡(jiǎn)化的電路模型見(jiàn)圖2(b)。

圖2 異步發(fā)電機(jī)等效電路

圖2中：Rs為定子電阻；Xs為定子電抗；Rm為勵(lì)磁電阻；Xm為勵(lì)磁電抗；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Xr為轉(zhuǎn)子電抗；Rr(1-s)/s為風(fēng)機(jī)輸入機(jī)械功率的等效電阻。Rr/s=Rr+Rr(1-s)/s。

式(1)～式(3)分別是異步發(fā)電機(jī)有功功率P、轉(zhuǎn)差率s和無(wú)功功率Q的求取公式。

(1)

(2)

(3)

一般情況下視異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速恒定，則有功功率P恒定，每次迭代中節(jié)點(diǎn)電壓U是變化的，根據(jù)有功P和轉(zhuǎn)差率s求取無(wú)功Q。將轉(zhuǎn)差率s代入式(3)得：

(4)

由式(4)得到無(wú)功Q與機(jī)端電壓U之間的關(guān)系。無(wú)功功率隨機(jī)端電壓的變化而變化。

2.2 潮流計(jì)算中P-Q(V)節(jié)點(diǎn)的處理方法

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行中，其本身不具備并網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)能力，需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率建立磁場(chǎng)。為減少網(wǎng)絡(luò)損耗，提高運(yùn)行可靠性，該類(lèi)發(fā)電機(jī)都裝設(shè)有并聯(lián)電容器組成的無(wú)功補(bǔ)償裝置，用以保證其功率因數(shù)在允許變動(dòng)范圍內(nèi)，功率因數(shù)cosφ與并聯(lián)電容器所提供的無(wú)功功率可按照式(5)～式(8)確定。

(5)

式中:PG為異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率；QC為補(bǔ)償裝置在并聯(lián)電容器電壓等級(jí)下提供的無(wú)功功率；Q′為異步發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率。為使異步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)由原來(lái)的cosφ1提升到cosφ2，計(jì)算并聯(lián)電容器組提供的無(wú)功功率如式(6)所示。

(6)

一般并聯(lián)電容器的單位容量是已知的，可求出需投入的并聯(lián)電容組數(shù)。額定電壓UN下并聯(lián)電容器組的單位容量為QN-unit，則電容器實(shí)際投入的組數(shù)[n]為

[n]=QC/QN-unit

(7)

式中:[n]為并聯(lián)電容實(shí)際投入組數(shù)。將電容器組在電壓U下的無(wú)功功率輸出用Q″表示。

(8)

異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)注入的有功功率P和無(wú)功功率Q分別按式(9)、式(10)計(jì)算。

P=PG-PL

(9)

Q=Q″-Q′

(10)

式中：PL為節(jié)點(diǎn)原有的負(fù)荷功率。

在潮流計(jì)算中，P-Q(V)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成PQ節(jié)點(diǎn)的處理方式在于，先根據(jù)異步發(fā)電機(jī)注入的有功功率P、每次迭代后得到重新修正的電壓值U，結(jié)合式(2)～式(4)計(jì)算出發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率，再根據(jù)式(5)～式(8)計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率和需要并入的并聯(lián)電容器組數(shù)。最后根據(jù)式(10)計(jì)算出注入節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率[8]。

3 考慮DG模糊接入的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)模型構(gòu)建

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析是采用潮流方程分析系統(tǒng)在受到擾動(dòng)時(shí)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。認(rèn)為電壓穩(wěn)定則潮流方程存在可行解，反之則無(wú)解[9]。在綜合比對(duì)多種方法之后選擇基于潮流解存在的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)作為本文研究所用的指標(biāo)。

圖3 簡(jiǎn)單兩節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

以簡(jiǎn)單的兩節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)對(duì)潮流解存在的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行分析推理。

該簡(jiǎn)單兩節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的有功及無(wú)功損耗可按式(11)～式(13)進(jìn)行計(jì)算。

(11)

(12)

(13)

式中:Pj和Qj分別為等值到節(jié)點(diǎn)j的有功功率和無(wú)功功率；Ui和Uj分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓；Rij和Xij分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的電阻和電抗。將式(13)展開(kāi)得：

(14)

令：

(15)

(16)

式(14)變?yōu)椋?/p>

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

對(duì)式(22)化簡(jiǎn)可得：

(23)

令:

(24)

式中:L為描述節(jié)點(diǎn)j的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)。根據(jù)上述方法求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的L值，根據(jù)L值的大小能夠判斷電壓的穩(wěn)定水平。節(jié)點(diǎn)電壓U只有滿足L≥0才算穩(wěn)定，L越小，表示該點(diǎn)的電壓穩(wěn)定水平越低，L最小的點(diǎn)即是電壓最可能發(fā)生崩潰的點(diǎn)。

4 算例仿真

4.1 P-Q(V)型分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

以異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為算例。在擬定方案前先對(duì)異步發(fā)電機(jī)相關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明，如表1所示。

表1 異步發(fā)電機(jī)電氣參數(shù) Ω

另設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量為600 kW，單臺(tái)并聯(lián)電容器的額定容量為40 kvar，額定電壓均為0.69 kV。為研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入大小、位置、是否進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以及功率因數(shù)等對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，擬定四個(gè)方案，見(jiàn)表2。

4.2 四種不同方案下仿真結(jié)果

圖4～圖7的仿真結(jié)果顯示。方案一P-Q(V)型DG并網(wǎng)后進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)L的提升量大于不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的提升量，且補(bǔ)償后cosφ越小對(duì)電壓的改善越明顯，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)然無(wú)功補(bǔ)償需要限制在一定的范圍內(nèi)，若過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的電壓崩潰。方案二在相同功率因數(shù)(cosφ=0.90)下，DG接入容量越大，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的提升越大，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 P-Q(V)型DG接入配電系統(tǒng)四種方案

圖4 方案一補(bǔ)償后不同功率因數(shù)下DG接入的L指標(biāo)

圖5 方案二不同容量DG接入的L指標(biāo)

圖6 方案三主饋線不同位置DG接入的L指標(biāo)

圖7 方案四同一引出饋線不同位置DG接入的L指標(biāo)

方案三P-Q(V)型DG接入主饋線后，靠近末端接入對(duì)電壓的提升量大于靠近電源首端的接入，更有利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。方案四P-Q(V)型DG接入同一引出饋線，靠近引出饋線末端對(duì)電壓的提升量大于靠近引出饋線首端。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于已有對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響研究的基礎(chǔ)上，考慮了DG電源出力和負(fù)荷接入模糊性對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。以異步發(fā)電機(jī)為例，對(duì)異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型簡(jiǎn)化，構(gòu)建基于潮流解存在的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)L。設(shè)置P-Q(V)型DG按不同容量、位置和是否無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷喾N方案并網(wǎng)，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了這些因素對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響，并驗(yàn)證了模型求解的有效性，為DG接入配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供參考。