含分布式電源的配電網線損電壓研究

董慎學,周羽生,曹勛偉,朱磊,賀偉,張帆

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院,長沙市,410004;2.大唐湖南分公司懷化電廠,湖南省懷化市,418000)

0 引言

分布式電源(distributed generation,DG)容量多在幾十kW～幾十MW之間[1]。按發電能源是否可再生將其分為 2類[2]:一類稱為利用可再生能源的DG,主要包括太陽能光伏、風能、地熱能、海洋能等發電形式;另一類稱為利用不可再生能源的 DG,主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、內燃機、熱電聯產、燃動機等發電形式。分布式供電因為具有靈活適應負荷增長、初期建設投資低、輸電損失小等優點,在全球范圍內越來越受到重視[3]。

DG并入配電網對配電系統的網損分布有重要影響,而潮流計算是對該影響進行量化分析的主要手段。目前的配電網潮流計算方法中沒有考慮各種形式的DG,隨著各種不同形式的DG的并網,配電潮流計算難度增大,必須研究能夠計及DG對配電網絡影響的潮流計算方法。

DG的引入使配電系統由單電源輻射性網絡變成了多分布式電源的弱環網絡。傳統發電機節點在潮流計算中一般取為PQ節點、PV節點或者平衡節點,而DG具有特殊性,其節點是否可以取為這 3種節點類型需要全面考慮。文獻[4]運用牛頓 -拉夫遜法求解帶DG的配電網潮流,將發電機視為有功功率恒定的受控電壓源。文獻[5]利用前推回推法求解帶DG的輻射性網絡潮流,建立了基于前推回推法的設備模型。文獻[6]研究了異步發電機、具有無勵磁調節能力的同步發電機和燃料電池的運行和控制特性,建立了各自在潮流計算中的數學模型,提出了基于靈敏度補償的配電網潮流計算方法。文獻[7]研究了分布式發電系統中風力發電和太陽能發電的隨機出力對配電系統電壓質量的影響,建立了風力發電和太陽能發電的隨機分析模型,通過隨機潮流計算得到了節點電壓概率密度曲線和系統年期望電壓越限小時數。

前推回推潮流算法是當前應用廣泛的配電潮流算法[8],具有較好的線性收斂性能[9]。本文針對含各種DG的配電網潮流計算方法進行研究,提出了含DG的配電網潮流計算的改進前推回推算法。并與傳統配電系統利用前推回推進行潮流計算比較,進行了含DG的配電網線損電壓分析和研究。

1 配電網潮流計算中的DG分類

根據太陽能光伏、風能、燃料電池、微型燃氣輪機等DG與電網互聯的接口方式及其運行和控制方式,可以將DG分別看作PQ節點、PV節點、PI節點和PQ(V)節點。如果DG經常運行在額定工況附近,則可將其看作PQ節點,如用同步電機接入電網的DG,當其勵磁控制方式為功率因數控制時,則可看作PQ節點;將能夠維持節點電壓幅值的DG節點看作PV節點,如用同步電機接入電網,當其勵磁控制方式為電壓控制時可看作PV節點;儲能系統可以看作PI節點;對于直接并網的異步風力發電機組,可以看成是PQ(V)節點[10]。

1.1 PQ節點

對于視為PQ節點的DG,可看作是恒功率的負荷模型,即有功功率 P、無功功率 Q為恒定。視在功率為:S=-P±jQ。若它向電網同時輸送有功功率和無功功率時,等式中 Q前為負號,否則為正號。

PQ型DG對接入節點的注入電流為

1.2 PV節點

則PV型DG對接入節點的注入電流為

需要注意,由于PV節點可調無功功率有限,在有附加注入電流情況下,必須判斷PV節點的無功功率是否越限。若PV節點的無功功率越限,則將PV節點轉化為PQ節點。其無功功率Qk

PV按下式計算:

1.3 PI節點

對于視為PI節點的DG,輸出的有功功率PsPI和電流幅值Is

PI恒定。該類節點相應的無功功率計算如下:

PI型DG對接入節點的注入電流為

1.4 PQ(V)節點

直接并網的風力發電機組,由于異步發電機在輸出有功功率的同時還要從系統吸收一定的無功功率,吸收的無功功率與轉差率s、節點電壓V有關;在風力發電機處安裝的并聯電容器組輸出的無功功率也與節點電壓幅值有關。對于這類節點可以采用PQ(V)模型進行處理[11]。

在潮流計算中,第k次迭代的PQ(V)節點的視在功率和注入電流分別為:

2 含DG的潮流算法

傳統的配電網潮流算法主要分為 3種類型[12]:直接法、前推回推法和牛頓-拉夫遜法。前推回推法面向輻射性網絡,具有易編程、計算效率高等優點,該方法也能有效處理電壓靜特性的節點類型。本文利用前推回推算法計算潮流和線損電壓,采用回推過程計算電流、前推過程計算電壓。

對于傳統輻射狀配電網,利用前推回推法,文獻[10]給出的潮流計算步驟如下:

(1)求出回路的等值阻抗矩陣。

(2)初始化各節點功率大小。

(3)將恒功率負荷轉化為恒阻抗負荷。

(4)計算各節點負荷功率的注入電流。

(5)回推計算各支路的電流,從最后 1層支路開始向根節點推進計算各支路的電流。

(6)前推求解節點電壓,從根節點開始向最后 1層推進,修正各節點的電壓。

(7)判斷系統中各節點相鄰 2次迭代的功率幅值差是否滿足收斂條件。若滿足則停止迭代,若不滿足則繼續。

對于含多種DG的輻射型配電網,應用上述程序計算潮流時,本文進行如下改進。

(8)在給出的配電網電氣接線圖的節點,當異步發電機組并網運行時,判斷是否有因電壓偏低導致異步發電機退網的情況發生。若退網,則轉步驟 4;否則,判斷PQ(V)節點的電壓是否仍然滿足異步發電機的入網條件。若滿足,則進行異步發電機的并網運算,繼續下一步計算;若不滿足,則進行異步發電機退網運算,轉步驟 4。

(9)計算異步發電機的轉差,求出其吸收的無功功率,判斷異步發電機的功率因數是否滿足要求。若不滿足,則根據功率因數要求調整并聯電容器組的投切,轉步驟 4;若滿足要求,則結束計算,并輸出結果。

(10)在給出的配電網電氣接線圖的節點,對PQ、PV、PI類型DG的接入節點疊加注入電流,作如下分析:

1)計算PI節點的注入無功功率,若無功越限,則把PI節點轉化成PQ節點處理,修正PI節點的注入電流。

2)計算 PV節點的注入無功功率,若無功越限,則把PV節點轉化成PQ節點處理,修正PV節點的注入電流。

3)判斷系統中各節點相鄰 2次迭代的電壓差是否滿足收斂條件,PV節點的電壓差是否滿足收斂條件,若這幾個條件要求同時滿足,則進行下一步計算;否則,轉步驟 4。

3 算例分析

本文利用 33節點的配電網接線圖為例進行算例驗證,本文33節點數據皆采用IEEE-33節點數據。取系統電壓基準值為10.5kV,視在功率基準值為50MW,風電場功率因數的允許變化范圍為 0.9～1.0。計算精度為ε=104。指定PI節點電壓幅值標幺值均為1.0,PQ類型DG的有功輸出為50 kW,無功輸出為70 kvar;PV類型DG的有功輸出為120 kW;PI類型DG的有功輸出為100 kW,額定電流為70 A;PQ(V)類型DG的有功輸出為150 kW,額定電壓為10.5 kV (退網條件為 8.4 kV)。33節點系統電氣接線如圖1所示。

圖1 33節點配電系統Fig.1 Distribution system w ith 33 nodes

首先采用4種方案分析比較各種類型的 DG混合并網對潮流計算收斂的影響。其中方案 1表示節點 12接有 10臺并聯的采用異步發電機為接口的電源,即可視為PQ(V)類型節點。方案2表示在方案1基礎上在 26節點接入 1臺采用勵磁調節的同步電機為接口的電源,控制方式為電壓控制,即可視為 PV類型節點。方案 3表示在方案 2基礎上在 18節點接入 1臺采用變換器作為接口的燃料電池,即可視為PI類型節點。方案4表示在方案 3基礎上在 18節點接入 1臺采用勵磁調節的同步電機為接口的電源,其控制方式為功率因數控制,即可視為 PQ類型節點。結果表明運用改進的前推回推法進行處理多種形式的DG混合并網的配電網潮流計算是有效的,并且在接入風力發電機等的異步發電機時,對迭代次數的影響很小。

然后,分析不同形式DG并網對饋線段電壓分布的影響。設饋線段 1,2,3,4的路徑分別為 12-13-14-16-17,26-27-28-29-30,18-19-20-21 -31,18-19-20-21-32,在不同的方案下,饋線段1,2,3,4的節點電壓分布情況如表 1所示。可以看出:各種DG對系統的電壓支撐能力不同,PQ,PI節點最強,其次是PV節點,而PQ(V)節點則降低了系統電壓水平。

4 結論

配電網的損耗主要取決于系統的潮流,DG和微電網的接入使得配電網中各支路的潮流不再是單向流動,必然會影響配電網的損耗,使之不僅與負載等因素有關,同時也與DG及微電網接入的位置、容量及負荷的相對大小以及網絡的拓撲結構等因素密切相關。

表1 不同DG接入方案前后部分節點電壓Tab.1 Nodes voltage comparison for different DG access

本文分析了不同形式的 DG,對它們在潮流計算中的處理方法進行了研究,并用改進的前推回推算法,對 33節點配電系統進行了算例分析,得到如下結論:

(1)采用異步電機作為接口的 DG會降低系統的電壓水平,而采用其他形式接口的DG對系統電壓具有支撐作用。

(2)在配電網的負荷附近接入DG后,配電網的潮流也可能由原來的“單向”流動變為“雙向”。從國外所進行的一些研究[13]來看,接入配電網的 DG對配電網的損耗即有減少也有增加,還需要進一步的分析。

[1]梁才浩,段獻忠.分布式發電及其對電力系統的影響[J].電力系統自動化,2001,25(12):53-56.

[2]Puttgen H B,Macgregor P R,Lambert F C.Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era[J].IEEE Power and Energy Magazine,2003,1(1):22-29.

[3]李蓓,李興源.分布式發電及其對配電網的影響[J].國際電力, 2005,9(3):45-49.

[4]Abur H S,Liu H,K lingensmith W N.Three phase power flow for distribution systems with dispersed generation[C].Sevilla:14th PSCC,2002.

[5]Shingenori N,Takamu G,Yoshikazu F.Practical equipment models for fast distribution pow er flow considering interconnection of distributed generators[C].Vancouver:IEEE Power Engineering soceity Summer Meeting,2001.

[6]陳海焱,陳金富,段獻忠.含分布式電源的配電網潮流計算[J].電力系統自動化,2006,30(1):35-40.

[7]王成山,鄭海峰,謝瑩華,等.計及分布式電源的配電系統隨機潮流計算[J].電力系統自動化,2005,29(24):39-44.

[8]王守相,王成山.基于區間算法的配電網三相潮流計算模型[J].中國電機工程學報,2002,22(2):52-58.

[9]孫宏斌,張伯明,相年德.配電潮流前推回推法的收斂性研究[J].中國電機工程學報,1999,19(7):26-29.

[10]王守相,王成山,江興月.含分布式電源的配電網故障分析疊加法[J].電力系統自動化,2008,32(5):38-42.

[11]王守相,江興月,王成山.含風力發電機組的配電網潮流計算[J].電網技術,2006,30(21):42-45,61.

[12]Losi A,Russo M.Object-orented load flow for radial and w eakly meshed distribution networks[J].IEEE Trans on Power Systems, 2003,18(4):1265-1274.

[13]Paulo M C,Manuel A M.Loss allocation in distribution networks with embedded generation[J].IEEE Trans on Power Systems, 2004,19(1):384-389.