配電網潮流計算中的分布式電源建模*

彭 彬,劉 寧,吳 迪

(1.魯泰紡織股份有限公司,淄博 255100;2.天津陳塘熱電有限公司,天津 300072)

近年來,分布式發電技術日益為學術界和工業界所關注,由于大量并網運行分布式電源的存在,對配電網潮流計算提出了更高要求[1～4]。當配電系統中引入分布式電源后,引起了配電線路中傳輸的有功和無功功率大小和方向的改變,配電系統成為一個多電源系統,而且不一定能維持嚴格的輻射狀結構。因此,在進行潮流計算時,必須針對不同的節點類型采用不同的處理方法。

分布式發電系統一般通過以下幾種方式接入配電網絡。(1)通過異步發電機直接接入。如:異步發電機風力發電系統等。由于異步發電機沒有勵磁系統,需從系統中吸收大量的無功,其無功的大小與機端電壓有關,因而需在潮流計算中做特殊處理。(2)通過同步發電機直接接入。如:雙軸微型燃氣輪機發電系統。由于采用同步發電機并網,一般勵磁電壓可調,故其處理方式與傳統方法相同,可處理為PV節點。(3)通過電力電子裝置接入。如:光伏發電系統、燃料電池發電系統、單軸微型燃氣輪機發電系統。由于電力電子裝置的運行方式及控制策略不同,其節點類型的選取要進行綜合考慮。

本文針對常見的分布式發電并網系統、如微型燃氣輪機并網系統、風力發電系統、燃料電池與光伏并網發電系統等,從并網結構及運行方式入手,分析其并網模型,建立了各自潮流計算數學模型。

1 微型燃氣輪機系統模型

微型燃氣輪機發電系統主要有兩種結構,一種為分軸結構,另一種為單軸結構。分軸結構的動力渦輪與燃氣渦輪采用不同轉軸,動力渦輪通過變速齒輪與發電機相連,因此可直接并網運行;單軸結構的壓氣機、燃氣渦輪與發電機同軸,發電機轉速高,需通過變流器將頻率轉化為工頻后并網。

1.1 分軸微型燃氣輪機系統

分軸微型燃氣輪機通過同步發電機直接并網,一般采用有勵磁調節能力的同步發電機作為接口具有兩種勵磁控制方式,即電壓控制和功率因數控制。采用電壓控制的分布式電源在潮流計算中可作為PV節點處理,采用功率因數控制的分布式電源可作為PQ節點處理。因此,分軸微型燃氣輪機系統在配電網潮流計算中,仍可按傳統方式進行處理。在潮流迭代過程中,若PV節點無功越限,則將其轉換成對應的PQ節點。如在后續迭代中又出現該節點電壓越界,重新將其轉換成PV節點。

1.2 單軸微型燃氣輪機系統

單軸微型燃氣輪機由于轉速較高,高頻量不能直接并網,需通過變流器變換為工頻量后并網。常見的變流器拓撲結構有兩種,如圖1所示。

圖1 變流器拓撲結構Fig.1 Topology of converter

通過整流器后,系統被分成了直流與交流兩部分,可將交流部分與直流部分進行等效,一般處理如下[5]:交流系統中,整流器等效為△型負荷,逆變器等效為△型電源;直流系統中,整流器等效為直流電源,逆變器等效為直流負荷。圖2給出了詳細的等效模型。

圖2 交流系統與直流系統等效模型Fig.2 Equivalentmodel of AC system and DC system

對于電流型的PWM變流器(整流器與逆變器),也存在類似的關系式成立,因而,二極管不可控整流器及電流型PWM變流器都可看作有功輸出和注入電網電流恒定的PI節點。相應的無功功率可由前次迭代得到的電壓、恒定的電流幅值和有功功率計算得出[2]:

整流器側若采用二極管不控整流器,則有:

電壓型PWM變流器在聯網運行時可作為常規的PV節點處理。當系統脫離主網處于孤島運行時,需分布式電源支撐系統的電壓與頻率,分布式電源相當于常規電力系統的平衡母線,因此孤島運行時電壓型PWM變流器還可作為節點(平衡節點)。電力電子變流器節點類型總結見表1。

表1 電力電子換流器節點類型Tab.1 Node typeo f power electronics converter

2 風力發電系統模型

風力發電系統以異步電機直接并網發電系統和雙饋發電系統較為常見。由于運行方式與控制策略各有不同,因此節點形式也各有不同。

2.1 異步電機直接并網

早期風力發電一般采用異步發電機并網運行,異步發電機靠電網提供無功功率建立磁場,沒有電壓調節能力。文獻[6]將風電場在潮流計算中視為PQ節點,即根據有功功率和給定的功率因數直接計算得到無功功率。這種模型優點是處理簡單,對現有潮流程序幾乎無需改動,缺點是模型過于粗略。由于風電場吸收的無功功率隨系統的運行情況不斷變化,風電場的功率因數在不同系統運行方式下是變化的,因此采用這種模型將使計算結果不夠準確。文獻[7]提出一種RX迭代模型,把異步發電機的轉差表示成機端電壓和有功功率函數,給定初始轉差和風速,由異步機等效電路寫出異步機等效阻抗Z=R+jX,將發電機視為阻抗型負荷加入潮流程序,得到風力發電機的電磁功率,另外由風速等信息計算出風機的機械功率,根據兩個功率之差值修正轉差,反復迭代,最終使風機功率與發電機功率相平衡。RX模型充分考慮了風力發電機的功率輸出特性,屬于較完善模型,但此模型的迭代過程分兩步完成,總迭代次數多,收斂速度慢。

考慮到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,其吸收的無功功率大小與轉差率s和節點電壓U的大小密切相關,為減少網絡損耗,一般采取無功功率就地補償的原則,通常做法是在風力發電機組安裝并聯電容器組[8]。簡化等效電路見圖3。其中:xm為勵磁電抗,xs為定子漏抗,xr為轉子漏抗,xc為機端并聯電容器電抗,rr為轉子電阻,s為轉差,定子電阻忽略。

從圖3可以推得:

圖3 異步發電機的簡化模型Fig.3 Simplified model of asynchronousmachine

對風場而言,輸出的有功功率P由風速決定,在潮流計算中可認為是給定值,此時吸收的無功功率Q與機端電壓Us和轉差s有關,而Us和s的關系由式(3)決定,于是可推出異步風力發電機吸收的Q與Us的函數關系式[3]:

由此可知,異步發電機節點類型具有如下特點:發出的有功功率是確定值,而無功功率則與機端電壓有關。這與電壓靜特性負荷節點相似,因此在潮流計算中稱這種電源節點為電壓靜特性節點,即:P恒定,U不定,Q受P、U限定的P-Q(V)。潮流計算處理此類節點時,每次迭代后都會對電壓進行修正,并根據修正后的電壓幅值計算出異步發電機吸收的無功功率。因此,在下一次迭代前,可把P-Q(V)節點轉換成傳統潮流算法能處理的PQ節點,其中P為異步發電機輸出的有功功率,Q為發電機吸收無功功率與補償無功功率的差值。該方法有較好的準確性,并且計算量較小,速度快,對現有程序改動量小。

2.2 雙饋電機并網

雙饋風力發電機穩態等效電路如圖4。其中,xm為勵磁電抗,xs為定子漏電抗,xr為轉子漏電抗,rs為定子電阻,rm為勵磁電阻,rr為轉子電阻。

圖4 雙饋異步發電機穩態等效電路Fig.4 Steady state equivalent circuit of doubly-fed inductionmachine

當風速已知時,可通過風速功率特性求得該風速下發電機注入系統的總有功功率Pe。Pe由兩部分組成,一部分是由定子繞組發出的有功功率Ps,另一部分是轉子繞組發出或吸收的有功功率Pr。當轉速高于同步轉速時,轉子繞組發出有功功率;當轉速低于同步轉速時,轉子繞組吸收有功功率。雙饋異步發電機的無功功率也是由兩部分組成,一部分是發電機定子側發出或吸收的無功功率,另一部分是變流器在發電機轉子側發出或吸收的無功功率。雙饋機可采用恒功率因數控制運行方式或者恒電壓運行方式。

由雙饋風電機的等效電路,在忽略定子繞組電阻的情況下,轉子繞組上發出的功率可表示為[9]

其中x=xr+xs,Us=|﹒Us|。

風電機組注入系統的有功功率為

其中,轉差s可通過雙饋風電機組的轉速控制規律求取,雙饋異步發電機的轉子轉速控制規律是指風電機轉速與風力機的機械功率的對應關系,通常采用的轉速控制規律如式(8),控制曲線如圖5所示。AB段風速低于啟動風速,轉速維持在最低轉速;BD段風速處于啟動風速與額定風速之間,分兩段運行,BC段進行最大功率跟蹤,CD段以恒轉速方式運行在額定轉速;DE段高于額定風速,以恒功率方式運行在額定功率。

雙饋異步風力發電機一般采用恒功率因數控制方式,設功率因數為cosφ,則Qs=Pstanφ。又由于變流器傳遞的有功功率較小,由變流器吸收或發出的無功很小,因此可近似為風電機組的無功功率就等于定子繞組的無功功率,即:

由式(6)和(7)可以得到:

由于=tanφ,因此可知在恒功率因數控制下,當雙饋風力發電機的有功功率、功率因數和轉差確定時,無功功率僅是機端電壓的函數。一般給定風速和功率因數,則發電機的有功功率已知,轉差可由轉速控制規律求取,進而可求得無功功率。

當采用恒電壓運行方式時,風場節點可作為PV節點進行潮流計算,但由于定子側無功功率受到定子繞組、轉子繞組和變流器最大電流的限制,因此需要考慮各種限制條件。

圖5 雙饋電機轉子轉速控制規律Fig.5 Rotor speed control rules of doubly-fed induction machine

3 燃料電池與光伏電池并網系統[8]

并網的燃料電池發電站一般由燃料電池、功率調節單元及升壓變壓器等組成,其中功率調節單元主要由逆變器、電壓控制環節和功率控制環節組成,并網燃料電池發電站常見等效電路見圖6,其中逆變器采用PWM,通過控制參數m和φ實現。

圖6 燃料電池并網系統等效模型Fig.6 Equivalentmodel of gird-connected fuel cell system

由此可計算得到有功功率與無功功率:

由上式可知,燃料電池發電站的有功功率和無功功率控制通過控制參數φ和m實現。換流器的超前角φ可由燃料流量控制,通過對燃料流量控制實現對燃料電池有功輸出功率的控制,這與常規發電機通過調節氣門/導水葉開度實現有功調節原理類似;而對無功功率控制則是通過調整換流器的調節系數m實現,這與常規發電機調節勵磁電流來控制其無功輸出原理相似。因而,在潮流計算中,燃料電池發電站并網節點可作為PV節點處理。

光伏發電系統與燃料電池發電系統具有類似的并網結構,其逆變器控制原理也相似,如圖7所示。其中UPV為光伏電池板的輸出直流電壓。

圖7 光伏電池并網系統等效模型Fig.7 Equivalentmodel of gird-connected photovoltaic system

因此在潮流計算中,光伏電池發電系統可看作PV節點處理,燃料電池與光伏電池發電站正常運行時不需要從系統吸收無功,無功下限值可取0。若并網節點的無功越限,可以將該節點作為PQ節點處理,此時的無功注入為無功輸出的上限或下限值。

4 結語

本文介紹了幾種分布式電源典型的并網接口,針對微型燃氣輪機并網系統,風力發電系統,燃料電池及光伏并網系統,分析了其并網結構及運行方式,建立了各自在潮流計算中的數學模型。根據各分布式電源的控制特性,將其節點類型歸結為PV節點,PQ節點,Vθ節點,PI節點,P-Q(V)節點。針對特殊節點提出了在潮流計算中的處理方法,其本質是在迭代步將各類節點轉換成為傳統方法能夠處理的PQ節點或PV節點,有利于開展含有分布式電源的配電系統潮流計算研究。

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