針對電網負荷突變的可再生能源系統并網算法研究

湯耀景，徐惜瓊，石帥，王瑞

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000）

針對電網負荷突變的可再生能源系統并網算法研究

湯耀景，徐惜瓊，石帥，王瑞

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000）

RPS（可再生能源系統）的推廣需要考慮特定電網的供求量、氣象及地理特性，以預測合理的RPS容量及最優經濟配比，從而達到建設成本的最優。一種合理的并網算法，能夠保證RPC與負荷需求的供需平衡，同時保障電網的電壓水平。利用一個模擬電網模型，基于潮流算法設計了一種電網負荷突變的RPS并網穩定算法，以確保電網內負荷突變與RPS的供需平衡及電能質量。

可再生能源系統；負荷突變；無功功率

隨著可再生能源發電技術的成熟與推廣，供電來源從傳統能源向可再生能源等多能源供給方向發展。面對RPS（可再生能源系統）并網的現實與趨勢。文獻[1]介紹了利用HOMER設計可持續能源系統各因素配比，以達到最低成本凈現值。然而，在RPS運行過程中，電力負荷突變影響著穩態運行。

基于RPS經濟建設模型[1]，設計了一種應對電網負荷突變的平衡算法，以保證RPS的穩態供求平衡。

1 系統介紹及設計原理

1.1 RPS的成本優化設計

文獻[1]中介紹的RPS模型，以直流系統為能量交換中心，以風能、太陽能為發電來源，通過儲能系統進行能量存儲及調度輔助。逆變器被設置為該微型系統和電網的接口，以控制有功、無功功率輸出，優化電能質量，如圖1所示。

圖1 微型可再生發電系統

結合發電區域的電網負荷、氣候及地理參數，通過HOMER對模型進行最低成本凈現值分析，可獲得設備種類及數量的最優配比。

通過針對換流器的定電流及定功率控制程序的設計，使系統輸出保持在理想范圍之內，形成最優成本下的定功率輸出特性。

1.2 潮流算法流程

作為普遍應用的電網潮流算法，牛頓-拉弗遜算法基于線性計算原理[2]，對于潮流算法而言，主要基于平衡節點、PU節點和PQ節點，三者在潮流算法中的作用如表1所示。

表1 節點特性

利用3類節點的特性，牛頓-拉弗遜潮流算法的計算方法在文獻[3]中有所述及，其流程如圖2所示。

圖2 牛頓-拉弗遜潮流算法流程

2 電網負荷突變平衡算法設計

2.1 算法流程

農村及偏遠地區距離主網架較遠，無法有效得到電能的足夠供應。為保證該類區域的電能有效供應，RPS逐步在推廣建設。然而該類區域電力硬件基礎較為薄弱，自身調節能力有限，因此設計一種解決負荷突變的平衡算法，具有一定的必要性。

解決電能的供求平衡，在保證有功及無功功率平衡的基礎上，需使系統的電壓保持在合理的范圍之內。本文介紹算法分為3步，如圖3所示。

圖3 電網負荷突變平衡算法流程

2.2 供求失衡的判斷

在電網的實時監控中，通過分布于網內的監測裝置，實時監測電網的負荷變化及電能質量[4]。

由于各線路損耗的不同，電能供應與負荷的平衡值會隨不同節點的供電與用電情況而不同。因此，在實時電網中當負荷有所波動時，電能供應與負荷平衡首先需要通過潮流算法來判斷，以確定電網是否具備足夠供電能力。

2.3 確定有功功率

如判斷電網無法提供足夠電能，那么需要計算RPS需提供的有功功率值。

在這一過程中，假定RPS無功功率輸出量為0，計算電網有功功率需求值Pren。基于此有功功率提供量，計算整個電網的所有節點電壓水平是否在合理范圍之內，確定是否需要無功功率補充，以調節系統各節點電壓水平。

2.4 補償無功功率

在確定了有功功率后，需要保證電網中所有節點電壓均在合理范圍之內，以此確定所需的無功功率補償量，主要步驟如圖4所示。

步驟1：根據計算得到的有功功率Pren，再次通過牛頓潮流算法計算整個電網的電壓。若所有節點電壓水平保持在合理范圍之內，則RPS有功功率輸出確定為Pren；若有節點電壓在合理范圍之外，則進入下一步驟。

步驟2：在原始的模型內，注入RPS有功功率Pre，計算所有節點保持在合理電壓范圍之內的無功功率輸出區間為Qre，min至Qre，max。

為保證各節點電壓均具有一定裕度，將RPS無功功率的輸出量確定為合理區間的中間值，即：

圖4 無功功率補償算法流程

步驟3：由步驟2確定的Qre，chosen，在潮流算法中可以確定有功功率值PQre。

若PQren等于RPS的實時功率Pe，則PQre，chosen= PQre。

如若PQre不等于RPS的實時功率Pe，那么其有功功率值可進一步進行調整，按照以下方法，即：

按照以上3個步驟，當目標電網內的負荷突變升高時，可確定RPS的功率合理提供量Pre，chosen和Qre，chosen，同時確保電網所有節點的電壓均在合理范圍之內。

3 電網負荷突變平衡算法仿真

3.1 測試電網

模擬電網來源于參考文獻[5]。電力供應的峰值為76.63 MW，其中68.05 MW為用戶消耗電能，其余為線路損耗，假定38個負載平均消耗負荷，則每個節點消耗1.79 MW的功率。該系統的線路長度如表2所示。

表2 線路長度

線路參數標幺值為：R=0.000 456；X=0.002 4；B/2=0.000 141；C/2=0.000 084 8。

電網的電壓等級為10 kV，76.63 MW是電網能夠提供的最大電能，將保證電壓穩定在10 kV。

假定在節點15發生了0.5 MW和0.1 Mvar的負荷提升，對電網造成了一定的沖擊。為了保證穩定，可以利用RPS去補充電能。在節點15串接了1個RPS1，作為主要供應點，另1個RPS2串接在節點23，作為次級供應點。設置次級供應點23的原因是，該節點與節點15有最長的距離，相對來說是電能補充條件最差的節點。

3.2 判斷供求失衡

在此情況下如沒有電力供應補充，通過潮流算法，可確定所有節點的正常電壓水平將如表3所示。

表3 負荷突增后電網電壓水平

由于電網原來工作在電能供應最高值，當節點發生負荷升高時，則電能供求不足。

3.3 確定有功功率

如果僅有RPS1供應電能，則通過潮流算法，可確定在節點15需要0.499 3 MW和2.075 7 Mvar的電能補充。

如果RPS的發電容量大于0.499 3 MW，那么1個RPS在節點15便可提供足量的電能。經過能量補充后的電網電壓及誤差比如表4所示。由表中數據可知，通過RPS1電能的充分補充，所有節點電壓均在正常范圍之內。

如果RPS的峰值容量為0.3 MW，那么在節點15 RPS1不能提供充足電能。因此，需要并入另1個RPS來補充電能。

若RPS2在節點15處并網，那么RPS2僅需補充0.199 3 MW的有功功率即可，通過潮流計算表明，電網電壓和RPS1能夠提供足夠電能時一致。

若RPS2在節點23處并網，那么同樣可令RPS2提供0.199 3 MW的有功量來補充電能。

3.4 補償無功功率

在確定了RPS1和RPS2的有功功率后，利用潮流計算可確定RPS2的無功功率輸出量對系統所有節點電壓的影響水平，如圖6所示。

在電壓變化區間可得出RPS2的無功輸出為：

圖5 模擬電網

表4 RPS1電能補充后電網電壓水平

圖6 RPS 2無功功率補充下的系統電壓

同樣依據上述方法，可以確定RPS1的無功輸出量。RPS1和RPS2兩者的最終功率輸出為：Pre，1=0.3 MW；Qre，1=2.903 5 Mvar；Pren，2=0.199 3 MW；Qren，2=0.45 Mvar。

經過2個RPS的協同補充后，電網的電壓及誤差比如表5所示。

表5 RPS 2電能補充后電網電壓水平

可見，通過RPS2的電能補充，電網內所有點的電壓誤差均保持在5%合理范圍之內，實現了不同位置RPS對于電網電能的協同有效補充。

4 結語

隨著分布式能源系統的持續發展，RPS并入電網已成為了一種趨勢[6]。利用一個電網模型，提出了針對負荷突變的可再生能源并網算法，為電網的穩定運行和可再生能源的應用提供了有益借鑒，也是對文獻[1]RPS并網建設一文的后續補充。

[1]湯耀景.基于HOMER的微型可再生能源系統優化設計[G]//浙江省電力學會2013年度優秀論文集[C].北京∶中國電力出版社，2014.

[2]LENNART SODER.Static Analysis of Power Systems[M]. Stockholm∶Royal Institute of Technology，2009.

[3]韓禎祥.電力系統分析[M].杭州：浙江大學出版社，2005.

[4]STAHLKOPFKARLE，WILHELMMARKR.Tighter Controls for Busier Systems[J].Spectrum IEEE，2002，34（4）∶48-52.

[5]BILLINTON R，KUMAR S，CHOWDHURY N，et al.A Reliability Test System for Educational Purposes-Basic Data [J].Power Systems，IEEE Transactions on，2002，4（3）∶1238-1244.

[6]王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，34（2）∶10-14.

（本文編輯：楊勇）

Research on Algorithm for Renewable Power System Integration Against Grid Load Change

TANG Yaojing，XU Xiqiong，SHI Shuai，WANG Rui
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

The development of renewable power system needs to give consideration to grid supply and demand,meteorological and geographical characteristics to forecast reasonable capacity of renewable power system and the optimal economic ratio so that the construction cost can be optimized.A reasonable algorithm for grid integration can maintain a balance of supply and demand between renewable power system and load requirement and in the meantime maintain voltage level of grid.By using simulation grid model,an algorithm for renewable power system integration against grid load change is formulated on the basis of power flow algorithm for the purpose of maintaining balance of supply and power between load change and renewable power system as well as the power quality.

renewable power system；load change；reactive power

TM714

：A

：1007-1881（2014）11-0005-04

2014-09-11

湯耀景(1986-)，男，浙江溫州人，碩士，從事繼電保護工作。