淺議微電網的電壓變化

呂彥召，王 佳，常文煥，馬莉娜

(1.國家電網許繼集團，河南許昌461000;2.華北水利水電大學，河南鄭州450011)

0 引言

微電網正進入快速發展和商業化階段。通常，配電網是無源網絡。其中有功功率和無功功率始終是從高電壓流向低電壓。但隨著DER 的深入應用，潮流就可能反轉過來，因為配電網不再是向負荷供電的無源電路，而是有潮流的有源系統，而電壓是由發電和負荷兩者共同決定。因此，具有DER 的配電網絡(即微電網)的性質發生了巨大的變化。

1 常規配電網的電壓變化

大多數的配電網是用輻射型無源網絡作為模型的，有功功率P 和無功功率Q 的潮流始終是從高電壓流向低電壓。由于輸電網的抗阻比X/R≥10，而配電網絡的抗阻比X/R≥0.5，因此配電網的電阻值很大。配電網的大電阻造成了從變電站到用戶連接點的沿線壓降。壓降的值可以根據雙母線配電系統圖1 算出。

圖1 常規的雙母線配電系統

圖1 中，DS 的配電系統，OLTC 是有載分接開關(On-Load Tap-Changer)，US是發送端的電壓，UR是接收端的電壓;P 和Q分別是從配電網流向用戶的有功功率和無功功率，即由配電系統供應的有功功率和無功功率，而PL和QL是負荷的有功功率和無功功率。發送端的電壓可以寫成:US=UR+Ι(R+jX)。

式中:I 是流過輸電線路的電流向量。

由于在配電供應的功率可以寫成:P+jQ=USΙ*

因此發送端的電壓可以表示成:

由于發送端的電壓與接收端電壓之間的相位差很小，因此電壓降近似地等于電壓降的實數部分。如果認為發送端的總線是基準總線，則電壓的相位為零，因此，上式可以近似為:

把圖(1)所示系統的電壓看成是基準電壓，則US可以假設為1，則(1)可以寫成如下

在BIM的應用過程中有一個很重要的問題——I（Information）到底向哪里輸入，如何使用？B（Building）建筑的概念太大，向建筑輸入信息，無法確定具體往哪里輸入。因此，信息還要向更為微觀的下一個層級滲透。實際上建筑并不是一個不可分割的整體，而是有微觀部分組成的，而且微觀部分之間還具有層級包含關系。建筑是無法由材料直接構成的，材料必須形成某種可以成型的物品后才能夠變成組成建筑的一部分，因此“建筑”與“材料”二者之間還應該具有一個中間媒介——構件，后者成為組成建筑的基本單位。

在常規雙母線的基礎上繪制出常規的N 條母線的配電系統圖2 所示。

圖2 常規的n 母線配電系統

在圖2 所示的大型配電網中電壓的變化量可以與(1)所示的同樣公式來確定。在圖2 中，考慮了n 條母線的系統，在第i根和第j 根母線之間的電壓降ΔUij可如下表示:

式中 Rij是第i 根和第j 根母線之間的電阻;Ui是第i 根母線上的電壓;Pij是第i 根母線到第j 根母線的有功功率;Qij是第i 根母線到第j 根母線的無功功率。

對于供電質量來說，在負荷的每一連接點上的電壓的大小都是很重要的，考慮電壓降是研究電能質量不可或缺的一個重要因素。

2 微電網上電壓的變化

當DER 接到配電系統時，系統潮流和電壓波形就會受到影響，不再是無源的，而是有源的。為了輸出功率，一臺發電機要在較高的電壓下工作，比供應功率的其他節點的電壓稍，接收端的電壓UR將為:

因為潮流的方向是相反的，于是發電機連接點的電壓將上升到高于發送端的電壓。如圖3 所示。

在圖 3 中，DER 接在電壓 UGEN處，假定是 11 kV 處;PG和QG分別是DER 所產生的有功功率和無功功率;PL和QL分別是負荷所產生的有功功率和無功功率;QC是并聯補償器的無功功率。

圖3 簡單微電網

接有負荷和補償器的DER 通過阻抗為R +jX 的架空配電線以及通過OLTC 接到配電系統。電壓沿配電網的上升如圖3可以寫成如下:

式中 P=PG-PL;Q= ±QC-QL±QG

如果UGEN=1，則(2 -5)可以簡化成:

DER 始終輸出有功功率(PG)，但也可以輸出或輸入無功功率(±QG)，而負荷則消耗有功功率(-PL)和無功功率(-QL);補償器可以只輸出或吸收無功功率(±QC)。最近，在熱電聯產(CHP)發電規劃，小型風力渦輪機和光伏電池中，小型同步電機廣泛地用作DG。在CHP 發電規劃中，同步發電機即使當系統的電負荷下降低于發電機的輸出時也輸出有功功率，但它可以吸收或輸出無功功率。這取決于發電機勵磁系統的配置。風力渦輪機也輸出有功功率，但是它吸收無功功率，以為它的感應發動機需要無功功率才能工作。光伏電池系統在設定的功率因數下輸出無功功率，但是可能引入諧頻電流。因此，在電網中的潮流可以朝任一方向流動，這取決于電網的有功和無功負荷與發電機輸出和電網損耗相比的相對大小。

圖4 n 母線大型微電網

大型微電網的電壓的變化量可以用(4)所示的同樣公式來確定。把DER 與常規配電網的第j 根母線綜合在一起，則系統將轉換成如圖4 所示。

在DER 連接點上的電壓變化ΔUij，考慮了n 條母線的系統，在第i 根和第j 根母線之間的電壓降可如下表示:

式中;PGj是由DER 供應的有功功率;QGj是由DER 供應或吸收的無功功率，取決于DER 的性能;PLj是接到配電系統第j總線的負荷的有功功率;QLj是接到配電系統第j 總線的負荷的無功功率。

如果在DER 的連接點接上一個無功功率QGj的并聯補償器。則式(7)可以寫成:

3 結語

在上述常規和微電網的小型和大型配電系統圖的基礎上簡要分析了各自的電壓變化情況和能量的流動情況，得出簡化的電壓變化推導公式，為以后我們遇到實際微網情況提供一個理論分析的依據。電力系統變化多樣，應用時根據實際情況作出相應的推導和調整。

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