利用風電機組改善農村配電網(wǎng)電壓質量

郭兆琪,胡 健,邊敦新,渠福運

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

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利用風電機組改善農村配電網(wǎng)電壓質量

郭兆琪,胡 健,邊敦新,渠福運

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

針對農村電網(wǎng)普遍存在電能質量差、安全可靠性低等問題，提出了一種利用風電機組經(jīng)儲能裝置來改善農村配電網(wǎng)供電質量的新思路. 對10kV農網(wǎng)接入風電機組前后供電質量的仿真研究顯示，電壓偏移率由9.65%下降為0.92%，表明該方案能較好地改善農網(wǎng)的末端電壓過低問題.

農村配電網(wǎng)；風力發(fā)電；供電質量；儲能裝置

討論了農村電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀及目前常用的解決方法，提出一種利用風電機組經(jīng)儲能裝置來改善農村配電網(wǎng)供電質量的新思路[1-4]，并使用MATLAB中的simulink仿真模塊對風電機組接入農網(wǎng)末端前后系統(tǒng)的供電質量進行仿真對比，得到了在農網(wǎng)末端加入風電機組能夠有效改善末端電壓質量的結論.

1　 農網(wǎng)末端電壓過低的成因分析

線路的損耗以及電力設備的安全運行直接影響到系統(tǒng)的電壓質量[5].農村配電網(wǎng)的配電形式通常是由35kV終端變電站供電，再由變電站10kV出線經(jīng)過10kV/400V配變接入用戶端[6]. 農村配電網(wǎng)的導線截面通常較小、線路的供電半徑較長、線損較城市配電形式偏高，而且農村電網(wǎng)的變壓器仍以高耗能變壓器居多[7].

圖1為簡化的輸電線路示意圖[8].

圖1　簡化輸電線路示意圖

(1)

(2)

如今農村的經(jīng)濟水平較以往有了明顯的提高，大功率的生產工具和家用電器日益廣泛使用，這導致在用電高峰時段，農村電網(wǎng)會因負荷端用電量過大導致末端電壓過低，這也是農村電網(wǎng)亟待解決的問題.

目前解決農村電網(wǎng)末端電壓過低的方法通常有以下幾種[9].

(1)對低壓線路進行改造，換成截面更大的導線，或著將供電方式改為三相四線制.

(2)對10kV線路進行延伸處理、增加配電變壓器的數(shù)量.

(3)安裝低壓無功補償裝置，但這只對感性負荷較重時作用明顯.

(4)調整配電變壓器的電壓分接頭位置，只在負荷重時有較好效果，并且會在負荷輕時，使首端電壓過高.

以上幾種解決農村電網(wǎng)末端電壓過低的方法雖然能在一定程度上改善農村電網(wǎng)電壓，但是都存在著各種各樣的缺點. 而風能作為可再生的清潔能源，又能夠在負荷端供能，不需長距離輸電，非常適合解決農村電網(wǎng)末端電壓過低的問題.

2　利用風電機組經(jīng)儲能裝置接入農網(wǎng)改善供電質量的方案

現(xiàn)有風力發(fā)電機組可分為兩類，一類是恒速恒頻機組，另一類是變速恒頻機組。恒速恒頻是指在風力發(fā)電過程中，控制風力發(fā)電機的轉速不變，來得到恒定頻率的電能；變速恒頻是指風力發(fā)電機的轉速隨風速的變化而變化，通過別的方法來得到恒定頻率的電能. 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的風力發(fā)電機能夠根據(jù)風速的變化以不同的轉速旋轉. 因此其轉速的變化范圍較大，控制跟蹤風力發(fā)電機的最佳葉尖速比，使風力發(fā)電機獲得較好的功率輸出[9].

實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電的方法有很多，如交-直-交風力發(fā)電系統(tǒng)、繞線轉子雙饋發(fā)電機系統(tǒng). 其中，交-直-交風力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊，還可以調節(jié)無功. 另外，當前常用的直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)也屬于交一直一交風力發(fā)電系統(tǒng). 這種系統(tǒng)不需要升速齒輪箱，減少了系統(tǒng)成本，并且經(jīng)過整流、逆變后并網(wǎng)的結構也較為簡單、容易控制，應用于小型風力發(fā)電機組并網(wǎng)非常適合.

由于本文模擬的是10kv輸電線路，采用交-直-交風力發(fā)電系統(tǒng)，因此選用直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真分析。

2.1風電機組接入農網(wǎng)末端后的理論分析

風電機組接入后的輸電線路示意圖如圖2所示.

圖2　風電機組接入后的輸電線路示意圖

風電機組接入時，有

(3)

2.2風電機組流程圖

本文采用的風機并網(wǎng)流程圖如圖3所示.

圖3　風機并網(wǎng)的結構圖

風電機組產生的不穩(wěn)定交流電首先經(jīng)過整流環(huán)節(jié)，將不穩(wěn)定的交流電變?yōu)橹绷麟姡缓髮⒅绷麟妰Υ娴叫铍姵亟M成的儲能裝置中，然后經(jīng)過升壓環(huán)節(jié)將直流電電壓提高，再通過單相逆變環(huán)節(jié)將直流電變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻、同相的單相交流電，最后并入單相電網(wǎng)中.

3　系統(tǒng)仿真分析

3.1未接入風電機組時的農網(wǎng)首末端電壓仿真

未接入風電機組時的農網(wǎng)輸電線路等效模型如圖4所示.

圖4　未接入風電機組時農網(wǎng)輸電線路等效模型

本文模擬的是額定電壓為10kV的單相輸電系統(tǒng). 其主要參數(shù)如下：線路首端電壓的仿真模塊VS電壓為14.847kV；電壓源等效內阻Rs_eq為0.1Ω；相位：0；頻率：50Hz；輸電線路用π型等效線路替代；用戶端為恒定負荷1 000kvar. 其電壓輸出波形如圖5所示.

圖5　農網(wǎng)首端電壓與末端電壓波形對比圖

由于線路首端電壓需提高5%，經(jīng)檢測其首端電壓為10.44kV，但是末端電壓僅為9.035kV，標準電壓應為10kV，電壓偏移率為9.65%.GB/T12325-2008規(guī)定：10kV及以下的輸電線路供電電壓偏差為標稱電壓的±7%，測量結果電壓偏移率已經(jīng)超出了電壓偏差的允許范圍，顯然對農村居民的生活用電造成較大的影響.

3.2接入風電機組時的農網(wǎng)首末端電壓仿真

本文所采用的方法是先將風力發(fā)電機組的出力進行整流儲能，然后再經(jīng)過單相逆變后接入末端電網(wǎng)，因此可以將儲能后的風機出力看為恒功率輸出，將其等效為直流電源經(jīng)過單相逆變后接入末端電網(wǎng). 其中，風機采用100kW機組，風電機組總裝機容量為1MW. 農網(wǎng)末端接入風電機組時的仿真模型如圖6所示.

圖6　風電機組接入農網(wǎng)末端的仿真模型

經(jīng)過補償后的農網(wǎng)首末端電壓波形對比圖如圖7所示.

圖7　風電機組接入后農網(wǎng)首末端電壓波形對比圖

由圖7可以看出，農網(wǎng)的末端電壓有了明顯的提升。經(jīng)過測量，風電機組補償后的農網(wǎng)末端電壓提高到了9.908kV，電壓偏移率下降到了0.92%，已經(jīng)保證了農網(wǎng)末端電壓在供電電壓偏差的允許范圍內. 經(jīng)過風電機組接入末端后的農網(wǎng)，其末端電壓有了明顯的提升.

3.3仿真結果分析

通過觀察仿真結果發(fā)現(xiàn)，風電機組接入農網(wǎng)末端后，農網(wǎng)的末端電壓提升效果顯著，這也證明了風電機組接入農網(wǎng)末端改善其末端電壓方案的可行性. 風力發(fā)電作為清潔能源，能夠較好的改善農網(wǎng)的末端電壓，并且相對于目前較為普遍的解決方法，風力發(fā)電還顯示了其環(huán)保特性，這有助于風力發(fā)電在解決農村電網(wǎng)供電電壓質量問題上的推廣.

4　結束語

本文分析了農村電網(wǎng)電壓偏移的成因，及風電機組接入農網(wǎng)末端對農網(wǎng)末端電壓的影響，通過simulink仿真模塊對其進行仿真分析，對比了風電機組接入前后農網(wǎng)的末端電壓，驗證了方案的可行性， 需要指出的是，風電機組接入將加劇配電網(wǎng)末端電壓波動性，需要對風電機組容量及布局進行合理的優(yōu)化配置，才能更好的發(fā)揮風電機組的作用，這也是日后需要進一步研究的方向.

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(編輯：劉寶江)

Research on improving the voltage quality of ruralpowerdistributionnetworkbasedonwindpowergeneration

GUO Zhao-qi, HU Jian, BIAN Dun-xin, QU Fu-yun

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Ruralpowergridconstructionisrelativelybackwardinourcountry,soitisgenerallylowpowerquality,lowsafetyandreliability.Anewmethodtoimprovetheterminalvoltagequalityofruralpowerdistributionnetworkbasedonwindpowergenerationisproposedinthispaper.Thesimulationresearchonterminalvoltagequalityof10kVruralpowergridbeforeandafterconnectingthewindturbinesshowsthatthevoltagedeviationratedropsto0.92percentfrom9.65percent.Theresultshowsthattheschemecandefinitelyimprovetheterminalvoltagequalityofruralpowergrid.

ruralpowerdistributionnetwork;windpowergeneration;powersupplyquality;energystoragedevice

2016-01-15

郭兆琪，男，18766965023@163.com；

胡健，hujian@sdut.edu.cn

1672-6197(2016)06-0063-04

TM7

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