接入風電與就地補償電容器組的配網潮流分析

黃勃 陳永明

摘 要：隨著配電網中分布式風電電源的不斷增加，由于其出力的隨機性，對配電網潮流分布產生較大影響。本文從異步風力發電機的基本模型出發，考慮配電網就地并聯電容器組與弱環狀電網拓撲結構的影響，對接入風電與電容組的配電網潮流進行計算，支撐配電網自動化系統中高級應用功能的實現。

關鍵詞：風力發電 補償電容 配電網 潮流計算

中圖分類號：TM761.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0020-02

由于分布式風電具有環境友好、靈活配置、可持續發展的特點，目前配電網中接入的分布式風電數量不斷增加[1-3]。配電網的網架結構，也從單一輻射狀網絡變成了多電源分布的弱環網結構，因此，傳統的配電網潮流計算需要加以改進，才能支撐配電網自動化、配電網重構等高級應用功能的開發。

1 風力發電模型

1.1 PQ（V）穩態模型

異步發電機具有工作可靠、性能優良的特點，常用來作為風力發電機。異步發電機缺少電壓調整功能，因此電路模型不能等價于電壓恒定的PV節點。由于異步只能依靠外加電壓建立旋轉磁場，需要從電網中吸收無功，因此無功功率與轉速、端部電壓相關，采用PQ（V）模型如圖1所示[4]。

由圖1的可以推出異步風力發電機的出力與功率因數分別為：

其中，為風力發電機有功出力、U為配電網接入節點的電壓；為異步發電機定子電抗與轉子電抗之和；r為轉子電阻；為激磁電抗；s為轉差率；r為機械負載等效電阻。

由上式可以求出轉差率s為：

當風電機周邊的外界風速確定后，可以求出異步風力發電機的無功出力：

1.2 并聯電容器組模型

在分布式異步發電機附近，通過就地接入并聯電容器組，可以補充風力發電機消耗的無功功率，通過電容器投切的不同配置方式，確保異步風力發電機組的無功消耗可以進行就地平衡。設定并聯電容器組數量為n，則風電機組端部的功率因數可以如下計算：

2 配電網絡拓撲結構分析

配電網的基本拓撲結構是建立潮流計算的基礎構成成分。本文采用動態創建的結構型節點數組，首先構造配電網節點結構如下。

struct node{

int Node_ID； //節點名

int Node_Father； //父節點名

double P； //節點有功負荷

double Q； // 節點無功負荷

double U； //節點電壓幅值

double Angle；}； //節點電壓相角

采用拓撲廣度搜索算法，尋找節點之間的連接關系（如圖2所示），按照節點搜索的先后順序進入動態數組。

在程序中構建饋線結構如下。

struct line{

int line_id； //饋線編號

double R； //支路電阻

double X； //支路電抗

double P； //饋線有功

double Q；}； //饋線無功

采用補償電流法，對具有弱環網結構的拓撲進行處理，彌補傳統潮流計算方法只能適用于樹狀網絡的缺點。具體方法是在選擇某一環網節點進行開斷，用開斷之前的電氣量參數（通常是電流或功率）模擬開短之前的配電潮流狀態，如3所示。

3 接入風電與就地電容的潮流計算

3.1 改進之前的方法

傳統的潮流計算方法主要是：（1）建立網絡拓撲結構；（2）建立配電網各節點的等效潮流節點模型；（3）構造節點原始電壓數據；（4）運用節點電壓數據，求取支路上的傳輸電流；（5）計算從端部節點到首端節點的注入功率；（6）更新支路電壓損耗，并迭代計算節點電壓；（7）判斷計算精度的收斂條件是否滿足。

3.2 改進之后的潮流算法

由于異步風力發電機的等效模型，從傳統電源的P-Q類型，轉變為P-Q（V）模型。因此，在潮流計算過程中，必須增加相應的調整函數，完整的改進潮流算法如圖4所示。

4 結語

由于配電網中不斷增加的分布式風電電源，對配電網潮流產生較大的隨機性沖擊，此外，考慮到異步電機需要從外部吸收無功，建立發電機旋轉磁場，因此必須在配電網接入點就地增加補償電容。本文首先建立了風力發電的數學模型，對傳統電源節點的P-Q模型進行改進，形成新的P-Q（V）模型，推導出風電機輸出有功與無功功率公式。在此基礎上，應用補償電流法對弱環網進行開環分析，建立了改進的配電網潮流計算方法。該方法相對于傳統的運算方法更加簡潔明確，計算結果精度高且收斂速度能夠滿足工程應用。

參考文獻

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

[2] 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.

[3] 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）：42-61.

[4] Abur H Singh，Liu H，Klingensmith WN.Three phase power flow for distribution systems with dispersed generation[Z].Sevilla：14th PSCC，2002.