分布式電源對配電網(wǎng)電壓驟降影響的仿真研究

王強，夏成軍，唐智文

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東廣州 510623；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640；3.中國移動通信集團廣東有限公司河源分公司，廣東河源 51700）

國家電網(wǎng)公司2013年2月27日發(fā)布了《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，給予符合條件的太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風能、地熱能、海洋能、資源綜合利用發(fā)電等提供并網(wǎng)條件，積極促進分布式能源發(fā)展，這意味著中國大力推進分布式電源的發(fā)展，進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，這無疑為企業(yè)發(fā)展分布式電源提供了良好的契機。

分布式電源（Distributed Generation）通常指功率為數(shù)千瓦至幾十兆瓦小型模塊式、與環(huán)境兼容的獨立電源，由電力部門、用戶或第三方所有，以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求。通?？拷摵山K端，形成微電網(wǎng)能獨立運行或與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)，一般接在380 V和10 kV線路上。與傳統(tǒng)遠離負荷中心依靠遠距離輸配的電源相比，分布式電源被直接安裝在負荷所在的配電網(wǎng)絡(luò)中，無需通過電網(wǎng)輸送[1-3]。

分布式電源接入配電網(wǎng)將會改變配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，使配電網(wǎng)從一個輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變[4-5]，這種變化必將對配電網(wǎng)電壓驟降產(chǎn)生影響。

電壓驟降在IEEE標準中被定義為：供電系統(tǒng)中某點的工頻電壓有效值降至額定值的0.1 ～0.9 pu并在隨后的10 ms ～1 min的短暫持續(xù)期后恢復正常。當幅值低于0.1 pu、持續(xù)時間在10 ms ～3 s短時間的電壓變化被稱為瞬時供電中斷[6-9]。

本文將針對分布式電源接入配電網(wǎng)的特點，運用電磁暫態(tài)仿真PSCAD/EMTDC軟件建立分布式電源模型，仿真計算比較分布式電源在不同故障類型、并網(wǎng)方式、容量、接入位置等因素下對電壓驟降的影響，得到分布式電源緩解電壓驟降問題的策略。

1 分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓驟降的影響

分布式電源的位置一般靠近負荷中心，可假設(shè)分布式電源的接入在負荷節(jié)點上，對于n節(jié)點系統(tǒng)，其潮流方程式如下：

由式（1）和式（2）可得式（3）：

式中：Vi，θi分別為節(jié)點i電壓的幅值和相角；PGi為接入節(jié)點i處的分布式電源的有功出力；PDi為節(jié)點i處負荷的有功功率。

由上述公式可以看出，分布式電源接入后，使配電網(wǎng)的潮流發(fā)生變化，各節(jié)點的電壓與分布式電源出力和接入位置等因素密切相關(guān)。

因此當區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)或鄰近區(qū)域發(fā)生電壓驟降時，分布式電源反饋電力將有效緩解分布式電源周圍的電壓驟降，但是分布式電源本身的頻繁啟停、發(fā)電量不穩(wěn)定將對配電網(wǎng)其他用戶供電電壓產(chǎn)生沖擊。

在分析分布式電源對配電網(wǎng)電壓驟降的影響前，需要明確分布式電源的并網(wǎng)方式，通常考慮以下2種類型的DG：

1）同步發(fā)電機型DG。主要指DG通過同步發(fā)電機方式并入電網(wǎng)。

2）逆變器型DG。主要指DG通過換流器形式并入電網(wǎng)。

每種形式DG的典型容量范圍及其與電網(wǎng)的并網(wǎng)方式如表1所示[10-14]。

1.1 同步發(fā)電機型分布式電源模型

地熱能、海洋能發(fā)出的是交流電，可通過同步發(fā)電機與電網(wǎng)連接[15]。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中同步發(fā)電機模型如圖1所示，隱極電機和凸極電極均可采用此模型。接線端含義及相關(guān)描述如下：

圖1 同步發(fā)電機形式DG模型Fig.1 The DG model of the synchronous generator

A、B和C是發(fā)電機的三相電氣結(jié)點，輸出三相電壓；右端w是速度控制方式下的發(fā)電機速度控制輸入值，Te和Tm是發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用多質(zhì)塊模型時的輸出端，用于次暫態(tài)振蕩仿真；Ef0、Ef、If用于連接勵磁控制系統(tǒng)；下端w是采用轉(zhuǎn)矩控制方式時發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出端。Tm是機械轉(zhuǎn)矩輸入端，通常與汽輪機或水輪機相連，也可以采用定轉(zhuǎn)矩控制（與Sample and Hold模塊相連）。

同步發(fā)電機啟動分為3個階段：第一階段，以理想電源啟動，根據(jù)電壓、相角和其他參數(shù)計算潮流，并根據(jù)潮流結(jié)果計算Ef0和下端的w、Tm0值，分別將Ef0和下端w，Tm0傳輸給勵磁系統(tǒng)和原動機模型；第二階段，釋放勵磁系統(tǒng)和原動機的控制，發(fā)電機由電壓源模型轉(zhuǎn)化為限制發(fā)電機模型，此時勵磁調(diào)速初始化發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變；第三階段，釋放發(fā)電機轉(zhuǎn)子，發(fā)電機由限制發(fā)電機模型轉(zhuǎn)化為自由發(fā)電機模型，此時勵磁系統(tǒng)和原動機及調(diào)速器就可以根據(jù)系統(tǒng)變化調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速[16-21]。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程如下表示：

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；A為角加速度；Ω為機械角速度；Θ為機械角位移；ΔMa為凈加速度轉(zhuǎn)矩；MT為原動機的轉(zhuǎn)矩；Me為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

本文同步發(fā)電機詳細標幺值參數(shù)：同步電抗取2.570、暫態(tài)電抗取0.248，次暫態(tài)電抗取0.172，時間常數(shù)取2.5（這些參數(shù)均以各感應電動機自身容量為基準值）。

1.2 逆變器型DG模型

太陽能光伏發(fā)電、燃料電池和儲能系統(tǒng)發(fā)出的是直流電，需要通過逆變器與電網(wǎng)連接，并網(wǎng)接口采用電壓源型逆變器，控制器采用簡單的PI控制策略[22-23]，逆變器形式DG模型如圖2所示。

圖2中，dcVltg、dcCur分別為直流端電壓和電流；VA、VB、VC分別為交流側(cè)三相電壓值；RMS 3 Phase、Power分別為三相電壓有效值和有功/無功測量器；Timed Breaker Logic是開關(guān)BRK2的控制器，控制開關(guān)的開合時間；g1、g2、g3、g4、g5、g6分別為逆變器的觸發(fā)脈沖。

逆變器形式DG的觸發(fā)脈沖控制電路如圖3所示。

圖2 逆變器形式DG模型Fig.2 The DG model of the inverter

圖3 逆變器式DG的觸發(fā)脈沖控制電路Fig.3 Control circuit of trigger pulse for inverter DG

本文根據(jù)分布式電源的類型和控制策略，仿真比較分析分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓驟降的影響。

2 研究算例分析與仿真

某配電系統(tǒng)的單相接線圖如圖4所示。本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC對圖4建立仿真模型，仿真分析分布式電源并網(wǎng)方式、容量和接入位置對電壓驟降的影響。網(wǎng)絡(luò)采用的參數(shù)全部為現(xiàn)場的實際參數(shù)，本仿真網(wǎng)絡(luò)有5條饋線，在PSCAD/EMTDC建模中將220 kV的母線作為恒壓源供電，線路考慮采用∏模型，負荷采用恒阻抗負荷等值模型。

圖4 供電系統(tǒng)單線圖Fig.4 Single line figure of power supply system

在仿真中作以下假設(shè):

1）故障發(fā)生后繼電保護裝置可靠動作。

2）不考慮故障后的重合閘。

3）1.0 s發(fā)生故障，故障持續(xù)時間取0.3 s。

4）DG不參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)。

2.1 分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓驟降的影響

將節(jié)點2接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG，假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障，考察DG接入對饋線Line1和Line2電壓驟降的影響。

從圖5可以看出，在沒有分布式電源支撐的情況下，饋線Line3處的短路故障將會造成其附近饋線發(fā)生不同程度的電壓驟降。相反，當配電網(wǎng)中接有分布式電源時，將明顯改善分布式電壓周圍的電壓驟降。對于接有分布式電源的饋線Line2，將有效緩解該饋線電壓驟降幅值跌落的深度。對于未接分布式電源的饋線，由于分布式電源將Line2的首端電壓抬高，造成配電系統(tǒng)負荷潮流發(fā)生變化，也將緩解其他饋線電壓驟降的幅值，但緩解程度明顯比饋線Line2小。

2.2 不同故障類型下分布式電源對配電網(wǎng)電壓驟降的影響

將節(jié)點2接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG，考察DG在饋線Line3發(fā)生對稱和不對稱故障對饋線Line2電壓驟降的影響。

由圖6可以看出，對于由對稱故障引起的電壓驟降，分布式電源的接入將有效抑制饋線處電壓驟降幅值的下降，能夠起到阻止電壓驟降的作用。

圖6 對稱故障下DG接入前后饋線Line2電壓驟降波形Fig.6 The waveform of voltage sags on Line2 at the symmetrical fault before and after interconnection of DG

中心點不接地系統(tǒng)在正常運行時，各相對地電壓都是相電壓，而當發(fā)生不對稱故障（單相接地故障）時，大地的電位就是故障相的電壓，所以非故障相對地的電壓變成線電壓。由圖7、圖8可以看出，若是由不對稱故障引起的電壓驟降，分布式電源的接入雖然可抑制故障相電壓驟降，但是會造成非故障相電壓幅值抬高，甚至可能引起電壓驟升，加重電壓升高現(xiàn)象。因此，分布式電源對因不同故障類型引起的電壓驟降影響是不同的。

2.3 分布式電源并網(wǎng)方式對電壓驟降的影響

將節(jié)點2分別接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG和逆變器型DG，假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障，考察DG在不同的并網(wǎng)方式下對饋線Line2電壓驟降的影響程度。

由表2可以看出，分布式電源并網(wǎng)方式對電壓驟降特征參數(shù)的影響差別較明顯。同步發(fā)電機在抑制電壓驟降幅值方面較逆變器形式DG強。相反，由于同步發(fā)電機形式DG在對外部調(diào)制信號的響應速度上明顯慢于逆變器形式DG，因此同步發(fā)電機形式DG減少電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變的能力明顯不如逆變器形式DG。

圖7 不對稱故障下DG接入前后饋線Line2故障相電壓驟降波形Fig.7 The waveform of voltage sags on Line 2 at the asymmetrical fault before and after interconnection of DG

圖8 不對稱故障下DG接入前后饋線Line2非故障相電壓驟降波形Fig.8 The non-fault phase waveform of voltage sags on Line 2 at asymmetrical fault before and after interconnection of DG

表2 不同并網(wǎng)方式饋線Line2電壓驟降特征參數(shù)Tab.2 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different interconnection types

逆變器形式DG控制策略一般是基于閉環(huán)SPWM進行控制，通過比較實際輸出值與給定值產(chǎn)生誤差，由PI控制器產(chǎn)生驅(qū)動信號以控制逆變器形式DG輸出的功率和電壓值，因此逆變器形式DG的輸出受外部參數(shù)和控制方式影響較敏感，在抑制電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變方面的能力較強。

2.4 分布式電源接入容量對電壓驟降的影響

隨著電網(wǎng)中分布式電源能量滲透率的升高，將對大電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布的暫態(tài)故障電流分布產(chǎn)生重大影響，造成配電網(wǎng)無法運行[24-27]。

本文假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障，考察低滲透率DG接入不同容量對饋線Line2電壓驟降的影響程度。

由表3可以看出，在低滲透率下，隨著分布式電源容量的增大，抑制饋線Line2電壓驟降的幅值能力越強，但對電壓驟降的持續(xù)時間和相位跳變2個特征參數(shù)影響不大。在不改變DG接入位置和并網(wǎng)方式的情況下，電壓驟降幅值是由分布式電源的容量大小來決定，容量越大，抑制電壓驟降幅值能力越強。當節(jié)點2接入5 MV·A容量分布式電源DG后，可以有效抑制該饋線驟降幅值為0.45 pu的電壓驟降。

表3 不同容量DG下饋線Line2電壓驟降特征參數(shù)Tab.3 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different capacities of DG

2.5 分布式電源安裝位置對電壓驟降的影響

首先假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障，考察分別在饋線末端和變電站低壓母線側(cè)接入不同容量DG對饋線Line2電壓驟降的影響。

由圖9可以看出，在10 kV系統(tǒng)發(fā)生故障，無論在線路末端還是變電站10 kV母線側(cè)接入分布式電源，都能夠起到線路末端電壓達到抑制電壓驟降的作用。但要取得相同的抑制電壓驟降的效果，安裝在電網(wǎng)的變電站10 kV母線側(cè)DG的容量要遠遠大于安裝在饋線末端，電壓驟降幅值為0.7 ～0.9 pu，安裝在變電站低壓側(cè)的容量約是安裝在饋線末端的2 ～3倍，在電壓驟降深度較大的情況下，安裝在變電站低壓側(cè)的容量將為安裝在饋線末端容量的4 ～5倍[28]。

圖9 不同接入位置的DG容量Fig.9 Capability of DG related to different locations

3 結(jié)論

本文基于分布式電源接入配電網(wǎng)的特點，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立分布式電源模型，研究分布式電源并網(wǎng)方式、安裝容量和接入位置對配電網(wǎng)電壓驟降的影響，仿真結(jié)果對合理配置配電網(wǎng)中分布式電源具有較高的參考價值。結(jié)合以上分析，得到主要結(jié)論如下：

1）配電網(wǎng)接入分布式電源，將有效緩解分布式電源周圍的電壓驟降。

2）分布式電源的接入將有效抑制因?qū)ΨQ故障引起的電壓驟降，但對于由不對稱故障引起的電壓驟降，分布式電源的接入可能會造成非故障相電壓幅值抬高，甚至可能引起電壓驟升。

3）同步發(fā)電機型DG在抑制電壓驟降幅值方面較逆變器型DG強，但減少電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變的能力卻明顯不如逆變器形式DG。

4）合理配置分布式電源的并網(wǎng)方式、容量和接入位置能更好地緩解電壓驟降問題。

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