針對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷突變的可再生能源系統(tǒng)并網(wǎng)算法研究

湯耀景，徐惜瓊，石帥，王瑞

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000）

針對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷突變的可再生能源系統(tǒng)并網(wǎng)算法研究

湯耀景，徐惜瓊，石帥，王瑞

（國(guó)網(wǎng)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(tǒng)）的推廣需要考慮特定電網(wǎng)的供求量、氣象及地理特性，以預(yù)測(cè)合理的RPS容量及最優(yōu)經(jīng)濟(jì)配比，從而達(dá)到建設(shè)成本的最優(yōu)。一種合理的并網(wǎng)算法，能夠保證RPC與負(fù)荷需求的供需平衡，同時(shí)保障電網(wǎng)的電壓水平。利用一個(gè)模擬電網(wǎng)模型，基于潮流算法設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)負(fù)荷突變的RPS并網(wǎng)穩(wěn)定算法，以確保電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷突變與RPS的供需平衡及電能質(zhì)量。

可再生能源系統(tǒng)；負(fù)荷突變；無(wú)功功率

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的成熟與推廣，供電來(lái)源從傳統(tǒng)能源向可再生能源等多能源供給方向發(fā)展。面對(duì)RPS（可再生能源系統(tǒng)）并網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)與趨勢(shì)。文獻(xiàn)[1]介紹了利用HOMER設(shè)計(jì)可持續(xù)能源系統(tǒng)各因素配比，以達(dá)到最低成本凈現(xiàn)值。然而，在RPS運(yùn)行過(guò)程中，電力負(fù)荷突變影響著穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

基于RPS經(jīng)濟(jì)建設(shè)模型[1]，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷突變的平衡算法，以保證RPS的穩(wěn)態(tài)供求平衡。

1 系統(tǒng)介紹及設(shè)計(jì)原理

1.1 RPS的成本優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[1]中介紹的RPS模型，以直流系統(tǒng)為能量交換中心，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為發(fā)電來(lái)源，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)及調(diào)度輔助。逆變器被設(shè)置為該微型系統(tǒng)和電網(wǎng)的接口，以控制有功、無(wú)功功率輸出，優(yōu)化電能質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 微型可再生發(fā)電系統(tǒng)

結(jié)合發(fā)電區(qū)域的電網(wǎng)負(fù)荷、氣候及地理參數(shù)，通過(guò)HOMER對(duì)模型進(jìn)行最低成本凈現(xiàn)值分析，可獲得設(shè)備種類及數(shù)量的最優(yōu)配比。

通過(guò)針對(duì)換流器的定電流及定功率控制程序的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)輸出保持在理想范圍之內(nèi)，形成最優(yōu)成本下的定功率輸出特性。

1.2 潮流算法流程

作為普遍應(yīng)用的電網(wǎng)潮流算法，牛頓-拉弗遜算法基于線性計(jì)算原理[2]，對(duì)于潮流算法而言，主要基于平衡節(jié)點(diǎn)、PU節(jié)點(diǎn)和PQ節(jié)點(diǎn)，三者在潮流算法中的作用如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)特性

利用3類節(jié)點(diǎn)的特性，牛頓-拉弗遜潮流算法的計(jì)算方法在文獻(xiàn)[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(wǎng)負(fù)荷突變平衡算法設(shè)計(jì)

2.1 算法流程

農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)距離主網(wǎng)架較遠(yuǎn)，無(wú)法有效得到電能的足夠供應(yīng)。為保證該類區(qū)域的電能有效供應(yīng)，RPS逐步在推廣建設(shè)。然而該類區(qū)域電力硬件基礎(chǔ)較為薄弱，自身調(diào)節(jié)能力有限，因此設(shè)計(jì)一種解決負(fù)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(wú)功功率平衡的基礎(chǔ)上，需使系統(tǒng)的電壓保持在合理的范圍之內(nèi)。本文介紹算法分為3步，如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)負(fù)荷突變平衡算法流程

2.2 供求失衡的判斷

在電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控中，通過(guò)分布于網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的負(fù)荷變化及電能質(zhì)量[4]。

由于各線路損耗的不同，電能供應(yīng)與負(fù)荷的平衡值會(huì)隨不同節(jié)點(diǎn)的供電與用電情況而不同。因此，在實(shí)時(shí)電網(wǎng)中當(dāng)負(fù)荷有所波動(dòng)時(shí)，電能供應(yīng)與負(fù)荷平衡首先需要通過(guò)潮流算法來(lái)判斷，以確定電網(wǎng)是否具備足夠供電能力。

2.3 確定有功功率

如判斷電網(wǎng)無(wú)法提供足夠電能，那么需要計(jì)算RPS需提供的有功功率值。

在這一過(guò)程中，假定RPS無(wú)功功率輸出量為0，計(jì)算電網(wǎng)有功功率需求值Pren。基于此有功功率提供量，計(jì)算整個(gè)電網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)電壓水平是否在合理范圍之內(nèi)，確定是否需要無(wú)功功率補(bǔ)充，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓水平。

2.4 補(bǔ)償無(wú)功功率

在確定了有功功率后，需要保證電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)電壓均在合理范圍之內(nèi)，以此確定所需的無(wú)功功率補(bǔ)償量，主要步驟如圖4所示。

步驟1：根據(jù)計(jì)算得到的有功功率Pren，再次通過(guò)牛頓潮流算法計(jì)算整個(gè)電網(wǎng)的電壓。若所有節(jié)點(diǎn)電壓水平保持在合理范圍之內(nèi)，則RPS有功功率輸出確定為Pren；若有節(jié)點(diǎn)電壓在合理范圍之外，則進(jìn)入下一步驟。

步驟2：在原始的模型內(nèi)，注入RPS有功功率Pre，計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)保持在合理電壓范圍之內(nèi)的無(wú)功功率輸出區(qū)間為Qre，min至Qre，max。

為保證各節(jié)點(diǎn)電壓均具有一定裕度，將RPS無(wú)功功率的輸出量確定為合理區(qū)間的中間值，即：

圖4 無(wú)功功率補(bǔ)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(shí)時(shí)功率Pe，則PQre，chosen= PQre。

如若PQre不等于RPS的實(shí)時(shí)功率Pe，那么其有功功率值可進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整，按照以下方法，即：

按照以上3個(gè)步驟，當(dāng)目標(biāo)電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷突變升高時(shí)，可確定RPS的功率合理提供量Pre，chosen和Qre，chosen，同時(shí)確保電網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的電壓均在合理范圍之內(nèi)。

3 電網(wǎng)負(fù)荷突變平衡算法仿真

3.1 測(cè)試電網(wǎng)

模擬電網(wǎng)來(lái)源于參考文獻(xiàn)[5]。電力供應(yīng)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(gè)負(fù)載平均消耗負(fù)荷，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗1.79 MW的功率。該系統(tǒng)的線路長(zhǎng)度如表2所示。

表2 線路長(zhǎng)度

線路參數(shù)標(biāo)幺值為：R=0.000 456；X=0.002 4；B/2=0.000 141；C/2=0.000 084 8。

電網(wǎng)的電壓等級(jí)為10 kV，76.63 MW是電網(wǎng)能夠提供的最大電能，將保證電壓穩(wěn)定在10 kV。

假定在節(jié)點(diǎn)15發(fā)生了0.5 MW和0.1 Mvar的負(fù)荷提升，對(duì)電網(wǎng)造成了一定的沖擊。為了保證穩(wěn)定，可以利用RPS去補(bǔ)充電能。在節(jié)點(diǎn)15串接了1個(gè)RPS1，作為主要供應(yīng)點(diǎn)，另1個(gè)RPS2串接在節(jié)點(diǎn)23，作為次級(jí)供應(yīng)點(diǎn)。設(shè)置次級(jí)供應(yīng)點(diǎn)23的原因是，該節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)15有最長(zhǎng)的距離，相對(duì)來(lái)說(shuō)是電能補(bǔ)充條件最差的節(jié)點(diǎn)。

3.2 判斷供求失衡

在此情況下如沒有電力供應(yīng)補(bǔ)充，通過(guò)潮流算法，可確定所有節(jié)點(diǎn)的正常電壓水平將如表3所示。

表3 負(fù)荷突增后電網(wǎng)電壓水平

由于電網(wǎng)原來(lái)工作在電能供應(yīng)最高值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生負(fù)荷升高時(shí)，則電能供求不足。

3.3 確定有功功率

如果僅有RPS1供應(yīng)電能，則通過(guò)潮流算法，可確定在節(jié)點(diǎn)15需要0.499 3 MW和2.075 7 Mvar的電能補(bǔ)充。

如果RPS的發(fā)電容量大于0.499 3 MW，那么1個(gè)RPS在節(jié)點(diǎn)15便可提供足量的電能。經(jīng)過(guò)能量補(bǔ)充后的電網(wǎng)電壓及誤差比如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)RPS1電能的充分補(bǔ)充，所有節(jié)點(diǎn)電壓均在正常范圍之內(nèi)。

如果RPS的峰值容量為0.3 MW，那么在節(jié)點(diǎn)15 RPS1不能提供充足電能。因此，需要并入另1個(gè)RPS來(lái)補(bǔ)充電能。

若RPS2在節(jié)點(diǎn)15處并網(wǎng)，那么RPS2僅需補(bǔ)充0.199 3 MW的有功功率即可，通過(guò)潮流計(jì)算表明，電網(wǎng)電壓和RPS1能夠提供足夠電能時(shí)一致。

若RPS2在節(jié)點(diǎn)23處并網(wǎng)，那么同樣可令RPS2提供0.199 3 MW的有功量來(lái)補(bǔ)充電能。

3.4 補(bǔ)償無(wú)功功率

在確定了RPS1和RPS2的有功功率后，利用潮流計(jì)算可確定RPS2的無(wú)功功率輸出量對(duì)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)電壓的影響水平，如圖6所示。

在電壓變化區(qū)間可得出RPS2的無(wú)功輸出為：

圖5 模擬電網(wǎng)

表4 RPS1電能補(bǔ)充后電網(wǎng)電壓水平

圖6 RPS 2無(wú)功功率補(bǔ)充下的系統(tǒng)電壓

同樣依據(jù)上述方法，可以確定RPS1的無(wú)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(jīng)過(guò)2個(gè)RPS的協(xié)同補(bǔ)充后，電網(wǎng)的電壓及誤差比如表5所示。

表5 RPS 2電能補(bǔ)充后電網(wǎng)電壓水平

可見，通過(guò)RPS2的電能補(bǔ)充，電網(wǎng)內(nèi)所有點(diǎn)的電壓誤差均保持在5%合理范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不同位置RPS對(duì)于電網(wǎng)電能的協(xié)同有效補(bǔ)充。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著分布式能源系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，RPS并入電網(wǎng)已成為了一種趨勢(shì)[6]。利用一個(gè)電網(wǎng)模型，提出了針對(duì)負(fù)荷突變的可再生能源并網(wǎng)算法，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可再生能源的應(yīng)用提供了有益借鑒，也是對(duì)文獻(xiàn)[1]RPS并網(wǎng)建設(shè)一文的后續(xù)補(bǔ)充。

[1]湯耀景.基于HOMER的微型可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[G]//浙江省電力學(xué)會(huì)2013年度優(yōu)秀論文集[C].北京∶中國(guó)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(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學(xué)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(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(hù)工作。