一種基于穩(wěn)壓控制的分布式電源容量確定方法

國網(wǎng)北京市電力公司 師恩潔

國網(wǎng)北京市電力公司 丁冬

專利局專利審查協(xié)作北京中心 劉勇

1 引言

本文首先根據(jù)接入配電網(wǎng)的分布式電源的V-P關(guān)系，確定了過電壓是引起一系列問題的根源，然后本文中采用了DG運行在超前功率因數(shù)狀態(tài)下，通過吸收無功功率防止系統(tǒng)過電壓，以及消除可能產(chǎn)生的系統(tǒng)波動和電壓崩潰。

本文指出在系統(tǒng)負載最小和發(fā)電功率最大的情況下，系統(tǒng)過電壓最嚴重。這與傳統(tǒng)的負載功率和發(fā)電功率之間的關(guān)系正好相反[1]。本文提出了一種配電網(wǎng)電壓的系統(tǒng)分析方法，提出了一種適于實際應(yīng)用的分布式電源容量確定方法，使饋線電壓和電壓波動在可接受的范圍內(nèi)的同時，使接入的多個分布式電源的容量最大，對變電站中的其他設(shè)備影響最小。與其他方法相比，本方案簡單可靠。

2 電壓-功率關(guān)系 V-P關(guān)系

2.1 傳統(tǒng)的配電網(wǎng)V-P關(guān)系

一個典型的變電站為12路或者8路饋線，這些饋線輻射到多個配電變壓器。許多輸電線需要長距離供電，我國多采用35kV以下配電網(wǎng)，典型的10kV輸電線輸電距離約為10km，輸送功率200～300kW典型的20kV輸電線輸電距離超過20km，輸送功率500～800kW。假定最小負載為峰值負載的30%，整個輸電線路上的電壓值保持在0.94～1.06p.u.[2]。當(dāng)輸電線路上的電壓在正常運行范圍內(nèi)時，配電網(wǎng)中的電路元件可以認為線性阻抗元件。因此，在配電網(wǎng)側(cè)V-P關(guān)系可以由一個戴維南等效電路來研究。

圖1表示在接入DG的配電網(wǎng)戴維南等效電路，V-P關(guān)系曲線可以由下面的式1表示。

圖2表示傳統(tǒng)的沒有分布式發(fā)電設(shè)備，僅有負載接入公共點的典型V-P關(guān)系曲線。此時，當(dāng)負載增加時，由于其功率因數(shù)滯后，負載吸收無功，公共點處的電壓下降。這種情況下，電壓控制非常簡單，僅需要饋線功率增加時，保持母線電壓不下降即可。實際上，一般含有電容補償設(shè)備的變電站低壓側(cè)母線電壓一般保持在1.035～1.055p.u.之內(nèi)。

圖1 分布式發(fā)電設(shè)備戴維南等效電路

但是，當(dāng)配電網(wǎng)側(cè)接入分布式發(fā)電設(shè)備，其發(fā)電功率超過用電功率時（即，產(chǎn)生了一個反向的潮流），分布式發(fā)電設(shè)備輸出功率增加時，饋線電壓增大。由于在最小負載時，典型的饋線電壓保持在電壓上限下0.005p.u.，因此可以接入的DG將非常有限。但是不能為了能夠使饋線接入更多的DG，而降低變電站低壓側(cè)母線電壓，因為其他很多出線側(cè)沒有接入DG，他們與接入DG的饋線接在相同的變電站母線上[3-4]。

圖2 傳統(tǒng)輸電線路V-P關(guān)系曲線

為了在最小負載工況下接入更多的DG而不至于使電壓越限，分布式發(fā)電設(shè)備需要在超前功率因數(shù)下運行，即吸收無功，保持電壓穩(wěn)定[5-6]。但是這樣的運行方式容易產(chǎn)生電壓跌落和比較大的電壓波動，下面的部分重點介紹這部分內(nèi)容。

2.2 DG在單位功率因數(shù)下運行

一般分布式電源多為電力電子接口的發(fā)電設(shè)備，其多采用固定功率因數(shù)運行[3]。公式1中的V-P關(guān)系與傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)中的關(guān)系類似，但是有兩點不同。首先，配電網(wǎng)絡(luò)中電抗與電阻的比例范圍在1～5之間，但是在高壓輸電系統(tǒng)中，這個比例高達10～30。因此，在分析電壓問題時，高壓輸電系統(tǒng)中的經(jīng)常被忽視的電阻分量在配電系統(tǒng)中不能忽略。其次，配單網(wǎng)多為輻射型，其比輸電網(wǎng)絡(luò)相比更脆弱，因此配電網(wǎng)與DG的公共節(jié)點處的電壓受DG輸出功率影響很大[4]。這兩個難題是含有DG配電網(wǎng)很難保持電壓穩(wěn)定的主要原因。

圖3表示在距離35kV變電站20km的公共節(jié)點處的P-V曲線，假設(shè)變電站的容量為800MVA。由圖3可以看出，單位功率運行時，PCC處的電壓隨著功率增加到一定值后開始下降，電壓的變化可以由式(2)表示。其中下標0表示運行點。

等式表示了PCC處電壓與注入功率的關(guān)系，在單位功率因數(shù)下，注入無功ΔQ為0，電壓變化僅僅與輸入有功功率ΔP相關(guān)。在配網(wǎng)中θ0很小，因此為數(shù)，恒定功率P下，等效阻抗中電阻的比例越大，電壓變化越快。當(dāng)時，運行電壓達到最大值。

圖3 單位功率因數(shù)運行DG的PCC處V-P關(guān)系曲線

2.3 DG非單位功率因數(shù)運行

在圖3中，DG的戴維南等效電路的開路電壓V1被設(shè)置是為1p.u.，實際配電系統(tǒng)中的V1在1.035～1.055p.u.之間，由此可見，圖2表示了在DG運行在單位功率因數(shù)時，母線電壓很容易產(chǎn)生過電壓問題。因而，在許多情況下，分布式電源必須工作在超前功率因數(shù)運行方式，來避免系統(tǒng)過電壓。

由公式2可知，在DG不在單位功率因數(shù)下運行時，ΔQ不再是0，PCC處的電壓與ΔQ和ΔP均相關(guān)。當(dāng)功率角θ0為正時，由于因此PCC處的電壓對ΔQ更加敏感。功率因數(shù)的一個輕微變化會引起ΔQ的巨大變化，因此嚴重影響到PCC處的電壓水平。

圖4表示了DG工作在不同的功率因數(shù)下V-P關(guān)系。由圖可以看出，DG可以工作在超前功率因數(shù)的模式下，來避免系統(tǒng)過電壓，但是這種工作模式可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓過低，或者電壓不穩(wěn)定。

圖4 功率因數(shù)不同時PCC處V-P關(guān)系曲線

3 其他影響PCC處電壓的因素

3.1 負荷水平對PCC處電壓的影響

圖5表示了在負荷水平PL=0、PL=2.5MW和PL=5.0MW時的V-P曲線圖，其中藍線表示單位功率因數(shù)運行下的電壓變化，紅線表示功率因數(shù)為-0.99時的電壓變化。

由圖5可以看出：1、DG滯后功率因數(shù)運行時，負荷增加PCC處下降；2、當(dāng)DG以較大的功率因數(shù)運行時，PCC處的電壓會隨著DG功率增大升高到一個高點；3、當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，DG輸出功率增加引起的電壓下降與負荷增加引起的電壓下降疊加在一起；4、最大電壓點與分布式電源的功率因數(shù)有關(guān)。

由于DG輸出功率增加引起的電壓下降與負荷增加引起的電壓下降疊加在一起，因此DG運行工況下的功率因數(shù)必須慎重選擇。

3.2 變電站短路容量的影響

在高壓輸電系統(tǒng)中，線路主要是感性的，阻性分量可以本忽略。但是當(dāng)變電站短路容量較小時，在PCC處較小的X/R就會對系統(tǒng)電壓產(chǎn)生更大的影響。圖6所示的系統(tǒng)中變電站短路容量減少為200MVA，其余參數(shù)與圖5中的相同，圖中可以看出，當(dāng)DG以超前功率因數(shù)運行時，其輸出容量不足20MW時便出現(xiàn)了電壓跌落現(xiàn)象。

圖5 DG單位功率因數(shù)和非單位功率因數(shù)運行下V-P關(guān)系曲線（其中X/R=4.0）

圖6 配電網(wǎng)不同負荷水平下PCC處V-P曲線關(guān)系(其中變電站短路容量200MVA)

4 電壓管理的方法

在接入DG的配電網(wǎng)中，盡管IEEE1547標準[7]建議DG不要主動改變PCC處的電壓，但由于大容量的DG接入產(chǎn)生了電壓波動問題，因此需要采取合適的電壓管理措施。例如，當(dāng)DG對下級電壓進行主動調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致上級配電網(wǎng)不能根據(jù)負載的變化進行主動控制。如前所述，為了避免系統(tǒng)電壓跌落，DG應(yīng)該采用接近單位功率因數(shù)運行；為了防止系統(tǒng)過電壓，DG應(yīng)該采用超前功率因數(shù)運行，為了保持二者的平衡，同時保證系統(tǒng)接入的DG容量最大，應(yīng)該采取以下方法。

1）接入配電網(wǎng)的所有DG應(yīng)該進行固定功率因數(shù)運行，通過對配電系統(tǒng)的分析，確定一個合理的功率因數(shù)值。

2）所有接入配電網(wǎng)的DG容量應(yīng)小于變電站短路容量的20%。

3）當(dāng)接入配電網(wǎng)饋線的DG固定功率因數(shù)運行時，饋線電壓上升應(yīng)小于3%。

4）當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，其吸收無功功率，其功率因數(shù)應(yīng)該不大于0.95。

為了限制短期的電壓波動、功率波動和過電壓問題，通過測量PCC處的V-P曲線來確定合適的DG輸出功率水平，進而確定其運行狀態(tài)下的功率因數(shù)。

5 結(jié)論

通過比較PCC處V-P關(guān)系曲線，本文分析了影響配電網(wǎng)饋線電壓水平的主要因素。然而配電網(wǎng)接入DG以后，為了解決饋線過電壓問題而采取的一些措施，容易引起電壓跌落和波動。本文系統(tǒng)分析了影響母線電壓的因素，給出了在保持電壓在合格的要求下，使接入DG容量最大的方法。

1）DG單位功率因數(shù)運行時，由于配電網(wǎng)饋線的電抗與電阻之比較低，PCC處電壓迅速增加，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；

2）當(dāng)DG采用超前功率因數(shù)運行時，可以在一定程度上避免PCC處的過電壓，但是當(dāng)接入DG容量過大時，當(dāng)負載增加引起的系統(tǒng)電壓降低時，存在系統(tǒng)電壓崩潰的危險；

3）為了解決電壓崩潰問題，可以采用V-P分析的方法確定PCC處電壓在正常范圍內(nèi)時，DG需要的最佳運行功率因數(shù)；

4）所有接入配電網(wǎng)的DG容量應(yīng)小于變電站短路容量的20%，當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，其功率因數(shù)應(yīng)該不大于0.95。

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[4]李晶.分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2011,01:155-159.

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[6]鐘嘉慶,葉治格,盧志剛.分布式發(fā)電注入容量與接入位置的優(yōu)化配置分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2012,07:50-55.

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