微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真與分析

符楊，胡鵬，湯波，賴圣聰

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；2.國(guó)網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海200010；3.國(guó)網(wǎng)泰順供電公司，浙江泰順325500)

微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真與分析

符楊1，胡鵬2，湯波1，賴圣聰3

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；2.國(guó)網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海200010；3.國(guó)網(wǎng)泰順供電公司，浙江泰順325500)

隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展，有關(guān)微網(wǎng)的研究也相繼展開，特別是微網(wǎng)與電網(wǎng)的銜接及其自身的孤網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題。為了更加直觀地研究不同功率交換模式下微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，引入了滲透率的概念，并運(yùn)用DIgSILENT搭建了微網(wǎng)仿真模型。微網(wǎng)模型中包含了常規(guī)類分布式電源：風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及微型燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)觀察不同滲透率下電壓、頻率、功角的變化，分析微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了不同模式下微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響的觀察，探討了造成影響的潛在因素以及抑制不利因素的措施，通過(guò)觀察母線電壓的變化驗(yàn)證了儲(chǔ)能電池維持電壓平衡的功用。

微網(wǎng)；滲透率；DIgSILENT；電壓；頻率；功角

電力工業(yè)長(zhǎng)期采用集中大容量發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸配電的模式，隨著近年來(lái)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其弊端日益凸顯[1]。隨著分布式電源的應(yīng)用，電力系統(tǒng)存在的不足逐漸得到了緩解。但是，分布式電源的應(yīng)用過(guò)程中仍然存在著很多問(wèn)題。分布式電源是一種不可控電源，并網(wǎng)后電網(wǎng)中潮流不易控制，所以往往采取限制、隔離的方式來(lái)減小分布式電源對(duì)大電網(wǎng)的沖擊和影響[2-3]。微網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于其可以將分布式電源、用戶負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等相結(jié)合，形成單一可控的單元，并且在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)微網(wǎng)可以孤網(wǎng)運(yùn)行，保證其內(nèi)部一部分負(fù)荷需求，減少停電損失。但是，微網(wǎng)大規(guī)模的接入會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布、暫態(tài)故障特性產(chǎn)生重大影響，亦會(huì)給大電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行和保護(hù)控制及緊急控制方案等帶來(lái)新的問(wèn)題[4]，所以有必要對(duì)微網(wǎng)接入大電網(wǎng)后的一系列影響及運(yùn)行策略體系進(jìn)行研究。

目前有關(guān)微網(wǎng)在不同滲透率下并網(wǎng)運(yùn)行與孤網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)研究比較少，本文就這一問(wèn)題展開研究。

1 微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響及能量交換

微網(wǎng)不但將各種分布式電源優(yōu)化整合后作為整體通過(guò)公共連接點(diǎn)PCC接入電網(wǎng)，并且可以通過(guò)開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)與孤網(wǎng)運(yùn)行。微網(wǎng)的接入將原來(lái)的單一電源單一潮流流向的大電網(wǎng)變成了多電源多潮流分布的復(fù)雜性電網(wǎng)。

微網(wǎng)不僅可以作為電網(wǎng)的終端從電網(wǎng)吸收能量，也可以作為電網(wǎng)的電源，將自身多余能量輸送給電網(wǎng)，改變傳統(tǒng)電網(wǎng)能量單一流向的局限性。微網(wǎng)的接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓、頻率、功角等產(chǎn)生影響，含有微網(wǎng)接入的大電網(wǎng)在受到不同大小的擾動(dòng)時(shí)所受到的影響也不同。

為方便研究不同滲透率下微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，定義微網(wǎng)的滲透率為微網(wǎng)與電網(wǎng)的交換功率占電力系統(tǒng)總功率的比例[5]，即：

微網(wǎng)與電網(wǎng)的交換功率為：

2 仿真框架的搭建

本文的仿真算例采用某機(jī)構(gòu)研究模型[6]優(yōu)化而來(lái)，在DIg-SILENT中搭建此模型，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 仿真算例結(jié)構(gòu)

分布式電源及部分低壓負(fù)荷組成本文仿真中的微網(wǎng)，將電壓等級(jí)為0.4 kV的微網(wǎng)通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)PCC接入電壓等級(jí)為10 kV的電網(wǎng)中。微網(wǎng)中的分布式電源包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)；光伏發(fā)電經(jīng)過(guò)逆變器PWM_PV接入微網(wǎng)，儲(chǔ)能電池經(jīng)過(guò)逆變器PWM_battery接入微網(wǎng)。其中風(fēng)機(jī)采用P-Q控制，儲(chǔ)能電池采用V/f控制(電壓控制*=1.05 kV)。

設(shè)定該系統(tǒng)中10 kV電網(wǎng)總負(fù)荷為3.6 MW，微網(wǎng)中總負(fù)荷為0.468 MW，該微網(wǎng)的滲透率取值范圍為－9.7%臆臆9.3%。在系統(tǒng)運(yùn)行0.3 s后設(shè)置PCC節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路接地故障，依據(jù)微網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，微網(wǎng)應(yīng)快速切除。所以在系統(tǒng)運(yùn)行0.38 s時(shí)將微網(wǎng)從10 kV電網(wǎng)中切除，并且在系統(tǒng)運(yùn)行0.5 s時(shí)將蓄電池并入微網(wǎng)以維持微網(wǎng)內(nèi)部電壓的穩(wěn)定。仿真過(guò)程中，保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變，通過(guò)改變微網(wǎng)的滲透率來(lái)觀察在不同滲透率下各母線的靜態(tài)電壓、動(dòng)態(tài)電壓、動(dòng)態(tài)頻率、功角的變化。

3 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析是為了確定各母線電壓如何隨著滲透率的變化而變化，此次仿真設(shè)定微網(wǎng)滲透率變化及各分布式電源功率如表1。

表1 滲透率變化及各分布式電源功率

當(dāng)＞0時(shí)，10 kV電網(wǎng)中各母線電壓標(biāo)幺值變化如圖2所示。由圖2可知，在＞0的情況下，隨著滲透率的不斷增大，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下各母線電壓也不斷增大，各母線的電壓標(biāo)幺值越來(lái)越接近1，說(shuō)明在電力系統(tǒng)中，微網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)倒送的功率對(duì)母線電壓起到了支撐作用。

圖2 滲透率大于0時(shí)各母線電壓變化

當(dāng)＜0時(shí)，各母線電壓標(biāo)幺值變化如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)＜0時(shí)，隨著滲透率絕對(duì)值的增加，母線電壓標(biāo)幺值在一定范圍(0～1.8%)內(nèi)越來(lái)越接近1，但是當(dāng)滲透率絕對(duì)值大于1.8%后，母線電壓隨著滲透率的增大而降低。這說(shuō)明并不是微網(wǎng)的滲透率越大對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越有利，當(dāng)滲透率過(guò)大時(shí)反而會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成不利的影響。

圖3 滲透率小于0時(shí)各母線電壓變化

4 動(dòng)態(tài)特性分析

動(dòng)態(tài)特性分析的目的在于直觀地觀察電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后各母線的電壓、頻率及功角的變化，觀察不同滲透率下微網(wǎng)切除后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，并且分析產(chǎn)生影響的潛在因素。

4.1 動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

圖4 滲透率大于0時(shí)故障后各母線電壓變化

微網(wǎng)從電網(wǎng)中切除進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行后，母線L1、L5在發(fā)生故障時(shí)電壓大幅下降。在故障切除后由于微網(wǎng)內(nèi)部存在充裕的電源出力，足以滿足孤網(wǎng)狀態(tài)下微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷需求，所以各母線電壓逐漸恢復(fù)為正常值。微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源提供的功率支撐在電壓恢復(fù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，但是隨著滲透率的變化，電壓恢復(fù)速度不同，滲透率越大系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度越快。

母線L8為光伏發(fā)電與儲(chǔ)能電池的公共母線，由圖4可知，當(dāng)微網(wǎng)脫離電網(wǎng)后，系統(tǒng)運(yùn)行0.5 s時(shí)由于儲(chǔ)能電池并網(wǎng)，L5電壓恢復(fù)速度加快且接近控制值=1.05。說(shuō)明在微網(wǎng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能類電源不但可以為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)荷需求提供電能，也可以為故障系統(tǒng)提供電壓支撐。當(dāng)=9.3%時(shí)，母線L8電壓已經(jīng)無(wú)法控制在正常值范圍內(nèi)，說(shuō)明并非滲透率越大，微網(wǎng)脫離故障電網(wǎng)孤島運(yùn)行后的恢復(fù)速度越快，若滲透率過(guò)大反而會(huì)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行造成負(fù)面影響。

圖5 滲透率小于0時(shí)故障后各母線電壓變化

微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行后，母線L1、L5、L8電壓亦恢復(fù)為正常值，且在儲(chǔ)能電池并入后恢復(fù)速度加快。但孤網(wǎng)運(yùn)行0.1 s后，孤網(wǎng)內(nèi)母線電壓已呈現(xiàn)超出正常值趨勢(shì)，當(dāng)滲透率增大至9.7%時(shí)，電壓發(fā)生較大的振蕩且微網(wǎng)內(nèi)部各母線電壓已不可控。

由以上各母線動(dòng)態(tài)電壓分析可知，在適當(dāng)?shù)娜≈捣秶鷥?nèi)，滲透率越高，故障后系統(tǒng)的電壓恢復(fù)效果越好；但是當(dāng)滲透率過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)故障后各母線電壓呈現(xiàn)不可控狀態(tài)，可見滲透率并非越高好，過(guò)高的滲透率反而會(huì)加劇系統(tǒng)的崩潰。

4.2 動(dòng)態(tài)頻率分析

圖6 滲透率大于0時(shí)故障后各母線頻率變化

圖7 滲透率小于0時(shí)故障后各母線頻率變化

微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行后，微網(wǎng)內(nèi)母線L1、L5、L8的頻率均在經(jīng)歷過(guò)振蕩后恢復(fù)為正常值，由母線L1、L5頻率動(dòng)態(tài)圖可知，滲透率=－4.4%時(shí)頻率的恢復(fù)水平強(qiáng)于=－1.8%時(shí)的恢復(fù)水平，但當(dāng)滲透率過(guò)大即|=9.7%時(shí)，母線頻率已經(jīng)完全不可控。母線L8為光伏及儲(chǔ)能電池的公共母線，L8頻率振蕩在光伏電池并網(wǎng)后得到了較大的抑制，但由于母線上逆變器等電子元件會(huì)產(chǎn)生諧波，頻率在趨于穩(wěn)定后仍會(huì)有小幅震蕩。

4.3 功角穩(wěn)定性分析

功角穩(wěn)定性分析的目的在于觀察電力系統(tǒng)受干擾后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間相互運(yùn)動(dòng)的情況，通過(guò)觀察功角隨時(shí)間變化的特性來(lái)作為判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的依據(jù)。發(fā)生故障并切除微網(wǎng)后母線M2功角變化如圖8所示。當(dāng)＞0時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障后，母線M2功角發(fā)生同步振蕩，且隨著滲透率的增大，震蕩周期亦增大。

圖8 滲透率大于0時(shí)系統(tǒng)故障后母線M2功角變化

圖9 滲透率小于0時(shí)系統(tǒng)故障后母線M2功角變化

5 結(jié)論

通過(guò)本文的仿真可知，不同滲透率下微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的電壓、頻率、功角的影響有著較大的差異。微網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的電壓提供一定的支撐；對(duì)頻率的大幅度波動(dòng)起到一定的抑制作用；脫離主網(wǎng)運(yùn)行后會(huì)對(duì)主網(wǎng)的功角穩(wěn)定性產(chǎn)生不良的影響；但是，并非交換的功率越多系統(tǒng)越穩(wěn)定。比如在本文的仿真模型中，當(dāng)滲透率大于0時(shí)可取最優(yōu)滲透率為9.3%；當(dāng)滲透率小于0時(shí)可取最優(yōu)滲透率為－9.7%。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可以采取切機(jī)或者切除部分負(fù)荷或者加裝調(diào)速器以維持系統(tǒng)的功率平衡。

[1]蘇玲，張建華，王利，等.微電網(wǎng)相關(guān)問(wèn)題及技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19):235-239.

[2]REZA M,SCHAVEMAKER P H,SLOOTWEG J G,et al.Impacts of distributed generation penetration levels on power system transient stability[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting.Chicago:IEEE,2002:862-867.

[3]肖宏飛，劉士榮，鄭凌蔚，等.微型電網(wǎng)技術(shù)研究初探[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(8):115-119.

[4]撖奧洋，鄧星，文明浩，等.高滲透率下大電網(wǎng)應(yīng)對(duì)微網(wǎng)接入的策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(1):78-83.

[5]吳耀文，馬溪原，孫元章，等.微網(wǎng)高滲透率接入后的綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估與分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(13):49-54.

[6]彭克，王成山，李琰，等.典型中低壓微電網(wǎng)算例系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，24(1):25-30.

Simulation and analysis influence of microgrids on power grid stability

FU Yang1,HU Peng2,TANG Bo1,LAI Sheng-Cong3

The research on microgrid had been started with the rapid developing of smart grids recent years, especially in the field of the connection between microgrid and grid,also in the field of the running of grid-island.The penetration rate and DIgSILENT were imported in order to study the influence of microgrid in different power exchange model.Numerous conventional distributed generators,such as wind power,photovoltaic generation,micro gas turbine,were contained of microgrid.The analysis of impact of microgrids on power grid was made.The impact that caused by microgrid in different sets of patterns was researched and the factors that bring about the influence and measures of inhibiting influence were discussed.One function of battery which was maintaining the voltage was verified.

microgrid;penetration rate;DIgSILENT;voltage;frequency;power angle

TM 727

A

1002-087 X(2015)03-0556-05

2014-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177098)；上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(11dz1210405)；上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J51303)

符楊(1968—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃、電力變壓器故障診斷。