微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與求解方法

姚志遠(yuǎn) 王宇

摘 要：在全球暖化（GlobalWarming）議題及環(huán)保壓力下，促使再生能源發(fā)電的比列必須提高以減少采用碳基燃料（Carbon-BasedFuels）為主的火力發(fā)電。因此，電力公司在面對(duì)電力供應(yīng)的高品質(zhì)以及減少環(huán)境污染的要求下，必須從系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及管理等方面著手方可達(dá)成上述目標(biāo)。本文首先針對(duì)各國(guó)微型電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)況進(jìn)行相關(guān)探討，藉以了解微型電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并選定該文所欲探討分析之低壓微型電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)；此外，就目前常見(jiàn)且可行之三相電力潮流分析方法與技巧中，擇一穩(wěn)定性高、收斂性佳的方法，在Matlab環(huán)境下撰寫(xiě)程序，以作為后續(xù)應(yīng)用模擬分析所需之工具。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng) 系統(tǒng) 架構(gòu) 方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0043-01

1 微型電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)況

微型電網(wǎng)整合分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能組件于配電系統(tǒng)所形成之新的電力系統(tǒng)型態(tài)，可以并入大型電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)或獨(dú)里自主運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，歐美與日本等先進(jìn)國(guó)家，在微型電網(wǎng)的發(fā)展上皆屬領(lǐng)先的地位，茲就其發(fā)展現(xiàn)況詳述如下：

對(duì)于發(fā)展微型電網(wǎng)的概念與微型電網(wǎng)電源控制和建置示范系統(tǒng)之研究計(jì)劃與論文，如微型電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)概念[1]，在文獻(xiàn)中，也對(duì)于實(shí)功率與虛功率之控制、電壓調(diào)整策略、電力電子式之電源轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)、微型電源間功率分擔(dān)、和應(yīng)用靜態(tài)開(kāi)關(guān)（StaticSwitch）做運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換等研究不管在理論上或?qū)崉?wù)上都有許多的貢獻(xiàn)。

另外，由N.Hatziargyriou，H.Asano等人所發(fā)表之“MicroGrids”中[1]，將目前在歐美、日本和加拿大正進(jìn)行的微型電網(wǎng)的研究、發(fā)展及示范系統(tǒng)做一綜合探討，在文中提到歐盟所資助的微型電網(wǎng)的兩個(gè)主要研究計(jì)劃。

第一個(gè)的計(jì)劃（1998-2002）主題為“MicroGrids：LargeScaleIntegrationofMicro-GenerationtoLowVoltageGrids”，該計(jì)劃已順利完成相關(guān)研究工作，如ISET參與此研究所建構(gòu)的微型電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室[1]。

第二個(gè)計(jì)劃（2002-2006）主題為“MoreMicroGrids：AdvancedArchitecturesandControlConceptsforMoreMicrogrids”，該計(jì)劃主要以實(shí)務(wù)性質(zhì)為主，并分別在歐盟各示范點(diǎn)建置示范系統(tǒng)，的微型電網(wǎng)。

綜觀以上各國(guó)對(duì)微型電網(wǎng)的研究可使該文了解目前所要面對(duì)的問(wèn)題與未來(lái)極需解決的問(wèn)題及對(duì)環(huán)境所造成的影響。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該文的研究乃以低壓微型電網(wǎng)為主，首要的任務(wù)為系統(tǒng)架構(gòu)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，由于各國(guó)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施不盡相同，因此既有的配電系統(tǒng)型態(tài)再經(jīng)整合分布式資源后自然形成各種不同型態(tài)的微型電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，綜觀相關(guān)文獻(xiàn)所提的系統(tǒng)架構(gòu)后決定以歐盟微型電網(wǎng)計(jì)劃“ENK5-CT-2002-00610”設(shè)計(jì)的交流低壓400 V微型電網(wǎng)作為模擬、分析的標(biāo)的系統(tǒng)。

分布式資源并入微型電網(wǎng)前后的系統(tǒng)架構(gòu)是由一臺(tái)額定容量400 kVA、高壓側(cè)電壓20 kV、低壓側(cè)電壓0.4 kV、頻率50 Hz的配電變壓器，以及包括太陽(yáng)能電池、燃料電池、蓄電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微渦輪機(jī)等分散型資源所組成，因此非常適合本論文所欲研究探討的議題「低壓微型電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)研究」，是故，該文將以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)模擬與分析。

3 系統(tǒng)參數(shù)

本節(jié)主要的目的在介紹微型電網(wǎng)執(zhí)行連續(xù)三相電力潮流程序時(shí)必須準(zhǔn)備的相關(guān)資源與系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，經(jīng)整理后可得微型電網(wǎng)系統(tǒng)單線(xiàn)圖，該系統(tǒng)包含高低壓側(cè)共有14個(gè)母線(xiàn)，線(xiàn)路長(zhǎng)度最長(zhǎng)處為345 m（自Bus1至Bus10），其中Bus1設(shè)定為搖擺母線(xiàn)（SwingBus），其余Bus8（住宅類(lèi)）、Bus9（住宅類(lèi)）、Bus10（工業(yè)類(lèi)）、Bus12（商業(yè)類(lèi)）及Bus13（住宅類(lèi)）為負(fù)載母線(xiàn)；另外，分布式資源并入的母線(xiàn)分別為Bus14（30 kW蓄電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)）、Bus9（10 kW太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、10 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)）、Bus10（10 kW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)）、Bus12（30 kW微渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)）及Bus13（3 kW太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)）。

（1）配電變壓器資料。

該系統(tǒng)的配電變壓器相關(guān)參數(shù)資料，其額定容量為400 kVA、高低壓側(cè)額定電壓分別為20 kV/0.4 kV、標(biāo)么電抗及電阻值分別為0.04pu及0.01pu。

（2）負(fù)載資源。

各負(fù)載母線(xiàn)上的住宅類(lèi)、工業(yè)類(lèi)與商業(yè)類(lèi)典型日負(fù)載曲線(xiàn)，各負(fù)載母線(xiàn)的尖峰（最大）負(fù)載量，將上述各類(lèi)負(fù)載曲線(xiàn)及其尖峰負(fù)載量二者結(jié)合，即可繪制出各負(fù)載母線(xiàn)的實(shí)功及虛功日負(fù)載曲線(xiàn)[2]。

（3）線(xiàn)路阻抗資料。

導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格及其對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度阻抗資源，所列的阻抗奧姆值將在系統(tǒng)統(tǒng)一基準(zhǔn)值條件下標(biāo)么化。

4 組件數(shù)學(xué)模型

舉凡組成微型電網(wǎng)的分布式資源、導(dǎo)線(xiàn)、配電變壓器、電電容器與負(fù)載等設(shè)施均為執(zhí)行電力潮流所需的電路元件，上述組件在電力潮流分析過(guò)程中皆必須以適合的數(shù)學(xué)模型表示方可反應(yīng)該組件的實(shí)際物理特性。茲就相關(guān)組件模型分述如下：

（1）分布式資源模型。

該文所探討的低壓微型電網(wǎng)中共整合微型發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)二大類(lèi)，其中蓄電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)僅作為系統(tǒng)轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)支撐系統(tǒng)電壓的用，亦即系統(tǒng)由并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)。為維持瞬時(shí)電壓穩(wěn)定的功能，因此，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)分析時(shí)不納入電力調(diào)度輸出功率的考量中，是故，執(zhí)行電力潮流分析時(shí)僅就微型發(fā)電系統(tǒng)部分進(jìn)行電力調(diào)度。一般而言，此一微型發(fā)電系統(tǒng)可依其特性與控制方式將其設(shè)定為輸出固定功率因數(shù)與功率，因此，部分文獻(xiàn)中將其視為定實(shí)功率-虛功率模型和定實(shí)功率-電壓模型，就分析技術(shù)層面而言，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本論文將其視為定實(shí)功率-虛功率模型[3]。

（2）導(dǎo)線(xiàn)模型。

該文的導(dǎo)線(xiàn)模型皆以型等效電力模型表示[3]。其中，對(duì)串聯(lián)阻抗而言，原始三相四線(xiàn)式線(xiàn)路模型所示，將原始串聯(lián)阻抗矩陣以克隆降階法降階，即可求得隱含中性線(xiàn)或接地線(xiàn)效應(yīng)的三相線(xiàn)路等效模型，其原始導(dǎo)納矩陣，降階后的三相線(xiàn)路等效模型的母線(xiàn)組件關(guān)聯(lián)矩陣，并利用推導(dǎo)公式[3]求出將三相線(xiàn)路解耦合后，即可得到的三相線(xiàn)路解耦合等效模型.

參考文獻(xiàn)

[1]黃莉，衛(wèi)志農(nóng)，韋延方，等.智能用電互動(dòng)體系和運(yùn)營(yíng)模式研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（8）：2230-2237.

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